نظيفة ونقية: هل يمكننا أن ننتج مياه الشرب دون أن نترك بصمة كربونية؟

يحد البحر المملكة العربية السعودية على سواحلها الشرقية والغربية، وتنتشر المناظر الطبيعية الجافة في المملكة العربية السعودية التي تعتبر واحدة من أكثر الأماكن حرارة وجفافًا على وجه الأرض. ويتبادر إلى الذهن سطور "أن الماء في كل مكان، ولا يوجد أي قطرة ماء للشرب" عندما تفكر في التحديات التي تواجه هذه الأمة القاحلة.
يبلغ متوسط هطول الأمطارثلاث بوصات فقط في السنة في العاصمة الرياض، في حين أن بعض جيوب البلاد قد لا تشهد هطول أمطارا لمدة عقد أو أكثر. في الصيف، تتجاوز درجات الحرارة داخل مدنها 40 درجة مئوية، وترتفع إلى 55 درجة مئوية في الصحراء. لا يوجد في البلاد بحيرات أو أنهار، كما أن طبقات المياه الجوفية تستنفد سريعا.
وغني عن القول إن المملكة العربية السعودية تدرك قيمة المياه جيداً.
ولكن على عكس البحارة المفقودين واليائسين في قصيدة كوليردجالشهيرة، "قافية البحار القديم"،قام العلماء السعوديون بتسخير مياه البحر المالحة من حولهم من خلال تحلية المياه. والآن، باعتبارها أكبر منتج في العالم للمياه المحلاة، فإنها تتجه نحو مستقبل يكون فيه هذا المورد الأساسي ميسور التكلفة ومستدامًا على حد سواء.
تحلية خالية من الكربون
قد جرت العادة على تحلية المياه من خلال التقطير، حيث يتم تسخين مياه البحر لفصل السائل الصالح للشرب عن الأملاح والملوثات الأخرى. وهذه العملية ليست فقط كثيفة الاستهلاك للطاقة ولكنها مكلفة أيضًا.
لكن كل هذا تغير في عام 2016، عندما أعلن ولي العهد الأمير محمد بن سلمان رؤية عام 2030، وهي خطة استراتيجية سعت إلى تحسين الحياة في كل جزء من المجتمع السعودي. وتضمنت عددًا من تعهدات الاستدامة -مثل زيادة الطاقة من المصادر المتجددة وتقليل انبعاثات الكربون -والتي تشكل الآن جزءًا من المبادرة السعودية الخضراء.
شوهد تأثير التدفق في كل مكان، ولكن بشكل خاص في صناعة المياه في البلاد. وكانت المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة (SWCC) هي الشركة التي تنتج حوالي 70 في المائة من المياه المحلاة في المملكة. فهي الجهة الرائدة في هذا المجال
أطلقت المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة (SWCC) برنامجًا لاستبدال تقنية التقطير الحراري في مصانعها بالتناضح العكسي، وهي عملية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة تقطر المياه المالحة من خلال المرشحات الغشائية الدقيقة. وبالمقارنة مع التقطير، تستخدم هذه الطريقة عادةً ربع الطاقة فقط لإنتاج نفس الكمية من الماء، وفقًا للمؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة.
كما أدخلت المؤسسة أيضًا أحدث تقنيات الترشيح بالأغشية -التي طورها علماء مقيمون في المملكة العربية السعودية -لخفض كمية الطاقة المستخدمة إلى النصف وفقًا للمهندس الاستشاري في المؤسسة نيكولاي فوتشكوف. وفي الواقع إنها ذو فعالية عالية، فقد سجلت المؤسسة رقمًا قياسيًا جديدًا في موسوعة غينيس للأرقام القياسيةفي مارس 2021، لأقل محطة تحلية مياه (تعمل بالطاقة)استهلاكا للطاقة.
يقول فوتشكوف: "على الرغم من إنجازاتنا التي حققناها حتى الآن، لا يزال لدينا المقدرة للقيام بعمل أفضل".
لقد حددت المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة (SWCC) لنفسها الآن أهدافًا لتخفيض استهلاكها للطاقة إلى النصف بحلول عام 2030 وتصبح محايدة للكربون بحلول عام 2050. وصرح فوتشكوف قائلاً إن الكثير من هذا التغيير سوف يجلب مزيد من التحسين للتقنيات المستخدمة في المصانع. وتشمل هذه الأنظمة تحسين نظم ترشيح الأغشية، وأجهزة استعادة الطاقة الجديدة التي ستقلل من النفايات إلى الصفر تقريبًا، ومضخات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، والتي ستساهم جميعها في تقليل استخدام الوقود الأحفوري.
تخطط المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة (SWCC) أيضًا لإدخال عمليات أكثر تقدمًا لاحتجاز الكربون وتخزينه في عمليات التقطير الخاصة بها وتقديم برنامج زراعة الأشجار على نطاق واسع عبر مواقعها لتشجيع عزل المزيد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
كما يقول فوتشكوف أصبحت محطات تحلية المياه أكثر ذكاءً أيضًا. بمساعدة أنظمة الذكاء الاصطناعي، يمكن للآلات أن تزيد بشكل مستقل من طاقتها واستخداماتها الكيميائية أثناء إنتاج المياه.
ربما يمكن أيضًا تقليل بعض انبعاثات الكربون هذه من خلال تسخير قوة الشمس -وهو أمر كان العلماء في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (Kaust) يعملون عليه.
أحد الاقتراحات المستقبليةالتي يجري النظر فيها هو "القبة الشمسية"، والتي تقوم على فكرة تركيز حرارة الشمس لتبخير مياه البحر وإنتاج المياه العذبة. ويجرى بالفعل استخدام أنواع مماثلة من التقنية لإنتاج الكهرباء من خلال الطاقة البخارية، ولكن إذا وجد العلماء أنها قابلة للتطبيق على نطاق واسع، فستكون هذه هي المرة الأولى التي يتم استخدامها لتحلية المياه.
باحث يعمل في معهد الأبحاث وتقنيات التحلية (DTRI)
(المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة)
ولقد تم بالفعل بناء نماذج أولية أكثر واقعية في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية.،وتم دمج معدات تحلية المياه مع الألواح الشمسية بحيث يمكن للحرارة الناتجة عن هذه الألواح أن تساعد في تبخر مياه البحر. كشفت الاختبارات أنه يمكن أن ينتج ما يصل إلى 1.64 لترًا من الماء لكل متر مربع من سطح الألواح الشمسية كل ساعة وأن المياه لا تحتاج إلى أي معالجة أخرى لاستخدامها في الزراعة.
تحويل الماء المالح إلى مورد
إن تحلية المياه -حتى الناتجة عن أنواع التناضح العكسي منخفضة الطاقة -تأتي مع تحدٍ آخر: حيث أن الماء المالح المتبقي منعملية التبخرلديه القدرة على التأثير على الحياة الساحلية والبيئة، حيث تقوم بعض محطات تحلية المياه بتصريفه مرة أخرى في البحر. وفي الواقع أن المملكة العربية السعودية، بوصفها بلداً لا يوجد بها بحيرات أو أنهار، هي أكبر مورد للماء المالح في العالم.
مرة أخرى، لدى فوتشكوف خطة طموحة: وهي تحويل المنتج المشتق (المياه المالحة)إلى مورد. حيث وضح قائلاً: "غالبًا ما تواجه صناعة تحلية المياه تحديًا فيما يتعلق بتأثير تصريف المياه المالحة في البيئة البحرية". ثم استطرد قائلاً "ومع ذلك، فإن الواقع يقولأن صناعة تحلية المياه والجهات التنظيمية لديها اليوم نظام شامل للتنبؤ بالآثار البيئية المحتملة ومراقبتها والتحكم فيها خلال جميع مراحل تطوير المشروع وتنفيذه."
وفقًا لما ذكره فوتشكوف، ففي المملكة العربية السعودية، تتم مراقبة التصريف من محطات التحلية بشكل مستمر للتأكد من الحفاظ على البيئة البحرية وحمايتها، ومعالجة جميع النفايات وفقًا لمعايير آمنة بيئيًا.
وأضاف أن الماء المالح غني بالمعادن، بما في ذلك كلوريد الصوديوم والمغنيسيوم والروبيديوم، ويمكن أن يدعم استخراج هذه الموارد القيمة سلسلة صناعية جديدة تمامًا.
وأكمل قائلاً: "إن للعائدات التجارية القدرة على دعم تكلفة إنتاج المياه في المملكة العربية السعودية بالكامل، فضلاً عن توجيهنا نحو مصادر جديدة للطاقة المتجددة للمملكة".
ويجري بالفعل وضع خطط لبناء محطة معالجة جديدة في المملكة والتي ستكون بمثابة "منجم الماء المالح"، حيث ستتم إزالة المعادن والفلزات النادرة من الماء المالح. ثم سيتم بعد ذلك بيع كلوريد الصوديوم، على سبيل المثال، لشركات الكلور والقلويات المحلية التي تنتج منتجات مثل الكلور والصودا الكاوية.
ووفقًا للدكتور أحمد العمودي، مدير معهد الأبحاث والابتكار وتقنيات التحلية في المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة، فقد تم بالفعل إبرام اتفاقيات مع العديد من الشركات المنتجة للكلور والقلويات في المملكة العربية السعودية للتعامل مع هذه المواد الخام بمجرد تشغيل المصنع.
