اهمیت کاربرد نانو در صنعت آب


اهمیت کاربرد نانو در صنعت آب


آب یکی از ضروری ترین عناصر حیات بر روی زمین است و اگرچه بیش از 70 درصد از سطح کره زمین با آب پوشیده شده است اما کمتر از 3 درصد از آن آب شیرین می باشد. از این مقدار 79 درصد به قله های یخی تعلق دارد، 20 درصد آن آب های زیرزمینی است که به راحتی قابل دسترسی نمی باشد و فقط 1 درصد آن شامل دریاچه ها و رودخانه ها و چاه ها می باشد که به راحتی به دست می آید. در مجموع در هر زمان تنها یک ده هزارم از کل آب های کره زمین به سادگی در دسترس انسان قرار دارد.
در دسترس بودن آب سالم و پاک یکی از مهم ترین مسایل پیش روی بشر می باشد و به تدریج که مقدار مصرف آب بیشتر می شود، مواد آلاینده نیز به طرق مختلف باعث آلوده کردن منابع آبی می گردند و این مساله در آینده بحرانی تر خواهد شد. مجمع عمومی سازمان ملل متحد به منظور افزایش آگاهی و ترغیب، جهت اداره بهتر امور مربوط به آب و حراست بهتر از این منبع حیاتی، سال 2003 را سال بین المللی آب شیرین اعلام نمود. پذیرش حق برخورداری از آب به عنوان یک حق برای بشر ممکن است مهم ترین گام در برطرف کردن دشواری تامین این بنیادی ترین عنصر زندگی مردم باشد.
امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساخت های ضعیف خالص سازی آب، به آب بهداشتی دسترسی ندارند. حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی دسترسی ندارند. روزانه 5000 کودک به علت مبتلا شدن به امراض ناشی از مصرف آب غیربهداشتی می میرند.
تمام تلاش محققین این است که با کمک روش ها و فناوری های جدید بتوانند این مشکلات را کاهش دهند. یکی از این فناوری ها، فناوری نانو است.

کاربردهای فناوری نانو در صنعت آب



فناوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. در نتیجه صنعت آب، به عنوان یکی از پایه های حیات از این مساله مستثنی نیست و در بخش های مختلف آن، شامل ساخت سد ها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب، شیرین سازی آب و غیره، فناوری نانو کاربرد یافته است.
مهم ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت آب عبارتند از:
1- استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلاینده ها
2- رنگ زدایی از آب آشامیدنی
3- نمک زدایی از آب
4- نانو پوشش ها
5- نانو لوله ها جاذب گازهای سمی
6- نانو پلیمرهای متخلخل
7- استفاده از نانو ذرات در تصفیه پساب ها
8- نانوفیلترها
9- حذف آرسنیک موجود در آب با استفاده از فناوری نانو
بررسی فعالیت های پژوهشی در سطح دنیا نشان می دهد که تصفیه آب یکی از مهم ترین زمینه های کاربرد فناوری نانو در صنعت آب است و با بهره گیری از آن، هزینه های تصفیه آب به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت. استفاده از فیلتر های نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم های موجود و کاربرد نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع و کامل آلودگی آب از مهم ترین موارد کاربرد نانو فناوری در صنعت آب و فاضلاب است. فناوری نانو با روش های زیر می تواند در تهیه آب تمیز کمک کند:
1- غشاهای فیلتراسیون نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب
2- روش های سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آب های زیرزمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی
3- نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتوکاتالیستی و شیمیایی
4- نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب

نانوفیلتراسیون


روش نانوفیلترسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. فیلترهای فیزیکی با منافذی در حد نانومتر می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحدهای کوچک پروتئینی را به صورت کامل و صد در صد غربال کنند؛ همچنین با استفاده از جدا کننده های الکتریکی که به وسیله صفحات ابرخازن یون ها را جذب می کنند، می توان نمک و مواد سنگین را نیز از آب جدا کرد. در نانوفیلتراسیون جداسازی بر اساس اندازه مولکول صورت می گیرد و فرآیندی فشاری است. اساسا این روش جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده کننده های میکرونی و یونی های چند ظرفیتی می باشد. از دیگر کاربردهای نانوفیلترسیون می توان به حذف موادشیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آب های مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کننده و حذف نیترات ها اشاره کرد. نانو فیلترسیون می تواند تقریبا از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری های موجود در آب را حذف کند. در ضمن امکان استفاده آسان از روش های تصفیه را انجام می دهد. با استفاده از نانوفیلترها، مواد معدنی موردنیاز برای سلامت انسان در آب باقی می ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می شود.
دانشمندان و محققان به روش ساده ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانو لوله های کربنی دست یافته اند که علاوه بر حذف موثر آلاینده ها در مقیاس نانو و میکرو از منابع آب می تواند هیدروکربن های سنگین را نیز از نفت خام جدا کند. استفاده از نانولوله های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در پاکسازی، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما شود. این فیلترها از دقت بسیار زیادی برخوردارند و می توانند ویروس هایی به اندازه 25 نانومتر را به خوبی عوامل بیماری زای بزرگ تر مانند باکتری ای-کولای از آب حذف کنند. کاهش هزینه ها و همچنین کنترل مقدار آلاینده ها در آب تصفیه شده از دیگر مزایای کاربرد این روش به شمار می آید.

نانوحسگرها


اگرچه حسگرهای مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت های کم را آشکار می نمایند. نانو حسگرها شامل نانوحسگرهای زیستی و نانوحسگرهای شیمیایی می باشند. نانوحسگرهای زیستی در تصفیه آب و محیط زیست کاربرد دارند و می توانند انواع عوامل بیماری را شامل مقادیر بسیار اندک میکروب ها و سموم حاصل از آنها را در حد ppb شناسایی کنند. نانوحسگرهای شیمیایی در تصفیه آب و پساب های صنعتی کاربرد دارند و می توانند انواع ترکیبات شیمیایی و یون ها را شامل مقادیر بسیار کم انواع آلوده کننده های موجود در آب به طور پیوسته و با سرعت زیاد در حد ppb و همچنین مقادیر خیلی کم یون های سنگین مانند سرب و آرسنیک (تغییر رنگ) را شناسایی کنند.

شیرین کننده هایی از جنس غشای نانومتری


محققان توانسته اند غشاهایی از نانو لوله های کربنی بسازند که به کمک آن جداسازی گاز و مایع با کمترین هزینه امکان پذیر خواهد شد. امروزه بیشتر غشاها از مواد پلیمری ساخته می شوند که در دمای بالا مشکلاتی را به وجود می آورند. در این نوع غشاها نمی توان توازن مناسبی را میان ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار کرد. استفاده از نانو لوله های کربنی امکان انتخاب پذیری مناسب در ورودی های بالا را فراهم می کند. غشاهای جدید با حفره های کوچک تر و متراکم تر و همچنین امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره، از نظر گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای دیگر بسیار موثرتر هستند و کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند. از روش جداسازی غشایی، در شیرین سازی آب استفاده می شود. در این روش آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشای دارای حفرات ریز موسوم به نانو حفره می ریزند. این حفره ها آنقدر کوچک هستند که فقط بخار می تواند از آنها عبور کند و آب، مایع، نمک ها و مواد معدنی دیگر در پشت غشا باقی می مانند. در طرف دیگر غشا محفظه هایی از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن دوباره به مایع تبدیل می شود.

تصفیه آب به کمک نانوذرات


نانوذرات لانتانیوم، فسفات را از محیط های آبی جذب می کند. کاربرد این نانوذرات در حوضچه ها و استخرهای شنا می تواند به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد جلبک ها جلوگیری کند. نانو پودرها نیز می توانند 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 کسورهای در حال توسعه که بیش از 10 تا 20 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 به شدت 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 نانوبلورهای مغناطیسی 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 به راحتی این ذرات مغناطیسی را به کمک روش های جداسازی مغناطیسی از آب جدا کرد. در حقیقت نانوذرات در جذب ارسنیک همانند توده آهنی عمل می کنند. در واقع نه تنها ظرفیت جذب ارسنیک در نانوذرات بالاتر است بلکه به محض قرار گرفتن ارسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن از این ذرات به سختی انجام خواهد شد. با توجه به نتایج به دست آمده از بررسی ها و تحقیقات انجام شده در این زمینه می توان گفت نانوذرات مغناطیسی، جاذب های بسیار خوبی برای آلاینده ارسنیک به ویژه در آب های اسیدی هستند و خاصیت جذبی غیرقابل بازگشت این ذراتف مخزن مناسبی برای جمع آوری آلاینده ها فراهم می کند.

