התפלת מים מליחים באמצעות פחם פעיל – הפתרון למשבר המים?

איך שיטה שפותחה בשנות השבעים ונגנזה בשל סיבות טכניות שונות, נשלפה מהמגירה ואחרי ארבעים שנה תוכל אולי להקל על משבר המים הנוכחי *

את הפחם הפעיל כולנו מכירים בין היתר ממסנני מים ביתיים (פילטר בריטה, תמי 4 וכו’). יישום אחר שלהם הוא במסכות הגז שחולקו במלחמת המפרץ וכעת מחולקות שוב. מסתבר שהפחם הפעיל יכול לשמש לא רק לסינון גזים או חומרים אורגניים אלא גם מלחים, וזאת אם בנוסף לשטח הפנים הגדול משתמשים גם בתכונת המוליכות החשמלית הטובה של הפחם.

ד”ר יניב בוהדנה, סיים לאחרונה את הדוקטורט במעבדתו של פרופ’ דורון אורבך במחלקה לכימיה באוניברסיטת בר אילן ובהנחייתו הישירה של ד”ר אברהם סופר. הלה פיתח לראשונה את השיטה בשנות השבעים במסגרת עבודת הדוקטורט שלו בטכניון. עבודה זו נזנחה בשל סיבות טכניות שונות. לפני כשש שנים, לאור משבר המים המתמשך, הוחלט לשלוף אותה מהמגירה, ובוהדנה הוא זה שהמשיך את המחקר.

ד”ר סופר התמקד בצד התיאורטי והוא אף הנחה מספר סטודנטים בעבודות הדוקטורט שלהם – אחד מהם הוא פרופ’ יורם אורן, כיום ראש המחלקה למים וקרקע במכון לחקר המדבר באוניברסיטת בן גוריון. הנושא נחקר שוב בשנות התשעים במעבדתו של פרופ’ ג’וזף פארמר מהמעבדות הלאומיות לורנס ליברמור בארה”ב.

“אחת הסיבות לזניחת התחום היתה טכנולוגית. הפחם בו השתמשו היה מסוג Carbon Aerogel. זהו מוצר מסחרי ששטח הפנים שלו יכול להגיע למאות ואלפי מ”ר לגרם, אך הסינתזה שלו יקרה. במחקר שלנו החלטנו ללכת על סוג אחר של פחם – Carbon Cloth – המופק מבדים סינתטיים. בשל כך חוזקו המכאני גבוה ושטח הפנים שלו נע בין אלף לאלפיים מ”ר לגרם חומר וכמובן הוא זול מאוד לייצור. בניגוד לאירוג’ל הבנוי מגושים מוצקים שהמים זורמים לידם, בד הפחם מאפשר להעביר דרכו מים. תכונה זו מעלה בסדרי גודל את הקינטיקה של התהליך בספיחה ובשחרור של המלח כיוון שהתמיסה הזורמת מגיעה במגע מקסימלי עם פני שטח הפחם עם מינימום הסתמכות על השוואת ריכוזים בדיפוזיה בין התמיסה הזורמת לתמיסה הנייחת על פני שטח הפחם.

“עוד לפני שביצענו ניסוי אחד בנינו במשך כשנתיים את המערכת, שתאפשר לנו לערוך ניסויים באורח אוטומטי כדי לבחון גם את היציבות וגם את היעילות של התהליך לטווח ארוך, דבר שניסויים של יום או יומיים לא מאפשרים”, מציין ד”ר בוהדנה.

כאמור מלחים לא נספחים באופן טבעי לפחם כפי שעושים למשל חומרים אורגניים ולכן יש צורך בהשקעת אנרגיה חשמלית.

“אנו מכניסים מים מליחים לתא (המכונה תא ה-CDI). מפעילים מתח בין שתי אלקטרודות – האחת חיובית והאחת שלילית. היונים החיוביים של המלח נמשכים אל האלקטרודה השלילית והיונים השליליים נמשכים אל האלקטרודה החיובית. המלח נשאר צמוד לאלקטרודות והמים המותפלים יוצאים אל מחוץ לתא. בשלב הבא שוב ממלאים את התא במים מליחים, הפעם מקצרים בין האלקטרודות וכל המלח שנתפס עליהן משתחרר למים וממליח אותם עוד יותר – אלו מי הפסולת של התהליך. וכך ניתן לנתב מים מותפלים לצינור אחד ומי רכז לצינור אחר, וכמובן להעביר את המים המותפלים לשימוש ביתי או חקלאי”, מסביר בוהדנה. “בדקנו היבטים שונים של התהליך, בעיקר את יציבות התהליך לאורך זמן, אם רוצים להפוך את התהליך למסחרי, צריך שהאלקטרודות יחזיקו מעמד אלפי מחזורים בלי שנצטרך להחליף אותן. הבעיה היא שלפחם יש תכונה שהוא מתחמצן בנוכחות מים תחת מטען חשמלי. בעיה זו נחקרה בפרויקט הנוכחי והוצעו מספר טכניקות יעילות על מנת להתמודד איתה כאשר שילוב הטכניקות מהווה את הפתרון לבעיית היציבות. בנוסף בחנו את נושא היעילות האנרגטית והחשמלית, משום שבפועל על כל עשרה אלקטרונים שעוברים בין האלקטרודות נספחות 5-7 מולקולות של מלח. אנו רוצים להגדיל את היעילות ולשמור על הגדלה זו לאורך זמן. נושא היעילות נחקר ועתיד להיחקר רבות כיוון שהגורמים המשפיעים על היעילות הם רבים ומגוונים והוצעו טכניקות רבות על מנת לשפר את היעילות באופן טוב.

תחום שלישי שנבדק היה החלפת משטר ההזרמה המקובל של הזרמה קבועה בכיוון אחיד להפעלה בכיווני הזרמה מנוגדים עם הפעלת המתח רק בכיוון אחד. משטר הפעלה זה מוביל ליצירת משרעת ריכוזים (הפרש הערכים משיא לשיא) לאורך התא, בדומה למציאות בעמודת זיקוק שבה בכל שכבה יש יחס שונה בין המרכיבים השונים בעמודה. כך גם בתא ה-CDI שבו בכל שכבה יהיו מים ברמה שונה של מליחות, וכך ניתן להוציא רק את הפסולת מצד אחד או רק את המים המותפלים בצד שני. שיפור הנדסי זה שנחזה בעיקר תיאורטית ע”י פרופ’ אורן, יחסוך הרבה אנרגיה ויאפשר גמישות גדולה ביכולות הפעלה של התא עבור טווח ריכוזי הזנה גדול וריכוזי תוצרים שונים. במילים אחרות – ניתן יהיה להתפיל מים בכל רמת מליחות, לכל רמת התפלה שנרצה. בהמשך יבוצעו מחקרים נוספים כדי לממש שיטה זו, שמבחינה הנדסית היא הכי יעילה.

לסיכום, המחקר נמצא בשלבים מתקדמים של אב טיפוס מעבדתי ועתיד לעבור בשנים הקרובות לכדי מימוש מסחרי ושילוב כוחות עם גורמים בתעשיית המים הבינלאומית.

* הכתבה התפרסמה בשנת 2011 באתר החדשות המשותף לאוניברסיטת בר-אילן ועיתון הארץ

ה