مقاله تصفیه آب و پساب های صنعتی به کمک فناوری نانو تکنولوژی

بخشی از مقاله

چکیده

در حال حاضر از غشاهای نیمه تراوا که حاوی حفرات نانومقیاس هستند، در بسیاری از کاربردهای مربوط به تصفیه آب استفاده می شود. به طور کلی غشاها ورقه های باریک یا فیلم های سطحی طبیعی یا سنتزی هستند که حاوی حفراتی در خود هستند؛ مولکول های کوچک می توانند از این حفرات عبور کنند، اما مولکول های بزرگ در یک سمت غشا نگه داشته می شوند. غشاهای ساخته شده از مواد مختلف - عمدتا پلیمرهای سنتزی - می توانند ذرات را تا محدوده اندازه های مولکولی یا یونی فیلتر کنند.

مواد شیمیایی جدا شده از بین نرفته بلکه تغلیظ می شوند. غشاها به این دلیل نیمه تراوا نامیده می شوند که برخی از ذرات می توانند از آن ها عبور کنند، در حالی که ذرات دیگر این امکان را ندارند. به طور معمول یون های کوچک، آب، حلال ها، گازها و مولکول های بسیار کوچک دیگر می توانند از غشاها ردشوند، در حالی که یون های دیگر و ماکرو مولکول هایی همچون پروتئین ها و کلوئیدها نگه داشته می شوند.

در این مقاله عناصر غشایی نانو فیلتراسیونی را شرح داده و دسته بندی کرده و تاثیری که این عناصر غشایی بر پساب و تصفیه آب می گذارند را مورد بررسی قرار داده ایم.

.1 مقدمه

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. شده افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می شود سبب است تا تأمین آب بهداشتی و قابل شرب به یکی از دغدغه های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود. امراض ناشی از آلودگی های آب هر روزه هزاران و شاید ده ها هزار نفر را می کشد.

توانایی بازیافت آب، امکان دسترسی به منابع مناسب برای مصارف گوناگون را ایجاد می کند . فیلتر نمودن آب با فیلتر های نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت و استفاده مجدد از آب کند های صنعتی و کشاورزی ایجاد می کند. فیلتر های فیزیکی با منافذی در حد نانومتر ها می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحد های کوچک پروتئین را صد در صد غربال کنند. 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 کاربردی فناوری نانو در صنعت آب است؛ و با بهرهگیری از آن، هزینه های تصفیه آب به میزان زیادی کاهش خواهد یافت.

2نانو ساختارها

نانو مواد بهعنوان موادی تعریف میشوند که حاوی قطعات ساختاری با حداقل یک بعد زیر 100 نانومتری هستند. ساختارهای اصلی نانو عبارتند از نانو ذرات یا نانوبلورها، نانو لایهها و نانولولهها. چگونگی تشکیل این نانو ساختارها و نحوه آرایش اتمی و مولکولی آنها با یکدیگر فرق دارد. نانو ساختارها بهطورمعمول با بهرهگیری از پیوندهای هیدروژنی، نیروهای دوقطبی، برهمکنشهای آبدوستی یا آبگریزی، نیروی جاذبه و نیروهای دیگر خودآرایی کرده و به شکل لایههای بسیار منظم درمیآیند. ازنظر ابعادی نانو ساختارها را میتوان به دستههای زیر طبقهبندی کرد:

·    صفر بعدی : نانو ذرات کروی

·    یکبعدی : نانو میلهها نانوسیمها و نانولولهها

·    دوبعدی : نانو فلسها، نانو دیسکها و نانو فیلمها

·    سهبعدی : مواد نانوساختار تودهای که از دانهها یا ذرات حفرهای نانومقیاس تشکیلشدهاند.

.3فناوری نانو وآب

فناوری نانو در سه حوزه مرتبط با آب نویدبخش است:

. حسگری و تشخیص

. تصفیه و رفع آلودگی

. جلوگیری از ایجاد آلودگی جدول1، کاربردهای بالقوه فناوری نانو در تصفیه آب را نشان میدهد.

کاربردهای بالقوه فناوری نانو در تصفیه آب تولید آب تمیز، سالم و عاری از آلایندههایی که با روشهای معمول تصفیه نمیتوانند از آب جدا شوند

. تولید آب تمیز و سالم با هزینه کمتر افزایش امکان بهرهگیری از آبهای غیر قابلاستفاده از طریق نمکزدایی و بازیافت

. حفظ اجزای مغذی ضروری در آب تصفیه فاضلاب و رفع آلودگی آبهای زیرزمینی آلوده

. ارائه روشی قابلاجرا و مقرونبهصرفه برای نمکزدایی از آب دریا و آبهای لبشور خالصسازی آب فرایندی تصفیه آب مناطق مسکونی

جدول1، کاربردهای بالقوه فناوری نانو در تصفیه آب - BCC search -

اصلیترین کاری که این فناوری جدید میتواند در زمینه تصفیه و رفع آلودگی آبهای آلوده انجام دهد، حل چالشهای فنی مرتبط با آلایندههای آب - باکتریها، ویروسها، آرسنیک، جیوه، حشرهکشها و نمک - است.

.4مزایای استفاده از فناوری نانو

در تصفیه آب بسیاری از محققان بر این باورند که فناوری نانو روشهای مؤثرتر، کاراتر، قویتر و مقرونبهصرفه تری برای تصفیه آب ارائه خواهد کرد. طرفداران این نظر معتقدند که استفاده از نانو مواد امکان اجرای فرایندهای ساخت و تولید با آلودگی کمتر نسبت به روشهای معمول را فراهم آورده و نیاز کمتری به کار، سرمایه، زمین و انرژی خواهد داشت.

به عنوان مثال فناوریهای نانو میتوانند نیاز صنایع مختلف به مقادیر انبوه آب فرایندی را کاهش داده و بهرهوری بخشهای مختلف، از ساخت و تولید گرفته تا معدن کاری را افزایش دهند. همچنین انتظار میرود محصولات تصفیه آب توانمند شده با فناوری نانو بتوانند راهحل مناسبی برای حوادث بزرگ آلودگی آب و پاکسازی نقاط بسیار آلوده موجود ارائه دهند .بهعلاوه، این فناوری نوظهور میتواند ابزاری برای کشورهای درحالتوسعه باشد تا از فناوریهای ناپایدار قدیمی به روشهای بهتر رویآورند.

.5کاربرد نانو ذرات در حذف کاتالیستی آلایندهها

کاتالیست به مادهای اطلاق میگردد که توانایی افزایش سرعت واکنش را بدون آنکه خود در واکنش شرکت کند دارد. محققان با بررسی بعضی از نانو کاتالیست ها ازجمله Tio2 - اکسید تیتانیوم - و نانو ذرات آهن موفق به خروج آلایندهها آلی، نمکهای محلول و فلزات سنگین از آبشدهاند .آنچه انتظارمیرود این است که این کاتالیست ها قادر به تصفیه آبهایشدیداً آلوده و یا سرشارازنمک بوده و میتوانند حداقل آب بهداشتی و مناسب برای شستشو را فراهم کنند.کاربرد اصلی تصفیه آبهای آلوده توسط فناوری نانو کاتالیست ها مربوط به زمانی است که دیگر روشهای تصفیه مفید واقع نمیشوند و یا اقتصادی نیستند.

دانشمندان در تلاش هستند تا کاتالیستی از ذرات آهن در ابعاد نانو بسازند که قادر به حذف آرسنیک از آبهای زیرزمینی باشد، بهعنوانمثال مادهای با روزنههای بسیار زیاد از نانو فیبرهای Mno2 به همراه هیدروکسید آهن دانهبندی ساختهشده که توانایی حذف آرسنیک رادارد. محققان چینی نانو کاتالیست های نوری با خاصیت اکسیدکنندگی طراحی کردهاند که قادر به حذف باکتریها و آلایندههای آب میباشد.

در این تکنولوژی از فیلترها که توسط ذرات نانوی Tio2پوشش دادهشدهاند استفاده گردیده که این ذرات با شروع یک واکنش شیمیایی مواد مضر و خطرناک را به مواد کمخطر و بیخطر شکسته و یا آنها را طی یک فرایند شیمیایی- نوری به CO2 و آب تبدیل میکنند. تحقیقات دیگری که توسط دانشمندان آمریکایی انجام پذیرفته نتایج مثبتی در جهت حذف آلایندههای اکسیدکننده - ازجمله نیتراتها - به ارمغان آورده است.

نکته قابلتوجه این است که حذف نیتراتها از آب به دلیل حلالیت بسیار بالای آنها و توانایی کم انعقاد و تهنشینی بهسادگی امکانپذیر نیست و معمولا باید از رزینهای تعویض یونی برای این منظور استفاده کرد. در تحقیقاتی دیگر این دانشمندان توانستهاند به کاتالیستی دست یابند که توانایی حذف آلودگیهای آروماتیکی و بخش عظیمی از مواد شیمیایی - از قبیل کودها - را از آبهای زیرزمینی دارد.

.6فناوری نانو تیوبهای کربنی

نانو تیوبهای کربنی - شکل - 1، ساختارهای حلقوی توخالی متشکل از اتمهای کربن هستند که میتوانند به شکل یک یا چند دیواره آرایش یابند و دارای خواص فلزی یا شبه رسانایی نیز باشند. ازآنجاکه نانو تیوبها مولکولهای غیر قطبی کربن خالص میباشند، با حل شدن در بعضی حلالهای آلی میتوانند بهراحتی توسط گروههای عملکردی متفاوت جهت جفت کردن واکنش و حلالیت آلاینده مشخص، تغییر حالت پیدا کنند و درنتیجه عمل ردیابی آلودگی را امکانپذیر سازند.

نانو تیوبهای کربنی میتوانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی از آلودگیها بهطور یکنواخت همراستا شوند. تخلخلهای نانومتری نانو تیوبها این فیلترها را از دیگر فناوریهای فیلتراسیون بسیار انتخاب پذیر تر نموده است. همچنین نانو تیوبهای کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند.

اگرچه چندین روش برای سنتز نانو تیوبهای کربنی استفادهشده است، غشاهای نانو تیوبی میتوانند بهوسیله پوشش دهی یک ویفر سیلیکونی با نانو ذرات فلزی بهعنوان کاتالیست، که موجب رشد عمودی و فشردگی بسیار زیاد نانو تیوبهای کربنی میشود، سنتز شوند و پسازآن برای افزایش پایداری، فضای بین نانو تیوبهای کربنی را با مواد سرامیکی پر نمود. گرچه غشاهای نانولولههای کربنی نمونههای امیدبخشی برای تصفیه ناخالصیهای کوچک و مواد آلی مانند DNA و پروتئینها از آب بهحساب میآیند، ولی آبگریز هستند؛ یعنی آب را بهشدت دفع میکنند.