فناوری نانو و صنعت آب و فاضلاب

[تووت فرنگی]

آب، مایه حیات و فراوان‌ترین ماده مرکب بر روی سطح کره زمین و بستر اولیه حیات به شکلی است که امروزه مشاهده می‌کنیم. اهمیت آب و نقش حیاتی آن در زندگی انسان، حیوان، نبات و محیط زیست آنقدر روشن است که نیاز به دلیل و برهان ندارد.

---

با وجود پیشرفت‌های شگفت آوری که در زمینه‌های مختلف حیات بشر صورت گرفته است، آب همچنان اهمیت خود را به عنوان منبع اصلی تأمین انرژی و نیز تولید محصولات کشاورزی حفظ کرده است.با توسعه فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب، می‌توان تحولی عظیم در تأمین آب مصرفی و بخش‌های وابسته به آن به وجود آورد. کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب، گندزدایی، استفاده بهینه از آب سفره‌های زیرزمینی و بهبود سازه‌های آبی از جمله ویژگی‌هایی است که صنعت آب و فاضلاب با استفاده از فناوری نانو به دنبال تحقق آن‌ها است.
در مجموع کاربردهای متعددی را می‌توان در زمینه استفاده از فناوری نانو متصور بود که اهم آنها عبارتست از:
استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلاینده ها ،رنگ زدایی از آب آشامیدنی ،نمک زدایی از آب ،نانو پوشش ها ،نانو لوله‌های جاذب گازهای سمی ،نانو پلیمرهای متخلخل ،استفاده از نانو ذرات در تصفیه پسابها ،نانو فیلترها ،حذف آرسنیک موجود در آب با استفاده از فناوری نانو
برخی کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب فناوری نانو با روشهای زیر می‌تواند در تهیه آب تمیز کمک کند :
غشاهای فیلتر اسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب ،روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی ،نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی ،نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب .

نانو فیلتراسیون

یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانوفیلترهاست که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی نهاده است. نانوفیلترها براساس منافذشان طبقه بندی شده اند. روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. در نانو فیلتراسیون جدا سازی براساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد و فرآیندی فشاری است. اساساً این روش جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده کننده‌های میکرونی و یونهای چند ظرفیتی می‌باشد. از دیگر کاربردهای نانو فیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آبهای مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کننده ها و حذف نیترات ها اشاره کرد.

نانو فیلتراسیون می‌تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری‌های موجود در آب را حذف کند. در ضمن امکان استفاده آسان از روشهای تصفیه را برای عموم فراهم می کند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می‌دهد

در واقع با استفاده از نانوفیلتراسیون کلیه ذرات معلق، ویروس ها و باکتری های آب بدون نیاز به هیچ گونه مواد افزودنی از بین خواهد رفت. دیگر مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و پساب عبارتند از: حذف نمکهای چند ظرفیتی (از قبیل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کش ها)، امکان تولید میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع، از بین بردن انواع باکتری، ویروس و میکروارگانیزم ها، حذف آلاینده های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز سلامت انسان، از بین بردن اثرات مخرب زیست محیطی، حذف کدورت، سختی و شوری آب، پایین بودن هزینه تصفیه و در مجموع همانگونه که اشاره شد نیاز نداشتن به افزودن مواد شیمیایی زیان آور برای محیط زیست و انسان.

آب نانو فیلتر شده

فناوری‌های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می‌کند. آب تصفیه‌شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب‌معدنی تصفیه‌شده ارزش دارد. همان طور که گفتیم با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می‌شود.
نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روش‌های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون است. اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدار آلاینده‌های 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 ساده‌ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانولوله‌های کربنی توسعه داده‌اند که قادر به حذف مؤثر آلاینده‌های میکرو‌ و نانومقیاس از آب و نیز حذف هیدروکربن‌های سنگین از نفت خام است. استفاده از نانولوله‌های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می‌شود. این فیلترها دارای دقت بسیار مناسبی در کاربردهای مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پولیوویروس‌هایی با اندازه 25 نانومتر را به خوبی پاتوژن‌های بزرگ‌تری مانندE. Coil و باکتری‌های استافیلوکوک، از آب حذف نمایند. شرکت آرگوناید (argonide) در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه دو نانومتر برای تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شده‌اند، می‌توانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و کیست‌‌ها را از بین ببرند.

نانو حسگر ها

اگر چه حسگرهای مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند.


فناوری نانوو تصفیه آب

در دسترس بودن آب سالم و پاک یکی از مهم‌ترین مسائل پیش روی بشر است و به تدریج که مقدار مصرف آب بیشتر می‌شود مواد آلاینده نیز به طرق مختلف باعث آلوده کردن منابع آبی می‌گردند و این مسأله در آینده بحرانی‌تر خواهد شد. توانایی تصفیه آب، این امکان را فراهم می‌کند تا منابع مناسب‌تری برای مصارف گوناگون به دست آوریم.

بهره گیری از فناوری نانو در فرآیند تصفیه آب، راه حل مناسبی است تا بتوان به سادگی آب آلوده را برای استفاده در کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود. کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب را می‌توان در سه فرآیند زیر خلاصه کرد:

فرآیند غربالی
در فرآیند غربالی، تصفیه آب به وسیله غشاهایی با منافذ در حد نانومتر صورت می‌پذیرد. فناوری تولید نانو غشاء یکی از فناوری‌های پرکاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب و فاضلاب تا صنایع غذایی، دارویی و همچنین صنایع نفت، گاز و انرژی گسترده شده است. در این روش، بر حسب اندازه منافذ غشا، ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی، به راحتی از آب جدا شده و در نهایت آبی تصفیه شده خواهیم داشت.

فرآیند جذبی
از جاذب‌ها می‌توان به عنوان جداسازی محیطی، در تصفیه آب و حذف آلاینده‌های آلی بهره برد . از جمله نانو جاذب های پرکاربرد در تصفیه آب می‌توان به مزوپورهای نانو حفره ای اشاره کرد. مزپورها مواد متخلخلی‌اند که در ابعاد میکرون بوده و تنها حفرات تشکیل دهنده آن‌ها در اندازه‌های نانومتری است. پوشش دادن این حفرات با نانوذراتی که قدرت پیوند با مواد آلاینده را دارند باعث بهبود عملکرد نانو جاذب‌ها خواهد شد.

فرآیند تجزیه
استفاده از صفحات لایه نشانی شده با دی اکسید تیتانیوم در فرآیند تصفیه آب، این امکان را فراهم می‌کند تا با تابش اشعه UV، مواد آلاینده موجود در آب، به ترکیباتی غیرمضر تجزیه شوند. در این روش، دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فتوکاتالیست عمل کرده و شرایط مورد نیاز برای انجام واکنش تجزیه را فراهم خواهد کرد.
از جمله آلاینده‌های موجود در آب‌های صنعتی که دی اکسید تیتانیوم آن‌ها را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند عبارتند از: آلکان ها، و آلکن ها، آلکین ها، اترها، آلدئیدها، الکل ‌ها، ترکیباتی آمینی، ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی.
ادامه دارد...

[تووت فرنگی]

فناوری نانو و صنعت آب و فاضلاب(2)


امراض ناشی از آلودگی منابع آب ، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شاید ده ها هزار نفر از مردم جهان می شود . این در حالی است که امکان بازیافت آب دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد . با ورود فناوری نانو، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده است.
تصفیه آب به کمک نانوذرات

نانوذرات لانتانیوم ، فسفات را از محیط های آبی جذب می کند .کاربرد این نانوذرات درحوضچه ها و استخرهای شنا می تواند به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد جلبک ها جلوگیری کند .
نانوپودرها نیز میتوانند به عنوان مواد مناسبی برای پاکسازی خاک های آلوده و آب های زیرزمینی به کار روند ؛ همچنین نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده می شود و آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین تبدیل می کند .
ارسنیک از آلاینده های بسیار سمی است که به طور طبیعی با پساب های انسانی سبب آلودگی آب می شود .مصرف این ماده سبب افزایش شیوع سرطان مثانه و روده می شود .آمار مسمومیت با ارسنیک در سطح جهان بسیار زیاد است و در بسیاری از کشورهای درحال توسعه که بیش از 10 تا20 درصد جمعیت آنها به مسمومیت ارسنیک مبتلا شده اند ، چنین اتفاقی یک فاجعه بهداشتی به شمار می آید. بیشتر آلایندگی های ناشی از ارسنیک در کشورهای جهان سوم گزارش شده است و به همین دلیل این کشورها بشدت نیازمند فناوری های نوین هستند تا به کمک آن بتوان آلاینده های فلزی سنگین مانند ارسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد .

در روش های جدید از نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن به عنوان هسته اصلی سیستم های تصفیه آب استفاده می شود. سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب ارسنیک دارند، بلکه با انتخاب اندازه متناسب می توان براحتی این ذرات مغناطیسی را که به کمک روش های جداسازی مغناطیسی از آب جداکرد. درحقیقت نانوذرات درجذب ارسنیک همانندتوده آهنی عمل می کنند.نانو ذرات مغناطیسی اکسیدآهن ،آرسنیک موجود درآب را تا 99% به دام انداخته وسپس آن ها را با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج می کنند. درواقع نه تنها ظرفیت جذب ارسنیک در نانوذرات بالاتر است بلکه به محض قرار گرفتن ارسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن از این ذرات بسختی انجام خواهد شد. با توجه به نتایج به دست آمده از بررسی ها و تحقیقات انجام شده در این زمینه میتوان گفت نانوذرات مغناطیسی ، جاذب های بسیار خوبی برای آلاینده ارسنیک بویژه در آب های اسیدی هستند وخاصیت جذبی غیر قابل بازگشت این ذرات ، مخزن مناسبی برای جمع آوری آلاینده ها فراهم می کند .
به طور کلی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- حذف آرسنیک با نانو ذرات سریم
- حذف آرسنیک با نانو ذرات اکسید آهن
- حذف کروم با نانو ذرات آهن
- حذف مس، کبالت و نیکل با نانو ذرات آهن
- حذف ترکیبات آلی با نانو ذرات آهن
- حذف آلاینده ها با نانو ذرات آهن در محل
- کاهش نیترات با نانوذرات دوفلزی پالادیم- مس
- گندزدایی آب با نانو ذرات نقره
خط قرمزی برای گسترش آلاینده‌های بیولوژیکی

