התפלה

התפלה היא הפרדת מים מהמומסים בהם, המבוצעת בעיקרה במטרה להפוך מים שאינם ראויים לשתייה, כמו מי ים ומים מליחים לכאלו שכן. המילה "התפלה" נגזרת מהמילה "תפל" – חסר טעם, מכיוון שהתהליך מסיר את מליחותם, "טעמם", של המים.

סיבות להתפלה מלאכותית
התפלת מי ים מהווה בראש ובראשונה פתרון למחסור במי שתייה הנשאבים ממאגרים טבעיים. התפלה מאפשרת אספקת מים שפירים באופן רציף, ללא תלות באקלים ובכמויות הגשמים.

בנוסף, צריכת מים מותפלים ממתנת את השאיבה ממקורות טבעיים ובכך מתאפשר שימור מקורות מים טבעיים ושיקום הסביבה האקולוגית הסמוכה להם.

מים כחומר גלם ומוצר
שמאל|ממוזער|250px|סכמה אופיינית של תוכנית להתפלת מים בשיטת האוסמוזה ההפוכה
ישנם תהליכים רבים המסוגלים להפחית ריכוזי מלחים מתמיסות. קיימים שלושה סוגי מי גלם עיקריים המשמשים להתפלה: מים שפירים, מים מליחים ומי ים.
מים שפירים – מקורם בעיקר ממי תהום ומים עיליים, לרבות נהרות ואגמים, מוגדרים כמים שריכוז סך המוצקים המומסים בהם הוא מתחת ל-1,000 מג"ל.
מים מליחים – מוגדרים כמים שריכוז סך כל המומסים בהם הוא בתחום של 1,000–15,000 מג"ל.
מי ים – מוגדרים כמים שריכוז סך המומסים בהם הוא בתחום של 15,000 עד 50,000 מג"ל.

שיטות התפלה
שיטות התפלה מסווגות לפי תהליכים שונים:

 תהליכי אידוי 
 תהליך פיזיקלי-תרמי שבו המים מתאדים בהדרגה תוך מעבר בין מספר תאים, שבהם רמת הטמפרטורה והלחץ משתנים. בכל אחד מהתאים מתאדה כמות מסוימת של מים, ואילו המלחים נותרים במים שלא מתאדים. המים עם המלחים (כמחצית ממי הגלם) מסולקים בחזרה לים כתמלחת. אדי המים עוברים תהליך עיבוי, שבו נאספות טיפות המים ומתקבלים מים מותפלים.

 תהליכי סינון דרך ממברנות 
תהליך פיזיקלי-מכני הדומה לסינון.

הידוע והנפוץ בתהליכים אלו הוא האוסמוזה ההפוכה. בתהליך זה דוחסים את המים המלוחים דרך ממברנות המאפשרות מעבר מים בלבד ומונעות מעבר מלחים. התוצרים הסופיים הם מצד אחד מים מותפלים, ואילו המים שאינם עוברים את כל הממברנות הם מים בריכוז מלחים גבוה הקרויים גם "תימלחת". התימלחת המוזרמת חזרה לים.
 הסבר השיטה: אוסמוזה הפוכה משמשת להתפלת מי ים ומים מליחים לצורך אספקת מי שתייה או מים לחקלאות. בשיטה זו מתבצע תהליך הפוך לאוסמוזה רגילה, שבה מתקיים מעבר של מולקולות מים מתמיסה שריכוזה נמוך (מכילה מעט מומסים) לתמיסה שריכוזה גבוה (מכילה מומסים רבים) דרך קרום בררני. באוסמוזה הפוכה מתקיים מעבר מים מהתמיסה שריכוזה גבוה לתמיסה שריכוזה נמוך באמצעות הפעלת לחץ. הקרום הבררני מונע מעבר של מולקולות המומס ומאפשר מעבר של מולקולות המים בלבד. במתקני התפלה בטכנולוגיה זו מקובל לבצע את הכנת המים על ידי תהליך אולטראפילטרציה ("סינון-על").

 אלקטרודיאליזה 
 ממוזער|סכמה של סינון על ידי תהליך של אלקטרודיאליזהאלקטרודיאליזה,  דיאליזה של יונים בסינון ננו על ידי נדידה של יונים לפי מטענם החשמלי. טכנולוגיות אלה פותחו לאחר פיתוחה של טכנולוגיית האידוי, והן יעילות משמעותית עקב החיסכון באנרגיה. שיטות התפלה אלקטרו-כימיות נפוצות: שיטות להתפלת מים שפירים: "אלקטרודיאליזה", "סינון-ננו", "אוסמוזה הפוכה", "והחלפת יונים", שיטות להתפלת מים מליחים: "אוסמוזה הפוכה" "ואלקטרודיאליזה", שיטות להתפלת מי ים: "אוסמוזה הפוכה", "זיקוק בדחיסת אדים" "וזיקוק רב-שלבי"
תהליך האלקטרודיאליזה מבוסס על יצירת שדה חשמלי בין שתי אלקטרודות שביניהן נמצאות ממברנות חדירות למחצה משני סוגים, אלו המעבירות יונים חיוביים בלבד ואלו המעבירות יונים שליליים בלבד. כאשר המים מועברים במרווחים שבין הממברנות, נודדים שני סוגי היונים לאלקטרודות השונות. בתהליך זה מסולקים רק יוני המלחים ולא שאר החומרים המרחפים.

 זיקוק 

 זיקוק דו-שלבי 
בשיטת הזיקוק הרב-שלבי משתמשים בקיטור כמקור אנרגיה לאיוד המים. את התהליך מבצעים במספר דרגות שבכל אחת מהן שורר לחץ שונה וטמפרטורה שונה. כך שניתן לחזור על התהליך מספר פעמים תוך ניצול החום הכמוס שיוצרים אדי מים כאשר הם מתעבים, על מנת לחמם את המים של הדרגה הבאה. החימום גורם לאיוד חלק מהמים וחוזר חלילה. בצורה זו ניתן לקבל מכל קילוגרם קיטור, מספר ליטרים של מים מותפלים.

זיקוק בדחיסת אדים
בשיטת זיקוק דחיסת האדים, מזרימים מי ים לתא שבו שורר ריק, דבר זה גורם לאידוי חלק מהמים, מדחס מכני דוחס את האדים ובכך מעלה את הטמפרטורה שלהם, אלה מתעבים על צינורות תוך מסירת החום הכמוס שלהם למים הנכנסים למתקן ומסירת האנרגיה הדרושה לאיודם.

זיקוק תוך שימוש באתן
שיטה אחרת להתפלה היא בהשמת המים תחת לחץ גבוה, והעברת אתן דרכם. כמעט מייד, גבישים מופיעים למעלה, המורכבים ממים מזוקקים ואתן. ניתן להמס גבישים אלה, ואז מזרימים את המים למכל נפרד. מבנה מולקולות אלה גורם להן להיווצר מאתן ומים בלבד, כאשר המלח נותר מאחור. לפעמים נוצר גם מלח בישול כתוצר לוואי של התהליך.

התפלה בהקפאה

בתהליך ההקפאה, מולקולות המים מסתדרות במבנה מרחבי שאינו משאיר מקום למלחים. התהליך נקרא גם תהליך זרחין על שם אלכסנדר זרחין. התהליך מבוסס על איוד והקפאה בו-זמנית של מי הים בתא אחד ועל עיבוי האדים תוך הפשרת הקרח בתא אחר. שניהם בתוך מכל אחד. הן הקרח המופשר והן האדים המתעבים – הופכים למוצר נטול מלח.

החלפת יונים
תהליך של סיפוח, המנצל תכונות של חומרים מסוימים, כדי להחליף יונים (חיוביים או שליליים), הקשורים אל חומרים אלו בכוחות אלקטרוסטטיים – ביונים בעלי אותו מטען המצויים בתמיסה.

סינון ננו
תהליך שבו משתמשים בממברנות חצי חדירות אשר דוחות יונים וחומרים מומסים דוגמת רוב החומרים האורגניים. התהליך משמש בעיקר לריכוך מים קשים ולסילוק מזהמים אורגניים.

מי ההתפלה כמוצר מלאכותי
תוצרי לוואי והסביבה הימית
תוצר לוואי של מפעלי התפלה תמלחת – מים המכילים מלחים בריכוז גבוה. שחרור התמלחת לים פוגע בסביבה הימית ובבעלי חיים ימיים.

 צריכת אנרגיה 
התפלה היא תהליך הצורך אנרגיה. פעמים רבות מופקת אנרגיה זו משריפת דלקים מאובנים ובכך מעלה את רמות הפליטה של פחמן דו-חמצני ומזהמי אוויר אחרים. עם זאת, אורי להב ורפי סמיט מהטכניון פרסמו מאמר שבו הראו שצריכת האנרגיה הנדרשת להתפלת מים היא שולית לעומת צריכת האנרגיה הנדרשת לכלי רכב ומזגנים וכי חיסכון של 3% בצריכת האנרגיה יכסה את כל התוספת הנדרשת לצורך התפלת מים.

בשל צריכת האנרגיה הגבוהה במיוחד של תהליכי אידוי לשם התפלה, הם גורמים לזיהום גדול יותר ונמצאים בשימוש רק במדינות שבהן מחיר האנרגיה נמוך מאוד. שיטת האוסמוזה ההפוכה חסכונית יותר באנרגיה ומסיבה זו השימוש בה הולך ומתרחב. מתקני ההתפלה במדינת ישראל מבוססים על שימוש בטכנולוגיית האוסמוזה ההפוכה.

 פגיעה בשטחי חוף 
מתקני ההתפלה נבנים צמוד לחוף הים, שהוא משאב מוגבל ופוגעים בבעלי החיים הנדרשים לרצועת החוף. עם זאת, אורך רצועת החוף שהם משתמשים בה עשוי להיות זעום. כך למשל, במתקן התפלה בחדרה מגיע השימוש ברצועת החוף ל-20 מטרים בלבד.

בתהליך האישורים להקמת מתקני התפלה בישראל נדרשים המתכננים לבצע מודלים שנועדו לבחון את השפעתו הסביבתית של מתקן ההתפלה. מודלים אלה מבוצעים על ידי המכון הישראלי לחקר הנדסה ימית בטכניון.

 שיעור מינרלים 

 עודפי בור 
על פי מחקר שביצעו חוקרים בישראל והתפרסם בנובמבר 2007, התברר שהשקיה במים מותפלים עלולה לגרום לנזקים לגידולים חקלאיים. זאת כיוון שמים מותפלים חסרים מינרלים החיוניים לבריאותו של הצמח. בשנת 2004 שיפרה חברת מקורות את תהליך ההתפלה, עם הוספת אמצעים לסילוק בור מהמוצר, שתרמו למניעת הנזקים לגידולים החקלאיים.

 מחסור במגנזיום 
מגנזיום ממלא תפקיד מרכזי בייצוב חלקים שונים בגוף האדם ובוויסות תהליכים שונים בגוף, ובהם שמירה על מבנה העצם וייצור אנרגיה. כמו כן, הוא מסייע לפעילות תקינה של השרירים, מערכת העצבים, הלב ומערכת החיסון.ר' צפריר רינת 2011 מחקרים הוכיחו שהוספת מגנזיום משפרת את תפקוד הלב אצל אנשים בריאים וחולים. מגנזיום מוריד את שכיחות מחלת הסוכרת, ויכול להפחית את הנטייה להשמין ולפתח יתר לחץ דם אצל ילדים. מחסור במגנזיום קשור לעלייה בסיכון למוות ממחלות לב, לפתח סוכרת ולחלות בשבץ מוחי.

הכנסת, משרד הבריאות ורשות המים החליטו על הקמת מתקן פיילוט, שבו תיבדק הוספת מגנזיום למים שעברו התפלה. מחקרים בישראל מצביעים על עלייה בתחלואה במחלת לב כלילית ועלייה בתמותה לאחר אוטם חד בשריר הלב בקרב תושבים המתגוררים באזורים שמספקים בהם מים מותפלים. בעיות אלו צפויות להחריף בעקבות התוכניות להרחבה משמעותית של היקף ייצור המים המותפלים. כיום המים המותפלים הם כ–40% מכלל המים המסופקים. ב–2040 צפוי שיעור זה לעלות ל–63%.ר' צפריר רינת, פברואר 2024

שתיית מים היא מקור לכ-20% מכמות המגנזיום ההכרחית לגוף. בתהליך ההתפלה מוסר המגנזיום מן המים. יש המצדדים בהשבת מגנזיום למים מותפלים, לעומתם יש המצדדים בחלוקת תוסף מגנזיום לצריכה אישית משיקולי יעילות ועלות ציבורית.אך על פי מחקר שנערך בישראל שיעור השימוש בתוספים מסוג זה באוכלוסיות ממעמד סוציו־אקונומי נמוך הוא קטן ביותר מחסור במינרל זה מתבטא גם בשיעורו הנמוך בגידולים ופירות בפרט, המושקים במים מותפלים, גורם מכפיל להשפעת המחסור במינרל ההכרחי לפעילותו התקינה של הגוף.

משרד הבריאות החליט עקרונית בשנת 2011 להוסיף מגנזיום למים, אך גם בפברואר 2024 לא ברור מתי זה יבוצע.

חשדות למחסור ביוד
בתחילת העשור השני של המאה ה-21 התגלה על ידי חוקרים מהאוניברסיטה העברית והמרכז הרפואי אוניברסיטאי "ברזילי", חשד שהעלייה בשימוש במים מותפלים קשורה במחסור ביוד, ולכן בהפרעות כתוצאה ממחסור יוד. ממחקר ישראלי עולה כי חלה עלייה בעשור האחרון בשימוש בתרופות לטיפול בתחלואת בלוטת התריס, דבר העלול להעיד על עלייה בשכיחות המחסור ביוד. עוד נמצא כי ערכי תירוגלובולין  מוגברים בדם קשורים במחסור יוד בתזונה ובזפקת.

מנתוני סקר ארצי ראשון שנערך בישראל עולה עוד כי בקרב 62% מהילדים בגיל בית הספר ובקרב 85% מהנשים ההרות שנבדקו, רמות היוד שנמצאו היו נמוכות מהמינימום המומלץ על ידי ארגון הבריאות העולמי. בשנה שקדמה לעריכת הסקר, כמות המים שהופקה ממתקני ההתפלה היוותה כ-50% מכמות המים השפירים המסופקת לכל הצרכים וכ-80% מכמות המים המסופקת לצרכים הביתיים והתעשייתיים. הסקר נערך ב-229 יישובים ברחבי ישראל וכלל מדגם מייצג של מעל 2,000 משתתפים מכל מגזרי האוכלוסייה העיקריים בישראל (ערבים, יהודים חילונים ויהודים חרדים). לאחר הסקר פרסם משרד הבריאות המלצות חדשות בנושא, בדגש על נשים הרות וכאלה המתכננות להרות.

התפלה בעולם
שמאל|ממוזער|250px|מפעל התפלה בטכנולוגיה של זיקוק רב-שלבי באיחוד האמירויות הערביות
בשנים האחרונות ירדה באופן חד עלות התפלת המים בעולם. מפעל מודרני ויעיל להתפלת מי ים מייצר מים נקיים במחיר שגבוה רק ב-20% מהמחיר של חפירת בארות ושאיבה בנקודה חדשה. המפעלים החדשים שולטים ברמת המליחות, הטמפרטורה והלחץ על מנת ליצור תנאים אופטימליים ליעילות ההתפלה.

התפלת מי ים נפוצה במדינות המזרח התיכון, צפון אפריקה ואיים מבודדים. כווית היא המדינה הראשונה שבנתה מפעל התפלת מי ים גדול בשנות ה-60 של המאה ה-20, והיא המדינה היחידה המשתמשת בשיטה זו גם לחקלאות ולא רק לשתייה. מתקן ההתפלה הגדול בעולם כיום נמצא באיחוד האמירויות הערביות, כאשר כושר ההתפלה השנתי שלו עומד על כ-230 מיליון מ"ק.

שמאל|ממוזער|250px|מפעל ההתפלה באילת שהקים אלכסנדר זרחין, 1964
שמאל|ממוזער|250px|פנים מתקן ההתפלה בפלמחים

בהודו בשנת 2010 הופעל מתקן התפלת מי-ים מינג'ור, המתקן הגדול במדינה המשתרע על שטח של כ-60 דונם.

בנוסף, מתבצע התהליך פעמים רבות על ספינות וצוללות. השיטה היא הרתחת המים בלחץ נמוך, ובטמפרטורה נמוכה בהרבה מהרגיל החוסכת אנרגיה. אולם, כיוון שהחיידקים במים נותרים חיים, צריך להעביר את המים תהליכים נוספים לפני שניתן לשתות אותם.

