روش‌های متنوعی از قبیل حفاری پرتوی یون هلیوم و حکاکی شیمیایی، می‌توان در گرافن نانوحفره‌هایی ایجاد کرد. دانشمندان در شبیه‌سازی‌شان، بوسیله خنثی کردن اتم‌های کربن در گوشه‌های حفره‌ها با پیوند دادن آنها با اتم‌های هیدروژن یا گروه‌های هیدروکسیل نانوحفره‌ها را تثبیت کردند.

این دانشمندان در شبیه‌سازی‌های خود این دو گروه عاملی و همچنین اندازه‌های مختلف حفره‌ها را بررسی کردند. آنها فرض کردند که خوراک این غشاء‌ها آب نمکی با غلظت 72 گرم بر لیتر (حدود دو برابر متوسط غلظت آب دریا) است. این محققان متوجه شدند که اگرچه بزرگ‌ترین حفره‌ها می‌توانند آب را با بیشترین دبی فیلتر کنند، اما نانوحفره‌های بزرگ به بعضی از یون‌های نمک اجازه می‌دهند که عبور کنند. این شبیه‌سازی‌ها گستره‌ی مناسبی از قطر‌های نانوحفره‌ها را مشخص کردند که در آن گستره، نانوحفره‌ها برای عبور مولکول‌های آب به اندازه کافی بزرگ هستند و برای ممانعت از عبور یون‌های نمک به اندازه کافی کوچک هستند

این شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان دادند که گرافن هیدروکسیل‌شده قابلیت نفوذ آب را به شدت تقویت می‌کند و دانشمندان آن را به طبیعت آب‌دوستی گروه‌های هیدروکسیل نسبت می‌دهند. در مقابل، از آنجائیکه حفره‌های هیدروژنه‌شده آب‌گریز هستند، برای تعداد محدودی از پیکربندی‌های بسیار منظم، اجازه عبور مولکول‌های آب را می‌دهند

در روش مبادله يوني از مواد جامدي كه خاصيت يوني ويژه اي دارند استفاده مي شود. در روش استخراج حلال ,كار به وسيله مايعات خاصي كه داراي خاصيت جدا كنندگي است ، استفاده مي شود . اين مايعات آب را بيش از نمك جذب مي كنند یعنی حلالیت نمک در حلال بسیار کم است.پس اب در حلال حل شده و نمک از ان جدا میشود.ودر مرحله بعد حلال را از اب توسط فرایند احیا جدا میکنند.

با دستيابي به اين فناوري ديگر محدوديتي در حجم آب شيرين سازي شده وجود ندارد. هنگامي که مولکول هاي آب از غشاها عبور مي کند نمک ها پس زده مي شود و در محلول باقي مي ماند، به طوري که وقتي غلظت نمک به ميزان مشخصي برسد به صورت جداگانه از سيستم به صورت جامد و يا محلول خارج مي شود. رئيس پژوهشکده نانوي دانشگاه صنعتي بابل درباره مکانيسم شيرين سازي آب با غشاهاي نانوفيلتر اظهار داشت: همان طور که گفته شد لايه اين غشاها هم مانند فيلتر عمل مي کند و هم حالت نفوذپذيري دارد.حال براي شيرين سازي آب، آب از يک طرف با فشار از اين غشاها که به صورت ماژول ساخته شده است، عبور داده مي شود و طي فرآيند پيچيده اي آب تصفيه شده از آن ها خارج مي شود. در صنعت اغلب اين ماژول يک متري ساخته مي شود و ما در حال حاضر، ماژول هاي ۳۰ سانتي متري تهيه کرده ايم و هم اکنون نيز اين پروژه در مرحله ساخت ماژول هاي يک متري است. وقتي که اين ماژول هاي يک متري به تعداد کافي ساخته شود مي توان آب را به حجم دلخواه تصفيه و شيرين سازي کرد. وي اضافه کرد: به اين غشاها، غشاي اسمز معکوس Low pressure هم گفته مي شود که در فشار پايين کار مي کنند. مزيت اين غشاها نسبت به غشاهاي اسمز معکوس اين است که غشاهاي اسمز معکوس در فشار بالا کار مي کند و هنگامي که در صنعت، براي خالص سازي فشار بالا برده مي شود، به ازاي هر بار افزايش فشار، هزينه بالايي تحميل مي شود. بنابراين ساخت غشاهاي اسمز معکوس Low pressure که توانايي کار در فشار پايين را دارد و خروجي آن نيز مانند غشاهاي اسمز معکوس است به لحاظ اقتصادي يک تحول است.

