از آنجایی که هنوز هم در برخی مناطق جهان مردم قادر به تامین آب سالم مورد نیاز خود نیستند، ممکن است اینگونه به نظر برسد که تصفیه آب یک فناوری جدید و مدرن است. تصور اینکه مردم هزاران سال پیش هم قادر بودند از آب با درجه خلوصی که امروزه در دسترس ما قرار دارد استفاده کنند، کمی سخت است. با اینکه روش‌های تصفیه آب تغییر کرده‌اند اما تصفیه آب سابقه‌ای هزاران ساله دارد. در این مطلب به بررسی کلی تاریخچه تصفیه آب از گذشته تا به امروز خواهیم پرداخت. همچنین نگاهی گذرا به تاریخچه کشف و استفاده از سیستم‌های اسمز معکوس و آینده صنعت تصفیه آب می‌اندازیم.
تاریخچه تصفیه آب در دوران باستان
نوشته‌های یونان باستان و سانسکریت مربوط به ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، روش‌های استفاده شده در آن زمان جهت تصفیه آب را بازگو می‌کنند. حتی در آن زمان، مردم می‌دانستند که چگونه آب را می‌توان با گرما تصفیه کرد. در آن دوران با استفاده از شن و ماسه، جوشاندن و صاف کردن تصفیه آب را انجام می‌دادند. انگیزه اصلی آنها از انجام این کار این بود که طعم آب را بهتر کنند، زیرا آنها هنوز نمی‌توانستند بین آب تمیز و آب کثیف تمایز قائل شوند. آنها سعی داشتند تا کدورت آب را کاهش دهند، اما چیز زیادی در مورد آلودگی شیمیایی یا میکروارگانیسم‌ها نمی‌دانستند.
اولین بار مصری‌ها اصل انعقاد را در حدود 1500 سال قبل از میلاد کشف کردند. آنها از زاج برای ته‌نشین ساختن ذرات معلق استفاده کردند، همانطور که روی دیوار مقبره آمنوفیس دوم و رامسس دوم نشان داده شده است. بقراط برای اولین بار شروع به کشف خواص درمانی آب در حدود 500 سال قبل از میلاد کرد. او غربال آب را اختراع کرد و آستین بقراطی، اولین فیلتر کیسه ای را ایجاد نمود. این اختراع او توانست رسوباتی را که به آب مزه یا بوی بدی می‌داد از بین ببرد. بین 200 تا 300 سال قبل از میلاد، روم شروع به ساخت قنات‌ها نمود و پیچ ارشمیدس در این دوره اختراع شد.
نقش قنات‌ها در تاریخچه تصفیه آب
در قرن هفتم قبل از میلاد، آشوری‌ها اولین سازه را برای انتقال آب ساختند، سازه ای به ارتفاع 32 فوت و طولی نزدیک به 100 فوت که آب را نزدیک به 50 مایل از یک دره به نینوا می‌رساند. رومی‌ها بعداً خودشان شروع به ساختن بسیاری از این سازه‌ها کردند و آنها را قنات نامیدند. قنات‌ها سازه‌های پیچیده ای بودند که تنها با استفاده از نیروی گرانش آب را برای مسافت‌های طولانی منتقل می‌کردند. این سازه‌ها آب مورد نیاز شهرهای بزرگ و مناطق صنعتی امپراتوری روم را تامین کردند.
رم به تنهایی یازده مورد از این قنات‌ها را ساخت و بیش از 250 مایل از آنها را در طول 500 سال احداث نمود. بیشتر قنات‌ها در زیر زمین ساخته شدند تا از آلودگی و جنگ در امان باشند. آنها روزانه بیش از 250 میلیون گالن آب را به رم می‌رسانند و بسیاری از آنها هنوز در اسپانیا، ترکیه، آلمان و فرانسه باقی مانده‌اند. امروزه بسیاری از تکنیک‌های مورد استفاده در این قنات‌ها برای ساخت سیستم‌های حمل و نقل آب مدرن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نقش پیچ ارشمیدس در تاریخچه تصفیه آب
ارشمیدس بین سال های 212 تا 287 قبل از میلاد زندگی می‌کرد. یکی از اختراعات او ماشینی بود که قادر بود آب را به سطح بالاتری انتقال دهد. این دستگاه به شکل یک پیچ بسیار بزرگ در داخل یک لوله توخالی بود که آب را به سطح بالاتر پمپ می‌کرد.
پیچ ارشمیدس در ابتدا برای تخلیه آب از داخل کشتی‌ها، معادن و همچنین برای کمک به آبیاری زمین‌های کشاورزی استفاده می‌شد. طراحی او هنوز برای انتقال آب به مناطق مرتفع مورد استفاده قرار می‌گیرد. مهمتر از آن، به عنوان پایه ای برای ساخت بسیاری از پمپ‌های صنعتی امروزی محسوب می‌شود.
توقف تحقیقات تصفیه آب در قرون وسطی
تصفیه آب در قرون وسطی (سال 500 تا 1500 پس از میلاد) کمی پیچیده شد، زیرا قنات‌های رومی با فروپاشی امپراتوری روم از بین رفتند. در این دوران، اقدامات کمی برای اطمینان از دسترسی عمومی به منبع آب تمیز انجام شد و باعث ایجاد وقفه در تاریخچه تصفیه آب گردید.
سر فرانسیس بیکن در سال 1627، زمانی که شروع به انجام آزمایش‌هایی در زمینه نمک زدایی آب دریا آغاز کرد، پیشرفت روش‌های تصفیه آب را دوباره آغاز کرد. او سعی کرد از فیلتر شنی برای فیلتر کردن نمک از آب شور استفاده کند. آزمایشات او موفقیت آمیز نبود، اما او زمینه را برای مشارکت سایر دانشمندان در این مورد فراهم کرد.
اولین فیلترهای آب ساخته شده از زغال چوب، پشم و اسفنج برای مصارف خانگی در سال 1700 ساخته شدند. سپس رابرت تام اولین تصفیه خانه آب شهری را در سال 1804 در اسکاتلند طراحی کرد. او برای تصفیه آب در آنجا از فیلتر شنی آهسته استفاده کرد و آنها آب را با گاری اسبی توزیع کردند. لوله‌های آب سه سال بعد نصب شد و این ایده مطرح شد که همه باید به آب آشامیدنی سالم دسترسی داشته باشند. متأسفانه، این مساله هنوز در همه جای دنیا حتی تا به امروز به واقعیت تبدیل نشده است.
در سیر تاریخچه تصفیه آب در سال 1854، پیشرفت دیگری به وجود آمد. محققان دریافتند که اپیدمی وبا از طریق آب سرایت می‌کند و شیوع آن در مناطقی که فیلترهای شنی داشتند، شدت کمتری داشته است. جان اسنو متوجه شد که علت آن نشت آلودگی آب فاضلاب به پمپ آب است و از کلر برای تصفیه آن استفاده کرد. این کار به ایجاد عمل ضد عفونی آب و کلرزنی کمک کرد.
آب بو و طعم خوبی داشت. بنابراین آنها متوجه شدند که فقط این ها برای تضمین ایمنی آب کافی نیست. در نتیجه، شهرها شروع به نصب فیلترهای آب شهری کردند و مقررات دولتی آب شروع به عادی شدن کرد.
تاریخچه تصفیه آب در عصر مدرنیته
آمریکا در دهه 1890 شروع به ساخت فیلترهای شنی بزرگ کرد. فیلتر شنی سریع از فیلتر شنی آهسته بهتر عمل کرد و آنها از یک جریان جت برای تمیز کردن فیلتر و بهبود ظرفیت آن استفاده کردند. محققان همچنین دریافتند زمانی که در ابتدا آب با انعقاد و ته نشینی تصفیه شود، فیلتراسیون بهتر عمل می‌کند. در همان زمان، کلرزنی آب گسترده تر شد و بیماری‌های ناشی از آب مانند وبا و حصبه کمتر شیوع پیدا کردند.
مدت زیادی نگذشته بود که کلرزنی عوارض جانبی منفی را آشکار کرد. تبخیر کلر با بیماری‌های تنفسی مرتبط بود و کارشناسان شروع به جستجوی جایگزین کردند. هیپوکلریت کلسیم و کلرید آهن برای اولین بار در بلژیک در سال 1902 و ازن برای اولین بار در فرانسه در سال 1906 توسط دستگاه ازن ژنراتور مورد استفاده قرار گرفت. مردم همچنین شروع به استفاده از فیلترهای آب خانگی کردند تا از اثرات منفی کلر جلوگیری کنند.
سختی گیر آب در سال 1903 برای نمک زدایی آب اختراع شد. سپس در سال 1914 استانداردهایی بر اساس رشد کلیفرم برای آب آشامیدنی در مصارف عمومی اجرا شد. با این حال، در دهه 1940 بود که این استانداردهای آب در منابع آب شهری اعمال شد. از آن زمان، یعنی سی سال قبل از قانون آب پاک در سال 1972 و قانون آب آشامیدنی سالم در سال 1974، این اصل توسعه یافت که همه حق دارند از آب سالم برخوردار باشند.
این مساله زمانی بود که نگرانی‌های عمده بهداشت عمومی در مورد آب آشامیدنی از باکتری‌های بیماری‌زا به آلاینده‌های مصنوعی مانند آفت کش‌ها، مواد شیمیایی و لجن‌های صنعتی تغییر یافت. مقررات جدید به آلودگی آب و ضایعات ناشی از فرآیندهای صنعتی می‌پردازد و تصفیه خانه‌های آب با تهدیدات جدید سازگار شده‌اند. آنها تکنیک‌های جدیدی از جمله جذب کربن فعال، هوادهی و لخته سازی را به کار گرفتند.
در دهه 1980، محققان اولین ممبران‌ها را برای سیستم‌های اسمز معکوس ساختند. بلافاصله پس از آن، کارخانه‌های تصفیه آب به طور منظم ارزیابی خطرات ناشی از آب را آغاز کردند. امروزه، بیشتر آزمایش‌ها در تصفیه آب به کاهش اثرات ضدعفونی کلر مانند تشکیل تری هالومتان و خوردگی لوله‌های آب مبتنی بر سرب می‌پردازند.
تاریخچه تصفیه آب با روش اسمز معکوس
فرآیندی که به اسمز معروف است میلیون‌ها سال است که در طبیعت به وقوع می‌پیوندد و حتی هر روز در بدن ما نیز اتفاق می‌افتد. این فرآیند از دیدگاه علمی، اولین بار در سال 1748 توسط ژان آنتوان نوله، روحانی و فیزیکدان فرانسوی کشف شد. نولت توانست فرآیند اسمزی را با استفاده از مثانه خوک به عنوان غشاء تکرار کند تا نشان دهد که مولکول‌های حلال از آب با املاح کم می‌توانند از دیواره مثانه به غلظت املاح بالاتر ساخته شده از الکل جریان پیدا کنند. او ثابت کرد که یک حلال می‌تواند به طور انتخابی از یک غشای نیمه تراوا از طریق فرآیند فشار اسمزی طبیعی عبور کند. این کار تا زمانی که تعادل دینامیکی در دو طرف مثانه برقرار شود، ادامه می‌یابد.
مطالعات در این زمینه تا اواخر دهه 1940 متوقف می‌شود. در اواخر دهه 1940 محققان دانشگاه‌های برتر آمریکا شروع به بررسی مجدد این موضوع کردند. این علاقه مجدد مبتنی بر تمایل به یافتن راهی برای فیلتر کردن یا نمک زدایی آب دریا بود. این هدفی بود که توسط دولت کندی برای کمک به توسعه راه حل‌های کمبود آب در آمریکا تعیین شد. در سال 1959، دو محقق در UCLA، به نام های Sidney Loeb و Srinivasa Sourirajan موفق به تولید یک غشای RO مصنوعی کاربردی از پلیمر استات سلولز شدند. در آزمایش‌های آنها، بدنه‌ای از آب با املاح بالا تحت فشار از طریق غشای مهندسی شده قرار می‌گیرد که به عنوان فیلتری عمل می‌کند که به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهد در حالی که نمک و ذرات معلق در آب را دفع می‌کند. آب شیرین قادر بود با سرعت جریان مناسبی برای تولید آب تصفیه شده و آشامیدنی عبور کند و غشاء در واقع بادوام بود و می‌توانست تحت فشار و شرایط عملیاتی آب معمولی کار کند. از آنجایی که این فناوری جدید در معکوس فرآیند اسمزی طبیعی کار می‌کرد، به نام اسمز معکوس معروف شد.
اولین کارخانه تجاری RO در جهان در کوالینگا، کالیفرنیا با کمک و هدایت جوزف مک‌کاچان و سیدنی لوب ساخته شد و در سال 1965 برنامه آزمایشی آن توجه مهندسان و دولت‌های سراسر جهان را به خود جلب کرد. این رویای باورنکردنی، اینکه روزی بشریت بتواند واقعاً آب دریا را در مقیاس وسیع و مقرون به صرفه شیرین‌سازی کند، سرانجام به حقیقت پیوست. با ظهور برنامه های آزمایشی جدید در جاهای دیگر مانند فایرباگ کالیفرنیا برای آزمایش انواع مختلف آب شور و دریا باعث شد تا پیشرفت‌های چشمگیری در این زمینه به دست آید. نوآوری‌ها و اکتشافات این شرکت‌ها و بسیاری دیگر از مشارکت‌کنندگان، فناوری استفاده از غشاء را مقرون به صرفه می‌سازد و مزایای آب پاک را برای بسیاری از صنایع سنگین فراهم می‌کند.
امروزه از اسمز معکوس و عناصر فیلتراسیون غشایی برای هزاران فرآیند و کاربرد مختلف در سراسر جهان استفاده می‌شود و انتظار می‌رود این صنعت تا آینده نزدیک به رشد بی وقفه خود ادامه دهد. با نایاب شدن منابع آب پاک طبیعی و روند مداوم بیابان زایی جهان، کارخانه‌های بزرگ فرآوری اسمز معکوس در حال حاضر بیشتر آب تمیز مورد استفاده در برخی شهرها و حتی کشورهای کوچک را تامین می‌کنند. اکثر مردم اکنون متوجه این موضوع نیستند، اما در آینده نزدیک ممکن است آب پاک به زودی به یکی از ارزشمندترین منابع روی کره زمین تبدیل شود، به همین دلیل است که فناوری اسمز معکوس در واقع یکی از بزرگترین دستاوردهای علمی در تاریخ بشر است.