پیشینه مساله   

تقاضای آب شیرین در جهان بواسطه افزایش جمعیت و بهبود استانداردهای زندگی انسان در حال افزایش است. اما در مقابل، مخازن آب شیرین دنیا علاوه بر کاهش مداوم حجم، در حال آلوده شدن به انواع ترکیبات شیمیایی و صنعتی هستند. تخمین زده شده است که در سال‌های اخیر بیش از یک میلیارد نفر در جهان از آب سالم محروم هستند و تقریباً 2.4 میلیارد نفر در مناطق کم برخوردار از نظر آب پاک زندگی می‌کنند.

جبران این شرایط در دو رویکرد کاهش مصرف و نیز افزایش عرضه مورد توجه است. نمونه‌ای از رویکردهای کاهش مصرف عبارتند از بهینه‌سازی مصرف آب در مصارف کشاورزی و صنعتی، مانند استفاده مجدد از آب برای آبیاری و به‌کارگیری روش‌های مکمل برای خنک‌سازی در نیروگاه­ ها.

در رویکرد مقابل یعنی افزایش عرضه، چالش اصلی، نمک‌زدایی از آب‌های شور و آب دریا می‌باشد. نمک‌زدایی از آب شور به طور عمده از طریق تکنیک‌های حرارتی، شیمیایی و غشایی انجام می‌پذیرد. نمک‌زدایی حرارتی از قرن ­ها پیش شناخته شده است و کماکان در برخی از مناطق که دارای منابع انرژی کافی و ارزان قیمت می‌باشند مورد استفاده قرار می­‌گیرد. منطقه خاورمیانه نیمی از ظرفیت‌های نمک‌زدایی حرارتی کل جهان را به خود اختصاص داده است.

فرآیندهای تصفیه آب با استفاده از غشا، به طور عمده اسمز معکوس (RO) و تا حدودی نانو فیلتراسیون (NF) دارای سهم حدود 60درصدی  از بازار نمک‌زدایی می‌باشد. همچنین استفاده از نانوفیلترها نیز از جمله شیوه ­های تصفیه غشایی آب می‌­باشد؛ هرچند نانو فیلتراسیون به عنوان یک فرآیند مستقل برای شیرین‌سازی آب دریا موثر نبوده و استفاده از آن فقط برای شیرین‌سازی آب‌هایی با شوری ملایم و محدود است.

اسمز معکوس یک روش پیشرو در شیرین‌سازی آب شور و آب دریا محسوب می­گردد. تولید غشاهای مناسب، با نفوذ‌پذیری و انتخاب‌پذیری بالا، همراه با بهبود مقاومت مکانیکی، نمک‌زدایی اسمز معکوس را به راه‌کاری اجرایی تبدیل نموده است. سهم بالای اسمز معکوس از بازار و پیش‌بینی افزایش آن به دلیل اختلاف انرژی مصرفی نمک‌زدایی به روش حرارتی نسبت به روش غشایی (با فاکتور حدود 10) باعث توجه روز افزون به این روش شده است.

اگرچه در روش اسمز معکوس با تغییر منبع انرژی از حرارتی به الکتریکی مصرف انرژی کاهش یافته است اما همچنان هزینه اصلی برای شیرین‌سازی، هزینه انرژی میباشد. این در حالی است که تعویض غشا فقط حدود 10%  از هزینه را به خود اختصاص داده است.

علیرغم کاربرد گسترده اسمز معکوس در بخش نمک‌زدایی، این روش هنوز از محدودیت‌های خاصی از جمله تخریب غشا به دلیل استفاده از مواد پاک‌کننده، هزینه نسبتاً زیاد انرژی و همچنین آلودگی‌های زیستی ناشی از آب شور خروجی رنج می­برد.

به منظور تعدیل این چالش‌ها، روش‌های مکملی به‌کار گرفته می‌شود؛ از جمله استفاده از دستگاه‌های بازیابی بالاتر، غشاهای بهینه­ با مقاومت بالاتر در برابر حمله کلر و ترکیبات وابسته، ایجاد نیروگاه ­های بسیار بزرگ در مقیاس دو برابر نیروگاه ‌های آب شیرین‌کن فعلی، و نیز ادغام عملیات­ های مختلف غشایی.

این روش‌ها مشکلات پیشین را مقداری تعدیل می‌نمایند اما پاسخی برای چالش‌هایی چون تصفیه آب­ های با شوری بالا مانند آب تولید شده توسط خود اسمز معکوس، عدم حذف کافی عناصری مانند بور، عدم حذف ریز‌آلاینده ­هایی با منشا دارویی و محصولات آرایشی و بهداشتی ندارند.

با این مقدمه و همچنین کارایی راه‌کارهای مبتنی بر نانوفناوری در حل چالش‌هایی از این نوع، می­‌توان انتظار داشت که بتوان از این فناوری جهت به‌دست آوردن غشاهایی با کارایی بالاتر از جنبه‌های گوناگون استفاده نمود. بررسی منابع علمی و تجربیات صنعتی نیز به خوبی نشان می­‌دهند که در سال­ های اخیر این موضوع به‌صورت ویژه به‌عنوان یکی از محورهای تحقیقاتی در سطح جهانی در زمینه شیرین‌سازی آب مورد توجه قرار گرفته و بعضا دستاوردهای قابل توجهی بر اساس نانوفناوری حاصل شده است.

موضوع  محوری چالش

هدف اصلی این چالش ارائه راهکارهای  نوآورانه و بدیع در خصوص به کارگیری نانوفناوری به منظور تولید غشا و یا بهبود و بالا بردن کارایی سیستم­ های غشایی (اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون) مورد استفاده در شیرین‌سازی آب شور و تبدیل آن به آب کشاورزی است. لذا غشا باید بتواند آب شور را به استانداردهای آب شیرین مناسب برای استفاده در صنایع کشاورزی برساند. مشخصات آب ورودی به سیستم غشایی، آب تصفیه شده خروجی و درصد کاهش پارامترها توسط غشا در جدول زیر آورده شده است.

همچنین لازم به ذکر است که شرکت کنندگان در چالش از حیث انتخاب جنس ( پلیمری ، سرامیکی و کربنی و غیره) دارای محدودیت نیستند.

 ملاحظات فنی و الزامات راه حل پیشنهادی

1. راهکارها و طرح­ های ارائه شده می‌­بایست کاملا شفاف و روشن بر اساس کارایی و تاثیر نانوفناوری باشد.
2. گزارش­ ها و آنالیزهای ارائه شده می‌­بایست از مراجع معتبر و بر اساس استانداردهای مورد قبول بدست آمده باشند.
3. تفسیر و شرح نتایج بر اساس اصول علمی و بر پایه مستندات انجام شده باشد.
4. در صورت نیاز و تشخیص، کلیه مراحل انجام کار قابل بازدید و ارزیابی باشد.
5. استفاده از روش ­های پرهزینه و بدون توجیه اقتصادی قابل قبول نمی‌­باشد.
6. تاثیر روش مورد استفاده در بالابردن کارایی سیستم غشایی در مقایسه با روش ­های موجود بیان گردد.

رویکرد پیشنهادی در حل مسئله

1. رویکرد پیشنهادی این چالش استفاده از مواد اولیه بومی در کشور می‌­باشد، به نحوی که حداقل میزان وابستگی به واردات را در پی داشته باشد. همچنین امکان تولید انبوه این محصول در داخل کشور امکان­پذیر باشد.
2. در خصوص غشاهای سرامیکی نیز استفاده از مواد تخلخل‌زا با توزیع سایز باریک و قابل کنترل که موجب ایجاد تخلخل کنترل شده در غشا نهایی می­‌گردد مورد توجه می­‌باشد.
3. با توجه به پیچیدگی‌های تولید این غشا در مقیاس‌های بالا، بهتر است پیشنهادات ارسالی طرح و برنامه‌ای مشخص و مدون نیز برای تولید محصول در مقیاس‌ نیمه صنعتی و صنعتی داشته باشند.

پیشنهادهای غیرقابل قبول

1. روش‌­هایی که بر اساس استفاده از نانوفناوری نباشد مورد قبول نمی‌­باشد.
2. روش‌هایی که در آن‌ها، آب خروجی شیرین‌شده نتواند حداقل درصد کاهش پارامترهای آب شور (جدول بخش موضوع محوری چالش) را برآورده سازد مورد قبول نمی‌باشد.
3. قیمت تمام شده غشا تولیدی در مقیاس صنعتی، در مقایسه با نمونه خارجی قابل قبول نباشد.
4. استفاده از تکنیک یا موادی که بسیار به سختی قابل تهیه، خرید و یا ساخت هستند قابل‌قبول نمی‌­باشد.

سوالات کلیدی از فناوران

1. نوع فرایند غشایی مورد استفاده بیان گردد.
2. نحوه ساخت غشاء بایستی به طور واضح بیان گردد.
3. ویژگی نانوفناورانه مورد استفاده به صورت خلاصه بیان گردد.
4. تفاوت این غشاء با دیگر غشاهای متداول در بازار تبیین گردد.
5. بهبود کارایی غشا بر اساس پارامترهای فلاکس، میزان بازداری، MWCO، کاهش آلودگی غشا و طول عمر غشا بیان گردد.
6. موقعیت طرح از نظرTRL  بیان گردد.