إن ندرة المياه العالمية هي أحد أكثر التحديات إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، حيث إن أكثر من بليوني شخص يعيشون في مناطق مجهزة بالمياه، والطلب المتوقع أن يرتفع ارتفاعا حادا، فإن انتشار الطاقة قد أصبح تكنولوجيا أساسية لإنتاج المياه العذبة من المياه البحرية ومصادر النسيج، ومن بين مختلف أساليب التحلل، فإن العمليات القائمة على الغموض - التي تُعد أساساً من قبيل التحلل الحراري - تُبرز مدى القدرة على إحداث الارتداد.

أساسيات الميل

وتشكل ممرات التحلل حواجز شبه قابلة للدم، تتيح على نحو تفضيلي لجزيء المياه أن يمر، مع الاحتفاظ بأملاح مذوبة، ومركّبات عضوية، وغير ذلك من الاضطرابات، حيث أن أكثر أنواع الرفض المركب من حيث الحجم، هي مقياس النسيج المختلط الذي يتكون من طبقة مائية متماثلة من النسيج، مُعدّلة بطبقة من البولي أمفيتامينات.

دور الميكانيكيين السائلين في أداء ميبراني

ويقضي ميكانيكيو الفلور بتأثير توزيع السرعة، وتدرجات الضغط، وخصائص الخلط قرب سطح الغشاء، وهناك ثلاثة تحديات مترابطة، هي استقطاب التركيز، وضغط النسيج، وهبوط الضغط الهيدرولي، تتأثر مباشرة بسلوك التدفق، وتعالج هذه التحديات من خلال الدينامية المتدفقة، وهي تحديات أساسية لتحقيق أقصى قدر من التدفق، ولتوسيع نطاق تكاليف الحياة في البحر، وتقليل تكاليف الطاقة إلى أدنى حد.

التركيز على الاستقطاب

وأثناء التليف، تتراكم الصومدات على سطح الميمبرون لأنها ترفضها الميمبراين، ويزيد التركيز المحلي على مجرى التغذية السائبة، وهو ظاهرة معروفة بتعريف التركيز، ويقلل الضغط الظاهري على السطح من قوة الدفع الصافية لتصلب المياه ويمكن أن يؤدي إلى تضخيمها قبل الأوان.

Membrane Fouling

ويحدث القذف عند وقف الجسيمات، أو التلويث، أو الكائنات المجهرية، أو الودائع المعدنية المزودة بالمقياس على سطح البحر أو داخل مساماته، ويتأثر معدل الترسيب بقوة بالغطاء المحلي الذي يضغط عليه الماء التدفقي، وقد تؤدي الضغوطات المرتفعة إلى منع الجسيمات من التثبيت بل ويمكن أن تزيل العوارض الضعيفة.

هبوط الضغط الهيدروليكي

ومع تدفق مياه التغذوية من خلال وحدة الدمج، فإنها تواجه مقاومة من جدران القناة، والفضاء، والحمبرانية نفسها، مما يمثل فقدانا للطاقة يجب التغلب عليه بواسطة مضخة الكساد العالية، ويقلل من انخفاض الضغط هذا دون أن يُلحق الضرر بالنقل الجماعي، ويُعتبر مبادلاً كلاسيكية في التصميم الميكانيكي.

Apptimizing Flow Patterns for Enhanced Mass Transfer

وتوجد تشكيلتان رئيسيتان للتدفق في وحدات النسيج: التدفق المتناثر والهباء، وفي التليف المميت، تمر جميع المياه التغذوية عبر النسيج، مما يؤدي إلى سرعة تراكم المواد المحتفظ بها، حيث تتدفق المياه الجوفية الموازية لسطح الميمبرنة، هو معيار تحلية المياه لأن تدفق الدبابرة يمتد باستمرار إلى نظام التدفقات الرئيسية المرفوض.

Cross —Flow Velocity and Turbulence

ويعزز سرعة التدفق المتزايد معامل النقل الجماعي بتقليص سميك طبقة حدود التركيز، غير أن ارتفاع السرعة يزيد أيضا من انخفاض الضغط واستهلاك الطاقة، وبالتالي يسعى المحركات إلى تحقيق سرعة مثالية توازن بين هذه العوامل، وفي الممارسة العملية، تعمل نظم عديدة من نوع " رو " في منطقة الانتقال من طبقة إلى أخرى مسببة للاضطرابات (تبلغ أعداد المراوح بين 500 و 000 2) حيث تؤدي التغيرات الصغيرة في سوائل التقلبات.

Feed Spacer Geometry

فأجهزة الحيز المأهولة هي الهياكل الشبيهة بالشبكة التي توضع بين أوراق النسيج في وحدات السوائب السائلة، وهي تؤدي وظائف مزدوجة: فهي تخلق قناة تدفق وتروج للخلط، وتشتمل على سماء المقياس الأرضي للفضاء، والزاوية، والحجم المشرقي، وتؤثر بشكل مباشر على كل من المقاومة الهيدروليكية والنقل الجماعي، وتستخدم التصميمات الحديثة ذات المنحنى المكثف للماسات الفضائية المعدلة.

المتدفقات غير الثابتة والمائية غير الثابتة

ولا يزال التدفق الثابت يمكن أن يسمح باستمرار مستويات التركز، إذ إن إدخال التقلبات غير الثابتة من خلال التلويث، أو التدفق النسيج، أو الانحلال المتقطع لطبقة التدفق العكسي، يمكن أن يقلل من الغضب بدرجة كبيرة، وقد درست التدفق الكثيف في وحدات قياسية على نطاق المختبرات، مما يظهر تحسناً بنسبة 50 في المائة في التدفق بالنسبة لبعض المسارات الصناعية الفعالة.

مبيدات الفلور المحوسبة للتصميم

ويتوقف ميكانيكي السوائل الحديثة في تحلية المياه اعتماداً كبيراً على المحاكاة العددية، كما أن نماذج الـ ديوان الـ "نافيير ستوكس" مقترنة بأوضاع نقل الأنواع وخطورة الـ "أمبراني" تسمح للمهندسين بتصوير أنماط التدفق، وميادين درجات الحرارة، وتوزيع التركيزات في الجيولوجيا المعقدة، وقد كانت مفيدة في استخدام أساليب الفرز الفلكي، وتحديد المناطق الميتة والتنبؤ بها.

ومن التطبيقات البارزة للبرمجيات الحرة والمفتوحة المصدر: محاكاة نماذج الفولط السائلة، حيث أن البرمجيات المتعددة الارتفاعات ذات النطاق الكامل من 3D التي تحتوي على وحدة كاملة باهظة التكلفة، وبالتالي فإن نماذج البحث المخفضة ونهج الخلية الدورية للوحدة قد تُستخدم، وقد كشفت هذه المحاكاة أن التدفق كثيرا ما يكون مُعطلا، حيث توجد بعض القنوات التي تزيد من حجم التدفق الإجمالي.

كفاءة الطاقة وإدارة الضغط

وتكثيف كثافة الطاقة: تستهلك نظم التحلل المتطور حوالي ٣-٦ كيلوواط في كل متر مكعب من المياه العذبة المنتجة، ويستخدم جزء كبير من هذه الطاقة لضغط المياه الجوفية للتغلب على الضغوط النكراء وفقدان النظم، وتسهم الميكانيكيات السائلة في تحقيق وفورات في الطاقة بطريقتين رئيسيتين: الحد من الضغط التشغيلي المطلوب من خلال أداء أفضل في مجال الدمج، واستعادة الطاقة من خلال استخدام الطاقة.

أجهزة استعادة الطاقة

ولا تزال أجهزة استعادة الطاقة تُلقي الضوء على هذا الضغط وتُنقله إلى التغذية القادمة، وتُعد عجلات البلتون، وأجهزة التربو، ومبادلات الضغط (مثل جهاز " إي آر بي إكس " ) أمثلة مشتركة، وتتوقف كفاءة هذه الأجهزة على التصميم الدينامي للسائل: تقليل التسرب، والاحتكاك، والخلط بين عوامل الاحتراق والضغط المخففة.

الإقلاع عن الضغط

وقد أدى كل عنصر من عناصر تلف القطارات، والصمامات، والرمبرات، والمساهمات في خفض الانبعاثات الناجمة عن الايدر إلى خسائر هيدرولية، كما أن التخصيب الميكانيكي في الحجم، والصفوف النهائية، وأنبوب جمع العينات المتطاولة، إلى الحد من هذه الخسائر بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة، وعلى سبيل المثال، فإن الأنابيب المطلة التي ترتفع تدريجياً في مقياس على طول النموذج المركب يمكن أن تُضاهي من القوة.

تصميمات من وحدات الدمج المتقدمة التي تلهمها الميكانيكيات السائلة

وكانت الوحدة النموذجية التقليدية للزوابق الحلوية هي مجموعة العمل من التحلية منذ عقود، ولكن تصميمها كان عمليا إلى حد كبير، وتدمج البنى النمطيـة الجديدة صراحة مبادئ دينامية مُتسمة بتحسين الكفاءة.

