کنترل آلاینده ها از طریق فن آوری نانو تکنولوژی

به تازگی انسان به این تفکر رسیده است که شاید بتوان با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیط زیست بشتابد

● مقدمه و هدف

امروزه پیشرفت تکنولوژی و دستیابی انسان به روش‌های نوین برای استفاده از منابع طبیعی دستاوردهائی را به همراه دارد که علاوه بر تأثیرات فراوان در زندگی بشر، تأثیراتی منفی را نیز برای طبیعت به ارمغان می‌آورد. به‌ تازگی انسان متمدن به این تفکر رسیده است که شاید بتوان با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیط زیست شتابد که از جمله می‌توان به فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست اشاره کرد. تأثیرات مستقیم و غیر مستقیم فن‌آوری نانو بر محیط زیست، از جنبه‌های مختلف قابل بررسی است. در حال حاضر، می‌توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیط زیست، از قبیل نانوفیلترها (برای تصفیه پساب‌های صنعتی)، نانوپودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی) و نانو تیوب‌ها (برای ذخیره‌سازی سوخت کاملاً تمیز هیدروژن) را برشمرد، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده‌ تر از این‌گونه کاربرهای جزئی و مقطعی است. این مقاله با هدف شناخت ماهیت نانو وکاربردهای آن در تکنولوژی تهیه گردیده است.

● روش بررسی

از طریق شناساسایی سایتهای مهم علمی و بررسی و جمع بندی مطالب همچنین مطالعه اسناد و کتابها در کتابخانه ها ی دانشکده علوم پزشکی و کتابخانه الکترونیکی

● یافته ها

در تحقیقات دانشمندان همیشه طبیعت نقش الهام دهند های داشته است. اکثر سیستمهای زیستی موجود در طبیعت در انداز ه های نانو هستند. با به کارگرفتن اصول زیستی حاکم بر این ساختارها دانشمندان می توانند تحت شرایط آزمایشگاهی با استفاده از اصول فیزیک، شیمی، مهندسی، و فناوری نانو به سنتز، تعیین ویژگی و ساخت مولکو لها و وسایل زیستی در حد نانوبپردازند. بکارگیری این واقعیات منجر به ظهور فناوری جدید نانو زیست فناوری گردیده است برخی از مهمترین کاربردهای علمی شناخته شده فناوری نانو در زمینه محیط زیست نانوحس‌گرها، نانو فیلترها و کاتالیزورهای زیست محیطی هستند که به ترتیب به آنها اشاره می‌شود:

▪ نانوحس‌گرهای زیست محیطی: نانوحس‌گر وسیله‌ای است بسیار ریز که قادر به شناسائی و ارائه پاسخ به محرک‌های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحس‌گرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف از جمله محیط زیست یافته‌اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

▪ آلودگی هوا: یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه‌ای از حس‌گرهای پیشرفته به‌صورت نانو رایانه‌های بسیار سبک است. این نانوحس‌گرها به‌راحتی ساعت‌ها در هوا معلق باقی می‌مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می‌شوند و می‌توانند از طریق بی‌سیم موجود در خود، اطلاعات جمع‌آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات از نمونه‌های اولیه حدود یک کیلو بایت در ثانیه است.

▪ انتشار گازهای سمی: انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. این نوع حس‌گرها از نانوتیوب‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آنها هم‌چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‌اند که این حس‌گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

▪ نانوفیلترها، نانوسیسورها و مواد هوشمند: یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرآیند نانو فیلتراسیون معمولاً مولکول‌های بزرگ را دفع می‌کند و در مقایسه با روش‌های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه‌ها یا آب‌های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرآیند قادر است انواع باکتری‌ها، ویروس‌ها، آفت‌‌‌کش‌ها، آلاینده‌هائی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرآیند نانو فیلتراسیون از هیچ ماده شیمیائی برای سختی‌گیری (Water Hardness) آب استفاده نمی‌شود، بنابراین اثرات منفی زیست‌محیطی آن به مراتب کمتر از روش‌های شیمیائی معمول است.

