پیشینه مساله   

تلاش­ ها برای کاهش تبخیر از مخازن آب در دهه 1960 با استفاده از فیلم ­های مولکولی تک لایه به عنوان یک مانع نفوذ ناپذیر برای سطح آب آغاز شد. از آن زمان، روش­ های زیادی برای کنترل مناسب ­تر تلفات آب ابداع و به کار گرفته شده است. در میان این روش­ ها، از روش­ های فیزیکی مانند پوشش ­های شناور یا پوشش ­های معلق می­توان نام برد. همچنین استفاده از روش اختلاط حرارتی توسط هوای فشرده نیز از دیگر راه‌کارهای کاهش تبخیر در مخازن عمیق قلمداد می­گردد. در ادامه، روش های فیزیکی و شیمیایی برای کاهش تبخیر از سطح آب به تفکیک مورد بحث قرار خواهند گرفت.

1) روش­ های فیزیکی کاهش تبخیر با استفاده از پوشش­ های شناور

پوشش­ های شناور به دو دسته اصلی پوشش­ های دائمی (ورق­های شناور) و پوشش­ های مدولار (اشیای شناور) تقسیم می­شوند.

• پوشش ­های دائمی شناور (ورق ­های شناور)

روکش­ های دائمی شناور با ایجاد مانعی نفوذ ناپذیر و شناور در سطح آب باعث کاهش تبخیر آب می­گردد. پلی استایرن، موم و فوم به عنوان مواد مورد استفاده برای ساخت ‌و ‌ساز ورق­ های شناور مورد استفاده قرار گرفته است. اما ثابت شده است که پلاستیک پلی­اتیلن قابل قبول­ ترین و با دوام­ ترین ماده برای این نوع از پوشش ­ها است. آزمایشات نشان داده است که ورق ­های شناور مانند E-VapCaps می­توانند بیش از 95٪ تبخیر از مخازن آب باز را کاهش دهند.

• پوشش­ های مدولار شناور(اشیای شناور)

برخلاف پوشش ­های شناور دائمی، پوشش ­های شناور مدولار، واحدهای منفردی هستند که می توانند آزادانه شناور باشند و البته سطح آب را به‌طور کامل پوشش نمی­دهند. بنابراین­، انتقال اکسیژن محلول از طریق شکاف­ های باز ایجاد شده بین این پوشش­ ها افزایش می­یابد.Aquacaps  و گلوله‌های پوشاننده نمونه ­هایی از پوشش­های مدولار شناور می­باشند.

دیسک ­های شناور (آکواپس) ، ماژول ­های شناور گرد و گنبدی شکل با قطر حدود 1.1 متر و ساخته شده از پلی‌پروپیلن و پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) هستند که هر دو استانداردهای گرید غذایی را برآورده می­کنند. یک حفره به ابعاد حدود 10 میلی متر در مرکز آکواکپ باعث خروج هوا و یکسان­ سازی فشار دیسک ­های شناور روی آب می­گردد. گلوله­ های پوشاننده، گلوله­ های پلاستیکی سازگار با محیط زیست هستند که می­توانند در دریاچه‌ها ، جریان استخرها و سدها مورد استفاده قرار گیرند.

2) روش­ه ای فیزیکی کاهش تبخیر با استفاده از پوشش ­های معلق

• پوشش فتو ولتائیک خورشیدی

استفاده از پوشش کانال­های سیستم فتوولتائیک خورشیدی (SPVS) به‌طور قابل توجهی در کاهش تبخیر سطحی آب در منابع باز موثر است. میزان تبخیر سطحی در صورت استفاده از کانال­های سیستم فتوولتائیک خورشیدی حدود 20-5 میلی­متر در روز می­باشد. در سال 2014 یک پروژه 10 مگاوات بر ثانیه از این نوع در هند افتتاح گردید که منجر به صرفه ­جویی حدود 9 میلیون لیتر آب گردید. همچنین خنک­ سازی طبیعی SPVS  از دیگر مزایای استفاده از صفحات خورشیدی می­باشد.

3)  روش ­های فیزیکی کاهش تبخیر با تزریق حباب هوا به آب (ستون حباب)

در تابستان  آب سطحی مخزن که به آن اپیلیمنیون گفته می‌شود ، گرم شده و کمتر متراکم می­شود. در زیر این لایه سطحی، لایه دیگری که 3 تا 4 متر عمق دارد و هیپولیمنیون نامیده می­شود حاوی آب سرد و متراکم است. این لایه­ ها توسط یک گرادیان دمایی از هم جدا شده و به عنوان سدی در گردش همرفت طبیعی عمل کرده و از مخلوط شدن آب هیپولیمنت با آب اپیلیمنیون جلوگیری می­کنند. همچنین هنگام تزریق ستون حباب در لایه عمیق سرد به هم ریختگی مصنوعی  اتفاق می­افتد. در نتیجه با یکسان­ سازی شیب­ های دمایی بیش از عمق ذخیره­ سازی، تبخیر کاهش می­یابد. دیفیوزرها که ستون ­های حبابی را تزریق می­کنند، برای جلوگیری از ایجاد اختلال در رسوبات بستر و حمل آن­ها به سطح، در ارتفاع مشخصی بالاتر از پایین مخزن قرار می­گیرند.

