بررسی روش های خالص سازی آب با به کارگیری فناوری نانو

نانو، دلالت بر یک واحد بسیار کوچک در علم اندازه گیری دارد. یک نانومتر معادل ۹-۱۰ متر یا به عبارتی یک میلیاردم متر است. اخیراً با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند. کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از :
ـ نانو فیلترها، نانو فتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات، نانو سنسورها، توانایی های این فناوری در تصفیه آب و با توجه به انواع آلودگی های نقاط مختلف ایران مورد ارزیابی قرار گرفته است.
در گذشته نه چندان دور اهداف تصفیه خانه های آب آشامیدنی کاهش مواد معلق و زدودن عوامل زنده بیماری زا در آب بود که با روشهای متداول فیلتراسیون و گندزدایی قابل حصول بوده اند. لیکن با افزایش غلظت مواد ریزدانه، ترکیبات ازته، مواد آلی و معدنی و فلزات سنگین به منابع آب روش های متعارف جوابگوی نیازتصفیه خانه ها نبوده و لازم است از فرآیندهای نسبتاً جدید در تصفیه خانه ها استفاده شود.
اخیراً نیز با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند.
مفهوم نانوفناوری به حدی گسترده است که بخش های مختلف علوم و فناوری را تحت تأثیر خود قرار داده و در عرصه های مختلف از جمله محیط زیست کاربردهای وسیعی یافته است. در این مقاله به بررسی کاربردهای فناوری نانو در صنعت آب می پردازیم.
● نانو فیلترها
تاریخچه نانو فیلتراسیون به دهه هفتاد میلادی زمانی که غشاهای اسمز معکوس با فشارهای نسبتاً پایین همراه با جریان آب تصفیه ای قابل قبول، بسط و توسعه پیدا کردند باز می گردد. استفاده از فشارهای بسیار بالا در فرآیند اسمز معکوس، اگر چه منجر به تهیه آب با کیفیت بسیار عالی می شد، ولیکن به همان نسبت هزینه گزاف انرژی مصرفی عاملی نگران کننده به شماره می آمد. در نتیجه، تهیه آب با استفاده از این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود.
بنابراین استفاده از غشاهایی با میزان درصد حذف پایین تر ترکیبات محلول، اما با قدرت نفوذ آب بیشتر و به طبع آن، افزایش حجم آب تصفیه شده با کیفیتی مطلوب (درحد استانداردهای مورد نظر) در فناوری جداسازی یک پیشرفت قابل ملاحظه، به شمار می آمد. از ین رو غشاهای اسمز معکوس با فشار پایین، بعنوان غشاهای نانو فیلتراسیونی شناخته شدند.
نانو فیلتراسیون فرآیند غشایی جدیدی است که خواص آن بین فرایندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون قرار دارد و در اختلاف فشار پایین (۱۰-۲۰ بار) قابل استفاده می باشد. به علت عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه های عملیاتی و نگه داری این فرآیند به مواد شیمیایی نیاز نبوده و پساب تولیدی فشرده و غلیظ می باشد. لذا هزینه حمل و نقل و دفع آن کمتر است. به کمک تجهیزات خاص غشاء ها به طور خودکار تمیز می شود. در مورد فرآیند نانو فیلتراسیون، هزینه انرژی به مراتب از اسمز معکوس کمتر می باشد. نکته حائز اهمیت در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب گری در حذف یون هاست.
غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از دو لایه تشکیل می شود. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً در دو نوع باردار و غیرباردار موجود هستند. مکانیسم اصلی در حذف ملکول های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربالسازی استوار می باشد. در حال که حذف ترکیبات یونی به دلیل بر عم کنش های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه های باردار، حذف می شوند.
امروزه غشاهای نانویی تجاری، در اشکال متفاوتی استفاده می گردند. این اشکال شامل، سیستم های مارپیچی، صفحه ای، جعبه ای، لوله ای و فیبری می باشد. شکل هر یک از غشاهای نانویی براساس نوع غشا و نانویی براساس نوع غشا و به منظور بالا بردن بازده و عملکرد آن انتخاب می گردد.
