שתפו‬        

טל גולדרט

סוף התפלה במחשבה תחילה

במעבדה של פרופ' אורי להב בטכניון מפתחים שיטות שיאפשרו להתפיל מי ים בצורה יעילה וחסכונית יותר. ביקור מעבדה: כתבה ראשונה בסדרה
10 בנובמבר 2015



 

אחרי שצפינו בחרדה ברננה רז מתייבשת, חסכנו במקלחות וייבשנו את המדשאות, הגיעו מתקני ההתפלה ושינו את תמונת משק המים בישראל.

בישראל קיים מחסור תמידי במים טבעיים, ולכן פתרון ההתפלה משמש כבר כיום, וישמש אף יותר בעתיד, מקור מים חשוב ומרכזי למגוון שימושים. על פי תכניות רשות המים, כמות המים המותפלים עד סוף שנת 2015 תעמוד על 600 מיליון מטרים מעוקבים לשנה, וזאת כאשר צריכת המים לשימושים ביתיים, ציבוריים ותעשייתיים מוערכת בכ-800 מיליון מטרים מעוקבים. המשמעות היא שמשק המים השפירים (הראויים לשתייה) נשען על מתקני ההתפלה בהיקף של כ-75 אחוז, ומשק המים הכולל השקיה חקלאית מבוסס על 30-40 אחוז מים מותפלים.

מתחת לאף הפכה מדינת ישראל לאימפריית התפלה, ופתחה בפני החוקרים עולמות שלמים של אתגרים יישומיים, המתמקדים בשיפור ביצועי מערכות ההתפלה, התייעלותן האנרגטית והמטרה המרכזית – להצליח לייצר יותר מים מותפלים מכל מטר מעוקב של מי ים, בכמה שפחות אנרגיה.

מערכת המחקר בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון. צילום: לירון אופק
מערכת המחקר בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון. צילום: לירון אופק

מחיר ההתפלה

אמנם מים וחשמל לא הולכים טוב ביחד, אבל אסור לשכוח כי הפקת מים צורכת חשמל, והרבה. שאיבת  מים שפירים והולכתם לאורך מדינת ישראל צורכת, על פי נתוני חברת החשמל ומשרד האנרגיה, קרוב לשישה אחוזים מצריכת החשמל הלאומית, באמצעות מקורות, תאגידי מים ורשויות מקומיות. גם תהליך ההתפלה עצמו גובה מחיר אנרגטי, שעומד על 3.5 קוט"ש (קילו-וואט שעה) למטר מעוקב, או במילים אחרות – צריכה של 2,100 ג'יגה-וואט שעה בשנה, שהם ארבעה אחוזים נוספים מצריכת החשמל השנתית בארץ. ישנם מתקני התפלה, כמו זה באשקלון, שנבנתה בעבורם במיוחד תחנת כוח המספקת חשמל רק להם.

העומסים הכבדים המוטלים ממילא על משק האנרגיה של מדינת ישראל מחייבים חיפוש מתמיד אחר פתרונות להתייעלות אנרגטית של התהליך והפחתה בצריכת האנרגיה שלו, כך שנוכל ליהנות מהרבה מים, אבל לא על חשבון נזקים לסביבה העשויים להיגרם עקב ייצור חשמל מוגבר.

מעבר לשימושים הביתיים והמסחריים, מופנים המים בישראל גם להשקיה ולשימוש חקלאי. מקור מים מרכזי לסקטור זה הוא מי הקולחין המושבים: מי שפכים (ביוב ופסולת תעשייתית) אשר עברו תהליך טיהור עד להתאמתם להשקיית שטחים חקלאיים. מדינת ישראל היא אלופת העולם בשיעור השבת הקולחין, ו-75 אחוז ממי הקולחין בה מטוהרים ומופנים לשימוש חוזר, מרביתם לשימוש חקלאי. ככל שגובר השימוש בקולחים בסקטור החקלאי, ניתן להפנות יותר מים שפירים למגזר הביתי, ובכוונת רשות המים להמשיך ולפתח מפעלי השבת קולחים לחקלאות, כך שהיקפם עד שנת 2020 יעמוד על 600 מיליון מ"ק לשנה.