4) روش­ های شیمیایی کاهش تبخیر سطحی

تک لایه‌های شیمیایی، لایه‌های تک مولکولی (دارای ضخامت 2 نانومتر)  تشکیل شده از ترکیبات نامحلول یا کم‌محلول می­باشند. وقتی این ترکیبات روی آب قرار می­گیرند، یک فیلم نامرئی ایجاد می­کنند که می‌تواند برای پوشاندن مخزن و جلوگیری از تبخیر استفاده شود. تحقیق و توسعه بر روی تک‌لایه‌های شیمیایی برای کاهش تبخیر از سال 1920 در حال انجام می­باشد. ترکیبات هگزادکانول و اوکتادکانول از جمله موثرترین ترکیبات برای جلوگیری از تبخیر مولکول­های آب هستند.WaterSavr ، یک مثال در این خصوص است که به عنوان یک محصول تجاری در کشور استرالیا، ایالات متحده و برخی دیگر از مناطق جهان استفاده می­شود. این محصول یک پودر سفید و بی‌بو است که به صورت یک فیلم نامرئی و نازک مولکولی روی سطح آب پخش می­شود. این محصول ترکیبی است از هیدروکسید کلسیم، استئاریل الکل با گرید غذایی، و هگزادکانول که می­تواند بدون اثرات منفی زیست محیطی، تبخیر آب سطحی را 20 تا 50 درصد کاهش دهد.

جمع‌بندی مباحث مطرح شده به شرح زیر می­باشد:

• روش های فیزیکی کاهش تبخیر می­تواند درصد زیادی آب (بین 70 تا 95٪) صرفه جویی کند ، هزینه ­های سرمایه آنها بالا است، اما هزینه­ های نگهداری آن­ها گران نیست.
• روش تزریق حباب­ های هوا در آب موثرترین روش کاهش تبخیر در آب­های عمیق است (برای عمق بیشتر از 18+ متر).

موضوع  محوری چالش

هدف اصلی این چالش شناسایی و ارزیابی طرح ­های نوآورانه و بدیع در خصوص به کارگیری فناوری نانو در جنبه­ های مختلف جهت «بهبود کارایی سیستم­ های کاهش تبخیر سطحی موجود» و یا «معرفی راهکارهای نوین جهت کاهش تبخیر سطحی» می­باشد. با توجه به اینکه به‌صورت متداول از دو نوع سیستم فیزیکی و شیمیائی برای این منظور استفاده می­گردد، تمرکز اصلی چالش بر روی طرح ­های مربوط به این دو نوع سیستم می­باشد­. درنتیجه روش­های بیولوژیکی و استفاده از گیاهان در چارچوب این چالش قرار نمی­گیرد.

ملاحظات فنی و الزامات راه حل پیشنهادی

1. راهکار و طرح ارائه شده باید کاملا شفاف و روشن بر اساس کارائی و تاثیر نانوفناوری باشد.
2. آنالیزهای ارائه شده باید از مراجع معتبر و بر اساس روش­های استاندارد بدست آمده باشد.
3. تفسیر و شرح نتایج بر اساس اصول منطقی و علمی انجام شده باشد.
4. در صورت نیاز و تشخیص کلیه مراحل انجام کار قابل بازدید و ارزیابی باشد.
5. استفاده از روش­های گران قیمت و بدون توجیه اقتصادی قابل قبول نمی­باشد.
6. روش‌های شیمیایی علی رغم مزایایی که دارند، با چالش‌های جدی مواجه اند. مشکلات زیست محیطی حاصل از ترکیبات زیان‌آور از محدودیت‌های این روش است و پیشنهادهای ارائه شده در این زمینه باید طرح را از نظر زیست ‌محیطی به طور کامل توجیه نمایند و از استفاده از مواد مضر خودداری کنند.
7. تاثیر روش مورد استفاده در بالابردن کارائی سیستم کاهش تبخیر سطحی به صورت کاملا مقایسه ­ای ارائه شود.

پیشنهادهای غیرقابل قبول

1. عدم استفاده از نانوفناوری در پیشنهاد ارائه شده.
2. روش‌هایی که در آن‌ها پیشنهاد نصب یک سازه به شکل سایبان یا چادر بر روی سطح آب شده باشد.
3. روش ­هایی که تاثیر آن‌ها در جبران کردن کاهش حجم مخزن بر اثر تبخیر سطحی کمتر از 30% درصد باشد.
4. استفاده از تکنیک یا موادی که بسیار به سختی قابل تهیه، خرید و ساخت باشند.
5. عدم دارا بودن توجیه اقتصادی.
6. استفاده از ترکیبات غیر مجاز و مضر برای محیط زیست.

سوالات کلیدی از فناوران

1. نوع فرایند مورد استفاده و ارتباط آن روش­ های مرسوم مورد استفاده بیان گردد.
2. ویژگی نانوفناورانه مورد استفاده به صورت خلاصه بیان گردد.
3. روش و میزان جبران کاهش حجم مخزن را بر اساس پارامترهای فنی بیان کنید.
4. موقعیت طرح از نظر TRL بیان گردد.

درباره صندوق نانوتک آینده

هلدینگ صنایع نانوتک آینده (صنتا) مجموعه بلافصل ستاد اجرایی فرمان حضرت امام (ره) می‌باشد که از سال 1398 وارد عرصه شتابدهی شده و در قالب دپارتمان شتابدهی صندوق صنتا اقدام به سرمایه‌گذاری در توسعه فناوری‌ها و کسب‌وکارهای حوزه کشاورزی، بیوتکنولوژی، پلیمر، مواد، داروسازی، نفت و انرژی، با محوریت «نانوفناوری» می‌نماید. از جمله حمایت‌های این صندوق عبارتند از، سرمایه‌گذاری مستقیم مالی، مشاوره و منتورینگ، فضای کار اشتراکی، تجهیزات آزمایشگاهی و نیز حمایت در مسیر تجاری‌سازی و تولید محصولات.