چشم‌انداز نمک‌زدایی آب برای مصارف کشاورزی

نویسندگان

1 دانشیار موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

2 دانشیار پژوهش پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، اصفهان، ایران.

چکیده

با رشد روزافزون جمعیت و تشدید تغییرات اقلیمی، کمبود آب به مانع اصلی کشاورزی پایدار در جهان تبدیل‌شده است. در این راستا، برآوردهای تقریبی نشان می­دهند که در سال 2030 میلادی، کشور ما سالانه به حدود 40 میلیارد مترمکعب آب اضافی نیازمند خواهد بود. سفره­های آب‌شور و آب دریا، یک منبع بی­پایان و قابل‌اعتماد آب هستند که برای استفاده در اکثر فعالیت­های کشاورزی، نیازمند نمک‌زدایی می­باشند. در حال حاضر کشت اکثر محصولات کشاورزی با آب نمک‌زدایی شده به دلیل هزینه­های زیاد انرژی و سرمایه اولیه موردنیاز، سودآور نیست. هم‌اکنون مصرف انرژی در فرآیند نمک‌زدایی حدود 5 کیلووات ساعت بر مترمکعب است که هنوز بسیار بیشتر از مقدار حداقل تئوری 1 کیلووات ساعت بر مترمکعب است. در این مقاله؛ روش‌های مختلف در دست تحقیق برای کاهش هزینه­های نمک‌زدایی بررسی‌شده‌اند. کاربردهای موردی از سامانه­های نمک‌زدایی آب در کشت­های گلخانه­ای کشور به‌صورت کمی ارائه ­گردیده­اند.. روش‌های نوآورانه مبتنی بر نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی برای کاهش اتلاف انرژی در غشاهای اسمز معکوس، غشاهای حاوی نانولوله­های کربنی یا پروتئین­های استخراج‌شده از گیاهان شور دوست در این رابطه تشریح شده­اند. ترکیب مناسب روش‌های اسمز معکوس و اسمز مستقیم بدین منظور معرفی‌شده‌اند. به بازطراحی واحدهای نمک‌زدایی برای افزایش بازیابی انرژی اشاره‌شده است و استفادۀ درحال‌توسعه از انرژی خورشیدی در نمک‌زدایی نیز به‌عنوان یک راهکار معرفی‌شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Prospects of Water Desalination for Agricultural Use

نویسندگان [English]

  • Ghasem Zarei 1
  • Morteza Khanahmadi 2
1 Associate Professor of Agricaltural Engineering Research Institute, Agricaltural Research, Education and Extension Organization, Karaj, Iran.
2 Associate Professor of Agriculture Biotechnology Research Institute of Iran, Agricaltural Research, Education and Extension Organization, Karaj, Iran
چکیده [English]

Population growth along with climate change will cause the water scarcity to become the main bottleneck of sustainable agriculture in the world. So as a rough estimation, by 2030 nearly 40 billion cubic meters more water is needed annually in our country. Saline groundwater and seawater are abundant and reliable water resources which need to be desalinated for use in most agricultural activities. Cultivation of most agricultural products is currently not feasible with desalinated seawater due to high energy and capital costs. Current seawater desalination energy consumption rate is 5 kwh/m3 which stand far above minimum theoretical limit namely 1 kwh/m3. Application of desalinated water in greenhouses cultivation is being investigated. Various routes which are being investigated to reduce the costs are dealt in this paper: Innovative nanotechnology and biotechnology methods are under development for abatement of energy loss in reverse osmosis membranes. Membranes containing carbon nanotubes or proteins extracted from salinity tolerant plants are fabricated in this regard. Appropriate combination of reversed osmosis (RO) with forward osmosis (FO) is under investigation. At the same time, design of desalination plants is improved to enhance energy recovery. Utilization of solar energy in desalination is also emerging.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Desalination
  • seawater
  • Agriculture
  • Energy
  • Cost
  • Crop production
تردست، ع.، و موسوی، م. 1390. مدیریت جامع منابع آب در نواحی خشک و کم آب کشور (مطالعه موردی: دشت جنوب غرب تهران). چهارمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، 14-13 اردیبهشت، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
تقدیسی حیدریان، س.ر.، و رشید زاده، ف. 1389. بررسی اقتصادی شوری‌زدایی آب کشاورزی با استفاده از دستگاه‌های آب شیرین­کن با تأکید بر حوضه آبریز کشف­رود. مجله آب و محیط­زیست، 77: 29-34.
حسن اقلی، ع.ر.، و زارعی، ق. 1393. بررسی روش‌های کاربردی دفع پساب حاصل از دستگاه­های آب‌شیرین‌کن مورداستفاده در کشت­های گلخانه­ای. گزارش پژوهشی موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، شماره 658/87.
خاشعی سیوکی، ع.، والیزاده اردلان، ر.، و شجاعی سیوکی، ح. 1391. راهکارهای مدیریتی دفع پسماند شور ناشی از صنعت شیرین­سازی آب در کشاورزی (منطقه موردمطالعه: بجستان). مجموعه مقالات سومین همایش ملی مدیریت جامع منابع آب، 21-20 شهریور، ساری.
رفیعی‌راد، س.، و عرب، د. 1388. نیازهای انرژی، منابع و مصرف انرژی برای شیرین کردن آب. سومین همایش ملی آب و فاضلاب.
زارعی، ق.، و جعفری، ع.م. 1395. نقش واردات و صادرات محصولات مهم زراعی و باغی در تجارت مجازی آب و ردپای آب در کشاورزی ایران. مجله آبیاری و زهکشی ایران، شماره 5
.زارعی، ق.، حسن­اقلی، ع.ر.، و یارقلی، ب. 1391. آب شیرین‌کن‌ها و چشم­انداز استفاده از آن‌ها در بخش کشاورزی. گزارش فنی مؤسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی. 23 صفحه.
قاسمی، س.ع.، و دانش، ش. 1391. کاربرد روش تحلیل سلسه مراتبی در تعیین گزینه بهینه نمک­زدایی از آب‌های لب‌شور. نشریه آب‌وخاک(علوم و صنایع کشاورزی)، 26(4):1009-999.
قنادی، م. 1384. آب‌شیرین‌کن‌های شهری و روستایی ایران و کیفیت آب استحصال‌شدۀ آن‌ها. نشریه آب و محیط‌زیست، شماره 64.
مساح، ع.ر.، و مرید، س. 1384. اثرات تغییر اقلیم بر منابع آب و تولید محصولات کشاورزی(مطالعه موردی: حوضه زاینده­رود اصفهان)، مجله تحقیقات منابع آب ایران، 1(1):47-40.
میرباقری، س.ا.، و شمس، ا. 1387. امکان‌سنجی استفاده از فناوری اسمز معکوس در تصفیه آب‌های لب‌شور جهت تأمین آب شرب شهری در کشور. چهارمین کنگره مهندسی عمران، اردیبهشت 1387.
Ahmad, G.E., and Schmid, J. 2001. Feasibility study of brackish water desalination in the Egyptian deserts and rural regions using PV systems. ISES 2001 Solar World Congress, 1031-1038.
Ahn, C.H., Baek, Y., Lee, C., Kim, S.O., Kim, S., Lee, S., Kim, S.H., Bae, S.S., Park, J., and Yoon, J. 2012. Carbon nanotube-based membranes: Fabrication and application to desalination. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 18(5): 1551-1559.
Al-Karaghouli, A., Renne, D., and Kazmerski, L.L. 2009. Solar and wind opportunities for water desalination in the Arab regions. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13:2397-2407.
Alkhudhiri, A., Darwish, N., and Hilal, N. 2012. Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination, 287:2-18.
Al-Salaymeh, A., and Zurigat, Y. 2006. A Comprehensive Study of Greenhouse for Agriculture and Water Desalination for Jordan Valley and Red-Dead Sea Region. The 2nd International Conf. on Water Resources & Arid Environment.
Banat, F., and Jwaied, N. 2008. Economic evaluation of desalination by small-scale autonomous solar-powered membrane distillation units. Desalination, 220: 566-573.
Bowen, W.R. 2006. Biomimetic separations – learning from the early development of biological membranes. Desalination, 199(1-3): 225-227.
Cai, Y., Shen, W., Loo, S.L., Krantz, W.B., Wang, R., Fane, A.G., and Hu, X. 2013. Towards temperature driven forward osmosis desalination using Semi-IPN hydrogels as reversible draw agents. Water research, 47(11): 3773-3781.
Carbon-Trust 2011. Greenhouse gas conversions.<http://www.carbontrust.com/media/18223/ctl153_conversion_factors.pdf>.
Cath, T.Y., Childress, A.E., Elimelech, M. 2006. Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments. Journal of Membrane Science, 281:70-87.
Chaibi, M.T. 2003. Greenhouse systems with integrated water desalination for arid areas based on solar energy. Doctoral thesis, Swedish University of Agricultural Sciences, pp 50.
 
 
 
Chaibi, M.T., and Jilar, T. 2005. Effects of a solar desalination module integrated in a greenhouse roof on light transmission and crop growth. Biosystems Engineering, 90(3): 319-330.
Chekli, L., Phuntsho, S., Shon, H.K., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., and Chanan, A. 2012. A review of draw solutes in forward osmosis process and their use in modern applications. Desalination and Water Treatment, 43(1-3): 167-184.
Choi, J., Kim, H., Lee, S., Hwang, T., Oh, H., Yang, D.R., and Kim, J.H. 2010. Theoretical investigation of hybrid desalination system combining reverse osmosis and forward osmosis. Desalination and Water Treatment, 15(1-3):114-120.
Choi, J.H., Jegal J., and Kim, W.N. 2006. Fabrication and characterization of multi-walled carbon nanotubes/polymer blend membranes. Journal of Membrane Science, 284(1):406-415.
Choi, Y.J., Choi, J.S., Oh, H.J., Lee, S., Yang, D.R., and Kim, J.H. 2009. Toward a combined system of forward osmosis and reverse osmosis for seawater desalination. Desalination, 249:239-247.
Chung, S.O., Rodriguez, J.A., Weathehead, E.K., and Knox, J.W. 2011. Climate change impact on water for irrigating paddy rice in South Korea. Irrigation and Drainage, 60: 263-273.
Cooley, H., Gleick, P.H., and Wolff, G. 2006. Desalination, with a grain of salt-a California perspective, Pacific institute for studies in development, environment, and security, Hyward, CA.
Dawoud, M.A., and Mulla, M.A. 2012. Environmental impacts of seawater desalination: Arabian Gulf Case Study. International journal of environment and sustainability, 1(3):22-37.
De Silva, C.S., Weatherhead, E.K., Knox, J.W., and Rodriguez-Diaz, J.A. 2007. Predicting the impacts of climate change-A case study of paddy irrigation water requirements in Sri Lanka. Agricultural Water Management, 93:19-29.
El Naas, M.H., Al Marzouqi, A.H., and Chaalal, O. 2010. A combined approach for the management of desalination reject brine and capture of CO2. Desalination, 241:70-74.
El-Bourawi, M., Ding, Z., Ma, R., and Khayet, M. 2006. A framework for better understanding membrane distillation separation process. Journal of Membrane Science, 285(1):4-29.
Elimelech, M., and Phillip, W.A. 2011. The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment. Science, 333(6043):712-717.
Greenlee, L.F., Lawler, D.F., Freeman, B.D., Marrot, B., and Moulin, P. 2009. Reverse osmosis desalination: Water sources, technology, and today’s challenges. Water Research, 43: 2317-2348.
Hoekstra, A.Y., and Chapagain, A.K. 2007. Water footprints of nations: water use by people as a function of their consumption pattern. Water resources management, 21(1):35-48.
Hopfner, j., Kelin, C., and Wilhelm, M. 2010. A novel approach for the desalination of seawater by means of reusable Poly(Acrylic Acid) Hydrogels and mechanical force. Macromolecular Rapid Communications, 31(15):1337-1342.
Jensen, M., and Mouritsen, O.G. 2006. Single-channel water permeabilities of Escherichia coli Aquaporins AqpZ and GlpF. Biophysical journal, 90(7):2270-2284.
Kar, S., Bindal, R., and Tewari, P. 2012. Carbon nanotube membranes for desalination and water purification: Challenges and opportunities. Nano Today, 7(5):385-389.
Karagiannis, I.C., and Soldatos, P.G. 2008. Water desalination cost literature: review and assessment. Desalination, 223(1):448-456.
Kesieme, U.K., Milne, N., Aral, H., Cheng, C.Y., and Duke, M. 2013. Economic analysis of desalination technologies in the context of carbon pricing, and opportunities for membrane distillation. Desalination, 323:66-74.
Kumar, M., Grzelakowski, M., Zilles, J., Clark M., and Meier, W. 2007. Highly permeable polymeric membranes based on the incorporation of the functional water channel protein Aquaporin Z. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(52):20719-20724.
Lattemann, S., and Hopner, T. 2008. Environmental impact and impact assessment of seawater desalination. Desalination, 220:1-15.
Lawson, K.W., and Lloyd, D.R. 1997. Membrane distillation. Journal of Membrane Science, 124(1):1-25.
Lee, K.P., Arnot T.C., and Mattia, D. 2011. A review of reverse osmosis membrane materials for desalination-development to date and future potential. Journal of Membrane Science, 370(1):1-22.
Li, D., Zhang, X., Yao, J., Simon, G. P., & Wang, H. 2011a. Stimuli-responsive polymer hydrogels as a new class of draw agent for forward osmosis desalination. Chemical Communications, 47(6):1710-1712.
Li, D., Zhang, V., Yao, J., Simon, G.P., and Wang, H. 2011b. Composite polymer hydrogels as draw agents in forward osmosis and solar dewatering. Soft Matter, 7:10048-10056.
Li, D., Zhang, X., Simon, G.P. and Wang, H. 2013. Forward osmosis desalination using polymer hydrogels as a draw agent: influence of draw agent, feed solution and membrane on process performance. Water research, 47(1):209-215.
Lindblom, J. 2005. Solar thermal technologies for seawater desalination: State of the art. Renewable Energy Systems, Lulea University of Technology, Sweden. pp 17.
Majumder, M., Chopra, N., Andrews, R., and Hinds, B.J. 2005. Nanoscale hydrodynamics: Enhanced flow in carbon nanotubes. Nature, 438:44-44.
McCutcheon, J.R., McGinnis R.L., and Elimelech, M. 2005. A novel ammonia-carbon dioxide forward (direct) osmosis desalination process. Desalination, 74:1-11.
McCutcheon, J.R., McGinnis, R.L., and Elimelech, M. 2006. Desalination by ammonia-carbon dioxide forward osmosis: Influence of draw and feed solution concentrations on process performance. Journal of Membrane Science, 278(1):114-123.
McGinnis, R.L., and Elimelech, M. 2007. Energy requirements of ammonia–carbon dioxide forward osmosis desalination. Desalination, 207:370-382.
Mekonnen, M.M., and Hoekstra, A.Y. 2010. The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products. Value of Water, University of Twente, Enshede, 42 page.
Mizyed, N. 2008. Impacts of climate change on water resources availability and agricultural water demand in the West Bank. Water Resources Management, 23(10):2015-2029.
Oasys, B. 2012. Produced water case studies in the Marcellus Shale and Permian Basin. <http://oasyswater.com/case-study>.
Pangarkar, B.L., Sane M.G., and Guddad, M. 2011. Reverse osmosis and membrane distillation for desalination of groundwater: A review. ISRN Materials Science, 2011.
Philibert, C. 2011. Solar energy perspectives. Internaltional Energy Agancy Paris, 234page.
Phuntsho, S., Shon, H.K., Majeed, T., El Saliby, I., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., Hong, S., and Lee, S. 2012. Blended fertilizers as draw