بخشی از مقاله
مقدمه
آب، این عنصر حیات، از مهمترین و اساسی ترین ضروریات زندگی محسوب می شود و کمبود و یا نبودآن ادامه حیات را برای هر موجود زند ه ای دچار مشکل می سازد .چرخه تولید غذا و صنعت کشاورزی به آب وابسته است و بدون آن کمیت و کیفیت محصولات کشاورزی کاهش یافته و امنیت غذایی جامعه به خطرمی افتد. رشد روز افزون جمعیت، تغییرات آب و هوایی و افزایش بیابان ها از یک سو، و رشد صنعت و آلوده شدن محیط زیست از طرف دیگر، موجب شده است تا منابع آب، آلوده شده و تهیه آبی سالم وکافی، به یکی از مهمترین چالش های قرن حاضر تبدیل شود .
به منظور مقابله با این چالش، امروزه می توان ازفناور یهای نوینی چون فناوری نانو استفاده کرد .این فناوری می تواند نقش مهمی در بهینه سازی تکنیک های تصفیه و بازیابی آ بهای غیرمتعارف ایفا کند و با به کارگیری آن علاوه بر این که مراحل و هزینه های تصفیه و بازیابی آب کاهش می یابد، می توان امید بیشتری نیز داشت تا آبی با کیفیت بهتر و سالم تر برای مصرف دراختیار انسا نها، جانوران و گیاهان قرار گیرد
نیتروژن و اکسید سولفور به مقدار زیادی در جو وجود دارد که دلیل اصلی آن فعالیت های انسانی، بخصوص سوختن گاز، نفت و ذغال سنگ است. حضور این دو ماده، اسیدی شدن باران را به دنبال دارد که نفوذ این باران ها در خاک، خاک را آلوده می کند.
فاضلاب کارخانه ها، نشت مواد نفتی، کود و حشره کش ها باعث آلودگی آب می شوند. آلوده کننده ها اغلب با واحد قسمت در میلیون - - ppm و یا واحد قسمت در میلیارد - - ppb اندازه گیری می شوند. و برای هرکدام یک میزان سمیت جداگانه وجود دارد. برای نمونه میزان سمیت آرسنیک در خاکppm10 و جیوه در آب ppm002/0 است.از این رو حتی وجود میزان غلظت پایین از یک آلوده کننده خاص در محیط می تواند سمی باشد. علاوه بر این ،آلودگی ها به صورت ترکیبی هم یافت می شوند. در نتیجه نیاز به فناوری که توانایی تشخیص، شناسایی و رفع آلودگی ها حتی به میزان کم در هوا، خاک ،آب را داشته باشد مطرح است.
تشخیص و رفع آلودگی
خاک و آبهای زیرزمینیای که توسط کارخانهها آلوده میشوند موضوعی پیچیده، بزرگ و نگران کننده است. این مکانها شامل مکانهای صنعتی، دریاچهها و رودخانههای مجاور آنها، نشتی مخازن زیرزمینی، محلهای دفن زباله و معادن رها شده، میشود. این مناطق عموما توسط فلزات سنگین - روی، کادمیم - و ترکیبات آلی - بنزن، محلولهای کلردار وکرئوزوت - آلوده میگردند. به طور رایج، بیشتر روشهایی که برای از بین بردن این آلودگیها به کار میرود، پرزحمت، پرهزینه و زمانبر است.
فناوری نانو میتواند با استفاده از نانوحسگرها روشهای پاکسازی را دقیقتر و مقرون به صرفه کند. نانوحسگرها تشخیص سریع و بهنگام حتی غلظت کمی از یک آلاینده را امکانپذیرمیسازند .از دیگر موضوعات مورد اهمیت و نگران کننده کیفیت آب آشامیدنی و آلودگیهای آن است. جیوه و آرسنیک دو فلز به شدت سمی و خطرناک برای سلامتی هستند.
روشهایی که اجازه دهند پاکسازی آب، سریع، اقتصادی و مؤثر انجام شود به شدت مورد نیاز جوامع بشری میباشند. فناوری نانو روشهای جدیدی برای تشخیص و رفع آلودگی از آب، به علاوه روشهایی برای شیرین کردن آب و مدیریت فاضلابها معرفی میکند، که در ادامه نمونهای از آنها معرفی شده است
پاکسازی آلودگی آبهای زیرزمینی و خاک با استفاده از نانوذرات آهن صفر ظرفیتی یک مثال خوب برای درک تاثیر فناوری نانو در پاکسازی محیط است. هنگامی که این ذرات در معرض هوا قرار میگیرند، به سرعت شروع به زنگ زدن و اکسیدشدن میکنند، اما چنانچه در مجاورت آلایندههایی مانند تری کلرور اتیلن - - TCE ، تتراکلرید کربن و دیوکسین قرار گیرند، آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت کمتری تجزیه میکنند .
از آنجایی که آهن مادهای غیر سمی است و در طبیعت به وفور یافت میشود، برخی صنایع با استفاده از پودر آهن زبالههای صنعتی به وجود آمده را پاکسازی میکنند. البته، پودرهای آهن - ذرات آهن با ظرفیت صفر در ابعاد میکرون - بر زبالههای قدیمی که مدت زمانی از نفوذ آنها در آب و خاک گذشته، تأثیری ندارند و اغلب پودرهای آهن که برای پاکسازی محیط مورد استفاده قرار میگیرند، بازده کامل ندارند - بعضی ترکیبات کلردار مانند PCE یا TCE موقتأ از بین میروند و ترکیبات سمی مانند DCE همچنان بعد از پاکسازی نیز یافت میشوند - . این اتفاق به علت واکنشپذیری کم پودرهای آهن است.
دیگر موضوع نگران کننده، کاهش واکنشپذیری پودرهای آهن، زودتر از زمان تعیین شده است، که احتمالأ به خاطر ساختار لایههای غیرفعال روی سطح ذرات آهن است. راه حل فناوری نانو برای پاکسازی آلودگی آبهای زیرزمینی و خاک، تبدیل ذرات آهن به نانوذرات آهن است. این نانوذرات 10 تا 1000 برابر فعالتر از پودرهای آهن معمولی هستند.
آنها سطح قابل دسترس بیشتری برای واکنش با آلودگیهای محیط دارند و اندازهی کوچک آنها - - -1 nm100 ، به آنها قابلیت تحرک بیشتری میدهد تا بتوانند با جریان آبهای زیرزمینی انتقال داده شوند. یک نانوذره محلول در آب میتواند به آرایش آلایندهها آسیب برساند. نانوذرات با خاک اسیدی، حرارت و یا مواد غذایی در خاک، تغییر نمیکند. بنابراین میتوانند مدتها در محل اعمال شده باقی مانده و بعنوان یک عملگر درجا مورد استفاده قرار بگیرند
نانوذرات آهن صفر ظرفیتی
روش آزمایشگاهی سنتز نانوذرات آهن از ابتکاراتی است که اولین بار در سال 1996 توسط ژنگ انجام شد. در این روش، آهن فریک بهوسیله بوروهیدراید سدیم طبق واکنش زیر احیا میشود. برای تهیه نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم، نانوذرات آهن تازهتهیهشده به محلولی از اتانول و استات پالادیوم اضافه میشوند - . - 5 این امر طبق واکنش زیر منجر به تهنشینی پالادیوم بر سطح آهن میشود
در این روش از آهن به عنوان فلز پایه و از از پالادیوم به عنوان فلز کاتالیزگر استفاده میشود. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری نانوذرات آهنی که به این روش سنتز شدند، نشان میدهند که بیشتر از 90 درصد ذرات، قطری در حدود یک تا صد نانومتر دارند.
سازوکار نانوذرات آهنبررسی واکنشهای احیای نانوذرات آهن در محلولهای آبی نشان میدهد که آهن فلزی، یون فرو و هیدروژن گازی احیاکنندههای اصلی در محیط هستند. احیای آلایندهها در سطح آهن میتواند از طریق انتقال الکترونی و یا تشکیل هیدروژن انجام شود. بررسی سازوکار نانوذرات دوفلزی Ni-Fe نشان میدهد که همزمان با قرارگیری ذرات دوفلزی Ni-Fe در یک محلول آبی، یک پیل گالوانی تشکیل میشود که Fe به فلز کاتالیزور الکترون میدهد و Ni بهوسیله آهن، حفاظت کاتدی میشود.
