میثم راستگو

عمران

کاربرد نانو فناوری در صنعت آب و فاضلاب
نویسنده : میثم راستگو - ساعت ۱۱:٤٢ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٠/۱۱/٦

با پیشرفت تکنولوژی شاهد تغییرات جدی در تمام موضوعات هستیم. همانطور که میدانید سیستم تصفیه آب و فاضلاب در کشور ما کاملاً قدیمی است به طوری که از جانب کشورهای پیشرفته به طور کلی منسوخ شده. با پیشرفت تکنولوژی و فعالیت بیش از پیش مهندسان در چند سال اخیر دیری نیست که شاهد پیشرفت های زیادی در زمینه ی آب و فاضلاب خواهیم بود.

افزایش جمعیت جهان و کاهش منابع آب آشامیدنی ، نگرانی هایی را در باره تامین آب آشامیدنی مورد نیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب که در نتیجه افزایش آلودگی های زیست محیطی شدت پیدا می کند ، سبب شده است تامین آب بهداشتی مورد نیاز مردم به یکی از مشکلات اساسی جهان امروز تبدیل شود.




امراض:

ناشی از آلودگی منابع آب ، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شاید ده ها هزار نفر از مردم جهان می شود . این در حالی است که امکان بازیافت آب دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد . امروزه به کمک فناوری های نوین الکتریکی و مکانیکی ، به آسانی می توان آب آلوده را درکشاورزی و حتی مصارف خانگی استفاده کرد . استفاده از *****های نانومتری ، تحول عظیمی را در بازیافت و استفاده مجدد از منابع آب ایجاد کرده است. 
*****های فیزیکی با منافذی درحد نانومتر می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحدهای کوچک پروتئینی را به صورت کامل و صد درصد غربال کنند؛ همچنین با استفاده از جداکننده های الکتریکی که به وسیله صفحات ابرخازن یون ها را جذب می کنند ، می توان نمک و مواد سنگین را نیز از آب جدا کرد. 
بررسی فعالیت های پژوهشی در سطح دنیا نشان می دهد که تصفیه آب یکی از مهم ترین زمینه های کاربرد فناوری نانو در صنعت آب است و با بهره گیری از آن ، هزینه های تصفیه آب به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت . استفاده از *****های نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم های موجود و کاربرد نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع و کامل آلودگی آب از مهم ترین موارد کاربرد نانو فناوری در صنعت آب و فاضلاب است .

نانوها:

با استفاده از فناوری های نوین تولید آب نانو***** شده در مقیاس انبوه امکان پذیر خواهد شد . این روش می تواند بسیاری از موانع و مشکلات موجود در روش های قبلی را ازمیان بردارد . با استفاده از نانو*****ها ، مواد معدنی مورد نیاز برای سلامت انسان در آب باقی می ماند ومواد سمی و مضر از آن حذف می شود . دانشمندان و محققان به روش ساده ای برای تولید *****ها با استفاده از نانولوله های کربنی دست یافته اند که علاوه بر حذف موثر آلاینده ها در مقیاس نانو و میکرو از منابع آب می تواند هیدروکربن های سنگین را نیز از نفت خام جدا کند. استفاده از نانولوله های کربنی در ساخت *****ها سبب سهولت در پاکسازی ، افزایش استحکام ، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می شود . این *****ها از دقت بسیار زیادی برخوردارند و می توانند ویروس هایی به اندازه 25 نانومتر را بخوبی عوامل بیماری زای بزرگتر مانند باکتری ای – کولای از آب حذف کنند . کاهش هزینه ها و همچنین کنترل مقدار آلاینده ها در آب تصفیه شده از دیگر مزایای کاربرد این روش به شمار می آید .