علاوه بر این، ذرات نانو ساختار انعطاف‌پذیری زیادی در تصفیه آلاینده‌ها دارند. به‌عنوان مثال از ذرات نانو ساختار برای تصفیه فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، تصفیه آب و پسماندهای مایع استفاده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که ذرات دو فلزی نانو ساختار مانند آهن، پالادیم، آهن، نقره و روی، پالادیم کاربردهای زیادی در تصفیه و پالایش آلوده‌کننده‌های محیط زیست، مانند آفت‌کش‌های کلرینه با منشا آلی و حلال‌های آلی هالوژنه یافته‌اند. علاوه بر این می‌توان از نانو ساختارها برای رنگ‌زدائی از آب آشامیدنی استفاده کرد.

رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشا تولید تری هالومتان نیز باشند، بسیار خطرناک محسوب می‌شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان‌زا می‌شوند. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور از تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می‌شوند. اغلب روش‌های متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می‌توان تا ۹۹ درصد این‌گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد. هم‌چنین تحقیقات نشان می‌دهد استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب می‌تواند هزینه‌های تصفیه را تا حدود زیادی کاهش دهد. استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت محیط زیست و صرفه‌جوئی انرژی در این زمینه است. نانو فیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پائین‌تر از اسمز معکوس است .بنابراین می‌توانند در رفع آلودگی‌های آب‌های ذخیره نوشیدنی انسان‌ها و آب‌های کشاورزی استفاده شوند.

نانوفیلترها می‌توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهائی که نیاز به مراقبت شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض‌ها آسیب‌پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع‌تر از عامل مسمومیت پاک شود. برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسائی شود.

با استفاده از نانوفیلترها می‌توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسائی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد. علاوه بر این نانوفیلترها می‌توانند در جداسازی‌های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنو کلوئیک تصفیه DNA، جذب پروتئین‌ها و اسیدنو کلوئیک‌ها، سوبسترا برای کشت Batch، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذائی و استریلیزه کردن سرم‌های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند. نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را بادقت بیشتری ارزیابی کنیم. با استفاده از مولکول‌های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذائی) دارند که شامل: آشکارسازی عوامل و کمیت‌های شیمیائی و بیولوژیکی، توالی سنجی DNA در تشخیص بیماری‌ها و تولید داروها، در آزمایش‌هایمؤثر و سریع بر روی داروهای جدید، سیستم‌هیا کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذائی در انبارها و حمل و نقل و انتقال، سیستم‌های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه‌گیری، گزارش‌دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها، بیوسنسورهای دقیق‌تر برای شناسائی پروتوین‌ها، آشکارسازی سریع عوامل بیماری‌زا و ... می‌باشند.

▪ نانو لوله‌ها و نانو کامپوزیت‌ها: در سا لهای اخیر، الیاف نانولوله کربنی به عنوان نسل جدیدی از نانوساختارهای کربنی توجه محققان بسیاری را به خود معطوف داشته است. این ساختار جدید، به دلیل دارا بودن شیم یکربن، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، ساختاری فیبری شگفت انگیز، مقاومت مکانیکی بالا و...از دیگر مواد نانوساختار متمایز شده است. پیش از کشف الیاف نانولوله کربنی، تارهای عنکبوت به عنوان مستحکم ترین ماده در میان مواد طبیعی و مصنوعی محسوب می شدند، اما این نانوساختارهای کربنی از نظر ساختاری و استحکام الیاف بسیار قوی تار عنکبوت و کولار را نیز پشت سر گذاشته است . نانو لوله‌های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال ۱۹۹۱ کشف و به جهان عرضه شدند این لوله‌ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهائی پایدار، مقاوم و انعطاف‌پذیر دارند.

و می‌توانند جایگزین سرامیک‌های معمولی، آلومینیوم و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها ، اجزاء ماشین، دستگاه‌های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه‌های صنعتی تولید غذا شوند. مطالعات اخیر پیشنهاد می‌کند که از نانو لوله‌های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون، پروتئین‌ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. کاربرد آن در آسانسور فضایی، شاتل فضایی، ساخت روبات برای کشف سیارات، موتورهای سفینه های فضایی، حسگرهای زیستی، سیستم های میزبان برای احاطه مولکول های زیستی، ساخت میکرو سوند برای میکرو جراحی، ماهیچه های مصنوعی، سوپر خازن، سیمها ی هادی، ترانسفورماتور، گسیل کننده های میدان حرارتی ، آنتها، باتری ها، جلیقه و سپرهای ضد بالیستیک، ماهواره ها، پوشش ضد انفجار برای هواپیماهای باربری، زره، محافظ ذخیره هیدروژن، الکترود،کاتالیستی، فیلتراسیون و رساناهای حرارتی و مایکروویو می باشد.

▪ نانوپلیمرهای متخلخل: نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکول‌های مواد آلاینده دارند، مناسب‌ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‌های آلی از آب و خاک به شمار می‌روند. به‌طور کلی کاربردهای زیست‌محیطی این نانو ساختارها عبارتند از:

۱) جداسازی آلاینده‌های آلی از آب آشامیدنی.

۲) تصفیه پساب‌های واحدهای صنعتی مانند نیروگاه‌های هسته‌ای برای استفاده مجدد از آنها.

۳) پاک‌سازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی.

۴) پاک‌سازی منابع ‌آب‌ زیرزمینی از آلاینده‌های آلی.

با توجه به این‌که نانوپلیمرهای متخلخل در موارد بسیار زیادی مورد استفاده قرار‌ می‌گیرند، بنابراین هزینه‌های تصفیه به مراتب کمتر می‌شود.

▪ کاتالیست‌های زیست‌محیطی: از زمینه‌های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به‌عنوان کاتالیزورهای زیست‌محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل‌ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران‌قیمت‌اند.

▪ پلیمرهای زیستی: از نانوساختارهائی مثل پلیمرهای زیستی می‌توان برای تولید تراشه‌های الکترونیکی استفاده کرد. برای مثال، مانیتورهای ساخته شده از لوله‌های اشعه کاتدی (که حاوی مواد سمی‌اند) است و راندمان بالاتری هم دارند. نمایشگرهای ساخته شده از کریستال مایع ضمن کوچک بودن حاوی سرب نیستند و مصرف انرژی آنها بسیار کمتر از انواع مشابه کاتدی است. علاوه بر این استفاده از نانولوله‌های کربنی در نمایشگرهای کامپیوتری به کاهش مصرف فلزات سنگین در آنها کمک می‌کند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می‌کاهد.

▪ نانو پوشش‌ها: پوشش‌های نانو ساختاری پیشرفته به‌خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می‌چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند، ویژگی‌های بارز این نانو پوشش‌گرها خاصیت ضد خوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیوم و منیزیم افزایش داده است. این نانو ذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل‌ها به‌کار می‌برند. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش‌داده شده را خیس نمی‌کند و به‌صورت قطراتی روی آن باقی می‌ماند و به‌سرعت زدوده می‌شود. این عمل فرآیند خشک شدن را سرعت می‌دهد. بدیهی است که مصرف مواد شوینده به‌شدت کاهش می‌یابد و از آلودگی محیط زیست جلوگیری به عمل می‌آید.

▪ نانو پودرها: این پودرها در فرآیندهای قالب‌گیری تزریقی و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوعی از پودرهای نانو ساختاری یاد شده که حاوی ذرات آلومینیوم است، در صورت افزوده شدن به سوخت‌های جامد موشک‌ها شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می‌دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و در نتیجه کاهش تولید آلاینده‌های مختلف می‌شود.

▪ کاربرد فن‌آوری نانو در تصفیه آلاینده‌های آب: یکــی از مهمتریــــن کاربـــردهای فــن‌آوری نانـــو در محیــط زیسـت، تصفیــه آلاینــده‌های آب‌هــای زیرزمینـــی بــا نانو ذرات است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد.

سلامت و ایمنی در محیط های کار با نانو مواد : فناوری نانو یک حوزه در حال رشد و گسترش می باشد. اما همراه با این گسترش و خلق فرصت های نو برای ایجاد صنایع، کاربردها و محصولات جدید ممکن است اثرات زیان آوری را بر سلامت انسان و محیط زیست تحمیل کند. در مقیاس نانو، خصوصیات مواد دستخوش تغییرات بسیاری می شود. به تبع این تغییرات، پیش بینی، شناسایی، ارزیابی و کنترل ریسک های بهداشتی، ایمنی و زیست محیطی ناشی از نانومواد نیز با چالش مواجه می شود.. نانوذرات، به دلیل اندازه کوچک و سطح زیاد، واکنش پذیری بسیار زیادی از خود نشان می دهند. همین خصوصیت سبب می شود تا نسبت به ذرات درشت تر ریسک حریق و انفجار بیشتری ایجاد نمایند. سال هاست که از نانوذرات مهندسی شده و مواد متخلخل انوساختار، به عنوان کاتالیست، برای افزایش سرعت واکنش ها یا کاهش دمای لازم برای واکنش گازها و مایعات به شکل موثری استفاده می شود. بسته به ترکیب و ساختار آنها، تعدادی از نانومواد ممکن است باعث واکنش های کاتالیستی اولیه و افزایش خطر آتش گرفتن و انفجار شوند که تنها با توجه به ترکیب شیمیایی آنها قابل پیش بینی نیست. نانوذرات، به علت داشتن سطح وسیع ویژه، ممکن است در زمان استفاده دارای الکتریسیته ساکن زیادی شوند، بطوریکه با پخش شدن در هوا ابر قابل انفجاری را تشکیل داده و می توانند خود به خود مشتعل شوند مانند: نانوپودر آهن.