اين فوق دکتراي نانوبيوتکنولوژي خاطرنشان کرد: کسب تأييديه استاندارد جهاني به دليل برخورداري اين غشاها از ويژگي هاي منحصر به فرد و همچنين نوع فناوري به کار گرفته شده در آن هاست که ما را در رده برترين توليد کنندگان اين نوع غشا در جهان قرار مي دهد

از روش مبادله يوني ، مدت هاي زيادي است براي كارهاي دقيق شيميايي استفاده مي شود . چون نمك آبي كه با استفاده از اين روش به دست مي آيد خيلي كم است و در اين آب ها فقط درجه خالص بودن آن ها مهم است روش تعويض يوني براي توليد اين گونه آبها كاملاً مناسب است . اما تهيه آب شيرين زياد و همچنين تصفية آب هاي خيلي شور با اين روش خيلي گران تمام مي شود .

اغلب اين دستگاه هايي كه در حال حاضر در سيستم هاي آب شهري مورد استفاده قرار مي گيرند . براي نرم يا سبك كردن آب به كار مي روند نه شيرين كردن آب كه در دومي يعني سبك كردن آب ، يون ها ، از آب جدا نمي شوند ، بلكه فقط يون هاي سديم را جايگزين كلسيم مي كنند .

خاصيت موادي كه در نمك زدايي از آب هاي استفاده مي شوند ، اين است كه موقعي كه اب از آنها عبور مي كند ، يون هايي كه بايد از آب جذب شوند ، جاي خود را با يون هاي H+  و OH- عوض مي كنند و اين یون ها بسرعت با هم تركيب مي شوند و آب كاملاً خالص توليد مي كنند . اين مواد مبادله كننده خواص مهم ديگري دارند و آن اين كه پس از مدتي كار ، از يون اشباع مي شوند كه مي توان آنها را با مواد احيا كننده شست و شوي داد و پاك كرد و براي استفاده مجدد آماده ساخت .

 اگر سل‌ها به صورت سری در کنار یکدیگر قرار گیرند، راندمان تصفیه افزایش یافته و آبی با کیفیت بهتر تولید می‌گردد و اگر آنها را به صورت موازی در کنار یکدیگر قرار گیرند، می‌توانند میزان آب بیشتری را مورد تصفیه قرار دهند. (افزایش دبی آب تصفیه‌شده)

                           بقیه در ادامه مطلب

تا اين جا روش هايي ذكر شدند كه در آنها ، آب از محلول يا آب نمك جدا مي شد . در اين روش يعني روش الكترودياليز نمك را از آب مي گيرند يا جدا مي كنند . اين روش ها ، براي شيرين كردن آب هايي كه غلظت املاح در آنها كم است ، يعني در حدود 5000 قسمت در ميليون ( آب هاي لب شور ) خيلي مناسب است .

انرژي مصرفي در اين روشها ، نسبت به روش هايي مانند تقطيري و انجماد كه در آنها آب شيرين از آب شور ، يا آب نمك گرفته مي شود ، كمتر است . در روشهاي الكترودياليز و تعويض يوني از محلول جدا مي شوند ، انرژي مصرفي به مقدار يوني بستگي دارد كه بايد جدا شود .

همانطور كه قبلاً هم گفتيم ، اسمز عبارت است از انتقال آب در داخل غشا از محلول با غلظت كم ، به محلول با غلظت بيشتر اما در دياليز ، نفوذ يون ها به داخل غشا از محلول غليظ تر به محلول با غلظت كمتر صورت مي گيرد . مقدار انتقال آب و نفوذ نمك به نوع غشا يا پرده نيمه تراوا بستگي دارد . ولي روي هم رفته غشاهاي اسمز به نسبت مقدار كمي از يون ها و غشاهاي دياليز ، مقدار كمي از آب را انتقال مي دهند .

امروزه غشاهاي الكترودياليزي ساخته مي شوند كه شامل بازهاي منفي و مثبت است و مي تواند يون هاي داراي قطب هاي مخالف را جذب كند.