מסלול השימוש במים במדינת ישראל, אם כן, נראה כך:

מסלול השימוש במים במדינת ישראל

כל שינוי בהרכב בין מים שפירים לבין מים מותפלים, משפיע כמובן על הצרכן הביתי, אולם חשוב לזכור כי הוא ממשיך ומשפיע גם על הצרכן החקלאי, הצמא למים בסוף השרשרת.

במעבדת המחקר של פרופ' אורי להב, בפקולטה להנדסה חקלאית ואזרחית בטכניון, עוסקים כבר כמה דורות של סטודנטים במגוון מחקרים שמטרתם לייעל את תהליך ההתפלה, ולהוציא מהקצה השני של הצינור מים שיהיו באיכות טובה מספיק לא רק לשתייה, אלא גם להשקייה שתגיע בגלגול הבא שלהם, אחרי מכון הטיפול בשפכים.

תפוזים לא אוהבים בורון

אחד המרכיבים שנמצאים באופן טבעי במי הים, ומטופלים בקלות כדי להתאימם למי שתייה, הוא הבורון. הבורון הוא יסוד כימי שנמצא באופן טבעי בריכוז נמוך יחסית במי הים, וריכוזו מופחת לכשליש בתהליך התפלה רגיל. הוא אינו מזיק לבריאות האדם אלא בריכוזים גבוהים, אולם גורם לנזק למבנה הקרקע, ואף מזיק ישירות לחלק מהגידולים, ובמיוחד להדרים, אשר רגישותם מתחילה כבר מריכוז נמוך מאד של בורון.

מסננים (ממברנות) במתקן ההתפלה. צילום: טל גולדרט
מסננים (ממברנות) במתקן ההתפלה. צילום: טל גולדרט

על מנת להימנע מההשפעות השליליות שעלולות להיות לבורון לאחר שיגיע עם המים למערכות ההשקיה, יש למצוא דרך להפריד אותו ביעילות ממי הים כבר בתהליך ההתפלה. ניתן לעשות זאת באמצעות שתי שיטות מרכזיות. שיטה אחת, זו המתבצעת כעת במתקני ההתפלה בישראל, היא על ידי סינון נוסף במתקן ההתפלה, שגורר עמו כמובן עלייה בצריכת האנרגיה של תהליך ההתפלה כולו.  השיטה השנייה, שנבחנה במחקר הנוכחי, מתבססת על הרחקת בורון בסינון יחיד. שיטה זו מתבססת על התנאים בהם מותפלים המים – בעיקר ערך ההגבה שלהם (pH).

בסדרה של מחקרים קודמים הגדירו החוקרים במעבדה מודל מתמטי המאפיין את תהליך ההתפלה ואת יעילות הרחקת הבורון (במסגרת עבודת הדוקטורט של דר' עודד ניר בטכניון), לירון אופק, חוקרת העובדת בימים אלו על התואר השני שלה, מפתחת גישה תפעולית חדשה המשלבת תועלות בכל התחומים. סדרה של פעולות כימיות והנדסיות (הורדת ערך ההגבה של המים, המביאה לתהליך כימי של פירוק מינרלים מהמים ופליטה של פחמן דו חמצני, ובעקבותיה העלאת ערך ההגבה אל מעבר לערך המקורי במי ים) מאפשרת סינון קפדני של המים ללא שיקוע של מינרלים, אשר גורמים לסתימה של המסננים. כך מתאפשר סינון תוך הפחתה בצריכת האנרגיה, והורדה של עלות ההתפלה.

