הטכנולוגיה שתציל אותנו מהתייבשות - ותוריד את חשבון המים

לאחרונה התפרסם מכרז להקמת מתקן התפלה שביעי בישראל, שיוצב בגליל המערבי, ושעלות הקמתו תעמוד על 1.5 מיליארד שקל, זאת כחלק ממגמה שמציבה את ההתפלה כחלק המרכזי ביותר במשק המים הישראלי. עם זאת, להתפלה יש חיסרון אחד מרכזי: לצריכת האנרגיה האדירה של תהליך ההתפלה נלווה מחיר כלכלי וסביבתי לא מבוטל בגלל האנרגיה הרבה הדרושה להתפלת המים. במחקר אמריקאי חדש שהתפרסם לאחרונה בכתב העת המדעי היוקרתי Science, פיתחו החוקרים טכנולוגיה ייחודית שתוכל בעתיד לאפשר לייעל (ולהוזיל) את התהליך.

שיטת ההתפלה המרכזית שבה נעשה שימוש כיום בעולם היא אוסמוזה הפוכה: בשיטה זו, מי ים מועברים דרך ממברנה - רכיב שמזכיר במראהו גליל שקיות ניילון, ושעשוי מהפולימרים פוליאמיד ופוליסולפון (סוג של תרמופלסטיק). הממברנה היא מוליכה למחצה: מים יכולים לעבור בה באופן חופשי, אך כ-99 אחוז מהמלחים שבמי הים נחסמים על ידה. אחרי המעבר בממברנה המים נקיים כמעט לגמרי ממלחים ואפשר לשתות אותם.

האוסמוזה ההפוכה (RO) היא כמו ששמה מרמז, תהליך שמנוגד לאוסמוזה ה"רגילה" - הנטייה הטבעית של מים לזרום ממקום שבו ריכוז המלחים נמוך למקום שבו ריכוזם גבוה. הצורך שקיים באוסמוזה הפוכה להפעיל לחץ רב על המים (שעולה ככל שהם מלוחים יותר), כדי שהם ינועו בכיוון ההפוך מזה שחוקי הכימיה מכתיבים להם ויותירו את המלחים מאחור, הוא הסיבה העיקרית לכך שיש צורך בהשקעת כמות גדולה של אנרגיה כדי לבצע את התהליך הזה.

"מבחינת אנרגיה, כדי להפיק קוב אחד של מים מותפלים יש צורך בלפחות 3.5 קילוואט-שעה - כמות האנרגיה שנצרכת בעת הפעלה מממוצעת של מכונת כביסה", אומר ד"ר עידו בר-זאב ממכון צוקרברג לחקר המים בקמפוס שדה בוקר של אוניברסיטת בן גוריון. לדבריו, כמות כזו של מים מספיקה למשפחה של ארבע נפשות לכ-5-3 ימים. "המחיר של התפלת קוב מים נע בישראל בין 60 סנט לדולר, כתלות במתקן ההתפלה. לשם השוואה, שאיבת קוב מים מהמקורות הקיימים עולה 20 סנט", הוא אומר. מובן שעלויות ההתפלה מתבטאות גם בתעריף המים לצרכן, וייעול התהליך יוכל לאפשר הפחתה בחשבונות המים.

"יש דברים רבים שאנחנו עדיין לא יודעים על ממברנות של אוסמוזה הפוכה", אומר ד"ר מניש קומר מהמחלקה להנדסה אזרחית, אדריכלית וסביבתית באוניברסיטת טקסס באוסטין, מעורכי המחקר החדש. "לא היה ידוע איך בדיוק המים נעים דרכן, ולכן כל המאמצים שנעשו ב-40 השנה האחרונות לשפר את תפקודן התבצעו למעשה באפלה".

המחקר החדש התחיל כשכמה מהחוקרים גילו להפתעתם שממברנות עבות יותר אפשרו מעבר קל יותר של מים - זאת בניגוד לציפייה ההגיונית שהעובי דווקא יקשה על מעבר המים. על מנת לפתור את התעלומה, צוות החוקרים שהתגבש פיתח שיטה למפות את מבנה הממברנות ברמת הננומטרים הבודדים (מיליארדית המטר), זאת בעזרת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM): בו נעשה שימוש בקרן אלקטרונים כתחליף למקור אור, כדי להגדיל את מראם של עצמים קטנים לגדלים של עד פי 10 מיליון מגודלם המקורי. באמצעות מיקרוסקופים אלה, החוקרים צילמו ממברנת אוסמוזה הפוכה מזוויות שונות רבות, איחדו את התצלומים לדגם ממוחשב תלת-ממדי של הממברנה ובחנו בעזרתו את הנתיבים שבהם המים נעים כשהם עוברים דרכה.

בשיטה זו, החוקרים גילו שתפקודן של ממברנות אוסמוזה הפוכה נפגע כשהצפיפות והמסה שלהן לא אחידות לאורך הממברנה. השיטה החדשה שפיתחו החוקרים יכולה לאפשר יצירת אחידות בהרכב הממברנות ברמת הננומטרים הבודדים, מה שעשוי להגדיל את יעילותן בלא פחות מכ-40-30 אחוז, ולאפשר חסכון באנרגיה ובעלויות מבלי לפגוע ביכולת של הממברנות למנוע מעבר מלחים ולהעביר דרכן את המים.

המחקר החדש התפרסם זמן לא רב לאחר פרסומו של מחקר מבטיח אחר בתחום. מחקר זה, שהתפרסם באוקטובר האחרון בכתב העת המדעי Nature Sustainability, ושאחד מכותביו הוא החוקר הישראלי פרופ' מנחם אלימלך מאוניברסיטת ייל, נועד להתמודד עם קושי אחר בתהליך האוסמוזה ההפוכה: הקושי לנקות את הממברנות מאילוח החיידקים (ביופילם - שכבה תלת מימדית המורכבת מחיידקים רבים ושונים ומחלבונים ופוליסכרידים המופרשים על ידם) שמצטבר עליהן, שמורידים בצורה משמעותית את יעילותן. הבעיה טמונה בכך ששימוש בחומרים כמו כלור, שיעילים בהסרת חיידקים, פוגע ולמעשה הורס את פני ממברנת ה-RO הסטנדרטית. על מנת לפתור את הבעיה, החוקרים פיתחו ממברנה שלא עשויה מפוליאמיד או מפוליסולפון אלא מפוליאסטר - ועל פי החוקרים, ניקוייה באמצעות כלור לא פוגע בתפקודה. "מדובר במאמר פורץ דרך", אומר בר-זאב. "אם יצליחו להוכיח שזה עובד גם בסקאלות גדולות יותר ולאורך זמן, זו תהיה קפיצת מדרגה בטכנולוגיה".

עד ששיטות חדשניות כמו אלה שמוצגות במחקרים החדשים ייושמו, ההתפלה תמשיך כנראה לגבות מאיתנו עלויות גבוהות בכסף ובאנרגיה - אך לדברי מומחים כמו בן-זאב, גם הכרחית. "יוקר זה עניין יחסי", הוא אומר. לדבריו, מצב שבו מאגרי מי התהום של ישראל יתייבשו עקב שאיבת יתר ויתמלאו במי ים הוא "יקר" יותר מהתפלה. "לא מעט מדינות בעולם לא רצו לבצע התפלה בגלל העלות - והגיעו פתאום למצב שבו אין להן מים", הוא מסכם.

הכתבה הוכנה על ידי זווית - סוכנות הידיעות של האגודה הישראלית לאקולוגיה ולמדעי הסביבה