مقاله کاربرد فناوری های نوین در بهینه سازی مصرف آب

بخشی از مقاله

چکیده

افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی منابع آبی تشدید شده سبب گردیده است تا تامین آب بهداشتی به یکی از دغدغه های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود. همچنین ذخایر آب کشور در حال کاهش و شور شدن است و آبهای سطحی نیز با انواع آلودگی ها آلوده می شوند. بنابراین با نگاهی به مشکلات تامین آب در ایران وهمچنین اهمیت تصفیه پساب های خانگی وصنعتی، استفاده از فناوری های نوین ضروری به نظر می رسد . به همین علت همواره محققان در پی یافتن راه های بهینه برای تصفیه آب بوده و هستند.

از این رو علاوه بر روش های متعارف تصفیه آب، روش هایی جهت تصفیه آب مطرح شده است که از آن جمله می توان استفاده از فناوری نانو و همچنین استفاده از سیستم SBR، اسمز معکوس، گندزدایی توسط اشعه گاما، استفاده از TiO2 و نانو ذرات اکسید آهن را نام برد. نانوتکنولوژی بعنوان یک فناوری کاربردی در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. نانولولههای کربنی میتوانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگیها، به طور یکنواخت همراستا شوند.

با توجه به توانمندی های فراوان فناوری نانو در حذف و کنترل آلودگی های محیطی و تصفیه و جلوگیری از انتشار آنها می توان آن را به عنوان یک تکنولوژی سبز و ابزاری موثر برای دستیابی به توسعه پایدار در نظر گرفت. SBR نیز می تواند به عنوان جایگزینی برای سیستم های متعارف جهت تصفیه بیولوژیکی فاضلاب های خانگی و صنعتی باشد. در واقع فناوری نانو بدلیل قابلیت بالای خود در تعیین و کنترل محدوده وسیعی از منابع آلوده کننده تاثیر قابل ملاحظه ای در ایجاد و رفع مسائل زیست محیطی دارد و هزینه سیستم تصفیه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

-1 مقدمه

افزایش جمعیت جهان و کاهش منابع آب آشامیدنی ، نگرانی هایی را در باره تامین آب آشامیدنی مورد نیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب که در نتیجه افزایش آلودگی های زیست محیطی شدت پیدا می کند ، سبب شده است تامین آب بهداشتی مورد نیاز مردم به یکی از مشکلات اساسی جهان امروز تبدیل شوداستفاده از فناوری های نو برای حل مشکلاتی که بر اثر پیشرفت صنایع باعث آلودگی محیط می شوند ضروری است.

لذا بررسی راه کارهای نو برای حذف این آلودگی ها با در نظر داشتن شرایط اقتصادی همراه با راندمان بالا می تواند شرایط را برای کاهش آلودگی ها از محیط های مختلف در بر داشته باشد . - 3 - این راه کارهای نو زمینه ای است که در این مقاله به آن می پردازیم و با معرفی و بررسی روش های مختلف، سعی در معرفی مناسب ترین روش خواهیم داشت. فناوریهای جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم میکند. آب تصفیه شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب معدنی تصفیهشده ارزش دارد. با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر از آن حذف میشود.

-2 مواد و روش ها

بطور کلی در تصفیه اب دو روش اصلی مورد استفاده قرار می گیرد .روش های متعارف و روش های نوین روش های متعارف قادر به حذف املاح از اب نمی شود و برای از بین بردن TDS روش های نوین دیگری مورد استفاده قرار می گیرد.

-2-1 فرآیند لجن فعال

این فرآیند که اولین بار توس آردن و لاکت، در سال 1914 در انگلستان بکار گرفته شد، یکی از فرآیندهای مهم در تصفیه بیولوژیکی فاضلاب است. در این فرآیند، میکروارگانیزمها با مواد آلی مخلوط شده، در اثر این عمل میکروارگانیزمها رشد کرده باعث تثبیت مواد آلی می شوند. روش لجن فعال بصورت یک فرآیند پیوسته و با بازگشت مجدد لجن بیولوژیک شناخته می شود . - 1 -

-2-2 فرآیند SBR

علاقه مندی به سیستمهای SBR در اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 مجدد رونق گرفت که علت پیشرفت دستگاه ها و تکنولوژی های جدید بود. پیشرفت در تجهیزات هوادهی و سیستم های کنترل به سیستم SBR اجازه داد تا به طور موفقیت آمیزی با سیستم لجن فعال متعارف رقابت نماید . - 1 - SBR می تواند به عنوان جایگزینی برای سیستم های متعارف جهت تصفیه بیولوژیکی فاضلاب های خانگی و صنعتی باشد و قادر به کاهش دادن آلودگی ناشی از کربن و نیتروژن به میزان 95 تا 98 درصد می باشد. با بررسی عوامل شیمیایی تاثیرپذیر بر تصفیه پساب صنعتی با سیستم SBR مدل WT = a1rCOD + a2rBOD + a3rp + a4rN بدست می آید. SBR ها قادر به حذف بالای آلودگی ناشی از کربن در مقایسه با روش ASP هستند . - 1 -