"ברגע שהוסרה מגבלת השיקוע על הממברנה (המסנן) תוך הרחקת בורון מספקת, התאפשר לנו להשתמש בממברנות המאופיינות בשטף מים גבוה יותר. כאשר נכנסים יותר מים למערכת, ניתן להעלות את יחס ההשבה – כלומר להפיק יותר מים נקיים מכל מ"ק של מי ים, בפחות אנרגיה", מסבירה אופק. "בכל העולם חוקרים ומנסים לייעל ולהוזיל את התהליך. התהליך המוצע על ידינו מאפשר להפחית את צריכת האנרגיה בכעשרה אחוזים (7 סנט למ"ק תוצר), ובהיקפי ההתפלה הקיימים כיום בעולם, זה משמעותי מאוד".

ראוי לציין כי השיטה שפותחה עד כה מתאימה למקומות רבים בעולם, אולם לא לישראל. דרישות התקן הישראלי להורדת ריכוז המלחים בצורה משמעותית נובעת מהשימוש של המים להשקיה, ולכן קבוצת המחקר עובדת כעת על השלמת התהליך כך שיתאים גם לדרישות בישראל.

הזבל שלי הוא המשאב שלך

חומר נוסף הנמצא בשפע במי הים ועשוי להיות משאב מבוקש הוא המגנזיום, אשר מורחק בתהליך ההתפלה ונמצא בריכוז גבוה בתמלחת הנשארת מאחור. המגנזיום בתמלחת זו יכול לשמש מקור זול וזמין לתהליכי יצירת דשן זרחני/חנקני המופק בשנים האחרונות משפכים ביתיים ונקרא סטרובית (struvite). כדי לשקע סטרובית מתוך שפכים ביתיים, יש להוסיף להם גם מגנזיום, ושיטת הייצור הנפוצה היא להוסיף כימיקל מגנזיום יקר כדי לשקעו.

ריאקטור לשיקוע סטרובית בתהליך התפלה וטיהור שפכים. צילום: ליאת בירנהק
ריאקטור לשיקוע סטרובית בתהליך התפלה וטיהור שפכים. צילום: ליאת בירנהק

החוקרים הראו כי ניתן להפריד מגנזיום באופן סלקטיבי ממי ים באמצעות תהליך הקרוי ננופילטרציה (nanofiltration). את המגנזיום ניתן להוסיף בשלב מאוחר יותר לשפכים, כמעט ללא תוספת של מלחים בלתי רצויים, וכך הם יכולים לשמש בהמשך הדרך להשקיה חקלאית. בשיטה החדשנית שפיתחו החוקרים ניתן להוזיל את תהליך ייצור דשן הסטרובית בצורה משמעותית (עשרות אחוזים), כתוצאה מהשימוש במגנזיום שמקורו במי ים (או ברכז הנוצר במתקני התפלת מי ים) ולא בכימיקל חיצוני יקר.

היכולת להשתמש במשאבים הקיימים במי הים ומופרדים ממילא בתהליכי ההתפלה מוזילה באופן משמעותי את ייצור הסטרובית, ומאפשרת מיצוי מקסימלי של הפוטנציאל הכימי הגלום במי הים.

האתגר הבא: הים החם

בקבוצת המחקר עסוקים כבר באתגרים הבאים – בחינת השפעת הטמפרטורה של מי הים על הרחקת הבורון בתהליך ההתפלה ומשמעויות השיטה על תכנון שלב התפלה שני, במקומות בהם יידרש (למשל בישראל). "מי הים התיכון ידועים בתנודתיות גבוהה מאוד של טמפרטורות – 14 מעלות בחורף ו-31 מעלות בקיץ", אומרת אופק. "להבדלים אלו השפעה ניכרת על התהליך, ובפרט על ריכוזי הבורון המתקבלים בתוצר, עד כדי כך שבקיץ נאלצים מתקני ההתפלה לשנות את תנאי ההפעלה של המתקנים על מנת לעמוד בריכוזים הרצויים". הצוות שואף להגדיר את התנאים האופטימליים להפעלת המתקן בכל טמפרטורה, כך שהיעדים יושגו – תוך מקסימום השבה, ומינימום אנרגיה.




שתפו‬        


הירשמו לניוזלטר שלנו

עקבו אחרי זווית