نانو فیلترها برای حذف محدوده وسیعی از ترکیبات به کار گرفته شده است، از جمله :
▪ حذف آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
▪ حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن
▪ حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
▪ حذف کاتیون ها و سختی
▪ حذف کروم (VI)، اورانیم، آرسنیک
▪ حذف آنیون ها
▪ حذف پاتوژن ها
● نانو مواد
نانومواد در مقایسه با مواد در ابعاد بزرگ دارای سطوح بسیار وسیع تری هستند. به علاوه این مواد قادر به بر هم کنش با گروه های شیمیایی مختلف به منظور افزایش میل ترکیبی آنها با ترکیبات ویژه می باشند. همچنین نانومواد می توانند به عنوان لیگندهای قابل بازیافت با ظرفیت و عملکرد انتخابی بسیار بالا برای یون های فلزی سمی به هسته های رایواکتیو، حلال های آلی و معدنی به شمار می آیند.
جاذب ها به طور وسیعی به عنوان جداساز محیطی در خالص سازی آب و برای حذف آلاینده های آلی از آب آلوده استفاده می شدند. تحقیقات وسیعی در این زمینه صورت گرفته است از جمله می توان به کاربرد نانو تیوپ های کربنی تک دیواره برای حذف یون های سنگین ماننده ۲Pb، ۲Cu، ۲Cd، چیتوزان با گروه های عاملی فسفاته برای حذف ۲Pb، ترکیب کربن نانوتیوپ- اکسید سدیم برای حذف As (V) ، نانو بلورهای FeO(OH) - برای جذب AS (V) و Cr (VI) ، زئولیت های تعویض یون NaP۱ برای حذف فلزات سنگین از پساب های معدنی اسیدی مانند ۳Cr، ۲Ni، ۲Zn، ۲Cu، ۲Cd، نانو مواد کربنی برای جذب مواد آلی فرار، رنگ های آلی و ترکیبات آلی و ترکیبات آلی کلره، فولرن برای جذب ترکیبات آروماتیک چند حلقوی مانند نفتالین اشاره نمود.
● نانو مواد حفره ای
مواد نانو حفره ای به عنوان یک زیر مجموعه مواد نانو ساختار با دارا بودن سطح منحصر به فرد، شکل ساختمانی و خواص حجمی در زمینه های مختلف از جمله، فرایندهای تعویض یونی، جداسازی، کاربردهای کاتالیستی، ساخت حسگرها، ایزولاسیون ملکولی های زیستی و خالص سازی کاربرد دارند.
به طور کلی مواد نانو حفره ای را می توان براساس دامنه قطر منافذ نانویی به سه دسته میکروپور، مزوپور و کاروپور تقسیم نمود. براساس سیستم آیوپاک، حفره های مواد میکروپور دارای قطری کمتر از ۲ نانومتر
می باشند. مزوپورها دارای حفره های به قطر بین ۲ تا ۵۰ نانومتر و ماکروپورها دارای حفره هایی با قطر بیشتر از ۵۰ نانومتر هستند.
مواد نانوحفره ای را می توان براساس جنس، از قبیل آلی یا معدنی، سرامیک یا فلز و یا خواص آنها دسته بندی نمود. در سیستم های پلی مری، سرامیکی و یا کربنی نیز مشابه این چنین حفره هایی دیده می شود که البته شکل حفره ها در آن متفاوت هست. در واقع جنس ماده، شکل حفره ها، اندازه آنها و توزیع و ترکیب حفره ها است که در نهایت مشخص کننده نوع کاربرد ماده نانو حفره ای می باشد. این مواد شامل
▪ کربن های نانوحفره ای ترکیبات دارای کاربردهای متنوعی از جمله، جذب گازهای آلاینده، بسته های کاتالیستی، فیلترهای تصفیه آب، مخزن نگهداری گاز و... باشند.
▪ زئولیت های نانوحفره ای عمده کاربرد زئولیت های در فرایندهای تصفیه ای آب (شامل تصفیه آب شرب و پساب های صنعتی) حذف یون های فلزات سنگین می باشد.