شیرین کننده هایی از جنس غشای نانومتری :

محققان توانسته اند عشاهایی از نانولوله های کربی بسازند که به کمک آن جداسازی گاز و مایع با کمترین هزینه امکان پذیر خواهد شد . امروزه بیشتر غشاها از مواد پلیمری ساخته می شوند که در دمای بالا مشکلاتی را به وجود می آورند .در این نوع غشاها نمی توان توازن مناسبی را میان ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار کرد. استفاده ازنانولوله های کربنی امکان انتخاب پذیری مناسب در ورودی های بالا را فراهم می کند .غشاهای جدید باحفره های کوچک تر و متراکم تر وهمچنین امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره ، از نظر گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای دیگر بسیار موثرتر هستند و کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند .از روش جداسازی غشایی ، در شیرین سازی آب استفاده می شود . در این روش آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشای دارای حفرات ریز موسوم به نانو حفره می ریزند . این حفره ها آنقدر کوچک هستندکه فقط بخار می تواند از میان آنها عبور کند و آب ، مایع ، نمک هاو مواد معدنی دیگر در پشت غشا باقی می مانند. در طرف دیگر غشاء محفظه هایی از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن دوباره به مایع تبدیل می شود.

تصفیه آب به کمک نانوذرات: 

نانوذرات لانتانیوم ، فسفات را از محیط های آبی جذب می کند .کاربرد این نانوذرات درحوضچه ها و استخرهای شنا می تواند به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد جلبک ها جلوگیری کند .نانوپودرها نیز میتوانند به عنوان مواد مناسبی برای پاکسازی خاک های آلوده و آب های زیرزمینی به کار روند ؛ همچنین نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده می شود و آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین تبدیل می کند .ارسنیک از آلاینده های بسیار سمی است که به طور طبیعی با پساب های انسانی سبب آلودگی آب می شود .مصرف این ماده سبب افزایش شیوع سرطان مثانه و روده می شود .آمار مسمومیت با ارسنیک در سطح جهان بسیار زیاد است و در بسیاری از کشورهای درحال توسعه که بیش از 10 تا20 درصد جمعیت آنها به مسمومیت ارسنیک مبتلا شده اند ، چنین اتفاقی یک فاجعه بهداشتی به شمار می آید . بیشتر آلایندگی های ناشی از ارسنیک در کشورهای جهان سوم گزارش شده است و به همین دلیل این کشورها بشدت نیازمند فناوری های نوین هستند تا به کمک آن بتوان آلاینده های فلزی سنگین مانند ارسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد . در روش های جدید از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستم های تصفیه آب استفاده می شود سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب ارسنیک دارند. بلکه با انتخاب اندازه متناسب می توان براحتی این ذرات مغناطیسی را که به کمک روش های جداسازی مغناطیسی از آب جداکرد. درحقیقت نانوذرات درجذب ارسنیک همانندتوده آهنی عمل می کنند. درواقع نه تنها ظرفیت جذب ارسنیک در نانوذرات بالاتر است بلکه به محض قرار گرفتن ارسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن از این ذرات بسختی انجام خواهد شد. با توجه به نتایج به دست آمده از بررسی ها و تحقیقات انجام شده در این زمینه میتوان گفت نانوذرات مغناطیسی ، جاذب های بسیار خوبی برای آلاینده ارسنیک بویژه در آب های اسیدی هستند وخاصیت جذبی غیر قابل بازگشت این ذرات ، مخزن مناسبی برای جمع آوری آلاینده ها فراهم می کند .

تصفیه فاضلاب :

محققان به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت ، کیفیت آب را در مقایسه با روش هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ، به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد . آخرین مرحله تصفیه آب ، حذف موجودات زنده بسیار ریز است در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی کننده استفاده می شود . اما در این صورت حتی پس از تصفیه نیز ترکیبات ارگانیک زیادی در آب وجود خواهد داشت . کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می کند . اما با آلاینده های ارگانیک واکنش می دهد و محصولات جانبی تجزیه ناپذیر و سمی تولید می کند که نمی توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیط زیست و استفاده از آنها در کشاورزی وصنایع دیگر میتواند مشکلات بهداشتی خطرناکی ایجاد کند . 
تصفیه فاضلاب به کمک نانو کاتالیزور نوری می تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضدعفونی با کلر شود تا موجودات زنده و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند . به طور طبیعی موجودات زنده ریز ، ترکیبات ارگانیک بزرگ را به ذرات کوچک تری تبدیل می کنند. اما از آنجاییکه این ترکیبات از نظر زیستی تجزیه ناپذیرند برای تجزیه آنها باید از نوع انرژی استفاده کنیم . این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید تامین شده و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرا رمی گیرد . انرژی آزاده شده از واکنش سلول کاتالیزور نوری می تواند موجودات زنده ریز را از میان برده و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه کند . این فرآیند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. ذرات کاتالیزوری یا بصورت همگن در محلول پراکنده می شوند یا به صورت ساختارهای غشایی رسوب داده شده هستندکه تجزیه شیمیایی آلاینده ها را امکان پذیر می کنند . با توجه به کاربردها و قابلیت های فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب بسیاری از شرکت ها از این فناوری در تصفیه آب و فاضلاب استفاده می کنند وبه همین دلیل امروزه استفاده از محصولات و تولیدات بر پایه فناوری نانو افزایش یافته است . این محصولات اغلب شامل نانو *****ها وانواع حسگرهایی است که به منظور تشخیص مواد و ذرات موجود در آب مورد استفاده قرار می گیرند.

تصفیه پساب های صنعتی: 

پساب های صنعتی صنایع شوینده ، حاوی اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است . که باید در فرآیندهای تصفیه از آب جدا شوند . یکی از دیگر موادی که در پساب های صنعتی یافت می شود مواد نامحلول روغنی است . حضور این مواد فرآیند تصفیه آب را با مشکل مواجه می کند .یکی از روش های اقتصادی برای تصفیه این مواد ، استفاده از سیستم های ترکیبی حاوی میکرو*****ها و نانو *****هاست . در این سیستم برای حذف ذرات معلق مانند روغن ها و گریس ها از میکرو*****ها و برای حذف پاک کننده ها از نانو *****ها استفاده می شود .


جیوه زدایی:


محققان آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست آمریکا، از سرامیک‌های نانوحفره‌ای که با تک‌لایه‌های تیول (SH)، عامل‌دار شده بودند، برای جیوه‌زدایی از آب استفاده کردند. تک‌لایه‌های خودسامان تیول بر روی سیلیکای میان‌حفره‌ای (Thiol-SAMMS) می‌توانند کاربردهایی در تصفیه فاضلاب نیروگاه‌های زغال‌سنگی داشته ‌باشند. این نیروگاه‌ها از منابع اصلی آلودگی جیوه به شمار می‌روند. محققان زیرلایه‌‌ای از جنس سیلیکای میان‌حفره‌ای را با میانگین اندازه حفرات 5.6 نانومتر و سطح ویژه 900 m2/g به‌کار بردند. آنها با افزودن تک‌لایه‌ای از تیول‌های قلیایی به حفرات این سرامیک، آن را فعال ساختند. دسترسی به یک فناوری برای حذف جیوه که علاوه بر انتخاب‌گری، ظرفیت جذب بالا و سینتیک جذب مناسب، منجر به تولید پسماندی پایدار گردد، یکی از نیازهای فوری در زمینه تصفیه جیوه است. نه‌تنها کارایی روش‌های متعارف حذف جیوه، پایین‌تر از این روش است؛ بلکه این روش‌ها منجر به تولید مقادیر زیادی پسماند می‌شوند. ماده جدید علاوه بر پاکسازی فاضلاب نیروگاه‌های زغال‌سنگی می‌تواند در تصفیه پسماندهای رادیواکتیو، تولید باتری و مصارف دندانپزشکی نیز به‌کار رود.



comment نظرات ()