نانو ذرات مغناطیسی اکسیدآهن ،آرسنیک موجود درآب را تا 99% به دام انداخته وسپس آن ها را با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج می کنند

خط قرمزی برای گسترش آلاینده‌های بیولوژیکی

آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلاینده موجود در آب، هدفی است که دست یابی به آن در فرآیند تصفیه آب، مستلزم بهره گیری از فناوری‌های نوین است. امروزه حسگرها، نقش عمده‌های در تعیین میزان دما، مواد محلول در آب، شناسایی پاتوژن و فلزات سنگین ایفا می‌کنند. اگرچه حسگرها مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند.


با ظهور فناوری نانو، حساسیت حسگرها ارتقا یافته و سرعت عملکرد بالاتری پیدا کرده‌اند. تصور اینکه یک نانو حسگر می‌تواند با سرعتی باور نکردنی، حضور یک ذره ویروسی را قبل از تکثیر ویروس و بروز علائم بیماری، شناسایی کند شاید تا قبل از ظهور این فناوری ممکن نبوده اما اکنون نانوحسگرها انقلاب بزرگی در شناسایی آلاینده‌های آب، به وجود آورده‌اند.
ازویژگی نانوحسگرها می توان به موارد زیر اشاره کرد كه به سرعت می‌تواند مواد خارجی و ویروس را شناسایی كنند، كوچك، قابل حمل، دارای عكس العمل سریع در مقدار كم، قابل اطمینان، دقیق، مقاوم و مستحكم هستند.

تصفیه فاضلاب

محققان به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را در مقایسه با روش هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ، به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد . آخرین مرحله تصفیه آب ، حذف موجودات زنده بسیار ریز است در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی کننده استفاده می شود . اما در این صورت حتی پس از تصفیه نیز ترکیبات ارگانیک زیادی در آب وجود خواهد داشت . کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می کند . اما با آلاینده های ارگانیک واکنش می دهد و 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 وصنایع دیگر میتواند مشکلات بهداشتی خطرناکی ایجاد کند .

تصفیه فاضلاب به کمک نانو کاتالیزور نوری می تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضدعفونی با کلر شود تا موجودات زنده و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند

تصفیه فاضلاب به کمک نانو کاتالیزور نوری می تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضدعفونی با کلر شود تا موجودات زنده و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز ، ترکیبات ارگانیک بزرگ را به ذرات کوچک تری تبدیل می کنند. اما از آنجاییکه این ترکیبات از نظر زیستی تجزیه ناپذیرند برای تجزیه آنها باید از نوع انرژی استفاده کنیم .این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید تامین شده و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرا رمی گیرد . انرژی آزاده شده از واکنش سلول کاتالیزور نوری می تواند موجودات زنده ریز را از میان برده و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه کند . این فرآیند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. ذرات کاتالیزوری یا بصورت همگن در محلول پراکنده می شوند یا به صورت ساختارهای غشایی رسوب داده شده هستندکه تجزیه شیمیایی آلاینده ها را امکان پذیر می کنند .
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تری‌کلرواتیلن (TCE) از آب‌های زیرزمینی استفاده کرده‌اند. تحقیقات مرکز فناوری‌نانوی زیست‌محیطی (CBEN) دانشگاه‌ رایس نشان می‌دهد نانوذرات طلا و پالادیم، کاتالیست‌هایی بسیار مؤثر برای حذف آلودگی‌TCE از آب هستند.

مزیت‌های حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است. با به کارگیری فناوری‌نانو می‌توان تعداد اتم‌های در تماس با مولکول‌های TCEو در نتیجه کارایی این کاتالیست را چندین برابر کاتالیست‌های 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 60 درصد پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان می‌شود. کاتالیست‌های شیمیایی نسبت به کاتالیست‌های زیستی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیت‌های کاتالیست‌های پالادیم برای تجزیه TCE این است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل می‌کند. در حالی که کاتالیست‌های رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیل‌کلراید تبدیل می‌کنند.