DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40700-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41876623
تاريخ النشر: 2026-03-24
المؤلف: Abdalla Gomaa وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
نظام تحلية المياه بالتبخير والتكثيف هو تقنية حرارية مصممة لتحلية المياه على نطاق صغير، تستخدم مصادر حرارة منخفضة مثل الطاقة الشمسية أو الحرارة المهدرة لإنتاج مياه مقطرة من مياه البحر المالحة عند درجات حرارة دون الغليان. تركز هذه الدراسة على تحسين إنتاج المياه المقطرة من مياه البحر المستخرجة من قناة السويس مع تقليل تكاليف الإنتاج في ظروف المناخ في القاهرة. تم إجراء تقييم تجريبي على نظام مغلق للهواء ومفتوح للمياه، معروف بكفاءته في استهلاك الطاقة، مع إنشاء مصنع تجريبي لإجراء التجارب في شهري فبراير ومارس.
فحصت الأبحاث تأثير تدفقات الكتلة لمياه البحر المتغيرة بين 0.39 إلى 0.63 كجم/ثانية وسرعات الهواء خلال فترة التشغيل النهارية. تم استخدام إمداد ثابت من مياه المدينة في ملف مزيل الرطوبة لتكثيف بخار الماء من الهواء الرطب. تم مراقبة الأداء يوميًا من الساعة 9 صباحًا حتى 5 مساءً، وكشفت النتائج أن النظام حقق أقصى إنتاج للمياه المقطرة بلغ 17.04 كجم/يوم عند معدل تدفق مياه البحر 0.63 كجم/ثانية وسرعة هواء مثالية. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات هذه الطريقة في تحلية المياه لإنتاج المياه بكفاءة في المناطق الجافة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية الحاسمة لإدارة موارد المياه في مصر، حيث تشكل محدودية توفر المياه من النيل، وقلة هطول الأمطار، والمياه الجوفية الضحلة تحديات كبيرة. اعتمدت البلاد على تحلية المياه، وخاصة من خلال أنظمة التبخير والتكثيف (HDH)، لمعالجة أزمة المياه. يتم التأكيد على الطاقة الشمسية كمصدر متجدد حيوي، خاصة مع تطوير مدن سياحية جديدة تتطلب إمدادات كبيرة من المياه العذبة.
استكشفت عدة دراسات أداء أنظمة تحلية المياه القائمة على الطاقة الشمسية. على سبيل المثال، أظهر تيواري وكومار أن دمج سخانات الهواء الشمسية ذات الأنابيب المفرغة ذات الطرفين مع مواد تغيير الطور يمكن أن يمدد ساعات التشغيل ويزيد من إنتاج المياه العذبة بنسبة تتراوح بين 6.2% إلى 8.9%. أفاد السعيد وآخرون بإنتاج يومي أقصى من المياه العذبة بلغ 6.12 كجم بتكلفة 0.0138 دولار لكل لتر، بينما وجد محمد وآخرون أن تحسين تدفقات الهواء والمياه المبردة يمكن أن يعزز الإنتاجية ونسبة الإنتاج، محققين أقصى إنتاج يبلغ 6.32 كجم/ساعة ونسبة إنتاج تبلغ 0.87، مع تكلفة إنتاج تبلغ 0.012 دولار لكل لتر. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات أنظمة HDH الشمسية في تحسين إمدادات المياه في مصر.
طرق
في دراستهم التجريبية، بحث ديهغاني وآخرون [10] تأثيرات إعادة تدوير المحلول الملحي على أداء نظام تحلية المياه بالتبخير والتكثيف (HDH) باستخدام مزيل رطوبة بتلامس مباشر. أظهرت نتائجهم أن زيادة ملوحة المحلول الملحي المعاد تدويره من 10% إلى 30% حسنت نسبة الاسترداد الإجمالية من 66% إلى 86%، على الرغم من أن نسبة الإنتاج (GOR) انخفضت قليلاً من حوالي 0.65 إلى 0.45. استكشفت دراسات إضافية أجراها إسفنجاني وآخرون [11، 12، 13] تكوينات مختلفة من نظام HDH، محققة كفاءة حرارية قصوى بلغت 45.49% ومعدلات إنتاج يومية قصوى من المياه بلغت 0.966 لتر/يوم و1.308 لتر/يوم، على التوالي. من الجدير بالذكر أن زيادة معدل التدفق أدت إلى تحسين بنسبة 46.67% في نسبة الإنتاج.