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 و صنایع دیگر می تواند 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. موجودات زنده ریز به طور طبیعی ترکیبات ارگانیک بزرگ را به ذرات کوچک تری تبدیل می کنند؛ اما از آنجایی که این ترکیبات از نظر زیستی تجزیه ناپذیرند، برای تجزیه آنها باید از نوعی انرژی استفاده کنیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید تامین شده و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد. انرژی آزاد شده از واکنش سلول کاتالیزور نوری می تواند موجودات زنده ریز را از میان برده و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه کند. این فرایند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزور های نوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. ذرات کاتالیزوری یا به صورت همگن در محلول پراکنده می شوند، یا به صورت ساختارهای غشایی رسوب داده شده هستند که تجزیه شیمیایی آلاینده ها را امکان پذیر می کنند. با توجه به کاربردها و قابلیت های فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب بسیاری از شرکت ها از این فناوری در تصفیه آب و فاضلاب استفاده می کنند و به همین دلیل امروزه استفاده از محصولات و تولیدات بر پایه فناوری نانو افزایش یافته است. این محصولات اغلب شامل نانوفیلترها و انواع حسگرهایی است که به منظور تشخیص مواد و ذرات موجود در آب مورد استفاده قرار می گیرند.

تصفیه پساب های صنعتی


پساب های صنعتی شوینده، حاوی اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است که باید در فرآیند های تصفیه از آب جدا شوند. یکی از دیگر موادی که در پساب های صنعتی یافت می شود مواد نامحلول روغنی است. حضور این مواد فرآیند تصفیه آب را با مشکل مواجه می کند. یکی از روش های اقتصادی برای تصفیه این مواد، استفاده از سیستم های ترکیبی حاوی میکروفیلترها و نانوفیلترهاست. در این سیستم برای حذف ذرات معلق مانند روغن ها و گریس ها از میکروفیلترها و برای حذف پاک کننده ها از نانوفیلترها استفاده می شود.

جیوه زدایی


محققان آزمایشگاه ملی Pacific Northwest آمریکا، از سرامیک های نانو حفره ای که با تک لایه های تیول (SH)، عامل دار شده بودند، برای جیوه زدایی از آب استفاده کردند. تک لایه های خود سامان تیول بر روی سیلیکای میان حفره ای (Thiol-SAMMS) می توانند کاربردهایی در تصفیه فاضلاب نیروگاه های زغال سنگی داشته باشند. این نیروگاه ها از منابع اصلی آلودگی جیوه به شمار می روند. محققان زیرلایه ای از جنس سیلیکای میان حفره ای را با میانگین اندازه حفرات 5،6 نانومتر و سطح ویژهg/m2  900 به کار بردند. آنها با افزودن تک لایه ای از تیول های قلیایی به حفرات این سرامیک، آن را فعال ساختند. دسترسی به یک فناوری برای حذف جیوه که علاوه بر انتخاب گری، ظرفیت جذب بالا و سینتیک جذب مناسب ، منجر به تولید پسماندی پایدار گردد، یکی از نیازهای فوری در زمینه تصفیه جیوه است. نه تنها کارایی روش های متعارف حذف جیوه، پایین تر از این روش است؛ بلکه این روش ها منجر به تولید مقادیر زیادی پسماند می شون. ماده جدید علاوه بر پاکسازی فاضلاب نیروگاه های زغال سنگی می تواند در تصفیه پسماندهای رادیواکتیو، تولید باتری و مصارف دندانپزشکی نیز به کار رود.

نتیجه گیری


در آینده ایران جزء کشورهایی خواهد بود که بحران مصرف بالا و کم آبی را به دلیل افزایش جمعیت شهرنشین و ارتقای سطح صنعت و کشاورزی، پیش رو خواهد داشت. جمعیت کشور ما حدود یک درصد جمعیت جهان است ولی سهم ما از کل منابع آب شیرین در دنیا 36 صدم درصد است. کشور ما 66 درصد آب مصرف می شود. بیش از 50 درصد ذخایر آب شیرین کشور، وابسته به منابع آب های زیرزمینی است که در حقیقت ما باید این منابع زیرزمینی را برای سال های خشکسالی نگهداری می کردیم.
کارشناسان یکی از دلایل این بحران را ایجاد شهرک ها و گسترش بی رویه و برنامه ریزی نشده شهرها می دانند. از سویی ما در اقلیم خشک و کم آب قرار داریم. از سویی هم کره زمین در حال گرم شدن است و پدیده ال نینو به گرم شدن هوا در این نقطه از جهان کمک کرده است.
بنابراین با نگاهی به مشکلات تامین آب در ایران و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می توان از فناوری های نوین در این راه بهره جست. این مهم در سایه انجام نیاز سنجی و مطالعه دقیق اولیه تحقق می یابد. با توجه به اینکه در سالهای اخیر، ایران در حال اوج گیری در زمینه تحقیقات نانو است، عقلانی به نظر می رسد که در سمت و سو دهی برنامه های کلان آب در کشور از فناوری نانو به عنوان یک پشتیبان قوی استفاده گردد.

برگرفته از ماهنامه عمران آب

برچسپ: