فناوری نانو و کاربردهای آن در صنعت تصفیه آب

به گزارش خبرگزاری کشاورزی و منابع طبیعی(IANN)/ استفاده از فناوری‌های نوین بویژه فناوری نانو در راستای کاهش آثار سوء آلودگی‌های زیست‌محیطی، به عنوان یکی از راهکارهای مدیریتی مطرح است. یکی از مواردی که این فناوری کاربرد خود را نمایان می‌سازد در ارتباط با منابع آب است که در نظر گرفتن چالش‌های پیش رو ضرورت استفاده از آن را پر رنگتر نموده است. فقدان دسترسی به آب تمیز و بهداشتی در کشورهای در حال توسعه، اولویت توسعه فناوری نانو را مطرح می‌کند. هواداران فناوری نانو اظهار می‌دارند که مواد با پایه فناوری نانو می‌توانند به فناوری‌های تصفیه آب ارزان قیمت‌تر، بادوام‌تر و موثرتری منجر شوند که نیازهای کشورهای در حال توسعه را برآورده می‌سازند. تعدادی از روش‌ها و دستگاه‌های تصفیه آب که با موادی در مقیاس نانو کار می‌کنند، اکنون بصورت تجاری در دسترس هستند و بقیه در حال توسعه هستند. این فرآوردها با پایه فناوری نانو شامل فیلترهای آب، غشاهای فیلتراسیون (تصفیه)، کاتالیزورها و ذرات نانو برای اصلاح آب‌های سطحی هستند.

آب یکی از ضروری‌ترین عناصر حیات بر روی زمین است و اگر چه بیش از ۷۰ درصد از سطح کره زمین با آب پوشیده شده است اما کم‌تر از ۳ درصد از آن آب شیرین است. از این مقدار ۷۹ درصد به قله‌های یخی تعلق دارد، ۲۰ درصد آن آب‌های زیر زمینی است که به راحتی قابل دسترسی نیست و فقط ۱ درصد آن شامل دریاچه‌ها و رودخانه‌ها و چاه‌ها است که به راحتی به دست می‌آید. در مجموع در هر زمان تنها یک ده هزارم ازکل آب‌های کره زمین به سادگی در دسترس انسان قرار دارد. در دسترس بودن آب سالم و پاک یکی از مهم‌ترین مسائل پیش روی بشر است و به تدریج که مقدار مصرف آب بیش‌تر می‌شود مواد آلاینده نیز به روش‌های گوناگون باعث آلوده کردن منابع آبی می‌گردند و این مسأله در آینده بحرانی‌تر خواهد شد.

مجمع عمومی سازمان ملل متحد برای افزایش آگاهی و ترغیب، برای ادارهی بهتر امور مربوط به آب و حراست بهتر از این منبع حیاتی، سال ۲۰۰۳ را سال بین‌المللی آب شیرین اعلام نمود. پذیرش حق برخورداری از آب به عنوان یک حق برای بشر ممکن است مهم‌ترین گام در بر طرف کردن دشواری، تأمین این بنیادیترین عنصر زندگی مردم باشد.

فناوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می‌گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. در نتیجه صنعت آب، به عنوان یکی از پایه‌های حیات، از این مسأله جدا نیست و در بخش‌های گوناگون آن، شامل ساخت سدها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب، شیرین‌سازی آب و غیره، فناوری نانو کاربرد یافته است.

امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیرساخت‌های ضعیف خالص‌سازی آب، به آب بهداشتی دسترسی ندارند. حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی دسترسی ندارند. روزانه پنج‌هزار کودک به علت مبتل شدن به امراض ناشی از مصرف آب غیر بهداشتی می‌میرند. تمام تلاش پژوهشگران این است که با کمک روش‌ها و فناوری‌های جدید بتوانند این مشکل‌ها را کاهش دهند. یکی از این فناوری‌ها، فناوری نانو است. در مجموع کاربردهای متعددی را می‌توان در زمینه استفاده از فناوری نانو متصور بود که اهم آن‌ها در ذیل آمده است:

۱- استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلاینده‌ها؛

۲- رنگ زدایی از آب آشامیدنی؛

۳- نمک‌زدایی از آب؛

۴- نانو پوشش‌ها؛

۵- نانو لوله‌های جاذب گازهای سمی؛

۶- نانو بسپارهای متخلخل؛

۷- استفاده از نانو ذرات در تصفیه پساب‌ها؛

۸- صافی‌های نانو؛

۹- حذف آرسنیک موجود در آب با استفاده از فنآوری نانو.

در ادامه نگاهی به کاربرد‌های این فناوری در صنعت آب خواهیم داشت.

برخی کابردهای فناوری نانو

در عرصه صنعت آب

فناوری نانو با روش‌های زیر می‌تواند در تهیه آب تمیز کمک کند:

۱- غشاهای صاف کننده نانومتری برای افزایش بازیابی آب؛

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

۳- نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتوکاتالیستی و شیمیایی؛

۴- نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع آلودگی آب.

در ادامه برخی موارد فوق توضیح داده می‌شود.

صافی‌های نانو: یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از صافی‌های نانویی در تصفیه آب و تصفیه پساب است. صافی‌های نانو می‌تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری‌های موجود در آب را حذف کند. غشای مورد استفاده در فرایند تصفیه کننده‌های نانویی معمولاً مولکول‌های بزرگ را دفع می‌کند و در مقایسه با روش‌های دیگر قادر است با صرف انرژی کم‌تر آب چاه‌ها یا آب‌های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کند.

این فرایند قادر است انواع باکتری‌ها، ویروس‌ها، آفتکش‌ها، آلاینده‌هایی با منشأ آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. از دیگر کاربردهای تصفیه‌کننده‌های نانویی می‌توان به حذف مواد شیمیایی که برای کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده‌اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آب‌های مصرفی، رنگ‌زدایی و حذف آلوده کننده‌ها و حذف نیترات‌ها اشاره کرد. نظر به این که در فرایند تصفیه‌کننده‌های نانویی از هیچ ماده شیمیایی برای سختی‌گیری آب استفاده نمی‌شود؛ بنابراین آثار منفی زیست‌محیطی آن به مراتب کم‌تر از روش‌های شیمیایی معمول است. روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است.

در تصفیه‌کننده‌های نانویی جدا‌سازی براساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد و فرآیندی فشاری است. در ضمن امکان استفاده آسان از روش‌های تصفیه را برای عموم فراهم می‌کند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می‌دهد.

نانولوله‌های کربنی لوله‌هایی در اندازه نانو از جنس کربن می‌توانند به‌طور یکنواخت ردیف شوند تا غشاهای دارای منافذ با مقیاس نانو تشکیل دهند. این غشاها می‌توانند آلاینده‌ها را حذف نمایند. منافذ با مقیاس نانویی این صافی‌ها نسبت به فناوری‌های تصفیه دیگر، انتخابی‌تر عمل می‌کنند. نانولوله‌های کربنی، مساحت سطح بالا، نفوذپذیری بالا و پایداری مکانیکی و گرمایی خوبی ‌دارند. نانولوله‌های کربنی یکی از سفت‌ترین مواد به شمار می‌آیند و در عین استحکام بالا بسیار انعطاف‌پذیر هستند. مقاومت یک نانو لوله نسبت به وزنش ۵۰۰ برابر آلومینیوم است. نانو لوله‌ها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالایی برخوردارند. نانو لوله‌های کربنی از لحاظ کاتالیزگری فعال هستند. نانو لوله‌ها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می‌توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند.

غشاهای نانولوله‌های کربنی می‌توانند به وسیله پوشاندن یک کاغذ سیلیکونی یا ذرات نانوی کاتالیزور فلزی ساخته شوند که سبب ایجاد نانو لوله‌های کربنی می‌شود که به‌صورت عمودی ردیف شده و به‌صورت فشرده بسته‌بندی می‌شوند. سپس، فضاهای بین نانوتیوب‌های کربنی می‌توانند با مواد سرامیکی پر شوند تا پایداری غشاء را افزایش دهند.

هنگامی که آلاینده‌های آلی آب‌گریز از طریق آب وارد خاک می‌شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیرمحلول در آب جذب و از آب جدا می‌شوند. پدیده جذب و دفع این‌گونه آلاینده‌ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است و به عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای گوناگون خاک برای جذب این ذرات بستگی

دارد.

هنگامی که بیش از یک مولکول آب گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول‌های آلاینده به جسمی متصل می‌شوند که از لحاظ شیمیایی بیش‌ترین شباهت را به آن‌ها داشته باشد. به همین دلیل نانو بسپار‌های متخلخل که شباهت زیادی به مولکول‌های مواد آلاینده دارند، مناسب‌ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‌های آلی از آب و خاک به‌شمار می‌روند.

به‌طور کلی کاربردهای زیست محیطی این نانوساختارها 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.

باتوجه به این که نانوبسپارهای متخلخل به کرات مورد استفاده قرار می‌گیرند، بنابراین هزینه‌های تصفیه به مراتب کم‌تر می‌شود.

اگرچه حسگرهای گوناگونی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند.

رنگ زدایی از آب آشامیدنی

رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشأ تولید‌تری هالومتان ۱ نیز باشند، خطرناک محسوب می‌شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان زا می‌شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی با جرم مولکولی ۸۰۰ تا ۵۰هزار گرم بر مول است. اسیدهای مذکور در اثر 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 این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد.

در آینده ایران جزو کشورهایی خواهد بود که بحران مصرف بالا و کم آبی را به دلیل افزایش جمعیت شهر نشین و خشکسالى سال‌هاى گذشته حدود ۲۰۰ هکتار از باغ‌ها، بیش از ۱۰ هزار هکتار از محصول چاى و ۲ هزار هکتار از باغ‌هاى موز سیستان و بلوچستان و باغ‌هاى کوهپایه آسیب جدى دید. استخراج بى رویه از آب‌هاى زیرزمینى و سفره‌هاى آبدار زیرزمین در شرایط کنونى یک موقعیت بحرانى دارد. درحال حاضر از ۶۱۲ دشت کشور، ۱۵۰ دشت جزو مناطق ممنوعه و بحرانى است.

با قبول این وضعیت، بخش بزرگى از مزارع در محدوده کویر قرار می‌گیرد و مشخص می‌شود خشکسالى یک واقعیت طبیعى و اقلیمى در کشور است. جمعیت کشور ما حدود یک درصد جمعیت جهان است ولى سهم ما از کل منابع آب شیرین در دنیا ۳۶ صدم درصد است. کشورهاى دیگر دنیا از ۴۵ درصد منابع آب مطلوب خود استفاده مى کنند. در کشور ما ۶۶ درصد آب مصرف مىشود. بیش از ۵۰ درصد ذخایر آب شیرین کشور، وابسته به منابع آب‌هاى زیرزمینى است که درحقیقت ما باید این منابع زیرزمینى را براى سال‌هاى خشکسالى نگهدارى می‌کردیم.

کارشناسان یکى از دلایل این بحران را ایجاد شهرک‌ها و گسترش بى‌رویه و برنامه‌ریزى نشده شهرها می‌دانند. از سویى ما در اقلیم خشک و کم آب قرار داریم. از سویى هم کره زمین درحال گرم شدن است و پدیده ال نینو یک به گرم شدن هوا در این نقطه از جهان کمک کرده است. بنابراین با نگاهی به مشکلات تأمین آب در ایران و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می‌توان از فناوری‌های نوین در این راه بهره جست.

این مهم در سایه انجام نیازسنجی و مطالعه دقیق اولیه تحقق می‌یابد. با توجه به این‌که در سال‌های اخیر، ایران در حال اوج‌گیری در زمینه پژوهش‌های نانو است، عقلانی به نظر می‌رسد که در سمت و سوی برنامه‌های کلان آب در کشور از فناوری نانو به عنوان یک پشتیبان قوی استفاده شود. آنچه از توانمندی‌های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می‌توان از این روش‌ها برای حفظ محیط زیست در آینده‌ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری‌های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت رسید.
منبع: سبزینه