▪ پلیمرهای نانوحفره ای (نانوپروس پلی مرها عمده کاربرد پلی مرهای نانوحفره ای براساس عملکرد آنها به عنوان جاذب تعریف می گردد. از جداسازی ملکول های آلی خاص از سیستم های بیولوژیکی تا کاربرد آن ها را در تصفیه آب به منظور حذف آلودگی های ناشی از ترکیبات آلی نظیر فنل ها شامل می شود.
نانو ذرات
▪ حذف آرسنیک با نانو ذرات سریم
▪ حذف آرسنیک با نانو ذرات اکسید آهن
▪ حذف کروم با نانو ذرات آهن
▪ حذف مس، کبالت و نیکل با نانو ذرات آهن
▪ حذف ترکیبات آلی با نانو ذرات آهن
▪ حذف آلاینده ها با نانو ذرات آهن در محل
▪ کاهش نیترات با نانوذرات دوفلزی پالادیم- مس
▪ گندزدایی آب با نانو ذرات نقره
● نانو سنسورها در تصفیة آب و پساب
از آنجائی که بسیاری از خواصی که انتظار می‌رود توسط سنسورها اندازه‌گیری شود در سطح مولکولی یا اتمی هستند از نانوتکنولوژی در کاربردهای حسگری یا شناسایی استفادة زیادی می‌شود.
سنسورهایی که در ابعاد نانومتری ساخته شده‌اند از حساسیت فوق‌العاده‌ای برخوردارند، عملکرد انتخابی دارند و پاسخ‌دهنده می‌باشند. بنابراین تأثیر نانو تکنولوژی بر سنسورها فوق‌العاده عمیق و گسترده است.
به طور کلی به منظور کنترل بوی ناخوشایند، لازم است تا اندازه‌گیری‌هایی مبنی بر میزان بوی منتشر شده انجام شود. ترکیبات بسیاری در بوهای ناشی از تصفیة پساب شناسایی شده‌اند. به طور نمونه این ترکیبات عبارتند از: ترکیبات کاهش یافتة گوگرد یا نیتروژن، اسیدهای آلی، آلدئیدها یا کتون‌ها.
در سال‌های اخیر سنسورهای تجارتی مجموعه‌ای که بینی الکترونیکی نامیده می‌شوند برای شناسایی میکروارگانیسم‌ها و فلزات سنگین در آب آشامیدنی (مانند کادمیوم، سرب و روی) و به منظور شناسایی و تعیین مشخصات بوهای ناشی از مخلوط بخار جمع شده در بالای یک جامد یا مایع موجود در یک محفظة دربسته، تولید شده‌اند. این سنسورها روش سریع‌تر و نسبتاً ساده‌ای را برای پیگیری تغییرات در کیفیت آب و فاضلاب صنعتی فراهم می‌آورند.
● نانوفتوکاتالیست
فتوکاتالیست ماده‌ای است که در اثر تابش نور بتواند منجر به بروز یک واکنش شیمیایی شود، در حالی که خود ماده، دست خوش هیچ تغییری نشود. فتوکاتالیست‌ها مستقیماً در واکنش‌های اکسایش و کاهش دخالت ندارند و فقط شرایط موردنیاز برای انجام واکنش‌ها را فراهم می‌کنند.
تیتانیم دی اکسید TIO۲ (با گستره اندازه بین خوشه‌ها تا کلوئیدها – پودرها و تک بلوهای بزرگ)، نزدیک به یک فتوکاتالیست ایده‌آل است و تقریباً تمامی این خصوصیات رادارد. تنها استثناء آن این است که نور مرثی را جذب نمی‌کند. نانو ذرات دی اکسید تیتانیم، بر سطح زیرلایهای مناسبی از جمله شیشه و یا ترکیبات سیلیسی، پوشش داده می‌شوند و در حوضچه‌های تحت تابش نور ماوراء بنفش، قرار می‌گیرند.
بسیاری از آلاینده‌های موجود در آب‌های صنعتی که TIO۲ آن‌ها را با آب و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کند عبارتند از: آلکان‌ها، آلکن‌ها، آلکین‌ها، اترها، آلدئیدها، الکل‌ها، ترکیبات آمینی، ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی.

خبرنگار : جواد نیکخو

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو