کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب

چالش های مهم در وضعیت جهانی آب که عمدتاً ناشی از رشد جمعیت در سراسر جهان و تغییرات آب و هوایی است، به فناوری های نوین تصفیه آب نیاز دارد تا از تامین آب آشامیدنی سالم اطمینان حاصل شود و آلودگی های آب کاهش یابد. انطباق فناوری نانو در تصفیه آب با فرآیند تصفیه آب سنتی فرصت های جدیدی را در پیشرفت های فناوری برای فرآیندهای مورد استفاده در تصفیه آب و فاضلاب پیشرفته ارائه می دهد. در این مقاله مروری بر پیشرفت های اخیر در فناوری نانو برای فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب، از جمله مواد مبتنی بر نانو مانند نانوجاذب ها، نانوفلزات، نانوغشاها ارائه می شود. خواص مفید این مواد در تصفیه فاضلاب  و آب بسیار چشمگیر است اما دارای محدودیت هایی در مقایسه با روش های سنتی می باشند.

توسعه بلندمدت وضعیت جهانی آب ارتباط نزدیکی با رشد جمعیت جهان و تغییرات آب و هوایی جهانی دارد. رشد دائمی جمعیت جهان که پیش بینی می شود از 3.4 میلیارد نفر در سال 2009 به 6.3 میلیارد نفر در سال 2050 افزایش یابد (تقریباً دو برابر شود). طبق این پیش بینی آب مورد نیاز در بخش کشاورزی نیز با رشد 70 درصدی تا سال 2050 همراه خواهد بود. بنابراین، تقاضا برای آب شیرین رشد چشمگیری، به ویژه برای تولید مواد غذایی خواهد داشت. در حال حاضر 70 درصد از برداشت های آب شیرین جهان توسط بخش کشاورزی مصرف می شود. در حال حاضر سالانه 64 میلیارد متر مکعب آب شیرین مورد استفاده قرار می گیرد که با توجه محدودیت منابع آب شیرین رقم قابل توجهی می باشد.

مناطق خشک شمال آفریقا و تقریباً نیمی از کشورهای اروپایی (تقریباً 70 درصد جمعیت) با کمبود آب مواجه هستند. حتی کشورهای صنعتی مانند ایالات متحده آمریکا با استفاده از فناوری های بسیار نوآورانه مانند پکیج تصفیه فاضلاب انسانی، در تامین آب آشامیدنی با دشواری هایی مواجه هستند زیرا میزان آب مصرفی بیشتر از میزان آب تصفیه شده تولیدی می باشد. در کشور چین، 550 شهر از 600 شهر بزرگ از کمبود آب رنج می برند، زیرا بزرگترین رودخانه ها به قدری آلوده شده اند که حتی برای استفاده جهت آبیاری گیاهان نیز مناسب نیست و باید تصفیه شود.

نانومواد و فیلتراسیون آب

فرآیندهای غشایی جزء کلیدی فن آوری های پیشرفته تصفیه و نمک زدایی آب در نظر گرفته می شوند و نانومواد مانند نانولوله های کربنی، نانوذرات و دندریمرها به توسعه فرآیندهای تصفیه آب کارآمدتر و مقرون به صرفه تر کمک می کنند. شرکت آرکا گستر یکی از برترین های ارائه دهنده انواع خدمات تصفیه فاضلاب و پاکسازی آب است به کمک فناوری نانو مواد اینکار را انجام میدهند.

دو نوع غشای فناوری نانو وجود دارد که عبارتند از:

• فیلترهای نانوساختار، که در آن ها نانولوله های کربنی یا آرایه های نانومورگ پایه ای را برای نانوفیلتراسیون فراهم می کنند.
• غشاهای نانو واکنشگر، که در آن نانوذرات دارای عملکرد تعیین شده به فرآیند فیلتراسیون کمک می کنند.

محققان همچنین خاطرنشان کردند که پیشرفت های شیمی ماکرومولکولی مانند سنتز پلیمرهای دندریتیک فرصت هایی برای پالایش و همچنین توسعه فرآیندهای فیلتراسیون مؤثر برای تصفیه آب آلوده به املاح آلی مختلف و آنیون های معدنی فراهم کرده است.

مهمترین کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب آشامیدنی

حذف آرسنیک

آرسنیک ماده ای بسیار سمی و سرطان زا می باشد که بدون بو و مزه می باشد. استفاده طولانی مدت از آب آلوده به می تواند موجب ایجاد سرطان های پوستی، ریوی، کلیوی و لنفاوی شود. طبق استانداردهای سازمان جهانی بهداشت مقدار مجاز برای آرسنیک در آب برابر با 10 میلی گرم در لیتر می باشد. بنابراین حذف این ماده خطرناک از آب آشامیدنی جزو ضروریات به شمار می رود که برای حذف آن می توان از فناوری های نوین موجود استفاده نمود. در ادامه به توضیح دو نمونه از روش های مورد استفاده برای این منظور می پردازیم :

طبق آخرین تحقیقات دانشمندان جهت حذف آرسنیک از آب، از نانو ذرات اکسید روی برای این منظور استفاده نموده اند. این در حالی است که اکسید روی به صورت توده ای قادر به حذف آرسنیک نیست اما نانو ذرات آن خاصیت کاتالیستی و جذبی خوبی از خود نمایش داده اند. استفاده از این نانو ذرات به صورت صنعتی با مشکلاتی همراه بوده است به گونه ای که این نانو مواد به راحتی در آب معلق می شوند و باعث گرفتگی و مسدود شدن فیلترها می شوند. برای حل این مشکل محققان رزین های تبادل کاتیون را با یون های روی پرکرده و آن ها را سوزاندند. در نتیجه گوی هایی از جنس دی اکسید روی به دست آوردند که در حذف آرسنیک بسیار موثر عمل می نمایند.

نانوفیلتراسیون

نانوفیلتراسیون به عنوان یکی از مهمترین استفاده های فن آوری نانو محسوب می شود که امکان فیلتر ذرات از آب در مقیاس نانو را فراهم می سازد و در نتیجه می توان از آن در تصفیه حجم انبوهی از آب مورد استفاده قرار داد. در روش نانوفیلتراسیون غشای موجود با جلوگیری از عبور ناخالصی ها سبب جداسازی مواد آلاینده از آب می شود. برای دستیابی به این منظور نیازمند استفاده از نیروی جلوبرنده هستیم که این نیرو می تواند اختلاف دما، اختلاف غلظت، اختلاف فشار و یا اختلاف پتانسیل باشد.

با استفاده از نانوفیلترها مواد و املاح مورد نیاز بدن از آب حذف نمی شود و فقط مواد مضر و سمی از آب حذف می شود. با اینکه درصد بالایی از آب های زیرزمینی و آب رودخانه ها دارای آلودگی هایی می باشند که آن ها را غیر قابل شرب و استفاده می نمایند لذا با استفاده از روش نانوفیلتراسیون می توان این آب ها را تصفیه و مورد استفاده قرار داد. طبق تحقیقات انجام شده در این باره، استفاده از آب تصفیه شده توسط روش نانوفیلتراسیون می تواند در طولانی مدت به میزان قابل توجهی از شیوع بیماری های قلبی و عروقی و حتی سرطان جلوگیری نماید.

حذف نیترات

با استفاده از نانو ذرات آهن امکان حذف نیترات از آب با راندمان بالا فراهم می باشد اما با محدودیت هایی نیز همراه است. در شرایط ایده آل و زمانیکه غلظت نیترات در آب بین 50 تا 300 میلی گرم بر لیتر باشد در طول مدت 3 ساعت و با استفاده از نانو ذرات آهن می توان غلظت نیترات را به 4 تا 5 میلی گرم بر لیتر کاهش داد. در طی این فرآیند PH آب به عنوان عاملی تعیین کننده در میزان تاثیر نانو ذرات آهن در حذف نیترات به حساب می آید بطوریکه در طی یک آزمایش در آب با PH کمتر از 4 و در طول مدت 3 ساعت هیچ تغییری در غلظت نیترات آب مشاهده نشده است. با تزریق اسید به آب و کاهش PH به محدوده 2 تا 4 راندمان فرآیند به میزان زیادی افزایش می یابد.

حذف فلزات سنگین

نانوذرات TiO2 برای اکسید نمودن آلودگی های ناشی از مواد آلی و همچنین حذف فلزات سنگین از آب مورد استفاده قرار می گیرد. این نانو ذرات در هنگام واکنش به عنوان عامل اکساینده عمل می نمایند و تولید آب یا دی اکسید کربن می نمایند. طبق مطالعات اخیر پژوهشگران از نانو ذرات TiO2 می توان جهت حذف عوامل آلاینده مانند ویروس ها، باکتری ها و مواد شیمیایی آلی خطرناک استفاده نمود. ذرات نانو با سطوح مناسب می توانند در جداسازی فلزات سنگین و همچنین پاکسازی سطوح آلوده مورد استفاده قرار گیرند.

حذف رنگ

رنگ های محلول در آب آشامیدنی می توانند منشاء تولید تری هالومتآن ها باشند که بسیارخطرناک به حساب می آیند. این مواد در ترکیب با کلر باعث تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات مضر سرطان زا می شوند. رنگ هایی که احتمالا در آب های طبیعی مشاهده می شوند ناشی از اسیدهای معدنی می باشند. این اسیدها معمولا در اثر تجزیه مواد آلی موجود در آب تولید می شوند. بیشتر روش های تصفیه آب متداول قادر به حذف رنگ آب نیستند اما با استفاده از غشاهای نانو می توان به راحتی این رنگ ها را از آب جداسازی نمود.

محدودیت فناوری نانو در تصفیه آب

نانوتکنولوژی یک روش جایگزین بسیار موثر برای حذف طیف وسیعی از آلاینده ها از هر نوع منبع آب است. علیرغم توانایی بالای آنها در حذف آلاینده های خاص، نانومواد دارای محدودیت های خاصی در این زمینه می باشند، به ویژه زمانی که جذب بالقوه این مواد در طبیعت را در نظر می گیریم. به عنوان مثال، نانوذرات TiO2 و نقره، برخی از رایج ترین گونه های نانوذرات مورد استفاده، می توانند اثرات مضر خاصی بر موجودات آبزی از جمله باکتری ها، جلبک ها، بی مهرگان، ماهی ها و گیاهان داشته باشند. برای مبارزه با اثرات نامطلوب احتمالی مرتبط با استفاده از برخی از سیستم های تصفیه آب نانو، ضروری است که تلاش های گسترده ای برای توسعه سیستم های بسیار کارآمدی که قادر به نظارت بر سطوح مواد نانو مهندسی شده در منابع آب هستند، انجام شود.