کابردهای فناوری نانو در عرصه صنعت آب

 

کابردهای فناوری نانو در عرصه صنعت آب

فناوری نانو با روش های زیر می‌تواند در تهیه آب تمیز ، بهداشتی و قابل شرب کمک کند ؛

۱- غشاهای فیلتراسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب

۲- روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی

۳- نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتوکاتالیستی و شیمیایی

۴- نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب

بر اساس پیش بینی سازمان ملل در سال ۲۰۲۵ حدود ۴۸ کشور (یعنی ۳۲ درصد جمعیت جهان ) دچار کمبود آب آشامیدنی خواهند شد. در ارائه راه حل برای این مسئله ، فناوری نانو در دوعرصه می تواند مفید باشد:

۱ تولید نانو کامپوزیت ها و دخل و تصرف در ساختار آنها برای جداسازی بسیاری از منابع آلاینده آب که بعنوان نمونه پژوهشهای انجام شده در این عرصه حاکی از حذف فلزات سنگین از جمله جیوه،سرب و آرسنیک می باشد.

۲ تولید الکترودهای با مساحت سطحی بالا که از طریق کنار هم قرار دادن نانو لوله های کربنی و دیگر ابتکارات طراحی که رسانای الکتریکی شده اند و قادرند نسبت به تامین آب شرب از دریا با مصرف انرژی کمتر ( به میزان حداقل ۱۰ برابر کمتر از انرژی دستگاه اسمز معکوس و ۱۰۰ برابر کمتر از روش تقطیر ) آب دریا را نمک زدایی کنند.

الف ) حذف آرسنیک :

آرسنیک در اثر انحلال مواد معدنی موجود در سنگها و خاکهایی که تحت تاثیر عوامل فرساینده طبیعی قرار گرفته اند ؛ در لایه های زمین پخش می گردد. این ماده بی بو ، بی مزه و بسیار سمی و سرطان زا می باشد که استفاده دراز مدت از آب آلوده به آن باعث ایجاد سرطان های پوستی ، لنفاوی ، کلیوی ، صفرایی و ریوی می شود . حد مجاز آرسنیک مطابق استاندارد WHO برابر با ۱۰ میلی گرم در لیتر می باشد . بنابراین کاربرد فن آوریهای نوین برای حذف آین عنصر از آبهای آشامیدنی حائز اهمیت است که در زیر بطور مثال به دو نمونه اشاره می شود :

۱- اختراع جدید موسوم به ArsenXnp کارایی و راندمان بالایی در حذف آرسنیک نشان داده است . این اختراع در حقیقت یک رزین مبادله یونی است که در راستای تکمیل رزین های انتخابگر جهت تصفیه آبهای زیرزمینی از یون های نیترات ، پرکلرات و کروم شش ظرفیتی ساخته شده است. از مهمترین امتیازات ArsenXnp ؛ انتخابگری بالای آن برای یون آرسنیک است که پلیمرهای پایه آن برای دوام و بقا نیاز به شستشو ندارند. بعبارت دیگر این محصول عمر طولانی و کاربرد بسیار ساده ای دارد. این فن اوری علاوه بر حذف ارسنیک از اب اشامیدنی ، جهت حذف آرسنیک از پساب های صنایع نیمه هادی و آب های استفاده شده در برج های خنک کننده نیز کاربرد دارد.

۲- در تحقیقات اخیر دانشمندان ، برای حذف آرسنیک درون آب، از نانو ذرات اکسید روی استفاده شده است زیرا اکسید روی توده ای نمی تواند آرسنیک را حذف نماید ، در حالیکه نانو ذرات خواص کاتالیستی و جذبی مفیدی را از خود نشان داده اند. البته استفاده از آنها بطور صنعتی با مشکلاتی همراه بوده است به نحوی که این مواد در ستون آب یا به سادگی معلق می شوند و یا هر فیلتری را که در مسیر حرکت آنها قرار گرفته باشد مسدود می کنند. بنابراین روش های جدید برای ساخت توده های نانو ذره ای هم اندازه و هم شکل رشته های رزینی را پیدا کرده اند. محققین برای ایجاد این توده ها ، رزینهای تبادل کاتیون را با یون های روی پر کردند، سپس آنها را سوزاندند ؛ در نتیجه گوی هایی از نانو ذرات کروی دی اکسید روی با قابلیت بالای حذف آرسنیک بوجود آمدند. این فرآیند همچنین می تواند برای ایجاد توده های نانو ذرات سولفید فلزی و اکسید فلزی به منظور استفاده در کاربردهای کاتالیستی ، تصفیه آب و رفع آلودگی ها به کار رود.

ب ) حذف ذرات :

نانو فیلتراسیون

نانو فیلتراسیون یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو است که امکان جداسازی ذرات از آب در مقیاس نانو و تولید آب تصفیه شده در حجم انبوه را فراهم می سازد. در این روش غشای موجود ، دو فاز همگن را از هم جدا نگه می دارد و با جلوگیری از عبور ناخالصی ها , به صورت انتخابی سبب خالص سازی آب می گردد. برای رسیدن به این مقصود نیازمند استفاده از نیروی جلو برنده ای هستیم ،که این نیرو می تواند اختلاف فشار ، اختلاف دما ، اختلاف غلظت ، و یا حتی اختلاف پتانسیل باشد .

با استفاده از نانوفیلترها ، مواد معدنی لازم برای سلامتی انسان، در آب باقی می ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می شود. با توجه با اینکه پنجاه درصد آبهای زیرزمینی و هفتاد و هشت درصد آب رودخانه ها در مناطق شهری ، غیر قابل شرب است ، کاربرد این فناوری برای تصفیه آب ، طرفداران زیادی دارد. تحقیقات در چین نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانو فیلترها در مدت طولانی ؛ شیوع بیماریهای قلبی و عروقی و سرطان به ترتیب چهل و بیست درصد کاهش یافته است. شمای کلی این روش در شکل روبرو نشان داده شده است.در این روش چهار نوع مختلف

غشا قابل ذکر است:

میکرو فیلترها ، اولترافیلترها، نانوفیلترها ، فیلترهای اسمز معکوس

 

نوع خاصی از این فیلترها که در شرایط نظامی برای حذف آلودگی های شیمیایی از آب بکار میرود، تقریبا مانند قاب نگهدارنده CD با قطر ۵ اینچ و ضخامت یک اینچ است. آب از طریق یک لوله از پایین وارد فیلتر از جنس نانو لوله های کربنی و پس از تصفیه توسط یک لوله دیگر از بالا خارج می شود.این نانو فیلترها قادرند از عبور ذرات کوچک مولکولهای گاز نیز در حملات شیمیایی در جنگ ها ممانعت نمایند.

به کمک فناوری جدید در فیلترهای هوشمند ، هر مولکول نسبت به محیط اطراف خود واکنش نشان داده و با مولکولهای دیگر ارتباط برقرار کرده و تبادل اطلاعات می نمایند که در مجموع نتیجه دلخواه بدست می آید.(تقریبا حدود ۶۵٪ از بازار مصرف نانوفیلتراسیون مربوط به شیرین کردن آب می باشد.)

ج ) حذف رنگ :

رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید زدوده شود ، بلکه چون این رنگ ها می توانند منشاء تولید تری هالو متانها مانند (CHCl3) نیز باشند ، خطرناک محسوب میشوند . این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان زا می شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولا ناشی از وجود اسیدهای معدنی با جرم مولکولی۸۰۰ – ۵۰۰۰۰ gr/mol است . اسیدهای مذکور در اثر تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می شوند. اغلب روشهای متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند ، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می توان تا ۹۹ درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد.

د ) حذف نیترات :

استفاده از ۴ gr/lit نانوذرات آهن با قطر ۱۰-۱۰۰ nm ( متوسط ۲۵ نانومتر ) و سطح ویژه۰/۳۱ m2/gr در حذف نیترات از محیط های آبی ، راندومان حذف بسیار بالایی داشته بطوریکه غلظت های اولیه ۳۰۰-۵۰ میلی گرم بر لیتر در طی ۳ ساعت به ۵- ۴ میلی گرم بر لیتر رسیده است. در این فرآیندpHبعنوان پارامتری اساسی ، احیاء نیترات را کنترل کرده بطوریکه در pH<4/5 طی ۳ ساعت تغییری در غلظت نیترات مشاهده نشده است . کنترل pH با تزریق اسید در طی واکنش در محدوده ۴-۲ باعث افزایش سرعت و راندومان واکنش میشود.

هـ ) حذف فلزات سنگین و مواد آلی :

نانو ذرات TiO2 برای اکسید کردن آلاینده های آلی و به صورت دامهای نانو مقیاس برای جذب فلزات سنگین در مکان های آلوده مورد استفاده قرار می گیرند. در حالات ذکر شده این ذرات می توانند عامل اکساینده باشند و تولید آب یا دی اکسید کربن می کنند. مطالعات اخیر نشان می دهد که از TiO2 در مقیاس نانو می توان برای رفع آلاینده ها ؛ ویروس ها و مواد شیمیایی آلی خطرناک استفاده کرد. ذرات نانو با سطوح مناسب ( لیگاندها و معرف ها ) می توانند برای جداسازی فلزات سنگین و برای غیر فعال کردن سطوح آلوده استفاده شوند. بدیهی است که فرآیندهای شیمیایی با کارایی بالاتر مواد آلاینده و ضایعات کمتری تولید می کنند.

دیگر ساختارها و کاربردهای نانو تکنولوژی در تصفیه آب :

با گسترش فناوری نانو ، نانو مواد ، نانو کاتالیست ها و نانو ذرات جدیدی گسترش یافته اند که در تصفیه آب دارای بازدهی بالاتری بوده و می توانند به طور موثرتری مواد آلاینده را از آب حذف کنند .بسیاری از این تکنولوِژی ها همچنان بعلت نو ظهور بودن در مراحل تحقیقاتی بوده و به نظر می رسد ،با تکمیل اطلاعات مورد نیاز امکان استفاده از آنها در آینده میسر خواهد شد.

زئولیت ها :

زئولیت ها سال هاست که مورد استفاده قرار دارند ، ولی امروزه با کنترل اندازه ذرات تشکیل دهنده غشاء و ایجاد غشاهایی همگن از این مواد ، امکان بالا بردن بازدهی فراهم شده است.

زئولیت ها کریستالهای جامدی هستند که روزنه هایی در ابعاد میکرو دارند و معمولا از سیلیکون ، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده اند و در یک قاب قرار گرفته اند. این مواد بصورت کانی های طبیعی وجود دارند . که با هزینه های بالا بدست می آیند ، نوع دیگر آنها به صورت مصنوعی ساخته شده که برای مقاصد خاص مورد استفاده قرار می گیرند. زئولیت ها قادر به حذف مواد آلی خطرناک و همچنین یون های فلزات سنگین از آب میباشند.

پلیمرها :

نوع جدیدی از مواد پلیمری ساخته شده که قادر به کاهش غلظت آلاینده های آلی رایج در آب تا حد ppt می باشند . در ساخت این پلیمرها اندازه های روزنه ها در حدود nm102-507 کنترل شده اند. قدرت حذف مواد آلی با این روش تا ۱۰۰۰۰۰ برابر کربن فعال ( که در حال حاضر برای این مقصود مورد استفاده قرار می گیرد ) بیشتر است. این روش می تواند برای تهیه آب تصفیه شهرها و یا دوباره در چرخه قرار دادن آبهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.

نمک زدایی :

خروج نمک های محلول در آب توسط غشا و یا حرارت را نمک زدایی گویند. در عملیات حرارتی و یا به روش سنتی ابتدا آب را می جوشانند و پس از دوباره متراکم و سرد کردن بخار ، آب حاصل، نسبتا خالی از نمک ها می باشد.در عملیات غشایی با استفاده از نیروی جلوبرنده ، مانند ایجاد اختلاط ، و یا فشار میتوانیم آب تصفیه شده را از آب خام ورودی بدست آوریم. همانطوریکه در معرفی غشاها گفته شد فیلترهای RO (فیلتر های اسمز معکوس) ، تمام نمکهای حل شده در آب را حذف می کنند ، در حالیکه فیلترهای NF یا همان نانو فبلتر ها با ایجاد حالت انتخابی در جذب مواد به ما ، حق انتخاب بیشتری در تولید آب با کیفیت مورد نظر را می دهند.

مهمترین عامل عدم رشد نمک زدایی ، قیمت بالای تهیه آب با استفاده از این فرآیند می باشد. با استفاده از نانو تکنولوژی انتظار می رود قیمت تمام شده آب حاصل از نمک زدایی پایین آید تا امکان استفاده از این روش فراهم گردد.

باید در نظر داشت که یک سوم هزینه های مورد نیاز این فرایند صرف انرژی لازم برای عبور از غشا می شود. به منظور کاهش برخی از این هزینه ها باید از غشاهایی کار گرفت که با استفاده از ایجاد فشار در دو مرحله ، به نوعی باعث کاهش کلی فشار مورد نیاز و در نتیجه کاهش هزینه های جاری شد. آنچه که در بهره برداری هرچه بهتر از این روش مسلم است ؛ نیاز کنونی جوامع امروزی باید به دنبال تولید غشاهایی توسعه یابد که دارای طول عمر بیشتری بوده و برای تولید به انرژی کمتری نیاز داشته باشند.

نانو ذرات مغناطیسی در تصفیه آب :

این مواد بدین جهت توسعه یافته اند که توانایی حذف آلودگی های فلزی و ترکیبات آلی را دارند.

به نظر می رسد این شاخه از علم نانو برای از میان برداشتن آلاینده های آلی و حذف نمک ها و فلزات سنگین بسیار مناسب باشد.

طی تحقیقاتی ، با پوشش دادن نانو ذرات SPM بر روی پلیمرها به ترکیبی دست یافته شد، که میتواند در سطح وسیعی کاربرد داشته باشد ، به دلیل اندازه این ذرات و میل ترکیبی بسیار بالا ، آنها قادر به حذف تقریباً ۱۰۰٪ عوامل آلودگی از آبها هستند. اندازه ذرات در این فناوری در بین nm 15- 20 است که برای جداسازی مغناطیسی اندازه مناسبی است. این نانو ذرات مغناطیسی به همان خوبی کانی های آهنی قادر به جذب آرسنیک و حذف آن از آب هستند .در پایان ،این تحقیقات نشان داده که نانو ذرات مغناطیسی در جذب آرسنیک بسیار موثر واقع شده اند. مخصوصاً اینکه در pH های پایین هم کاریی بهتری دارند.

کاربرد نانو تکنولوژی در تصفیه فاضلاب های شهری و صنعتی :

با توجه به مسئله بحران آب که امروزه یکی از مشکلات اساسی اکثر کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است . بی شک با توجهی دوباره به منابع آب آلوده شده ، می توان به مقابله با این بحران پرداخت . تصفیه فاضلاب خانگی و نیز پسابهای صنعتی از دیرباز مورد توجه بشر قرار گرفته است ولی آنچه که فناوری نانو میتواند در اختیار دهد ، بهبود کیفیت فاضلاب تصفیه شده برای استفاده مجدد در کشاورزی ، کشت آبی ، مصارف صنعتی یا حتی شرب و شستشو می باشد . البته در زمینه پیشگیری و تشخیص آلودگی بکمک فناوری نانو نیز تحقیقاتی بعمل آمده که در زیر بطور خلاصه به آن اشاره میشود :

الف ) ردیابی و ارزیابی آلودگی :

نانو تیوپ های کربنی ، ساختارهای حلقوی تو خالی متشکل از اتم های کربن هستند که می توانند به شکل یک یا چند دیواره آرایش یابند و دارای خواص فلزی یا شبه رسانایی نیز باشند. تحقیقات و پیشرفت های وسیعی در سطح جهان برای شناسایی کاربردهای نانو تیوپ های کربنی برای مصارف صنعتی در حال انجام است و اخیرا قابلیت استفاده از آنها در کاربردهای زیست محیطی نیز مطرح شده است . نانو تیوپ های کربنی را می توان برای ردیابی آلودگی و نیز ارزیابی احتمالی آلاینده های آبی و جمع آوری و ارائه اطلاعات مربوط به آلاینده های محیط زیست بکار برد. از آنجا که نانو تیوپ ها مولکولهای غیر قطبی کربن خالص می باشند ، با حل شدن در بعضی حلال های آلی می توانند براحتی توسط گروه های عملکردی متفاوت جهت جفت کردن واکنش و حلالیت آلاینده مشخص ، تغییر حالت پیدا کنند و در نتیجه عمل ردیابی آلودگی را امکانپذیر سازند.

ب ) حذف آلاینده های آلی با استفاده از نانو ذرات TiO2 :

همانطوریکه قبلا هم گفته شد ، نانو ذرات TiO2 از مهمترین کاتالیست هایی هستند که برای حذف آلودگی های ناشی از مواد آلی موجود در آب های آلوده به مواد نفتی و نیز پساب های صنعتی کاربرد دارند . بدین ترتیب که نانو ذراتTiO2 را روی ، زیر لایه های مناسبی پوشش می دهند و در حوضچه های تحت تابش نور فرابنفش قرار می دهند . در اثر تابش نور فرا بنفش ، ماده خاصیت اکسید کنندگی پیدا کرده و مواد آلی را به آب و دی اکسید کربن تبدیل و برخی اسیدهای معدنی را تجزیه می کند. با توجه به آزمایشات بعمل آمده ، پساب آلوده به مواد نفتی بعد از ۷ روز کاملا تجزیه شده است. البته برای بهبود اثر بخشی نانو ذرات اکسید تیتانیم میتوان از Fe و Er نیز استفاده کرد ، که بر اثر این تلقیح عمل اکسایش تحت تابش هایی با طول موج بلندتر و بطور ویژه در ناحیه قابل مرئی انجام می شود.

تولیدات شرکت آب پاک سازان در زمینه :

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

آیا مایل به ثبت دیدگاه خود می باشید؟
شما می توانید اطلاعات تان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *