استحصال آب ازهوا

 

چکیده

باتوجه به منابع آب موجود در جهان تامین آب شیرین یکی ازمهم ترین مسایل پیش روی دولتمردان کشورهای خشک وکم آب است.متداول ترین روش های موجود برای شیرین سازی روش های حرارتی وغشایی هستند که مناسب برای تولید آب درظرفیت های بالاهستند.یکی دیگرازروش های تولیدآب شیرین استفاده ازرطوبت هوا است که برای مناطق گرم ومرطوب وظرفیت های پایین پیشنهاد شده اند.این سیستم هاکه ازانرژی خورشیدبرای تبخیرآب وافزایش رطوبت هوا وازسرمایش زمین برای رطوبت زدایی آن استفاده می کنندبه سیستم های تولید آب چگالشی معروف هستند و در کشورهای آفریقای شمالی توجه زیادی را به خود جلب کرده است وهم اکنون نمونه های کوچک آن درتونس والجزایراستفاده می شوند در این سیستم هاهوای گرم و مرطوب به داخل لوله های مدفون درزمین هدایت می شود و درآنجابه دلیل انتقال حرارت بازمین خنک می گردد و بخارموجود درهوا به صورت آب درمی آید با استفاده ازلوله های سوراخ دار می توان ازاین سیستم ها برای مصارف کشاورزی وهوادهی خاک استفاده نمود.همچنین برای مصارف خوراکی می توان آب را در انتهای لوله جمع آوری نمود.نتایج مطالعات نشان می دهد که  درمناطق گرم ومرطوب می توان با استفاده از سیستم تولیدآب چگالشی به طورمیانگین8/1کیلوگرم آب در روز در یک متر استحصال نمود. به طور کلی منابع مورد استفاده در استحصال آب براي تامین نیاز بشر عبارتند از1) آب هاي زیرزمینی، 2) آب هاي جاري بر روي سطح زمین 3) آب هاي موجود در هوا ، که در این تحقیق به بررسی موضوع تامین آب از سومین منبع، یعنی آب هاي موجود در هوا خواهیم پرداخت و از این میان به طور خاص به بحث روش استحصال آب از مه می پردازیم. اشاره کوتاهی به تاریخچه استفاده از این روش در استحصال آب می کنیم. در مسیر بررسی پدید هي استحصال آب از مه، لازم است به بحث پی شبینی تشکیل مه و متغیرهاي رطوبت (فشاربخار -فشار بخار اشباع-رطوبت نسبی- رطوبت ویژه) نیز نگاهی کوتاه بیندازیم. در ادامه به توضیح تئوريها و تکنیک هاي استحصال آب (تولید آب از هوا)از مه و انواع مه ها خواهیم پرداخت.

مقدمه

آب ماده حیاتی است که به طور یکنواخت در سطح کره زمین موجود نیست ونقاط مختلف کره زمین با کمبودآب مواجه هستند.آب ازدوبعداقتصادی وبهداشتی حائز اهمیت است زیرا به حرکت درآورنده ی چرخ صنعت ورونق بخش فعالیت های کشاورزی می باشدوهمچنین آب سالم تضمین کننده سلامت انسان است بر اساس محاسبات انجام گرفته از سوي سازمان ملل متحد در سراسر جهان به  ویژه در کشورهاي در حال توسعه تقریبا 2/1 میلیارد نفر از نعمت آب آشامیدنی سالم بی بهره اند، 6/2 میلیارد نفر، یعنی تقریبا نیمی از جمعیت جهان، حتی از امکانات و تجهیزات بهداشتی همچون دستشویی و لوله کشی فاضلاب محروم اند.

