הבעיה: למה אי אפשר פשוט לשתות מי ים

מי ים מכילים בערך 35 גרם מלח בכל ליטר, פי עשרה ויותר מהריכוז שהגוף שלנו יודע להתמודד איתו. הכליות מסוגלות להפריש שתן מרוכז עד גבול מסוים, ומעבר לו הן חייבות להשתמש במים מהגוף עצמו כדי לפנות את עודף המלח. לכן שתיית מי ים מייבשת במקום להרוות. זו אינה אמרה ימית ציורית אלא חשבון פיזיולוגי.

התפלה היא שם כולל לכל תהליך שמפריד בין המים למלח ומשאיר לנו את המים. יש דרכים רבות לעשות זאת, ובמשך מאות שנים הדרך המובנת מאליה הייתה חימום: מרתיחים מי ים, אוספים את האדים, מעבים אותם חזרה לנוזל. האדים הם מים טהורים, כי המלח אינו מתאדה איתם. השיטה עובדת מצוין ויש לה חיסרון אחד גדול, והוא שהיא דורשת כמות עצומה של אנרגיה כדי לחמם מים.

אוסמוזה: מה המים עושים מעצמם

כדי להבין את השיטה שמשמשת היום צריך קודם להכיר תופעה שקורית בטבע בלי שנתערב. נניח שיש לנו מיכל שמחולק לשניים בממברנה, כלומר קרום דק במיוחד שמעביר מולקולות מים אבל חוסם מולקולות מלח. בצד אחד נשים מים מתוקים ובצד השני מים מלוחים.

מה שיקרה הוא שהמים יתחילו לזרום מעצמם מהצד המתוק אל הצד המלוח. אף אחד לא דחף אותם. הסיבה היא שהמערכת שואפת להשוות את הריכוזים בין שני הצדדים, ומכיוון שהמלח חסום ואינו יכול לעבור לצד המתוק, הדרך היחידה לצמצם את הפער היא שהמים יעברו לצד המלוח וידללו אותו. התופעה הזאת נקראת אוסמוזה.

הזרימה אינה נמשכת לנצח. ככל שיותר מים עוברים, מפלס הנוזל בצד המלוח עולה ולוחץ בחזרה. בשלב מסוים הלחץ הזה מאזן בדיוק את הדחף לזרום, והזרימה נעצרת. הלחץ שבו זה קורה נקרא הלחץ האוסמוטי, והוא תלוי בעיקר בכמה מלוחים המים. עבור מי ים רגילים הוא עומד על בערך 27 אטמוספרות.

אוסמוזה הפוכה: כופים על הטבע לעבוד לאחור

ועכשיו הרעיון כולו בשורה אחת: אם נפעיל על הצד המלוח לחץ גדול יותר מהלחץ האוסמוטי, נכריח את המים לזרום בכיוון ההפוך. מהצד המלוח אל הצד המתוק. מכאן השם אוסמוזה הפוכה.

בפועל מפעילים לחץ של בערך 50 עד 80 אטמוספרות, הרבה מעל ה-27 הדרושים, כדי שהזרימה תהיה מהירה מספיק כדי להיות שימושית. המים נדחקים דרך הממברנה, המלח נשאר מאחור כי הוא פשוט לא מסוגל לעבור, ומה שיוצא בצד השני הוא מים נקיים כמעט לגמרי. הממברנות המודרניות מסלקות מעל 99% מהמלח.

שימו לב מה הוחלף כאן. בשיטת החימום שילמנו באנרגיה כדי לשנות את מצב הצבירה של המים, כלומר להפוך אותם לאדים. באוסמוזה הפוכה המים נשארים נוזל לאורך כל התהליך, ואנחנו משלמים רק על הלחץ. זה זול בהרבה, וזו הסיבה שהשיטה השתלטה על התחום.

הסיפור האמיתי הוא חשמל

הלחץ הזה לא מגיע מעצמו. הוא נוצר במשאבות שצורכות חשמל, ולכן העלות של מתקן התפלה נמדדת בראש ובראשונה בקילוואט שעה לכל קוב מים מותפלים. כל שיפור בממברנה, שמאפשר אותה תפוקה בלחץ נמוך יותר, מתורגם ישירות לחשבון החשמל.

השיפור הגדול ביותר הגיע ממקום אחר, ושווה להבין אותו. הזרם שיוצא מהצד המלוח של הממברנה עדיין נמצא תחת לחץ גבוה מאוד, ובעבר פשוט שחררו אותו. זה כמו לשלם על העלאת משקל לגובה ואז לזרוק אותו. מתקנים מודרניים מעבירים את הזרם היוצא דרך מכשיר שמעביר את הלחץ שלו ישירות אל מי הים הנכנסים. כך רוב האנרגיה חוזרת למערכת במקום להתבזבז.

התוצאה המצטברת דרמטית. צריכת האנרגיה להתפלת קוב מי ים ירדה לאורך העשורים האחרונים בסדר גודל, וזו הסיבה שהתפלה הפסיקה להיות פתרון יקר של מדינות עשירות והפכה לתשתית שגרתית. בישראל, מתקני ההתפלה לאורך חוף הים התיכון מספקים היום חלק ניכר ממי השתייה.

מה שנשאר מאחור

לכל מתקן התפלה יש מוצר שני שלא מדברים עליו מספיק. על כל שני ליטרים של מי ים שנכנסים, יוצא בערך ליטר מים מותפלים וליטר של תמיסה מרוכזת שמכילה את כל המלח שהוצא. התמיסה הזאת נקראת תמלחת, והריכוז שלה כפול בערך מזה של מי ים רגילים.

התמלחת מוחזרת לים. מכיוון שהיא מלוחה יותר, היא גם כבדה יותר, ונוטה לשקוע ולהתפרש על קרקעית הים סמוך לנקודת ההזרמה. אם היא אינה מדוללת כראוי היא עלולה לפגוע בבתי גידול בקרקעית. לכן תכנון של מתקן התפלה עוסק לא פחות בשאלה איך ואיפה מחזירים את התמלחת מאשר בשאלה איך מוציאים את המים.

יש עוד שני דברים שהתהליך משאיר מאחור. הראשון הוא שהמים המותפלים נקיים מדי: חסרים בהם מינרלים כמו סידן ומגנזיום, ולכן מוסיפים אותם בחזרה לפני שהמים נכנסים למערכת האספקה. השני הוא שהממברנות נסתמות עם הזמן ודורשות ניקוי והחלפה, וזו הוצאה תפעולית קבועה.