بخشی از مقاله
چکیده
فناوری نانو علم استفاده از تغییر در ویژگی های مواد در محدوده ابعاد نانو است و بر تمام فناوری هایی که انسان تاکنون به دست آورده تأثیر می گذارد. در این میان مباحث مرتبط با علوم آبیاری و زهکشی نیز مستثنی نبوده و تحت تأثیر این فناوری نوین قرار گرفته اند. در این مقاله سعی شده است در نگاهی کلی به ابعاد مختلف علوم مرتبط به مهندسی آب و خاک که متأثر از نانوفناوری هستند پرداخته شود.
کاربرد این فناوری در مباحث آبیاری و زهکشی را میتوان در شش حوزه اصلی تقسیم بندی کرد که عبارتند از مسائل زیست محیطی، تصفیه آب و پساب، سنجش و پایش کیفیت آب و خاک، تأسیسات ذخیره، انتقال و توزیع آب، بهسازی و تثبیت خاک و در نهایت مدیریت حاصلخیزی خاک.
در این مقاله، مطالعات انجام شده در هر یک از این حوزه ها بررسی شده و نانوساختارهای شاخص که کاربرد موفق آن ها در هر حوزه اثبات شده است نیز معرفی شده اند. ولیکن باید توجه داشت که با وجود تمامی مزایای کاربرد نانوفناوری، بررسی سمیت نانوساختارهای مورد استفاده و همچنین مطالعه اثرات کوتاه مدت و دراز مدت زیست محیطی به کارگیری نانوساختارها در تمامی پروژهها به منظور دستیابی به توسعه پایدار ضرورت دارد.
مقدمه
با توجه به افزایش جمعیت شهرنشین و همچنین ارتقای بخش های صنعتی و کشاورزی، در آینده ای نه چندان دور در ایران شاهد بحران مصرف زیاد آب و نیز بحرانی بودن وضعیت منابع آب کشور خواهیم بود. در گزارش سازمان ملل آمده است که بیش از 700 میلیون نفر در سراسر دنیا از کمبود آب رنج میبرند و اگر کاری صورت نگیرد تا سال 2025 این رقم به 3 میلیارد نفر افزایش پیدا خواهد کرد.
تخمین زده میشود که مصرف آب در جهان هر 20 سال دوبرابر خواهد شد. اما میزان تولید آب در مقایسه با این نرخ کافی نخواهد بود. همچنین این واقعیت وجود دارد که حدود % 70 منابع آب دنیا توسط کشاورزی مصرف میشود و این در حالیست که آبیاری ضعیف و مدیریت نامناسب مقادیر زیادی از منابع آب را از بین میبرد. صنایع نیز به نوبه خود آب بسیاری هدر میدهند. جمعیت کشور ما حدود یک درصد جمعیت جهان است ولی سهم ایران از کل منابع آب شیرین در دنیا 0/36درصد است.
بیش از %50 ذخایر آب شیرین کشور، وابسته به منابع آبهای زیرزمینی است که در حقیقت باید این منابع زیرزمینی برای دورههای خشکسالی نگهداری گردند. معیار توسعه پایدار به عنوان راهکار اساسی برای توسعه جوامع در زمینههای مختلف مدنظر تمامی کشورهای پیشرفته قرار گرفته، از این رو استفاده از فناوریهای نوین با راندمان بالاتر، زمان و هزینه کمتر امری ضروری است.
در ایران نیز با توجه به مشکلات تأمین آب و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می توان از فناوریهای نوین در این راه بهره جست. نانوفناوری یکی از برجستهترین و مهمترین دانشهای نوین روز دنیا میباشد که در حال حاضر در اکثر صنایع از جمله صنعت آب مورد بهرهبرداری قرار گرفته و راهکار مشکلات و چالشهای زیادی بوده است. از آنجایی که فراهم نمودن آب تمیز برای سلامت اقتصادی کشورها ضروری است، توسعه فناوری نانو میتواند با امنیت ملی گره بخورد. بازار محصولات نانو ساختار مورد استفاده در صنعت آب در سال 2010 حدود 1/4 میلیارد دلار بوده و تخمین زده شده است که در 5 سال بعدی، نرخ رشد سالیانه %9/7 باشد
بهطور کلی استفاده از فناوری نانو در حوزههای مختلف صنعت آب میتواند منجر به افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی نسبت به سامانههای کنونی، کاهش تجهیزات جانبی، کاهش تولید ضایعات و درنهایت ایجاد سهولت و ارزانی گردد. لیکن با وجود تمامی مزایای کاربرد نانوفناوری، بررسی سمیت نانوساختارهای مورد استفاده و ملاحظات زیستمحیطی در تمامی پروژهها به منظور دستیابی به توسعه پایدار ضرورت دارد. در مقاله حاضر بخش های مرتبط با علوم آبیاری و زهکشی به شش حوزه اصلی تقسیمبندی شده است. در ادامه تحقیقات انجام شده در هر یک از این حوزهها مورد مطالعه قرار گرفته و نانوساختارهای شاخص که کاربرد موفق آنها در هر حوزه اثبات شده است نیز معرفی شدهاند.
تئوری تحقیق
نانوفناوری در گستره وسیعی از علوم مرتبط با آب و خاک، از بهبود کیفیت آب گرفته تا بهبود کیفیت مواد مورد استفاده در ساخت تأسیسات آبی و کنترل حاصلخیزی خاک کاربرد دارد. به منظور مطالعه گسترده نقش نانوفناوری در مباحث آب و خاک به طور کلی شش حوزه اصلی مورد بررسی قرار گرفته و سعی شده است نانوساختارهای کلیدی در هر مبحث اشاره گردند.
کاربرد نانوفناوری در مباحث مرتبط با علوم آبیاری و زهکشی
کاربرد فناوری نانو در مباحث مرتبط با آبیاری و زهکشی را میتوان در شش حوزه اصلی تقسیم بندی کرد: - 1 مسائل زیست محیطی، - 2 تصفیه آب و پساب، - 3 سنجش و پایش کیفیت آب و خاک، - 4 تأسیسات ذخیره، انتقال و توزیع آب، - 5 بهسازی و تثبیت خاک و - 6 مدیریت حاصلخیزی خاک.
.1 مسائل زیست محیطی
امروزه استفاده بیش از حد از کودهای شیمیایی و آفت کشها در زمینهای کشاورزی و همچنین استفاده از آبهایی با کیفیت پایین جهت آبیاری و یا تغذیه منابع آب های زیرزمینی، سبب آلودگی منابع خاک و آب زیرزمینی شده است. از طرفی کاهش سطح منابع آبهای زیرزمینی منجر به افزایش غلظت آلایندهها در منابع خاک شده است. مصرف کود شیمیایی در ایران از سال 1325 با وارد کردن 11 تن از انواع کودهای شیمیایی آغاز شد. کشاورزی ایران در طی 4 دهه گذشته برای افزایش و پیوستگی تولید محصولات کشاورزی نیاز روز افزونی به کودهای شیمیایی داشته است
به عنوان مثال در سال 1385 بیش از 2 هزار میلیارد ریال برای کودهای شیمیایی هزینه شده و دولت نیز حدود 600 میلیارد ریال یارانه برای آن ها پرداخت کرده است که تا سال 1391 این میزان به 8 برابر افزایش یافته است . - IPA, 2012 - اما در عمل به علت بیتوجهی به محدودیتهای زمین، آب و اقلیم، علیرغم استفاده از کودها، سموم و مواد اصلاحکننده، افزایش عملکرد کمی و کیفی مورد انتظار حاصل نشد و در نتیجه تعادل عناصر غذایی در خاک به هم خورده و مسائل عدیده زیست محیطی پدید آمد.
بیشتر روشهای قدیمی جهت رفع آلودگی خاک و آب زیرزمینی از کارآیی پایینی برخوردار بوده و هزینه اجرایی بالایی نیاز دارند. با بهرهگیری از نانوفناوری و کاربرد برخی کاتالیزورها و نانوجاذب ها مانند نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی میتوان بسیاری از آلایندههای خاک و آبهای زیرزمینی را در گستره وسیعی کاهش داد. نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم شکستگی ترکیبات آلایندهها شده و آنها را به ترکیباتی با درجه سمیت و تحرک کمتر تبدیل میکند. اولین بار در سال 1990، ذرات آهن در ابعاد میکرومتری به عنوان یک عامل تصفیه در موانع فعال نفوذپذیر 1 - PRB - برای تصفیه در محل آب زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفتند.
بیش از 100 پروژه PRB از سال 1990 تاکنون در آمریکا اجرا شده و در اروپا و آسیا نیز پروژههایی در حال اجرا یا طراحی است. امروزه اثبات شده است استفاده از ذرات آهن در مقیاس نانو به دلیل داشتن سطوح خارجی بالاتر، واکنشپذیری بیشتر، هزینه کمتر و کارآیی بالاتر نسبت به روشهای دیگر حذف آلایندهها دارای ارجحیت میباشد . ترکیبات آلی کلردار فرار مانند تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن به عنوان حلال برای تمیز کردن لباسها و شستشوی نیمههادیها استفاده میشوند. ورود این مواد به محیط باعث آلودگی خاک و آبهای زیرزمینی میشوند. این نوع از آلودگیها به دلیل سمیت فراوان و سرطانزا بودن از مشکلات جدی محیط زیست هستند