در مناطق خشک و نیمه خشک تعداد رودخانه ها و دریاچه ها کم و فاصله میان آنها زیاد می باشد، از سوي دیگر دسترسی به منابع دیگر آب مستلزم وجود دانش فنی، سرمایه و انگیزه به کارگیري آن می باشد. در دهه هاي اخیر دانشمندان براي پاسخگویی به نیازهاي آبی ناشی از رشد جمعیت همواره در فکر بهبود چگونگی استفاده از منابع موجود و بهره گیري از منابع جدید بوده اند. بارش هاي جوي هر ساله میلیاردها متر مکعب آب منابع سطحی و زیرزمینی کره ي زمین را تغذیه میکند، اما بهره گیري از این منابع به دلیل پراکندگی زمانی و مکانی نامناسب براي برآورده نمودن کلیه نیاز ها تکافو نمی کند. در این تحقیق به بررسی شیوه ي استحصال آب از مه، که یکی از منابع آبی محسوب می شود،خواهیم پرداخت. به ندرت به این موضوع توجه می شود که در دنیا مخازن طبیعی آب زیادي به شکل بخار آب وجود دارد. در چرخه هیدرولیکی، تمام بخار آب ناشی از تابش انرژي خورشید به نزولات تبدیل نمی شود، بلکه بخشی از بخار آب به دلیل پایین بودن تراکم به بارش تبدیل نگردیده و به صورت مرئی یا نامرئی در فضا پراکنده می شود. حال مسئله مهم این است که چگونه می توان این نیروي بالقوه را به فعلیت درآورد. در سا ل هاي اخیر پژوهشگران با استفاده از قوانین ساده فیزیکی موفق به جمع آوري مه و رطوبت بالاي هوا و تبدیل آنها به آب شیرین و گوارا شده اند. در شرایط آب و هوایی ایران علی رغم وجود مکان هایی که بعضا آن مناطق را در بعضی از ماه ها قطب رطوبتی کره زمین دانسته اند تاکنون در خصوص استحصال آب از رطوبت هوا به جز کوشش هاي فردي و پراکند هاي که بعضی افراد با انگیزه شخصی انجام داده اند، فعالیتی سازمان یافته و برنامه ریزي شده که نهادي مسئول و پیگیر آن باشد، صورت نگرفته است .

با مراجعه به مدارك و اسناد در دسترس و مذاکره با تعدادي از اساتید آب و هواشناسی کشور معلوم گردید که اولاً در ایران پروژه مشخصی در خصوص استحصال آب از رطوبت هوا به اجرا در نیامده است، در ثانی متفقا تحقیق و بررسی در این مورد را براي کشور مفید دانسته و بعضاً توصیه کردند که قبل از عملیاتی کردن استحصال آب از مه یا رطوبت هوا لازم است یک تحقیق و بررسی نظري با هدف تعیین امکان پذیري آن از نظر وجود پتانسیل به عمل آید.

وضعیت آب درجهان

حجم آب های زمین درحدود386/1میلیاردمترمکعب است که تقریبا70درصدازکره زمین راپوشانده است ولی سهم کمی ازآب های موجودبرای مصارف بهداشتی وکشاورزی قابل استفاده می باشد.آب اقیانوس ها ودریاها و اغلب دریاچه ها به علت شوری بیش ازحدوداشتن املاح مدنی برای مقاصد بهداشتی وکشاورزی وصنعتی غیرقابل استفاده است.تنها5/2درصدازاین آب ها شیرین می باشدکه توزیع آن درحوزه های مختلف درشکل زیرنمایش داده شده است

وضعیت مصرف آب در جهان

درحال حاضربیش از25کشوردر جهان با بحران کمبودآب مواجه هستند و حدود5/1میلیارد نفر به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارندو7/1میلیاردنیزدرآستانه شرایط بحرانی کمبود آب قراردارندوتاسال 2025حدس زده می شود که ازجمعیت کل جهان با کمبود آب مواجه شوند.

وضعیت منابع وسرانه آب درایران

کشورایران1/1درصدازمساحت کل جهان رابه خوداختصاص داده است امافقط34/0درصدازآب های موجوددرجهان رادراختیاردارد.ایران دارای اقلیم آب وهوایی خشک و نیمه خشک است ومیزان بارندگی درآن یک چهارم بارندگی متوسط در جهان است ایران یکی ازفقیرترین کشورهاازلحاظ منابع آبی سرانه درجهان می باشد.