تضمن الإعداد التجريبي دورة تدفق مياه البحر المفتوحة ودورة تدفق الهواء المغلقة، مع جامع شمسي مفرغ يحتوي على 30 أنبوب مفرغ وخزان مياه معزول من الفولاذ المقاوم للصدأ بسعة 300 لتر. تم تصميم مزيل الرطوبة، المصنوع من الفولاذ المجلفن والمعزول بألياف زجاجية، لتسهيل نقل بخار الماء بكفاءة، بينما شمل مزيل الرطوبة ملف تكثيف مصنوع من أنابيب نحاسية مزودة بشفرات. استخدم النظام ثلاث مضخات طرد مركزي لإدارة دوران المياه، مع معدلات تدفق لمضخة مياه البحر تتراوح من 0.39 كجم/ثانية إلى 0.63 كجم/ثانية. كان الهدف من هذا التصميم الشامل هو تحسين عملية التحلية مع الحفاظ على الجدوى الاقتصادية، حيث تم تقدير التكلفة الإجمالية لإنتاج المياه العذبة بحوالي 0.01 دولار/لتر.
نتائج
تسلط نتائج الدراسة حول نظام تحلية المياه بالتبخير والتكثيف الشمسي الضوء على مؤشرات الأداء الرئيسية، بما في ذلك الإنتاجية، والإنتاجية الإجمالية، ونسبة الإنتاج، ونسبة تدفق الكتلة، ونسبة الاسترداد، تحت معلمات تصميم متغيرة مثل النهار، ومعدل تدفق المياه المالحة، وسرعة الهواء. كانت مستويات ملوحة مصادر المياه المستخدمة في التجارب أعلى بكثير من المتوسط العالمي، حيث تراوحت ملوحة مياه البحر الأبيض المتوسط بين 38 إلى 39 جزء في الألف (ppt)، ومياه البحر الأحمر بين 36 إلى 41 ppt، ومياه قناة السويس بين 37 إلى 41 ppt، متأثرة بالمسطحات المائية المجاورة.
أجريت التجربة في القاهرة، مصر، حيث استخدمت مياه قناة السويس بمستويات ملوحة تتراوح بين 36.9 و37.75 ppt. استخدمت الدراسة مصفوفة منهجية من التجارب، متغيرة سرعات الهواء عبر ستة مستويات من 10.2 م/ث إلى 13.2 م/ث. توفر هذه النتائج رؤى قيمة حول الكفاءة التشغيلية لأنظمة التحلية الشمسية في المناطق الجافة، خاصة فيما يتعلق بشروط ملوحة المياه المحلية ومعلمات التصميم.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على أداء وكفاءة أنظمة تحلية المياه بالتبخير والتكثيف (HDH) التي تعمل بالطاقة الشمسية، مع التركيز بشكل خاص على نظام HDH الشمسي الهجين الذي تم اختباره في منطقة قناة السويس. تشير النتائج الرئيسية إلى أن النظام يعمل بشكل مثالي عند معدل تدفق كتلة المياه يبلغ 0.11 كجم/ثانية ومعدل تدفق كتلة الهواء يبلغ 0.0004 كجم/ثانية، مما ينتج ما يصل إلى 72 كجم/يوم من المياه العذبة عندما يتم الحفاظ على درجة حرارة مياه التغذية عند 85 درجة مئوية. كما تؤكد الدراسة على أهمية الإشعاع الشمسي، حيث تصل الإنتاجية إلى ذروتها خلال منتصف النهار بسبب زيادة معدلات التبخر، وتظهر أن نسبة الإنتاج (GOR) ونسبة الاسترداد (RR) تتأثر بشكل كبير بتغيرات معدلات تدفق مياه البحر وسرعات الهواء.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات الاقتصادية أن تكلفة إنتاج المياه المحلاة باستخدام النظام المقترح تبلغ حوالي 0.017 دولار لكل لتر، مما يجعلها خيارًا تنافسيًا مقارنة بأساليب التحلية الحرارية الأخرى. تشير التحليلات البيئية إلى أن النظام يساهم في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يدعم المزيد من جدواه كحل مستدام لتوليد المياه العذبة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانيات أنظمة HDH الشمسية في تعزيز الأمن المائي، خاصة في المناطق الجافة مثل قناة السويس، بينما تدعو أيضًا إلى مزيد من التحقيقات لتحسين الأداء والجدوى الاقتصادية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40700-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41876623
Publication Date: 2026-03-24
Author(s): Abdalla Gomaa et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
The humidification-dehumidification desalination system is a thermal technology designed for small-scale desalination, utilizing low-grade heat sources such as solar energy or waste heat to produce distilled water from saline seawater at sub-boiling temperatures. This study focuses on optimizing the yield of distilled water from seawater sourced from the Suez Canal while minimizing production costs in Cairo’s climatic conditions. An experimental evaluation was conducted on a closed-air open-water system, known for its energy efficiency, with a pilot plant established for trials in February and March.
