Assessment and Modeling of Air Gap Membrane Distillation Unit

ملخص تقني: تقييم ونمذجة وحدة التقطير بالغ غشاء الفجوة الهوائية

بيان المشكلة
تتفاقم ندرة المياه العذبة عالمياً بسبب النمو السكاني وتغير المناخ، حيث تواجه تقنيات تحلية المياه التقليدية مثل التناضح العكسي (RO) والتقطير الحراري (MSF/MED) قيوداً تتعلق بارتفاع استهلاك الطاقة، والاعتماد على الوقود الأحفوري، وعدم ملاءمتها للتطبيقات خارج الشبكة. وبينما يوفر التقطير بالغ غشاء الفجوة الهوائية (AGMD) بديلاً واعداً من خلال استغلال الحرارة منخفضة الدرجة والعمل في درجات حرارة معتدلة، إلا أن الأبحاث الحالية تواجه فجوات حرجة. وتشمل هذه الفجوات نقص التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة (تحديداً الطاقة الشمسية)، وغياب أنظمة التحكم الديناميكية القائمة على المستشعرات للتكيف مع الظروف المتغيرة، وعداً بضعف التقييمات التقنية الاقتصادية الشاملة التي تجمع بين الكفاءة الحرارية ومقاييس التكلفة مثل استهلاك الطاقة الحرارية النوعي (STEC) والتكلفة لكل لتر (CPL). علاوة على ذلك، تفتقر النماذج الحالية غالباً إلى التحقق التجريبي الصارم عبر ظروف تشغيل متنوعة.

المنهجية
يعتمد هذا البحث نهجاً مزدوجاً يجمع بين النمذجة النظرية والتجريب العملي لتقييم نظام AGMD.

• النمذجة النظرية: تم تطوير نموذج ثرموديناميكي ونقلي شامل باستخدام برنامج MATLAB. يتضمن النموذج عمليات انتقال الحرارة والكتلة، وبالتحديد باستخدام نهج الانتشار الجزيئي لـ "كنودسن" (Knudsen–molecular diffusion) لحساب تدفق البخار. كما يأخذ في الاعتبار مقاومة الغشاء ($R_m$) ومقاومة الفجوة الهوائية ($R_a$)، مع مراعاة عوامل مثل مسامية الغشاء، والالتواء، وأبعاد المسام. وتشمل مؤشرات الأداء الرئيسية المحسوبة: تدفق النفاذية ($J_p$)، والكفاءة الحرارية (TE)، ونسبة المخرات المكتسبة (GOR)، واستهلاك الطاقة الحرارية النوعي (STEC).
• الإعداد التجريبي: تم بناء جهاز اختبار AGMD مخصص ومتكامل مع الطاقة الشمسية للتحقق من صحة النموذج. يتميز النظام بجامع شمسي مسطح للتسخين ونظام مراقبة تكيفي يعتمد على منصة "أردوينو" (Arduino) للتحكم في التدفق ودرجة الحرارة. يستخدم الإعداد غشاء "بولي تيترافلورو إيثيلين" (PTFE) كاره للماء مع فجوة هوائية تبلغ 5 ملم، وحجم مسام 0.45 ميكرومتر، وسُمك 150 ميكرومتر.
• المعلمات التشغيلية: قامت المحاكاة التجريبية بتغيير درجات حرارة التغذية من 40 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية ودرجات حرارة المبرد من 10 درجات مئوية إلى 25 درجة مئوية، مع الحفاظ على معدل تدفق ثابت قدره 2 لتر/دقيقة.
• التحليل الاقتصادي: أُجري تحليل للتكلفة لتحديد عامل استرداد رأس المال (CRF)، وتكلفة الصيانة السنوية (AMC)، والتكلفة النهائية لكل لتر (CPL)، بافتراض عمر نظام قدره 5 سنوات ومعدل فائدة 12%.

النتائج الرئيسية
أسفرت الدراسة عن النتائج الكمية التالية في ظل الظروف المثلى (درجة حرارة تغذية 70 درجة مئوية، ودرجة حرارة مبرد 10 درجات مئوية):

• تدفق النفاذية: حقق النظام ذروة تدفق نفاذية بلغت 12.77 كجم/م²·ساعة. وأظهر التدفق زيادة غير خطية مع ارتفاع درجات حرارة التغذية، مدفوعاً بتعزيز فروق ضغط البخار وانخفاض لزوجة التغذية.
• الكفاءة الحرارية (TE): تحسنت الكفاءة الحرارية بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث وصلت إلى ذروتها بنسبة 50.62% عند 70 درجة مئوية. وتشير الدراسة أيضاً إلى أنه عند درجة حرارة تغذية 70 درجة مئوية، تم تحقيق كفاءة حرارية بنسبة 44.49%، وهو ما يمثل تحسناً بنسبة 23.89% مقارنة بتركيبات AGMD القياسية المتصلة بالشبكة والتي تعتمد على مصادر تسخين تقليدية غير متجددة.
• استهلاك الطاقة: تم تقليل استهلاك الطاقة الحرارية النوعي (STEC) إلى 29.04 كيلوواط ساعة/م³ عند أعلى درجة حرارة للتغذية، مما يشير إلى كفاءة استخدام الطاقة.
• نسبة المخرات المكتسبة (GOR): زادت نسبة المخرات المكتسبة بنسبة تقارب 60% مع ارتفاع درجة حرارة التغذية من 40 إلى 70 درجة مئوية، لتصل إلى حد أقصى قدره 0.191. ويشير المؤلفون إلى أنه رغم هذا التحسن، فإن أقصى قيمة لـ GOR لا تزال أقل بكثير من تقنيات التحلية البديلة.
• الجدوى الاقتصادية: أظهر النظام تكلفة إنتاج مياه عذبة تنافسية بلغت 2.52 دولار لكل متر مكعب (0.00248 دولار/لتر)، وهي أقل من القيم المذكورة في الأدبيات المقارنة (على سبيل المثال، 2.77 دولار/م³).
• التحقق من النموذج: أظهر نموذج MATLAB توافقاً قوياً مع البيانات التجريبية والدراسات السابقة (Koura et al., 2025; El Mokhtar et al., 2019). وقد تنبأ النموذج بدقة بالاتجاهات في التدفق، والكفاءة، وGOR، وSTEC عبر درجات الحرارة المختلفة، مما يؤكد موثوقية صياغات انتشار "كنودسن" الجزيئي وانتقال الحرارة المستخدمة.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذا البحث يضع إطاراً مُتحققاً منه لتحسين تصميم AGMD، وتحديداً من خلال معالجة دمج الطاقة المتجددة والتحكم التكيفي. وتضع الدراسة نظام AGMD المدفوع بالطاقة الشمسية كحل عملي وفعال من حيث التكلفة لتحلية المياه اللامركزية وخارج الشبكة في المناطق التي تعاني من ندرة المياه. ومن خلال تحقيق كفاءة حرارية عالية واستهلاك منخفض لـ STEC مع الحفاظ على تكلفة إنتاج تنافسية، يُقدم النظام كبديل قابل للتطبيق لتقنيات التناضح العكسي الصغيرة والتحلية الحرارية التقليدية. ويؤكد العمل أن الجمع بين أداة نمذجة MATLAB المُتحقق منها، والنموذج الأولي الذي يعمل بالطاقة الشمسية مع التحكم بالحساسات في الوقت الفعلي، والتقييم التقني الاقتصادي الشامل، يسد الفجوات الحرجة في أبحاث AGMD الحالية، مما يدعم قابلية توسع وقوة هذه التكنولوجيا لتوليد المياه العذبة المستدامة.