بخشی از مقاله
چکیده
نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری کاربردی از همگرایی علوم فیزیک، شیمی و زیست شناسی به وجود آمده است این فناوری توانایی کار در سطح اتم و ایجاد ساختارهایی که نظم مولکولیکاملاً جدیدی دارند را فراهم می آورد.
فناوری نانو، امروزه به دلیل گستردگی حوزه های کاربرد ی، و تاثیرگذاری مستقیم بر اغلب صنایع و علوم، یک فناوری اولویت دار و استراتژیک برای تمامی کشورها محسوب می شود. به همین دلیل، این تکنولوژی در سالهای اخیر گسترشی فوق العاده در بسیاری از زمینه ها داشته است.
نانو تکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه می توان گفت رویکرد جدیدی در تمام رشته هاست. بدین منظور فعالیت های علمی پژوهشی در عرصه مهندسی شیمی و بهداشت محیط؛ با طرح این دانش ها و به انجام رساندن این فن آوری ها، بویژه در مقیاس های مادون ریز نانومتری، بدون شک در آینده ای نزدیک سهم ارزنده ای در حذف آلاینده های زیست محیطی بالاخص آلاینده های آب را ایفا خواهند کرد.
در این تحقیق؛ توانایی نانو ذرات رس با مش های مختلف برای یافتن راندمان و همچنین تناسب تعیین نوع و اندازه مناسب نانو ذرات و آلاینده ها، مورد آزمایش قرار گرفته شد. کاهش کدورت و رنگ توسط نانوذرات رس، با توجه به ابعاد ذرات؛ با سرعت های متفاوت صورت می گیرد. معرفی نانورس به عنوان روشی با کمترین هزینه و سریعترین زمان و بهترین بازدهی- ابداع روشی آسان و سریع، کم هزینه جهت تصفیه پساب ها و فاضلاب ها - استفاده از نانورس به عنوان لخته ساز برای تصفیه پساب های صنعتی، از نتایج این پژوهش می باشد. همچنین مشخص شد که هر چه میزان نانو رس زیاد شود، میزان حذف کدورت یا تیرگی بیشتر می شود.
- 1 مقدمه
انجمن ملی نوبنیاد نانوتکنولوژی که یک نهاد دولتی در کشور امریکا می باشد، واژه نانوتکنولوژی را چنین توصیف می کند: "تحقیق و توسعه هدفمند، برای درک و دستکاری و اندازه گیری های مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم" ، مولکول و سوپرمولکول ها را نانوتکنولوژی می گویند. این مفهوم با واحدهایی از یک تا صد نانومتر، همبستگی دارد. دراین مقیاس خصوصیات فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی مواد تفاوت اساسی با یکدیگر دارند و غالباً اعمال غیر قابل انتظار از آنها مشاهده می شود.
فناوری نانو با کار کردن در محدوده اتم ها و توانایی تغییر در آرایش و چیدمان آنها توانسته است تحولی شگرف در علوم مختلف پدید آورد و راندمان و کارایی سیستم ها را با استفاده کمتر از مواد خام و تولید با کیفیت بالاتر به نحو مطلوبی افزایش دهد. همچنین، نانوتکنولوژی با ماهیت فرا رشته ای خود، مرز های علوم مختلف را در هم شکسته و باعث ایجاد زمینه ای شده است که بتوان از نتایج، امکانات و ابزار تمامی رشته ها و علوم مختلف در جهت افزایش کیفیت زندگی استفاده نمود.
برخی از کاربردهای فناوری نانو تکنولوژی در صنایع مختلف به صورت زیر می باشد:
صفحات خورشیدی و کیهانی - ترکیبات پیچیده - پوشش سطوح - ابزار برشکاری بسیار سخت - رنگ ها و محلول ها - سلول های سوختی- نمایشگرها - باطری ها - مواد افزودنی سوخت ها - مواد مغناطیسی - وسایل پزشکی - سرامیک های ماشین آلات - لباس های جنگی - در علوم کشاورزی، صنایع غذایی - و تصفیه آب و محیط زیست.
مطالعه و بررسی بر روی تاثیرگذاری مواد نانو بر مواد آلوده کننده خاک و آب های زیرزمینی و خنثی کردن تاثیرات مخرب آنها، نمونه ای از پژوهش های میان مدت است.
فناوری نانو باعث صرفه جویی در مصرف انرژی برای تصفیه آب در سیستم های تقطیر می شود.
به بیان و فهم اندک ما، دنیای فناوری نانو؛ مجموعه تکنیک هایی است که ساخت، مشاهده و اندازه گیری اشیاء، ساختارها و سیستم های نانو مقیاس را ممکن می سازد، و به بیان برنامه پیشگام ملی آمریکا فناوری نانو عبارتست از:
➢ توسعه علمی و تحقیقاتی در سطوح اتمی، مولکولی یا ماکرومولکولی، در محدوده اندازه های طولی از 1 تا 100 نانومتر.
➢ ساخت و کاربرد ساختارها، تجهیزات و سیستم هایی که به علت ابعاد کوچک و یا متوسط خود دارای ویژگی ها و کارکردهای نوین و منحصر به فردی هستند
- 2 بیان مسئله:
چگونه می توان یکی از عمده ترین مشکلات محیط زیست در قرن حاضر از جمله فاضلاب ها و پساب های صنعتی را به وسیله یک ماده طبیعی یا معدنی تصفیه و بازیافت کرد.
1 - 2 اهمیت کاربرد فناوری های نانو در صنعت آب:
فناوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. بالطبع صنعت آب نیز بعنوان یکی از پایههای اساسی حیات از این مسئله مستثنی نبوده و امروزه شاهدیم که در بخش های مختلف آن، از جمله ؛ ساخت سدها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب ها، شیرین سازی آب و ... ، کاربرد یافته است .
امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساخت های ضعیف خالص سازی آب؛ به آبی بهداشتی دسترسی ندارند. بر طبق آمارهای موجود و به نقل از سازمان جهانی بهداشت ؛ حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی سالم و بهداشتی دسترسی نداشته و این میزان چیزی حدود یک ششم جمعیت کره زمین را در بر می گیرد. طی اعداد و ارقام موجود دیگر، روزانه 5000 کودک به علت مبتلا شدن به امراض ناشی از مصرف آب غیر بهداشتی میمیرند. امروزه تمام دغدغه و تلاش محققین و دانشمندان این عرصه آن است که با کمک روشها و فناوری های جدید این مشکلات را کاهش دهند. که یکی از فناوری های مورد نظر، فناوری نوظهور نانو است.
آنچه در این مبحث، بیش از پیش دنبال آن هستیم، ایجاد بستری مناسب، برای دستیابی به آبی سالم، با کیفیت و مقرون به صرفه است. به یمن استفاده از شیوه های جدید مخصوصاً نانوتکنولوژی در تصفیه آب، شرایط ذکر شده برای ما میسر گردیده است، بطوریکه با توجه به حذف موثر آلاینده ها و کاهش هزینه های تمام شده تولید آب سالم، استفاده از این فناوری ها، نسبت به روشهای قدیمی بیشتر مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. البته از آنجا که هیچ یک از تکنولوژی های موجود را نمیتوان بطور مطلق پاک و ایمن دانست، در کنار اهداف تولید باید به جنبه های زیست محیطی، و پتانسیل های بالقوه آسیب رسان آنها نیز توجه شود.
کمبود آب چه از نظر کمی و چه از نظر کیفی در برخی از کشورها و بویژه در کشور ما، مردم را در معرض تهدیدی جدی قرار داده است، از این رو علم و تکنولوژی دست به دست هم داده اند، تا با توسعه روش ها این مشکلات را از پیش رو بردارند.
مراحل تصفیه در روش سنتی :
پیش تصفیه - منعقد شدن ذرات
- فلوکولاسیون و رسوبگذاری-گندزدایی
- هوادهی
- صافی کردن
برخی از معایب شیوه سنتی در تصفیه آب:
- هر کدام از این فرایندهای مذکور به تنهایی قادر به از بین بردن تمامی آلاینده ها نیستند.
- اینروش ها اساساً بر مبنای نصب تاسیسات فرایندی - مثل حوضچه های ته نشینی، صافی ها و... - و استفاده از چندین فرایند متوالی بوده، بنابراین امکان حمل و نقل سیستم هایی که از این شیوه استفاده می کنند، سخت و مشکل است، - مشکلاتی از قبیل شکنندگی تجهیزاتی چون فیلترهای سرامیکی، نشست زمین در اثر نیروی وزن سیستم های تصفیه خانه ها و... -
- کاهش بازدهی برخی از فرایندها با افزایش دبی شاره ها - مثل فیلترهای کربن فعال که با افزایش دبی، سریعتر اشباع شده و این خود باعث وارد شدن برخی آلاینده ها، به درون آب تصفیه شده می گردد -
- برخی از این فرآیندها حساسیت زیادی نسبت به شرایط فیزیکی و شیمیایی آب از خود نشان می دهند. بدین معنی که با تغییرات pH، قلیائیت، دما و مقدار ناخالصی های مختلف در آب بازدهی فرآیندها تغییر پیدا میکند. - مثلاً در گندزدایی؛ کاهش دما و افزایش تیرگی، تاثیر منفی، در از بین بردن میکروب ها خواهد داشت. -
- هزینه بهره برداری از این سیستم ها نسبت به روش های غشایی - استفاده از نانو فیلترها - بیشتر است. - با استفاده از مواد شیمیایی در فرآیندهایی مثل؛ منعقدسازی و گندزدایی هزینه های نگه داری سیستم بالاتر می رود. -
- بعلت استفاده از مواد شیمیایی در برخی فرآیندها - مثل افزودن کلر در عملیات گندزدایی - آب حاصل برای شرب مطبوع نیست.
برخی دیگر از کابردهای فناوری نانو درعرصه صنعت آب:
فناوری نانو با تکنیک های زیر میتواند در تهیه آب تمیز، بهداشتی و قابل شرب کمک کند؛
الف - حذف آرسنیک
ب - حذف ذرات - در این روش چهار نوع مختلف غشا قابل ذکر است: میکرو فیلترها، اولترافیلترها، نانوفیلترها، فیلترهای اسمز معکوس -
پ - حذف نیترات
ت - حذف فلزات سنگین و مواد آلی
ث - حذف رنگ
دیگر ساختارها و کاربردهای نانو تکنولوژی در تصفیه آب:
با گسترش فناوری نانو، نانو مواد، نانو کاتالیست ها و نانو ذرات جدیدی گسترش یافته اند که در تصفیه آب دارای بازدهی بالاتری بوده و می توانند به طور موثرتری مواد آلاینده را از آب حذف کنند. بسیاری از اینتکنولوِژی ها همچنان بعلت نو ظهور بودن در مراحل تحقیقاتی بوده و به نظر می رسد، با تکمیل اطلاعات مورد نیاز امکان استفاده از آنها در آینده میسر خواهد شد.
2 - 2 برخی کاربردهای نانو تکنولوژی در :HSE
هوای پاک با فن آوری نانو - غبارهای هوشمند - نانوحسگرهای گازی - نانوپوششها - سنسورها یا حسگرها - در صنعت خودرو - کاتالیست های زیست محیطی - مبدل های کاتالیستی - شیشه های نوین با توانایی بازتاب پرتو فرو سرخ - در صنعت آب و تصفیه آن - نانو لوله های جاذب گاز های سمی- غشای نانو فیلتراسیون - توده نانو پلیمرهای متخلخل - نانو پودرها
اکنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم، دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی به طور جدی به پژوهش های تکنولوژی مادون ریز - نانو تکنولوژ ی - مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسل های آینده تحویل دهیم و در تشکلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم. باشد هرچه زودتر به خود آئیم و عمق شکوهمند و معجزه آسای اندیشه بشر را دریابیم و از قافله علم عقب نمانیم.
امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساخت های ضعیف خالص سازیآّب و مصارف سنگین صنعتی آب و تولید پساب های فراوان و آلوده سازی منابع آب، به آب بهداشتی و سالم دسترسی ندارند.
تمام تلاش محققین این است که با کمک روش ها و فناوری های جدید، بتوانند این مشکلات را کاهش دهند که یکی از این فناوری ها، فناوری نانو است
3 - 2 نانو فیلتراسیون:
روش نانو فیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است.
در نانو فیلتراسیون جداسازی بر اساس اندازه مولکول صورت می گیرد و فرآیندی فشاریاست. اساساً این روش جهت حذف اجزای آلی؛ نظیر آلوده کننده های میکروبی و یون های چند ظرفیتی می باشد. از دیگر کاربردهای نانو فیلتراسیون می توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آب های مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کننده ها و حذف نیترات ها اشاره کرد.
نانو فیلتراسیون می تواند تقرباًی 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 برای عموم فراهم می کند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می دهد.
غشاهای مورد استفاده در فرایند نانو فیلتراسیونمعمولاً مولکول های بزرگ را دفع می کنند و در مقایسه با فرایند اسمز معکوس، قادرند با صرف انرژی کمتر، آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند.
4 - 2 اهمیت کاربرد فن آوری نانو در صنعت پساب و تامین آب برای مصارف صنعتی، کشاورزی و شرب:
فن آوری 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 جدا نمی باشد و در بخشهای گوناگون آن، استفاده از فن آوریهای نوین به خصوص فن آوری نانو در راستای کاهش اثرات سوء آلودگی های زیست محیطی، به عنوان یکی از راهکارهای مدیریتی مطرح می باشد. یکی از مواردی که این فنآوری کاربرد خود را نمایان می سازد در ارتباط با منابع آب می باشد که در نظر گرفتن چالش های پیش رو ضرورت استفاده از آن را پر رنگ تر نموده است.
فقدان دسترسی به آب تمیز و بهداشتی در کشورهای در حال توسعه، اولویت توسعه فن آوری نانو را مطرح می کند. هواداران فنآوری نانو اظهار می دارند که مواد با پایه فن آوری نانو می توانند به فن آوریهای تصفیه آب ارزان قیمت تر، بادوام تر و مؤثرتری منجر شوند که نیازهای کشورهای در حال توسعه را برآورده می سازند.
تمام تلاش پژوهشگران این است که با کمک روشها و فن آوری های جدید بتوانند این مشکل ها را کاهش دهند. یکی از این فن آوری ها، فن آوری نانو است.
در آینده ایران جزء کشورهایی خواهد بود که بحران مصرف بالا و کم آبی را به دلیل افزایش جمعیت شهر نشین و خشکسالی سال های گذشته خواهد داشت و یافتن روش های نوین تصفیه آب و فاضلاب را - به عنوان یکی از اقدامات مناسب برای مقابله با این معضلات - ، می بایست از اولویت های علمی و تحقیقاتی در کشور دانست.
استخراج بی رویه از آبهای زیرزمینی و سفره های آبدار زیر زمین در شرایط کنونی یک موقعیت بحرانی دارد. در حال حاضر از 612 دشت کشور، 150 دشت جزو مناطق ممنوعه و بحرانی است.
با قبول این وضعیت، بخش بزرگی از مزارع در محدوده کویر قرار می گیرد و مشخص می شود که خشکسالی یک واقعیت طبیعی و اقلیمی در کشور است.
جمعیت کشور ما حدود یک درصد جمعیت جهان است ولی سهم ما از کل منابع آب شیرین در دنیا 36 صدم درصد است. کشورهای دیگر دنیا از 45 درصد منابع آب مطلوب خود استفاده می کنند. در کشور ما 66 درصد آب مصرف می شود. بیش از 50 درصد ذخایر آب شیرین کشور، وابسته به منابع آبهای زیرزمینی است که درحقیقت 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 درحال گرم شدن است و پدیده ال نینو به گرم شدن هوا در این نقطه از جهان کمک کرده است. بنابراین با نگاهی به مشکلات تأمین آب در ایران و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می توان از فن آوریهای نوین در این راه بهره جست
این مهم در سایه انجام نیاز سنجی و مطالعه دقیق اولیه تحقق مییابد. با توجه به اینکه در سالهای اخیر، ایران در حال اوجگیری در زمینه پژوهش های نانو است، عقلانی به نظر می رسد که در سمت و سوی برنامه های کلان آب در کشور از فن آوری نانو به عنوان یک پشتیبان قوی استفاده گردد. آنچه از توانمندی های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می توان از این روش ها برای حفظ محیط زیست در آینده ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت رسید. و با به کارگیری این فن آوری از روش های دیگر و استفاده از سایر مواد، به یافته های بهتری برای رفع معضلات پیش گفت رسید.
نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری قدرتمند نوین، توانایی ایجاد انقلاب و تحولات عظیم را در سیستم تامین مواد غذایی، کشاورزی و صنعت و در گستره جهانی دارد.