-2-3 گندزدایی توسط اشعه گاما

گندزدایی آب و فاضلاب با استفاده از مواد شیمیایی یا عوامل فیزیکی انجام می شود. پرتوهای مورد استفاده در این روش به دو دسته پرتوهای یونیزان شامل پرتو ایکس، گاما، باریکه الکترون، آلفا و بتا و پرتوهای غیر یونیزان - اشعه ماورا بنفش - تقسیم می شوند . - 9 - استفاده از پرتو ها از جمله روش های نوین گندزدایی است. گندزدایی با اشعه گاما گزینه ای جالب برای تصفیه آب، فاضلاب و لجن به صورت مستقیم و در ترکیب با سایر فرآیندها به شمار می رود. در این روش با استفاده از راکتورهای قدرتمند، مواد آلوده مورد پرتودهی اشعه گاما قرار می گیرند و پاتوژن های باکتریایی در اثر پرتو افکنی با دز بین 200 تا 300 کیلو راد به طور موثری کاهش می یابند - 9 -

-2-4 فرآیندهای غشایی

فرآیندهای غشایی به شیوه های جداسازی فیزیکوشیمیایی املاح مختلف از حلال با استفاده از غشاءهای نیمه تراوا اطلاق می شود. چهار نوع غشاءهای صاف سازی تحت فشار در تصفیه آب و فاضلاب کاربرد دارند. این تقسیم بندی بر اساس اندازه منافذ آن ها می باشد و عبارتند از: میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس در فرآیند غشایی سه جریان، تغذیه، محصول - آب تصفیه شده - و دفعی وجود دارد و نسبت جریان آب تصفیه شده به جریان آب تغذیه را آبدهی می نامند . - 2 -

در این روش رابطه مستقیمی بین فشار عملیاتی و میزان آبدهی در فرآیند اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون وجود دارد. با افزایش فشار عملیاتی در فرآیندهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون به ترتیب تا 12 بار و 6 بار باعث افزایش راندمان حذف تی-دی-اس شده و پس از آن با افزایش بیشتر فشار شاهد کاهش راندمان حذف خواهیم بود - 2 -

-2-4-1 فرآیند نانوفیلتراسیون

در این فرآیند با استفاده از غشاهایی با حفره هایی از جنس نانو لوله های کربنی امکان جداسازی ارزان تر گاز و مایع فراهم می آید . - 3 - نانولوله های کربنی در مقایسه با غشاهای پلیمری از عملکرد بسیار بهتری دارند و برعکس غشاهای پلیمری رایج، می تواند توازن قابل قبولی بین ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار نماید. در این روش آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشایی دارای سوراخ های ریز موسوم به نانو حفره می ریزند. این حفره ها آنقدر کوچکند که تنها بخار می تواند از آنها عبور کند.

در طرف دیگر محفظه ای از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن، کندانس شده و دوباره به مایع تبدیل می شود 3 - و. - 4 نانوفیلتراسیون یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو است که امکان جداسازی ذرات را از آب در مقیاس نانو و تولید آب تصفیه شده در حجم انبوه را فراهم می سازد. برخی دیگر از کاربردهای نانو در صنعت تصفیه آب:

-1 نانوفیلترها یا غشاهای فیلتراسیون نانو

-2 تصفیه آبهای زیرزمینی بوسیله اجزای آلی - نانوذرات -

-3 تصفیه آب با استفاده از نانولوله ها

-4 خالص سازی آب با بکارگیری فناوری نانو

-5 نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی

-6 نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب 5 - و - 6

-2-4-2 نانوغربالها

نانوغربال از نانولولههای کربنی جفت شده با یکدیگر تشکیل میشود که روی یک زیرلایه متخلخل و منعطف قرار گرفتهاند. و میتوان برای تشکیل فیلترهای شبهکاغذی، آنها را روی یک زیرلایه صاف و یا لولهای قرار داد، با این کار توانایی پیچیده شده شدن به اطراف هر ساختار استوانهای متداول و یا هر ساختار دیگری را به دست میآورند، همچنین برای افزایش سطح فیلتر میتوان نانوغربالهای مسطح را تا زداخیراً. در آزمایشگاههای مذکور چندین نمونه فیلتر قابل حمل مبتنی بر این فناوری، برای خالصسازی آب ساخته شدهاند؛ این فیلترها در اندازه قلم بوده و تحت عنوان ابزارهای فیلتراسیون نیمانند به نام water stick معروف هستند . - 5 -

از نانوغربالها میتوان در حذف گستره وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی استفاده کرد. این فیلتر میتواند از چندین لایه نانولوله کربنی ساخته شود که هر لایه قابلیت حذف نوع متفاوتی از ترکیبات را دارد. نانوغربالهای مورد استفاده در Water stick توانایی حذف بیش از 99/99 درصد از باکتریها، ویروسها، کیستها، میکروبها، کپکها، انگلها، و همچنین کاهش قابل توجه آرسنیک و سرب را دارند.

نانوغربالهای چند عملکردی نیز مانند ترکیبات معدنی اعم از فلزات سنگین، کودها، فاضلابهای صنعتی و دیگر مواد میتوانند ترکیبات آلی از قبیل Pesticide ها و herbicideها را حذف نمایند. همچنین میتوان فیلتر را با یک لایه ضدباکتری برای جلوگیری از تشکیل فیلم بیولوژیکی پوشاند. در حال حاضر آزمایشگاههای سلدن مشغول ارتقای این فناوری برای استفاده از آن در نمکزدایی از آب دریا هستند.

-2-4-3 فرآیند اسمز معکوس

آرسنیک از سمومی است که از دو راه طبیعی و صنعتی وارد محیط زیست می گردد. در حال حاضر با توجه به استانداردها و رهنمودهای WHO و EPA و پایین آمدن مقادیر استاندارد توصیه شده به میزان 10 میکرو گرم در لیتر، سازمان های تامین کننده ی آب آشامیدنی مجبور به پیروی از رهنمودها و استانداردهای تعیین شده خواهند بود.