الكترودياليز عبارت است از تجزية آب در جريان الكتريسيته ، اين عمل موجب مي شود يون هاي موجود در آب ، از هم جدا شوند و يون هاي مثبت به طرف الكترود منفي ( كاتد )‌ و يون هاي منفي به طرف الكترود مثبت ( آند ) بروند . در سر راه عبور جذب آنها ، غشاهاي مذكور كه قادر به حذب دسته اي از يون ها ( منفي يا مثبت )  مي باشند ، قرار داده مي شوند . اين غشاها به صورت زوج ، مورد استفالده قرار مي گيرند كه يكي از آنها شامل يون هاي منفي است ، به همين دليل اجازه عبور يون مثبت را مي دهد و از داخل شدن يون نفي جلوگيري مي كند . غشاي ديگري شامل يون مثبت است ، از اين رو اجازه عبور يون منفي را مي دهد و از داخل شدن يون مثبت جلوگيري به عمل مي آورد . يك صافي الكتروديليز ، شامل تعداد زيادي از اين زوج غشاهاست كه به طور موازی پهلوی هم قرار مي گيرند و فاصلة بين آنها در حدود 06/0 اينچ است . آب از بين اين غشاها عبور مي كند كه نتيجة آن دو جريان است ، يكي محصول ( آب شيرين ) و ديگري پساب يا شور آب . از سال 1955 نصب دستگاه هاي اقتصادي از اين نوع ، شروع شده و به صورت موفقيت آميزي آبهاي با غلظت كم ، حدود 5000 قسمت در ميليون مورد استفاده قرار گرفته است .

عمل الكترودياليز قادر نيست تمام يون ها را از آب جذب كند ، زيرا ولتاژ آن خيلي زياد نيست ، بنابراين ، در عمل آب شيريني كه از دستگاه الكترودياليز خارج مي شود ،  غلظت املاح آن در حدود 300 تا 500 قسمت در ميليون است . در عمل ثابت شده صافي الكترودياليز قادر است فقط 50 درصد غلظت املاح را كاهش بدهد ، يعني اگر آبي داشته باشيم كه غلظت آن حدود 4000 قسمت در ميليون باشد ، چهار صافي الكترودياليز لازم است تا آب به غلظت متناسب براي مصرف يعني 500 قسمت در ميليون برسد .

مسئله ديگر در اين روش قيمت تمام شدة آب است كه قسمت عمدة آن مربوط مي شود به هزينه الكتريكي داده شده به سيستم و هزينة تعويض غشاء يا پرده هاي نيمه تراوا . هزينة اخير به عمر مفيد غشا بستگي دارد كه به طور معمول در حدود 3 تا 5 سال است .

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده در سل شماره 1 و 3 محلول غلیظی از آنیون و کاتیون‌ها را داریم و در سل شمارة 2 آب عاری از یونها (آب تصفیه‌شده) وجود دارد. لذا در مجموعه سل‌ها بصورت یک در میان آب بی‌نمک و آب نمک غلیظ تشکیل می‌شود. هرچه  فاصلة سل‌ها از یکدیگر کمتر باشد، برای تصفیة مقدار معینی آب تعداد سل‌های بیشتری نیاز خواهد بود. در عمل نیز یک دستگاه الکترودیالیز ممکن است تا حدود 500 جفت سل داشته باشد. برای رسیدن به بازده حدود 60 درصد (60 درصد آب تصفیه شده و40 درصد فاضلاب تولید می‌گردد) زمان تماس 10 تا 20 ثانیه لازم می‌باشد.

اين روش در سالهاي اخير خيلي توسعه يافته است . در اين روش ، براي به دست آوردن يا جداكردن  آب شيرين از محلول يا آب شور ، از  عكس عمل اسمز استفاده مي شود ، يعني به جاي اين كه بنابر معمول ( فشار اسمزي ) آب به طرف محلولي كه غليظ تر است برود و جذب آن شود ، برعكس از محلول جدا مي شود به عبارت ديگر آب از محلول با غلظت بيشتر ، به طرف محلول ( آب ) با غلظت كمتر جريان پيدا مي كند . از اين رو به آن اسمز معكوس مي گويند .

