جمعیت جهان در حال افزایش و منابع آب آشامیدنی رو به کاهش است؛ بنابراین ممکن است جهان در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می شود سبب شده است تا تأمین آب بهداشتی به یکی از دغدغه های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود.
امراض ناشی از آلودگی های آب هرروزه هزاران و شاید ده ها هزار نفر را می کشد. توانایی بازیافت آب، امکان دست رسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را ایجاد می کند. با به کارگیری فن آوری های الکتریکی و مکانیکی به سادگی می توان آب آلوده را برای استفاده در کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود. بدین ترتیب فیلترنمودن آب با فیلترهای نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت و استفاده مجدد از آب های صنعتی و کشاورزی ایجاد می کند. فیلترهای فیزیکی با منافذی در حد نانومتر می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحدهای کوچک پروتئین را صددرصد غربال کنند. با جداساز های الکتریکی که یون ها را به وسیله صفحات ابرخازن جذب می کند، می توان نمک ها و مواد سنگین را جذب کرد. بررسی فعالیت های مختلف دنیا، شامل برنامه های در دست اجرا و برنامه های آتی مراکز صنعتی و پژوهشی، نشان می دهد که حوزه تصفیه یکی از حوزه های کاربرد فن آوری نانو در صنعت آب است؛ و با بهره گیری از آن، هزینه های تصفیه آب به میزان زیادی کاهش خواهد یافت.
دو زمینه اصلی در این عرصه عبارتند از:
فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم های موجود؛
نانوحس گرهای زیستی به منظور تشخیص سریع و کامل آلودگی های آب.
در این مقاله به بررسی تعدادی از کاربردهای فن آوری نانو در صنعت آب می پردازیم.
● نانوفیلتراسیون
فن آوری های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می کند. آب تصفیه شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب معدنی تصفیه شده ارزش دارد. با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می شود.
نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روش های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون است. اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدار آلاینده های معدنی و قلیایی نسبت به حد مجاز و روش اسمز معکوس به دلیل تولید خلوص بیش از حد محصول و بالا بودن قیمت دارای نقایصی هستند. دانشمندان دانشگاه باناراس (Banaras) روش ساده ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانولوله های کربنی توسعه داده اند که قادر به حذف مؤثر آلاینده های میکرو و نانومقیاس از آب و نیز حذف هیدروکربن های سنگین از نفت خام است. استفاده از نانولوله های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می شود. این فیلترها دارای دقت بسیار مناسبی در کاربردهای مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پولیوویروس هایی با اندازه ۲۵ نانومتر را به خوبی پاتوژن های بزرگ تری مانندE. Coil و باکتری های استافیلوکوک، از آب حذف نمایند. نانوفیلتراسیون دارای مزایایی مانند قیمت پایین، و کنترل مقدار کاهش آلاینده ها در آب تصفیه شده است.
شرکت آرگوناید (argonide) در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه دو نانومتر برای تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شده اند، می توانند ویروس ها، باکتری ها و کیست ها را از بین ببرند.
● شیرین سازی آب به وسیله نانوغشاها
غشاء نانو لوله ای
محققان آزمایشگاه ملیLawrence Livermore با همکاری دانشگاه برکلی کالیفرنیا غشاهایی با حفره هایی از جنس نانولوله های کربنی ساخته اند که به کمک آن امکان جداسازی ارزان تر گاز و مایع فراهم می شود. در حال حاضر اغلب غشاهای موجود از جنس مواد پلیمری هستند که برای کاربردهای دما بالا مناسب نیست. استفاده از این نوع غشاها نمی تواند توازن قابل قبولی بین ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار نماید، یعنی ورودی بالا منجر به کاهش انتخاب پذیری است و بالعکس؛ اما دانشمندان با استفاده از نانولوله های کربنی توانسته اند این دو امر به ظاهر متضاد را با هم جمع و امکان انتخاب پذیری خوب همراه با ورودی بالا را فراهم کنند.
این محققان توانسته اند روشی برای ساخت این غشاها بیابند که با سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) هم سازگار باشد. این غشاهای جدید با حفره های کوچک تر و با تراکم بسیار و امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره، از لحاظ گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای پلی کربناتی فعلی بسیار برترند. این غشاهای بهبود یافته کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند.
کامالش سیکار(Kamalesh Sirkar) در مؤسسه فن آوری نیوجرسی از روش جداسازی غشایی در شیرین سازی آب استفاده کرده است. در روش جداسازی غشایی، آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشایی دارای سوراخ های ریز موسوم به نانوحفره می ریزند. این حفره ها آن قدر کوچکند که تنها بخار می تواند از آنها عبور کند و آب، مایع، نمک ها و مواد معدنی دیگر در پشت غشا می مانند. در طرف دیگر محفظه ای از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن، کندانس شده و دوباره به مایع تبدیل می شود. ابزاری که در این روش به کار رفته است، عبارت است از دستگاهی مستطیل شکل با مجموعه ای از غشاهای الیاف مانند توخالی که مایع به طور عرضی در آن جریان می یابد. این غشاها به صورت هزاران لوله به شکل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بسته هایی داخل یک جعبه قرار می دهند. در این شکل نمونه آزمایشی از این دستگاه آب شیرین کن نشان داده شده است. در قسمت وسط، دسته ای از هزاران لوله توخالی شبیه تارمو قرار دارد. جداره این لوله ها را هم غشاهایی با نانوحفره های کوچک تشکیل می دهد.
تصفیه آب به کمک نانوذرات نانوذرات لانتانیوم تولیدی شرکت آلتایرنانو (Altairnano) فسفات را از محیط های آبی جذب می کند. به کارگیری این نانوذرات در حوضچه ها و استخرهای شنا می تواند به طور مؤثری فسفات موجود را از بین برده و در نتیجه از رشد جلبک ها جلوگیری نمایند. تحقیقات دانشگاه Lehigh آمریکا نشان می دهد که نانوپودرها می توانند به عنوان ابزاری مناسب برای
پاک سازی خاک های آلوده و آب های زیرزمینی استفاده شوند. نانوذرات آهن موجب اکسیده و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده مانند تری کلرواتیلن، تتراکلرید کربن، دیوکسین ها وPCB ها شده، آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین تبدیل می کند .
برای از بین بردن اغلب فلزات سنگین موجود در آب، روش تصفیه کاتالیزوری گزینه مناسبی نیست، بنابراین محققان به جای آن از روش های جذب روی پلیمرها و یا ذرات افزودنی استفاده می کنند. آرسنیک از آلاینده های بسیار سمی رایجی است که هم به طور بیعی و هم به شکل پساب های بشری باعث آلودگی آب می شود. مصرف این ماده سبب افزایش سرطان های مثانه و روده می شود. در
سطح جهان آمار مسمومیت با آرسنیک بسیار بالا است و در بسیاری از کشورهای در حال توسعه مانند بنگلادش که بیش از ۱۰ تا ۲۰ درصد جمعیت آن دچار مسمومیت با آرسنیک شده اند، یک فاجعه بهداشتی تلقی می شود. اغلب آلایندگی های ناشی از آرسنیک به کشورهای جهان سوم اختصاص دارد. به این ترتیب نیاز شدیدی به فن آوری های نوین احساس می شود تا بتوان آلاینده های فلزی سنگین مانند آرسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد. به همین منظور محققان دانشگاه رایس، از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستم های تصفیه جدید استفاده کرده اند.
سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب آرسنیک دارند، بلکه با انتخاب اندازه مناسب می توان به راحتی این ذرات مغناطیسی را به واسطه جداسازی مغناطیسی از آب جدا کرد. نانوذرات همان کارایی توده آهنی را در جذب آرسنیک دارند. در واقع نه تنها ظرفیت جذب آرسنیک آنها بالاتر است، بلکه به محض قرار گرفتن این ماده در کنار نانوذرات جدا کردن آنها سخت می شود. در نظر گرفتن تمام این نتایج، نشان می دهد که نانوذرات مغناطیسی جاذب های بسیار کارآمدی برای آرسنیک خصوصاً در pH پایین هستند و خاصیت جذبی غیرقابل برگشت آنها مخزن مناسبی را برای جمع آوری آلاینده ها فراهم می کند.
تصفیه پساب های صنعتی پساب های صنعتی صنایع شوینده، غنی از اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است که باید در فرایندهای تصفیه از آب زدوده شود. یکی دیگر از موادی که در پساب های صنعتی فراوان یافت می شود مواد نامحلول روغنی شامل روغن ها و گریس هاست. حضور این مواد فرآیند پالایش آب را دچار مشکل می کند. یکی از روش های اقتصادی برای تصفیه این مواد، استفاده از سیستم های ترکیبی میکروفیلتراسیون نانوفیلتراسیون است. در این سیستم ها از میکروفیلتراسیون برای زدودن ذرات معلق مانند روغن ها و گریس ها و از نانوفیلتراسیون برای حذف پاک کننده ها استفاده می شود.
● تصفیه فاضلاب ها
محققان دانشگاهUniSA در استرالیا به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب ها هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را بیشتر از روش های موجود بهبود می بخشد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف موجودات زنده بسیار ریز است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی کننده استفاده می شود، ولی در این حالت حتی بعد از تصفیه هم ترکیبات ارگانیک زیادی در آب حضور دارند. کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می کند، ولی با آلاینده های ارگانیک واکنش داده، محصولات جانبی تجزیه ناپذیر و سمی تولید می کند که نمی توان آنها را از آب حذف کرد.
انتقال این مواد به محیط زیست و استفاده از آنها در کشاورزی و دیگر صنایع می تواند مشکلات بهداشتی جدی ایجاد کند. تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزور نوری می تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضد عفونی با کلر شود تا موجودات زنده ریز و ترکیبات آلی را به طور هم زمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز، ترکیبات ارگانیک بزرگ را کوچک تر می کنند؛ اما از آنجا که این ترکیبات به طور زیستی تجزیه ناپذیرند، ما مجبور به استفاده از نوعی انرژی برای تجزیه آنها هستیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید گرفته می شود و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد.
انرژی تولید شده از واکنش سلول کاتالیزوری نوری می تواند موجودات زنده ریز را کشته و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه کند. این فرایند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری، بسیار مقرون به صرفه است . ذرات کاتالیزوری چه به صورت همگن در محلول پراکنده شده یا روی ساختارهای غشایی رسوب داده شده باشند، می توانند ما را از تجزیه شیمیایی آلاینده ها مطمئن سازند.
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تری کلرواتیلن (TCE) از آب های زیرزمینی استفاده کرده اند. تحقیقات مرکز فن آوری نانوی زیست محیطی (CBEN) دانشگاه رایس نشان می دهد، نانوذرات طلا و پالادیم، کاتالیست هایی بسیار مؤثر برای حذف آلودگی TCE از آب هستند.
مزیت های حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است. با به کارگیری فن آوری نانو می توان تعداد اتم های در تماس با مولکول های TCEو در نتیجه کارایی این کاتالیست را چندین برابر کاتالیست های رایج افزایش داد. TCE حلال رایج در روغن زدایی از فلزات و قطعات الکترونیکی، یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب است و در ۶۰ درصد پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان می شود. کاتالیست های شیمیایی نسبت به کاتالیست های زیستی بسیار سریع تر عمل می کنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیت های کاتالیست های پالادیم برای تجزیه TCE این است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل می کند. در حالی که کاتالیست های رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیل کلراید تبدیل می کنند.
محققان دانشگاه رایس روش جدیدی را توسعه داده اند که طی آن نانوبلورهای تیتانیوم با سطح ویژه بالا (بیش از ۲۵۰ m۲/g برای حذف آروماتیک های آلی تولید می شوند. این مواد تحت تابش اشعه فرابنفش، قابلیت اکسیداسیون نوری بسیاری از مولکول ها را پیدا می کنند. همچنین C۶۰ کاتالیزور نوری بسیار خوبی است که کارایی آن صدها برابر بیش از تیتانیای موجود در بازار است. تولید رادیکال آزاد به وسیله C۶۰ متراکم در آب، امکان تجزیه آلاینده ها را فراهم می کند.
Twitter
Google
Yahoo
Delicious
بالاترین
دنباله
نسخه‌ی چاپی
ارسال اين مطلب به دوستان