بنابراین ضروری است کلیه مسئولین و مدیران محیط های کاری نانو، پس از انجام ارزیابی های لازم، جهت کنترل ریسک های بهداشتی و ایمنی نانومواد، اقدام های لازم را بعمل آورند .استاندارهایی برای اینکه فناوری نانو بتواند به ایجاد کنترل های اختصاصی و در نتیجه حفظ سلامتی و ایمنی کارکنان و محیط زیست در محیط های کاری نانو کمک کند، ایجاد شده است.این استانداردها در کلیه محیط های کاری نانو کاربرد داشته، می تواند توسط مدیران، متخصصان و کارکنان این محیط ها با هدف ایجاد محیط کار سالم، حفظ سلامت کارکنان، آموزش کارکنان، تهیه آئین نامه های کار اختصاصی و تهیه تجهیزات و امکانات ایمنی مورد نیاز به کار گرفته شود.

● نتیجه گیری

در سال های اخیر، پیشرفت های سریع علوم و فنون به ویژه در زمینه نانوتکنولوژی، تحولاتی بزرگ را در زمینه های پزشکی، کشاورزی، صنعت، محیط زیست و علوم پایه زیستی در پی داشته است . امروزه نقش نانوتکنولوژی در همه ابعاد روشن است، اما جنبه دیگر این توانمندی، خطرات احتمالی مرتبط با استفاده از محصولات فناوری نانو است که در صورت رعایت نکردن قوانین و مقررات خاص ایجاد می شود. بنابراین ضمن تاکید بر اهمیت فناوری نانو، لازم است آیین نامه هایی جهت انجام ایمن و سالم استفاده از محصولات نانو تهیه و تدوین شود تا بر اساس آن بتوان کنترل و نظارت بر کلیه فعالیت های نانوتکنولوژی را اعمال کرد. در واقع دولت ها موظفند علاوه بر تدوین استراتژی ملی و تصویب چارچوب سازمانی برای نانوتکنولوژی، شرایط قانونی تحقیق و توسعه را مشخص کنند. از این رو پیشنهاد می شود یکی از این زیرساخت های قانونی، قانون «ایمنی نانو» باشد. در واقع، ایمنی نانو به سیاست ها و روش های اتخاذ شده جهت اطمینان از کاربرد بی خطر محصولات نانو از نظر محیط زیست و سلامت انسان اطلاق می شود. از این رو تدوین این سیاست ها و قوانین امری ضروری به نظر می رسد.

سوسن فدایی

نویسندگان: سوسن فدایی کارشناس بهداشت عمومی

دکتر مسعود جوانبخت دکترای عمومی

امید مظاهری مهندس شیمی

منابع:

۱- Mogharebe M ، Shahrody M. The directions of research in nano. Echnology.Iran:Atna;۱۳۸۱.p ۲۳۵-۲۷۸.

۲- Antovan F ، Revolutionary technology world . Translators: Maleki Far A, Vahidy Motlagh V.Iran.Publisher: Nanotechnology Policy Studies Committee, Presidential Office Technology.

۳- Drelich J, Mineral and metallurgical processing. ۲۳. ۴(۲۰۰۶).p ۲۲۶-۲۳۲.

۴- Ducker W. A , Senden T. J , Pashley R. M . nature ۳۵۳.(۱۹۹۳).p ۲۳۹.

۵- http://frontpage.okstate.edu/nanotech/Reports/Review۲۰Papers/Review_Paper_Man si.pdf

۶- Wang S G, Zhang Q , Wang R, Yoon S.F. A novel multi-walled carbonnanotubes based biosensor glucosedetection . Biochemical and BiophysicalResearch Communication. (۲۰۰۳).p۳۱۱.