بخشی از مقاله
چکیده
فراهم کردن آب پاک و در دسترس برای رفع نیازهای انسان چالش بزرگ قرن 21 است. نیاز به فناوری های نوین برای توانمند سازی مدیریت یکپارچه منابع آب را نمی توان دست کم گرفت. فناوری نانو پتانسیل بسیار زیادی در تصفیه پیشرفته آب و فاضلاب به منظور بهبود کارایی تصفیه و همچنین افزایش تامین آب از طریق استفاده ایمن از منابع آب غیر متعارف دارد. در اینجا پیشرفت های اخیر نانوتکنولوژی در تصفیه آب و فاضلاب را بررسی می کنیم.
.1 مقدمه
جمعیت جهان در حالی از 6,5 میلیارد امروز به 9 میلیارد تا سال 2050 ، در حال افزایش است که ، 97 درصد آب کره زمین، آب شور است. از 3 درصد باقی مانده، 2 درصد به صورت یخ بسته است. 1درصد باقی مانده آب نیز علاوه بر کمیاب بودن، در جهان به طور مساوی توزیع نشده است36]و.[41 تقریبا 780 میلیون نفر در سراسر جهان هنوز به منابع آب آشامیدنی بهبود یافته دسترسی ندارند
هم در کشورهای توسعه یافته و هم کشورهای صنعتی، فعالیت های انسانی بیشترین نقش را در تشدید کمبود آب بوسیله آلوده کردن منابع آب طبیعی بازی می کند.[44] از مهمترین صنایع حیاتی در جوامع بشری، صنعت تصفیه آب و فاضلاب است که پیشرفت در این عرصه ، نقش بسزایی در پیشرفت بهداشت وسلامتی انسان دارد.[5] در حوزه تصفیه آب، فناوری نانو امکان حذف کارآمد آلاینده ها و میکروب ها را ارائه می دهد.
امروز نانوذرات ، نانوغشاها و نانوپودر ها برای تشخیص و حذف مواد شیمیایی و بیولوژیکی شامل فلزات - به عنوان مثال کادمیم، مس، سرب، جیوه، نیکل، روی - ، مواد مغذی - به عنوان مثال فسفات، آمونیاک، نیترات و نیتریت - ، سیانید، مودآلی، جلبک ، ویروس ها، باکتری ها، انگل ها و آنتی بیوتیک ها مورد استفاده قرار می گیرد. اساسا چهارطبقه از مواد در مقیاس نانو که به عنوان مواد کاربردی برای تصفیه آب مورد بررسی قرار گرفته اند شامل نانوذرات فلزی، نانومواد کربن دار ، زئولیتها و دندریمرها می باشند. نانولوله های کربنی و نانو الیاف نیز چنین نتایج مثبتی نشان داده اند. نانومواد نتایج خوبی را نسبت به سایر روش ها نشان داده اند که به دلیل مساحت سطح بالای آن - نسبت سطح/ حجم - در تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرد.
آلودگی آب یک نگرانی محیط زیستی است، بنابراین متخصصان در زمینه روش های تصفیه پساب صنعتی تحقیقات گسترده ای به عمل آورده اند تا علاوه بر کاهش هزینه های طراحی، ساخت و بهره برداری از سیستم، بتوانند بازدهی تصفیه را افزایش دهند
.2معایب شیوه سنتی تصفیه آب
در برخی از مراحل تصفیه آب به شیوه سنتی معایبی مشاهده می گردد که از جمله آنها می توان موارد ذیل را خاطر نشان کرد: هرکدام از فرایندهای شیوه سنتی به تنهایی قادر به از بین بردن تمامی آلودگی های آب نیستند. شیوه سنتی اساسا بر مبنای نصب تاسیسات فرایندی - مانند حوضچه ته نشینی - و استفاده از چندین فرایند متوالی می باشد، بنابراین امکان حمل و نقل در سیستم هایی که از این شیوه استفاده می کنند مشکل است.
از دیگر معایب این روش می توان به کاهش بازدهی برخی فرایندها با افزایش دبی اشاره کرد. برخی دیگر از این فرایندها حساسیت زیادی نسبت به شرایط فیزیکی و شیمیایی آب از خود نشان می دهند. هزینه بهره برداری از این سیستم ها نسبت به روش های غشایی بیشتر است. به علت استفاده از مواد شیمیایی در برخی فرایندها - مانند افزودن کلر در عملیات گندزدایی - آب حاصل برای شرب مطبوع نیست
.3تعریف و کاربرد نانو مواد درتصفیه آب و فاضلاب
فناوری نانو که اولین بار ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی در همایش جامعه فیزیک آمریکا درسال 1959 میلادی، موضوع ایده های بنیادی در زمینه کوچک سازی نوشتجات، مدارها و ماشین ها، را ایراد کرد و در جمله معروف خود" :که آنچه من می خواهم به شما بگویم، مسئله دستکاری و کنترل اشیاء در مقیاس کوچک است و تردیدی وجود ندارد که در نوک یک سوزن آنقدر جا هست که بتوان تمام دایره المعارف بریتانیا را جا داد"، مطرح شد.
توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی، مولکولی و یا ماکرومولکولی درمقیاس اندازه ای 1 تا 100 نانومتر در راستای خلق و استفاده از ساختارها و ابزارها و سیستم هایی که به دلیل اندازه کوچک یا حد متوسط آنها، خواص و عملکرد نوینی را ارائه می دهند و به انسان، توانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی مواد را می دهد، یکی از جامع ترین تعاریف فناوری نانو محسوب می شود
در مقیاس نانو مواد غالبا دارای خواص وابسته به اندازه جدیدی متفاوت از همتایان بزرگ خود هستند، که بسیاری از آنها برای استفاده در تصفیه آب و فاضلاب کشف شده است
زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت دربرابرخوردگی و ... تغییر می کند و در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی، بیان نماییم، میتوانیم وجود" عناصر پایه "را به عنوان یک معیار ذکر نماییم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواصشان در مقیاس بزرگتر فرق می کند
.4جذب
فرایند جذب در مقایسه با تکنیک های دیگر تصفیه از نظر هزینه اولیه، استفاده مجدد از پساب، سادگی و انعطاف پذیری در طراحی، بهره برداری آسان و غیرحساس بودن به آلاینده ها و ترکیبات سمی، مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. تولید پساب با کیفیت بالا و عدم تشکیل رادیکال های آزاد و مواد خطرناک از مزایای دیگر این روش به حساب می آید20]و.[47 معمولا فرایند جذب سطحی به خاطر راحتی، سهولت عملیات و سادگی طراحی بهتر از سایر فرایند های تصفیه آب می باشد. به علاوه این فرایند می تواند انواع مختلفی از آلودگی های آلی و غیر آلی را از آب و فاضلاب حذف یا کاهش دهد بنابراین کاربرد وسیعی در کنترل آلودگی آب دارد
.5تکنولوژی های اصلاح سطح جاذب
برای حذف موثر آلاینده ها از آب، جاذبی با ظرفیت بالای جذب که به طور انتخابی آلاینده مورد نظر را جذب کند، مورد نیاز است. اصلاح سطح جاذب ها برای این منظور به کار گرفته می شود و مجموعه ای از روش های شیمیایی و فیزیکی می باشد.
روش های فیزیکی مانند اصلاح حرارتی جاذب و روش های شیمیایی مانند ایجاد بار سطحی مثبت، استفاده از فلزات اشباع و اکسیدهای فلزی، پیوند با گروه های آمینی، اصلاح آلومینوسیلیکات معدنی با مواد آلی و الکترود های کربن
.6 نانوجاذب های کربنی
.1,6کاربرد نانوجاذب های کربنی در حذف آلاینده های آلی
نانولوله های کربنی، ساختارهای حلقوی توخالی متشکل از اتم های کربن هستند که می توانند به شکل تک یا چند جداره آرایش یابند مطابق شکل 1 و دارای خواص فلزی یا شبه رسانایی نیز هستند24]و.[48 غشاهای نانولوله ای می توانند تقریبا همه انواع آلودگی های آب را حذف کنند.[32] نانولوله های کربنی به سبب ویژگی های منحصر به فرد خود، کاربرد های مختلفی در مواد کامپوزیتی با هدایت الکتریکی، حرارتی و مکانیکی بالا توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جذب کرده است.
از آنجایی که به همراه CNTs، ناخالصی هایی وجود دارند که می توانند بر خواص نانولوله های کربنی و یا کامپوزیت های تهیه شده با آن تاثیرگذار باشند، بنابراین بدون آنکه به ساختار نانولوله های کربنی خسارتی وارد گردد می بایستی این ناخالصی ها حذف گردند.
فعال سازی سطح CNTs عموما باعث ایجاد گروه های عاملی مختلف همچون COOH,C-O, C=O و OH می شود که به عنوان مکان هایی برای هسته زایی یون های فلزی می شود.
نانولوله های کربنی کارایی بیشتری نسبت به کربن فعال در جذب سطحی مواد شیمیایی آلی مختلف نشان داده اند.
این ظرفیت جذب بالا به طور عمده از مساحت سطح ویژه بالا و فعل و انفعالات مختلف بین نانولوله های کربنی و آلاینده ها ناشی می شود. مساحت سطحی در دسترس برای جذب روی تک نانولوله های کربنی سطوح خارجیشان است