The research examined the impact of varying seawater mass flow rates between 0.39 to 0.63 kg/s and air velocities during daytime operation. A constant supply of city water was used in the dehumidifier coil to condense water vapor from the moist air. Performance monitoring occurred daily from 9 AM to 5 PM, revealing that the system achieved a maximum distilled water production of 17.04 kg/day at a seawater flow rate of 0.63 kg/s and optimal air velocity. These findings highlight the potential of this desalination method for efficient water production in arid regions.
Introduction
The introduction highlights the critical importance of water resource management in Egypt, where limited water availability from the Nile, minimal rainfall, and shallow groundwater pose significant challenges. The country has relied on desalination, particularly through humidification-dehumidification (HDH) systems, to address its water crisis. Solar energy is emphasized as a vital renewable resource, especially given the development of new tourist cities that require substantial freshwater supplies.
Several studies have explored the performance of solar-based HDH desalination systems. For instance, Tiwari and Kumar demonstrated that integrating double-ended open evacuated tube solar air heaters with phase change materials can extend operational hours and increase freshwater yield by 6.2% to 8.9%. El-Said et al. reported a maximum daily freshwater output of 6.12 kg with a cost of $0.0138 per liter, while Mohamed et al. found that optimizing air and cooling water flow rates can enhance productivity and GOR, achieving peak outputs of 6.32 kg/hr and a GOR of 0.87, with a production cost of $0.012 per liter. These findings underscore the potential of solar HDH systems in improving water supply in Egypt.
Methods
In their experimental study, Dehghani et al. [10] investigated the effects of brine recirculation on the performance of a humidification-dehumidification (HDH) desalination system utilizing a direct contact dehumidifier. Their findings indicated that increasing the salinity of recirculated brine from 10% to 30% improved the overall recovery ratio from 66% to 86%, although the gain output ratio (GOR) slightly decreased from approximately 0.65 to 0.45. Additional studies by Esfanjani et al. [11, 12, 13] explored various configurations of the HDH system, achieving a maximum thermal efficiency of 45.49% and peak daily water production rates of 0.966 L/day and 1.308 L/day, respectively. Notably, an increase in flow rate resulted in a 46.67% enhancement in GOR.
The experimental setup comprised an open sea water flow cycle and a closed air flow cycle, featuring an evacuated tube solar collector with 30 vacuum tubes and a 300-liter insulated stainless steel water tank. The humidifier, constructed from galvanized steel and insulated with fiberglass, was designed to facilitate efficient water vapor transfer, while the dehumidifier included a condensing coil made of finned copper tubing. The system employed three centrifugal pumps to manage water circulation, with flow rates for the sea water pump ranging from 0.39 kg/s to 0.63 kg/s. This comprehensive design aimed to optimize the desalination process while maintaining cost-effectiveness, with the total cost of freshwater production estimated at approximately $0.01/L.
Results
The results of the study on the humidification-dehumidification solar desalination system highlight key performance metrics, including productivity, total productivity, gain output ratio, mass flow rate ratio, and recovery ratio, under varying design parameters such as daytime, saline water mass flow rate, and air velocity. The salinity levels of the water sources used in the experiments were notably higher than the global average, with Mediterranean Sea water salinity ranging from 38 to 39 parts per thousand (ppt), Red Sea water from 36 to 41 ppt, and Suez Canal water from 37 to 41 ppt, influenced by the adjacent water bodies.
Conducted in Cairo, Egypt, the experimental setup utilized Suez Canal water with salinity levels between 36.9 and 37.75 ppt. The study employed a systematic matrix of experimental runs, varying air velocities across six levels from 10.2 m/s to 13.2 m/s. These findings provide valuable insights into the operational efficiency of solar desalination systems in arid regions, particularly in relation to local water salinity conditions and design parameters.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the performance and efficiency of various solar-powered humidification-dehumidification (HDH) desalination systems, particularly focusing on a hybrid solar HDH system tested in the Suez Canal region. Key findings indicate that the system operates optimally at a water mass flow rate of 0.11 kg/s and an air mass flow rate of 0.0004 kg/s, producing up to 72 kg/day of freshwater when the feed water temperature is maintained at 85°C. The study also emphasizes the importance of solar radiation, with productivity peaking during midday due to increased evaporation rates, and demonstrates that the gain output ratio (GOR) and recovery ratio (RR) are significantly influenced by variations in seawater flow rates and air velocities.
Additionally, the economic analysis reveals that the cost of producing desalinated water using the proposed system is approximately $0.017 per liter, making it a competitive option compared to other thermal desalination methods. The environmental analysis suggests that the system contributes to a reduction in carbon dioxide emissions, further supporting its viability as a sustainable solution for freshwater generation. Overall, the research underscores the potential of solar HDH systems in enhancing water security, particularly in arid regions like the Suez Canal, while also calling for further investigations to optimize performance and cost-effectiveness.