يعمل فريق الدكتور العمودي أيضًا مع وزارة الطاقة الأمريكية على برنامج بحثي مشترك للنظر في طرق استخراج الروبيديوم من الماء المالح لأغراض إنتاج طاقة آمنة بيئيًا.
تقنية الهيدروجيل
تحاول هذه التقنية محاكاة الإبداع في صحاري الضباب فينامبيا، حيث ندرة الأمطار والحيوانات العطشى. حيث يوجد هناك خنفساء تعمل على اعتراض الضباب؛ وهي كائن أصغر من حبة الفراولة، يمكن رؤيتها تتسلق الكثبان الرملية الكبيرة وتؤدي حركة الوقوف على اليدين في المرتفعات الغنية بالمياه، فيتكثف بخار الماء على جسم الخنفساء ثم يتدحرج مباشرة إلى فمها ليكمل عملية الانتاج السحري الناجح للمياه من الهواء.
يعمل الباحثون بإتقان في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية لتحقيق نتائج مشابهه بارعة. ففي عام 2018 استطاع بينج وانج وفريقه الجامعي في مركز تحلية المياه وإعادة استخدامها اختراع هيدروجيل؛ وهو بوليمر يشبه نقطة سوداء اسفنجيه يمكنها امتصاص الماء من الهواء لاستخدامها في استخدامات أخرى أو حتى للشرب.
يمكن للهيدروجيل حرفياً استخراج الماء من الهواء.
(جيتي)
يحتوي الهيدروجيل على كلوريد الكالسيوم وهو ملح غير سام ولا يكون مشبع يمتص بخار الماء والرطوبة من الهواء ثم ينتج السائل في الظروف الملائمة.
في الاختبارات الأولية التي أُجريت في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية استطاع 35 جرام من الهيدروجيل ان يمتص 37 جرام ماء من الهواء وذلك بمجرد تركه بالخارج في ضوء الشمس لبضع ساعات، ثم يتم فصل الماء النقي من الجل ويتم جمعه. قدر المعمل تكلفة جمع 3 لتر من الماء بأقل من نصف سنت يومياً، ويعد هذا عامل مهم بشكل خاص للمناطق الأقل ثراء في البلاد في السنوات القادمة.
كانت المرحلة التالية نقل إنتاج المياه من عملية المعالجة بالدفعات إلى عملية المعالجة المستمرة وهي مهمة استطاع الفريق تحقيقها في عام 2019. كما تمكن الفريق في عام 2020 من تطويرنموذج أولي للوحة شمسيةتم تبريدها باستخدام الماء المستخرج من الهيدروجيل، والذي يعد ابتكار مفيد خاصة في حرارة الشرق الأوسط.
ومن المعروف أنه مع ارتفاع درجة الحرارة تنتج الألواح الشمسية طاقة أقل وتصبح أقل فاعلية. ومن خلال الاختبارات وجد باحثو جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية أن الماء الناتجة من الهيدروجيليمكن أن يبرد الالواح الشمسية حتى 10 درجات مئويةمما يحسن كفاءتها بشكل كبير.
وقال رينيوان لي الباحث الرئيسي في المشروع أثناء الإعلان عن نتائج البحث: نعتقد أن تقنية التبريد تلك يمكن أن تفي بمتطلبات العديد من التطبيقاتوذلك لتواجد بخار الماء في كل مكان وتقنية التبريد هذه يسهل موائمتها للمقاييسالمختلفة.
" كما يمكن تصنيع هذه التقنية بحجم صغير يصل إلى الملي مترات لتناسب الأجهزة الإلكترونية، أو بحجم مئات المترات المكعبة لتناسب المباني أو حتى أكبر وذلك لتقوم بالتبريد السلبي في محطات الطاقة.
مستقبل الماء
مع زيادة تأثير التغيرات المناخية ستصبح الموارد الطبيعية مثل الماء أكثر قيمة، وذلك يعني أنه من المهم الأن أكثر من أي وقت مضى إنتاجها بتكلفة منخفضة وبشكل مستدام. ويمكن أن تكون الأبحاث والابتكارات التي تُجرى بالفعل في المملكة العربية السعودية نموذجاُ يمكن تكراره في المناطق الأخرى التي تعاني من ندرة المياه في العالم
كما يقول دكتور العمودي: " الماء مهم جداً للحياة لذلك يجب علينا أن نحافظ عليه للأجيال القادمة."
مبادرة السعودية الخضراء هي نهج حكومي شامل في المملكة العربية السعودية يعمل على مكافحة التغيرات المناخية.
لمعرفة المزيد عن المبادرة اضغط هنا.