تاریخچه استفاده ازروش استحصال آب ازرطوبت هوا – تولید اب از هوا

شاید، پیش از آغاز زراعت و کشاورزي، تولیدآب ازهوا ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. مشاهده گیاهانی که به طور طبیعی، رطوبت هوا را به صورت شبنم برروي برگ هاي خود ظاهر می کردند و یا در زمان مه هاي غلیظ، باریک هاي از جریان آب برروي تنه آنها قابل مشاهده بود، امکان پذیري تهیه آب از مه و هواي مرطوب را در اذهان قوت می بخشید. جمع آوري مه توسط گیاهان و انجام آزمایشات علمی و تجربی روي رابطه ریزش وپوشش گیاهی از اواخر قرن هجدهم شروع شده است. از طرف دیگر جمع آوري مه هاي وزشی توسط جمع کننده هاي مصنوعی ساخت بشر یک زمینه نسبتاً جدید تحقیقات را ایجاد کرده است. در مناطقی که تهیه آب به مقادیر کم ،حتی با هزینه زیاد توجیه پذیر است، طراحی و ساخت دستگاه هایی که با مصرف  انرژي، یک سیستم خنک کننده ایجاد می کنند و با استخراج رطوبت از هوا و تراکم آن به آب، مقادیري آب شیرین تولید می کند، عملاً رایج گردیده است. اکنون لازم است که به توضیح پیرامون مه و انواع آن و شرایط محیطی و ترمودینامیکی لازم جهت تشکیل آن بپردازیم و متغیرهاي موثر در تشکیل مه و شبنم که فرآیندي بسیار شبیه مه دارد را بیان نماییم و نقش رطوبت در این پدیده ها را ذکر کنیم.

توابع لازم در پدیده استحصال آب از مه و رطوبت هواتولید اب از هوا

فاکتورهاي لازم و همین طور کمیت آب حاصل از جمع آوري مه و رطوبت، تابعی از 1) دما 2) باد می باشند .

1)دما و رطوبت  

  • در استحصال آب از رطوبت هوا، م یبایست بخار آب به حالت اشباع برسد. به دو طریق، یکی افزایش رطوبت به هوا و دیگري با کاهش دماي هوا، بخار آب موجود در هوا ،می تواند اشباع شود. حالت اول توسط تبخیر و یا مخلوط شدن هواي مرطوب با هوایی که رطوبت آن کم است صورت م یگیرد و حالت دوم با اشباع شدن از طریق کاهش هوا با صعود و انبساط به صورت بی دررو سرد شود.
  • هوا در اثر تماس با یک سطح سرد که در زیر آن قرار دارد، سرد شود.
  • اختلاط توده هاي هواي گرم و سرد باعث شود تا دماي توده هواي گر متر کاهش یابد. دما، که به روش هاي زیر می تواند، اتفاق بیافتد:

به طور کلی رطوبت هوا یا بخار آب از طریق تبخیر آب صورت می گیرد. میزان تبخیر و سرعت آن نیز متناسب با دماي آب می باشد و هر چه هواي مجاور آب، ذرات بیشتري از مایع را در خود جاي داده باشد.

تعداد زیادتري از همان ذرات قادرند به داخل مایع باز گردند و از این رو میزان خالص تبخیر کم می شود. به همین دلیل است که در هواي خشک، تبخیر بیشتر از هواي مرطوب صورت می گیرد.

بنابراین می توان نتیجه گرفت مقدار رطوبت موجود در هوا بستگی زیادي به وضعیت دما دارد. چنان که دماي بالا موجب می شود که فشار بخار اشباع، بالا رود و ظرفیت پذیرش بخار آب جو نیز بالا رود.