 התפלה בישראל 

מאזן המים של ישראל הוא שלילי, כלומר המדינה משתמשת ביותר מים מכמות הגשם הממוצעת. מיום הקמתה של מדינת ישראל לא חדלה סוגיית המחסור במים בארץ להטריד את קברניטיה, ועל כן חיפשה ישראל מאז ומתמיד פתרון לבעיית המים, כשרעיון ההתפלה עומד בבסיס רוב התוכניות.

בתחילת שנות ה-60 של המאה ה-20 הוקם באילת מתקן להדגמת "תהליך זרחין" שהומצא על ידי אלכסנדר זרחין, ושהיה מבוסס על הקפאת חלק ממי הים המוזנים למתקן הנמצא תחת ואקום, הפרדת הקרח הנוצר מהתימלחת הנותרת והתכתו לקבלת מים מותפלים, שכן הקרח הקופא אינו מכיל מלח. תהליך זה הסתבר כלא יעיל (אלכסנדר זרחין חלק על מסקנה זו) ונזנח. המדחס שהיווה את לב המתקן, שימש כחלק מרכזי במתקני זיקוק אדים דחוסים שיוצרו על ידי החברה המקימה ששמה שונה בהמשך ל-"איי. די. אי. טכנולוגיות (הנדסת התפלה)". חברה זו הקימה בעולם מתקני התפלה בשיטות שונות. בתחילת שנות ה-70 הקימה החברה באילת מתקן התפלה שפעל על עקרון הזיקוק הרב-שלבי. מתקן זה פעל בהצלחה מספר שנים כשהקיטור הדרוש להנעתו התקבל מדוד קיטור ייעודי שהיה חלק ממתקן זה.

החלטת הממשלה מיוני 2008 (מספר 3533) קבעה כי יש להגדיל את היקף התפלת מי הים בישראל מ-505 מיליון מ"ק בשנה, עד שנת 2013 ול-750 מלמ"ש, עד לשנת 2020. צריכת המים הכוללת בישראל ב-2013 עמדה על 2,200 מיליון מ"ק בשנה מתוכם כ-1,150 מלמ"ש מים שפירים, ומתוך אלה כמחצית (500 מלמ"ש) הופקו במתקני התפלה.

בשנת 2018 נבנתה תוכנית אסטרטגית להתמודדות עם תקופות בצורת עד שנת 2030. נכון לשנת 2018, יש בישראל חמישה מפעלים מרכזיים להתפלת מי ים: באשקלון, באשדוד בפלמחים, בשורק ובחדרה. בנוסף קיים תכנון למפעל שישי בסמוך לקיבוץ שמרת. כל המפעלים המרכזיים מתפילים את המים בשיטת האוסמוזה ההפוכה. השפעתם הסביבתית של מתקנים אלה נבדקת בקפידה באמצעות מודלים שמבוצעים על ידי המכון הישראלי לחקר הנדסה ימית בטכניון.

בדצמבר 2022 השיקו חברת מקורות ורשות המים מערכת להולכת מים חדשה שתזרים מי ים מותפלים מהים התיכון ועד לכנרת בהתאם לצרכים, בעלות של כמיליארד שקלים. מטרות המערכת: שמירה על מפלס הכנרת המשתנה בשנות בצורת ועוד, כך שיישמר מקור המים הטבעי ומאגר המים הלאומי לשעת חירום. בנוסף שמירת מקור אספקת מים לאורך השנה לצורכי המשק השונים, כולל חקלאות ושמירת היכולת לספק מים מהכנרת לממלכת ירדן בהתאם להסכמי השלום שנחתמו בין שתי המדינות.

ראו גם
מחזור מים

לקריאה נוספת
 הראלה סטוצקי-באר, נכנסים למשמעת מים, נשיונל ג'יאוגרפיק ישראל, גיליון 143, אפריל 2010

קישורים חיצוניים

  סיור במתקן התפלת המים בתל ברוך, 1962, באתר ארכיון הסרטים הישראלי בסינמטק ירושלים
 צור שיזף, מי אמר שאין מים, תחקיר על ההתפלה והמים הישראלים למבט שני הערוץ ה-1 2010


 השפעת מתקני התפלת מי הים על הסביבה הימית, יורם אבנימלך, כתב העת 'אקולוגיה וסביבה' אוגוסט 2012, גיליון 3, (עמ' 211–213).





הערות שוליים

*
קטגוריה:הנדסה כימית
קטגוריה:סינון