Modified Spiral-Wound Modules

وتشمل التصميمات الأخيرة المتغيرات في الفضاء حيث يصبح مشرق الفضاء مكثفاً بالقرب من الأنبوب المركزي للتعويض عن انخفاض تدفق التغذية، وثمة ابتكار آخر يتمثل في استخدام حمالات مزروعة أو مجهزة بالهيكلات الدقيقة التي تخلق اضطراباً محلياً دون وجود فضاء خارجي، حيث يقدم بعض الصانعين الآن وحدات مع فضاء " منخفضي الطاقة " تجمع بين المقاييس الجيولوجية المثلى والملامح الأيسرة للحد من انخفاض في الضغط.

محرقة اليهود

تتألف مسامير المحرقة من أرباع من الأنابيب الرقيقة (المقياس الخارجي 0.5-2 مم) ويمكن دفعها إما خارجا أو داخلا، ويؤدي قطر الألياف الصغيرة إلى ارتفاع المساحة السطحية لكل حجم، ولكن أيضا إلى انخفاضات كبيرة في الضغط إذا كان التدفق داخل الألياف، وتسترشد ميكانيكيات الفلور باختيار الكثافة التعبئةية، وزيادة النسيج المكثف، والنماذج الجانبية.

Plateand-Frame Modules

وتستخدم تصميمات الإطارات المسطحة المسطحة أغطية مائية مقسمة بأجهزة فضائية صلبة أو بزجاجات، وهي توفر تنظيفا أسهل ويمكن أن تعالج الأعلاف ذات الإمكانات العالية، ولكنها أكثر تكلفة عموما لكل منطقة من مناطق الوحدة، وقد أدى التحليل الميكانيكي المفاجئ الأخير إلى تطوير لوحات متآكلة تؤدي إلى تدفقات ثانوية، وتحسين الخلط والتدفقات، وتعادل هذه اللوحات في تركيبها في المقاييس الحرارية المستخدمة.

نظم التصوير الديناميكي

وفي وحدات الكيمبراين الدينامية أو المهتزة، تتحرك النسيج نفسه (مثلاً، التناوب أو الهتز) لخلق قذيفة عالية دون أن تتطلب سرعة عالية في تدفق التغذية، ويسود مبدأ الميكانيكي السائل: فالحركة النسبية بين تدفق الأدمغة والسائل تحافظ على طبقة حدودية رقيقة، وتستخدم النظم التجارية مثل نظام VSEP (Vibratory Shear Enhanced Process) ميكانيكياًاً

الاتجاهات المستقبلية: التعلم في مجال الآلات، والطباعة 3D، والنظم الهجينة

ويدخل تطبيق ميكانيكيات السوائل في تحلية المياه حقبة جديدة تستمد طاقتها من النُهج القائمة على البيانات ومن التصنيع المتقدم، ويجري تدريب خوارزميات التعلم الآلات على مجموعات كبيرة من البيانات من محاكاة وأجهزة النبات التابعة للمؤسسة والتنبؤ بالغاز، والتوصية بالجدول الأمثل للتنظيف، بل وتصميم خرائط جديدة للحواسيب الفضائية، وتسمح التصميمات الجامدة، إلى جانب الطباعة بواسطة ثلاثية الأبعاد، بخلط هياكل المقاييس والنماذمة.

كما أن النظم الهجينة التي تجمع بين عمليات الدمج وتكنولوجيات الفصل الأخرى (مثلاً، التحلل المغناطيسي، والتحلل الكهربائي) تستفيد أيضاً من التحليل الميكانيكي السوائل، ففي حالة تفكك النسيج، تتفاعل طبقات درجات الحرارة والتركيز بشكل قوي؛ وأدى فهم الحرارة المقترنة والنقل الجماعي عبر الديوكسين الفلوري إلى تصميمات جديدة تحافظ على درجات الحرارة في المناطق التي ترتفع فيها مستويات الحرارة بشكل أكثر فعالية.

خاتمة

إن ميكانيكيات الفلور ليست شاغلاً هامشياً في تحلية المياه - بل هي دعامة مركزية تحكم المبادلات بين التدفق واستهلاك الطاقة وطول الديدان، ومن الانتقال على نطاق صغير عبر طبقة البوليميد إلى توزيع التدفق الكلي في محطات متعددة الوسائط، فإن الفهم الدقيق لديناميات توليد السوائل يمكن المهندسين من تصميم نظم أكثر كفاءة وقوة وقابلية للتدفق الاقتصادي.