آب شور ( دريا ) را با فشار ،  از يك طرف به سمت آب ، جريان مي دهند و املاح آن را بر روي پردة نيمه تراوا مي گيرند ، هر چند امروز غشا يا پرده هاي اسمز معكوس  از مواد مختلفي تهيه مي شود ، ولي از متناسب ترين آنها ، استات سلولزي است . غشاي مذكور در درجه حرارت خاصي به شكل غشا براي يون ها ، غير قابل نفوذ و براي آب قابل نفوذ است .

در این روش، در یک سمت غشاء آب دریا و در طرف دیگر، محلولی با غلظت بالای دی‌اکسید کربن و آمونیاک قرار دارد. آب به طور طبیعی به سمت این محلول کشنده غلیظ حرکت می‌کند، ولی غشاء مانع از عبور نمک و سایر ناخالصی‌ها می‌شود. مخلوط بدست آمده سپس حرارت داده می‌شود که باعث می‌شود دی‌اکسید کربن و آمونیاک تبخیر شوند. درنهایت، آب شیرین باقی می‌ماند و دی‌اکسید کربن و آمونیاک جمع‌آوری و مجددا استفاده می‌شوند.

شرکت اواسیس دعا می‌کند که فناوری جدید آنها نه تنها نمک‌زدایی را در مناطق کم‌آبی که هیچ گزینه دیگری وجود ندارد، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می‌کند؛ بلکه برای مناطقی که آب شیرین را باید برای مسافت‌های طولانی منتقل کرد نیز صرفه اقتصادی دارد.

رابرت مک‌گینیز، مسئول بخش فناوری و از بنیان‌گذاران شرکت اواسیس می‌گوید: «هزینه این فناوری به اندازه کافی پایین است که باعث شود پروژه‌های احداث سد و کانال‌های انتقال آب در مقایسه با آن بسیار گران به نظر برسند. این فرایند همچنین به انرژی به مراتب کمتری در مقایسه با سایر گزینه‌های نمک‌زدایی نیاز دارد. مصرف سوخت و انتشار کربن این فناوری در مقایسه با سایر گزینه‌ها، بسیار کمتر و در حد یک دریاچه یا آبخوان محلی است

نکته کلیدی در عملکرد این فناوری، ساخت محلولی کِشنده بود که مواد حل شده آن را به راحتی بتوان جدا کرد؛ کاری که در آزمایشگاهی در به گفته مک‌گینیز، این سیستم از انرژی بسیار کمتری در مقایسه با نمک‌زدایی حرارتی استفاده می‌کند. محلول کشنده را تنها باید تا 40 الی 50 درجه سانتی‌گراد گرم کرد، در حالی‌که سیستم‌های حرارتی آب را تا دمای 70 تا 100 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند. این دماهای پایین را با استفاده از گرمای هدر رفته نیروگاه‌های برق می‌توان تامین کرد. نمک‌زداهای حرارتی فعلی اغلب در نیروگاه‌های برق مستقر هستند، اما تولید گرمای کافی برای آنها احتیاج به مصرف سوخت بیشتری دارد

در سيستم انجماد ، كه گاهي به آن تقطير سرد هم مي گويند ، اساس كار به طور كلي اين است كه اگر از آب شور بلور يخ درست شود ، يخي كه به اين صورت به دست مي آيد ، عاري از نمك است . بنابراين انجماد آب شور ، بلورهاي يخ ايجاد مي كند . اين بلورها از آب درست مي شوند و املاح در سطح خارجي آن جاي مي گيرند . اگر نمك اين بلورها را بگيريم ، يعني نمك هاي جمع شده در سطح بلورها را بشوييم و آنگاه بلورها را در قسمت ديگر تأسيسات ذوب كنيم ، آبي كه به دست مي آيد شيرين است.

بنابراين روش انجماد داراي سه مرحله است :

-       توليد بلور بر اثر گرفتن حرارت از آب شور

-       جدا كردن بلور يخ از بلور نمک

-       ذوب كردن بلور يخ براي توليد آب شيرين .

قديمي ترين و همچنين توسعه يافته ترين و مهمترين روش شيرين كردن اب ، روش تقطيري است در اين روش ، با دادن حرارت به آب دريا ، آب بخار مي شود ، در حالي كه نمك ها باقي مي مانند . به اين عمل به طور كلي ، عمل تقطيري گويند .

روش هاي معمولي تقطيري بر چند نوع است ، تقطير ساده ، تقطير ناگهاني ، تقطير تراكمي ، تقطير چند واحدي و خلاصه تقطير با استفاده از انرژي خورشيدي .

به طور كلي يك روش تقطيري نمك زدايي ، شامل سه مرحله است :

مرحله اول : تشكيل بخار آب ، با دادن حرارت به آبي كه بايد شيرين شود ( آب دريا )

مرحله دوم : گرفتن و جدا كردن بخار از بقية قسمت ها

مرحله سوم : به صورت مايع ( آب )  در آوردن بخار و پس گرفتن حرارت از آن .

براي اجراي تمام روش هاي تقطيري مذكور بجز تقطير با استفاده از انرژي خورشيدي ، را انرژي حرارتي به دست آمده از مواد سوختني فسيلي استفاده مي شود و بهاي مواد سوختني در هر يك از آن روش ها يكي از عوامل مهم و موثر در قيمت آبي است كه توليد مي شود ، در حالي كه انرژي خورشيدي رايگان در اختيار ما قرار دارد و فقط جمع آوري آن خرج دارد

 شيرين كردن آب شور با استفاده از انرژي خورشيدي در تقطیر:

قسمت هاي دستگاه هايي كه اغلب براي توليد آب شيرين با استفاده از انرژي خورشيدي مورد بهره برداري قرار مي گيرند ، به اين شرح است :

يك تشتك كم عمق كه كف آن كاملاً  سياه شده و روي آن توسط جسم شفافي ، مانند شيشه ، پوشيده شده است . جسم شفاف ممكن است از جنس پلاستيك هم باشد .

پوشش شيشه يا پلاستيك را به اين دليل روی تشتك قرار مي دهند كه هواي مرطوب شده در تشتك ، نتواند از ان خارج شود . به علاوه از سطح آن كه با هواي خارج در تماس است ، به عنوان سطح تقطير كننده استفاده شود . اين پوشش شفاف ( شيشه و غيره ) بايد طوري قرار گيرد كه اولاً كاملاً آب بند باشد و از نفوذ حرارت به خارج جلوگيري كند و در ثاني ، شيب آن طوري باشد كه قطره هاي آب بر اثر نيروي ثقل به قسمت جمع كننده بلغزد و آنقدر باشد كه قطره ، دوباره به تشكيلات برگردد .

تشتك واحدهاي خورشيدي را مي توان از جنس موادي چون چوب ، سيمان ، پلاستيك يا فلز ساخت . سطح پوشش ( شيشه يا ديگر مادة شفاف ) بايد در هر حال به قدر كافي سرد باشد تا بخار را تقطير كند .

بر اثر تشعشع خورشيد ، آب داخل تشتك گرم مي شود و بخار حاصل از آن ، روي سطح زيرين شيشه ، در نتيجه تماس سطح بالايي به نسبت سرد آن در خارج ، به قطره هاي آب ( كندانس ) تبديل مي شود كه از همان زير شيشه ( سطح زيرين ) به طرف قسمتي كه براي جمع آوري آب شيرين كار گذاشته شده است حركت مي كند .

-    قيمت آب شيرين توليد شده در يك واحد خورشيدي ساده ، در حدود 30 دلار به ازاي هر 1000 گالن آب شيرين به دست آمده است و قيمت  اوليه دستگاه به ازاي هر 1000 گالن ظرفيت روزانه ، معادل 30 دلار است كه البته اين قيمت زياد ، براي دستگاه هاي كوچك قابل قبول است و از دستگاه هاي كوچكي كه با همين ظرفيت با انرژي فسيلي كار مي كنند ، با صرفه تر است .

سعي مي شود تا حد ممكن ، دستگاهي به عنوان آب شيرين كن خورشيدي  ارائه شود كه قيمت اولين يا هزينه استهلاكي آن زياد نباشد .

بنابراين به كار بردن اين روش براي تهيه آب شيرين به مقدار زياد و براي شبكه زياد يك منطقه امكان پذير نيست . در ضمن از مسائل و ديگر ضعف هاي اين دستگاه ها ، آسيب پذيري آن ها در مقابل عوامل جوي ماند باد و توفان است .