2)دماورطوبت هوا

چنانچه هواي نزدیک سطح زمین به نقطه شبنم برسد امکان تشکیل مه فراهم می آید. اگر دماي هوا پس از تشکیل مه زیاد گردد مه از هم پاشیده خواهد شد. به عبارت دیگر پس از گرم شدن هوا مه اصطلاحاً بلند شده یا می سوزد، حال آن که مه صعود نمی کند بلکه در اثر گرم شدن هوا تبخیر می شود. در اثر تزریق هواي مرطوب به یک منطقه سرد یا تزریق هواي سرد از ساحل به دریا ایجاد مه فرارفتی یا انتقال افقی حرارت و رطوبت می شود، که نحوه تشکیل آن در ساحل و دریا به گونه زیر می باشد:

  • اگر از خشکی (سرد) به دریا (رطوبت) رود، باعث تشکیل مه در دریا به علت کاهش دما می باشد.
  • اگر از دریا(رطوبت) به خشکی(سرد) رود، باعث تشکیل مه در ساحل و خشکی به علت افزایش رطوبت می باشد.

استحصال از مه که در سواحل و جزایر هرمزگان، حالت دوم را شامل می شود، بدین شرح است که هواي گرم و مرطوب از روي سطح سرد زمین عبور می کند. معمولاً جریان هاي دریایی باعث جابجایی هواي گرم شده و هر زمان که این هواي گرم در اثر باد روي قسمت هاي سرد سطح زمین برده می شود، مه ساحلی ایجاد می گردد. این امکان هم وجود داشته که مانند حالت اول، مه بر روي دریاي کنار ساحل ایجاد شده و از طریق باد به منطقه ساحلی کشیده گردد. در هر حال عامل اصلی هر دو حالت، تفاوت دماي بین سطح آب و خشکی است که به وسیله باد به روي همدیگر عبور داده می شود و باعث ایجاد مه می گردد .

باد 

سرعت باد عملاً در ایجاد دو پدید هي بخار آب، جهت شکل گرفتن هواي مرطوب و هم در تولید مه، جهت عبور هواي مرطوب به جسم سرد دخالت داشته و نقش مهم دارد.

در ایجاد هواي مرطوب که ابتدا می بایست تبخیر آب برقرار گردد، عامل باد تا یک حد معین باعث جابجایی و دور شدن بخار آب از سطح مایع تبخیر شونده، موثر بوده و میزان رطوبت در بالاي آب را در حد پایین نگه می دارد.

مانند این که وقتی بدن خود را در هواي گرم باد میزنیم، رطوبت را که به شکل بخار در آمده از روي پوست بدن دور می کنیم، بدین طریق میزان تبخیر را افزایش می دهیم. این عمل باعث افزایش مصرف گرما به منظور تأمین گرماي نهان تبخیر از بدن می گردد. در ایجاد پدیده مه ، عامل باد از فاکتورهاي اصلی بوده، چراکه با وجود آن گردش هواي مرطوب به روي هواي سرد و بالعکس میسر می گردد. همچنین ضخامت مه به غیر از عواملی مانند رطوبت و دما، به باد نیز بستگی دارد .

توزیع زمانی وفضایی تشکیل مه و رطوبت هوا 

شرایط تشکیل مه 

به طور کلی براي تشکیل ابر و مه باید هواي مرطوب، سرد شود و دماي آن به زیر نقطه شبنم برسد، لیکن به لحاظ فضایی ابر هنگامی تشکیل می شود که هوا با صعود و انبساط خود به طور بی درو خنک شود، اما مه از طریق سرد شدن هوا در اثر تماس و مخلوط شدن و یا اشباع هوا از قطرات آب تشکیل می گردد. وقوع پدیده مه و یا برطرف شدن آن بستگی به دماي هواي سطح زمین دارد. به این صورت که چنانچه دماي هواي مجاور سطح زمین به نقطه شبنم برسد، مه تشکیل شده و چنانچه دما افزایش یابد مه از بین خواهد رفت. براساس تحقیقات انجام شده براي ایجاد مه، عوامل اولیه اي (اشباع هوادرسطح وآسمان صاف شبانه وخاک های نمناک وگیاهان مرطوب حاصل ازباران و وزش بادملایم وحرکت افقی توده ی هوای نسبتا گرم ازنواحی ساحلی قطبی یا نواحی استوایی ونقطه شبنم بالا و وزش بادازیک منبع مرطوب ) وجود دارد که ترکیبی از این عوامل، احتمال وقوع مه را افزایش می دهد.

استحصال آب از مه و رطوبت هوا (استحصال اب از هوا)

غیر از حالات طبیعی بارندگی، بارش هاي غیر ابري از به اشباع رساندن مه و رطوبت بالاي هوا از طریق پرده فلزي که در بسیاري از مناطق گرمسیري ساحلی و مناطق کوهستانی وجود دارد شکل می گیرد. این پرده ها رطوبت موجود در هوا و مه را جذب و به قطره هاي آب تبدیل می کنند که به استحصال آب از مه و رطوبت هوا موسوم هستند. یادآوري می نماید افزایش بخار آب در هوا باعث رطوبت بالا می گردد .

از رطوبت 70 درصد به بالا چنانچه دماي هوا مقداري باشد که با کمترین دما به نقطه شبنم برسیم، اشباع و بارش خواهیم داشت، همچنین اگر این درصد رطوبت هوا با ذرات معلق هوا که هسته میعان را تشکیل می دهند، ترکیب شود مه ایجاد می گردد.

البته این شرایط بیشتر در رطوبت 94 درصد به بالا شکل می گیرد. به همین دلیل جنس تشکیل دهنده هر دو پدیده براي استحصال آب از مه و رطوبت بالا، بخار آب یا رطوبت هوا می باشد .

مکانیزم استحصال آب از مه – تولید اب از مه

چگالش بخار آب جوي مستلزم اشباع توده هاي هوا و نیز حضور ذرات ریز جامدي (هسته هاي چگالش ) است که به نوعی نقش محمل هاي آب یا یخ را ایفا می کنند. بنابراین نزولات جوي اشکال متعددي اعم از مایع و یا یخ زده را به خود می گیرند. قطرات باران داراي قطر5/0تا تقریبا 5 میلی متر هستند و محدوده ي سرعت سقوط آنها از 2 تا 9 متر برثانیه متفاوت می باشد. قطرات باران ریز داراي قطر 40 میکرومتر تا 5/0 میلی متر و سرعت سقوط آنها کمتر از 1 سانتی متر برثانیه تا حدود 5 سانتیمتر برثانیه است. درمورد قطرك هاي مه نیز سرعت هاي سقوط به قدري پائین هست که حتی در بادهاي خیلی آرام، قطرات تقریبا به صورت افقی جابجا می شود و این بدین معنی است که جمع کننده مناسب براي قطرك هاي مه می تواند یک سطح قائم یا تقریبا قائم باشد .درختان سبز با ارتفاع و ساختار برگ مناسب می توانند جمع کننده هاي خوبی باشند و جمع کننده هاي مصنوعی به کار گرفته شده نیز براي تامین آب، به شکل صفحات شبک هاي قائم ساخته می شوند.

در استحصال آب از مه (تولید اب از هوا) می‌بایست تجمع هایی که در منطقه وجود دارد شناسایی نمود، یعنی قبل از هر چیزي باید از تشکیل مه در منطقه و طول مدت فصل مه آگاهی پیدا کرد. مطالعه آمار تعداد روزهاي همراه با مه در طول سال از روي آمار موجود ایستگاه هاي هواشناسی (سینوپتیک) در این زمینه ضروري می باشد. از آنجایی که ابرها توسط باد به محل مورد نظر جابجا می شوند و مه نیز از میان جمع کننده ها توسط باد جابجا می شوند، عکس العمل موقعیت هاي توپوگرافی کوچک و بزرگ با اثر بر باد، به میزان زیادي موقعیت محل انتخاب شده را تعیین می کنند .برخی از عوامل مهم جغرافیایی موثر در دوام و پایداري مه به صورت زیر می باشد:

الف)الگوهای جامع باد                              ب)جهت                        پ)فاصله ازخط ساحلی

بعد از پتانسیل سنجی در طرح استحصال آب از مه(تولید اب از هوا)، طراحی و ساخت یک سیستم جمع کننده، انتقال، ذخیره و توزیع آب می باشد.

یک جمع کننده مه به صورت ساده عبارت است از یک تور با منافذ ریز و وسایلی که آن را در یک حالت قائم پا برجا نگه می دارند. جمع کننده شامل دو تیر قائم است که در سوراخی در سطح زمین قرار گرفته و با سنگ یا سیمان ثابت شده اند.

تور در بین این دو تیر قائم نصب شده است. جنس تور معمولاً به صورت فلز بوده و باید از جنسی باشد که قبلاً توسط پژوهشگران تائید شده باشد .یک ناودان از جنسPVC از زیر کابل پائین متصل به زیر تور آویزان می باشد که به منظور جمع آوري آب تعبیه شده است. لوله هایی نیز براي انتقال آب از ناودان به مخزن یا منبع آب نیز در انتهاي این جمع کننده نصب شده اند . می دانیم که مه متشکل از میلیون ها قطره ي آب است .

هنگامی که قطرات آب موجود در مه به توري برخورد می کنند، موجب تراکم و انباشته شدن روي هم می شوند، در نهایت جریان نازکی از آب به سمت منبع جمع کننده سرازیر می گردد. خاطر نشان می سازد بسته به تراکم مه و دماي هوا (بخصوص در زمان افت دما و عدم تابش مستقیم خورشید)، دستگاه توري گاهی اوقات حتی بدون منبع تغذیه ضعیف جهت سردشدگی می باشد. شرایطی که هواي نزدیک به اشباعی مانند مه براي اشباع لازم دارد، اجسام کم گرمتر نسبت به هواي محیط می باشد. عملاً مه به دستگاه توري به دلیل جسم سرد یا کم گرمتر می چسبد و تراکم ایجاد می گردد. بدیهی است در مناطقی با رطوبتی بالا، تبخیر آب هاي سطحی بسیار ناچیز بوده و اجسام نیز گرماي کمتري نسبت به مناطق خشک دارند.

نمونه هاي از دستگاه استحصال آب در هرمزگان 

نمونه هایی از ایستگاه هاي استحصال آب – تولید اب که تاکنون اجرا شده 

در حال حاضر کشورهاي مختلفی در جهان از جمله شیلی، پرو و عمان ازاین طرح در سطح وسیعی براي تولید منابع آبی جدید استفاده می کنند، بعنوان مثال در سال 1992 با بکار بردن سیستم استحصال آب از مه، در مناطق ساحلی خشک شمال شیلی روزانه بطور متوسط 11 هزار لیتر آب تولید شد.

در کشور عزیزمان ایران اسلامی آستارا با 220 روز و جزیره کیش با 213روز همراه با مه، بیشترین طول فصل مه را دارا می باشند. براي مثال از دو درخت زیتون کوچک مجاور هم در ناحیه ظفار در عمان بطور متوسط مقدار آب حاصله برابر 860 لیتر در روز بطور متوسط براي یک دوره 79 روزه در سال 1989 و 580 لیتر در روز در یک دوره زمانی 83 روزه در سال  1990 بصورت قطره چکیده شد . این درختان در یک محیط بادي قرار گرفته بودند و به صورت تقریباً ثابتی درمه و باران به ویژه سبک قرار داشتند.

نتیجه گیري 

با توجه به پتانسیل فراوان مه و رطوبت در برخی مناطق جهان، استحصال آب از این منبع طبیعی گامی مهم در تامین آب با کیفیت مناسب براي نیا زهاي آشامیدنی و آبیاري و… می باشد. هم اکنون این فعالیت ها با رشد خوبی در مناطقی نظیر ساحل غربی آفریقاي جنوبی، پرو، عمان ،یمن، هائیتی، شیلی، نامبیا، اکوادور، نپال و کانادا در حال انجام می باشد.تولید اب از هوا یکی از روشهای ارزان قیمت برای دولت ها می باشد که

منابع

“نظرات خود را با ما در میان بگذارید”

بعدی »
سیدعلی موسوی

دانشجوی رشته ی مهندسی انرژی (دانشگاه علوم و تحقیقات تهران)فعال درحوزه انرژی
  • instagram

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *