استفاده از فناوري نانو در پالايش آب و تصفيه فاضلاب

استفاده از فناوري نانو در تصفيه آب و فاضلاب

آلودگي صنعتي، به همراه پساب‌هاي خانگي، رواناب‌هاي کشاورزي و شهري، رودخانه‌ها را آلوده کرده و تصفيه آب را براي حذف همه آلاينده‌ها به يک وظيفه دشوار تبديل کرده است. اين آلودگي مي‌تواند تأثير منفي بر کيفيت رودخانه‌ها، زيستگاه‌هاي آبزيان و حتي سلامتي انسان‌ها ايجاد کند. به منظور بهبود کيفيت آب، فناوري نانو به عنوان يک جايگزين هوش مصنوعي براي حذف بهبود آلاينده‌هاي مختلفي مانند فلزات سنگين، جداسازي آب از روغن و حتي فعاليت ضد ميکروبي مورد توجه واقع شده است. به علاوه، با افزايش پديده‌ي صنعتي و افزايش تخليه آلاينده‌ها به رودخانه‌ها، استفاده از آب دريا به عنوان منبع آب آشاميدني پس از تصفيه کافي جايگزيني جالبي مي‌شود. نانومواد به عنوان مواد کم حجم و با قابليت برتري در حذف نمک از آب دريا مورد مطالعه قرار مي‌گيرند و اين امر مي‌تواند بازيابي آب تا حد زيادي تسهيل شود. با اين حال، بايد به دقت به خطرات پتانسيلي که اين نانومواد ممکن است براي محيط زيست ايجاد کنند توجه کرد.

به همين دليل، هدف اصلي از اين تحقيق، بررسي گسترده‌تري از کاربردهاي فناوري نانو در تصفيه فاضلاب به ويژه در زمينه‌هاي حذف فلزات سنگين، حذف روغن از آب، کاهش نمک و فعاليت ضد ميکروبي است. اين بررسي همچنين به بررسي خطرات احتمالي از جمله اثرات جانبي براي محيط زيست مي‌پردازد.

به عبارت ديگر، با در نظر گرفتن مشکلات محيط زيستي از يک سو و نياز روزافزون به تصفيه آب و بهبود کيفيت آب از سوي ديگر، استفاده از فناوري نانو در تصفيه آب به عنوان راهي موثر و نوين براي مقابله با چالش‌هاي کنوني مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

نانوجاذب‌ها در تصفيه آب و فاضلاب

نانوجاذب‌ها به عنوان نانوذراتي تشکيل شده از مواد آلي يا معدني با ترکيبات بسيار جاذب، جهت حذف مواد آلاينده از آب و فاضلاب شناخته مي‌شوند. به عبارت ديگر، اين نانوذرات توانايي حذف گسترده‌اي از آلاينده‌ها را دارا هستند. اين مواد داراي ويژگي‌هاي بسيار مهمي نظير پتانسيل کاتاليزوري، اندازه بسيار کوچک، واکنش‌پذيري بالا و انرژي سطحي بالا مي‌باشند. آنها را مي‌توان بر اساس فرآيند جذب آلاينده‌ها به چهار دسته اصلي تقسيم کرد: نانوذرات فلزي، اکسيدهاي مختلف با نانوساختار، نانوذرات مغناطيسي و نانوذرات اکسيد فلزي.

نانوکاتاليزورها در تصفيه آب و فاضلاب

نانوکاتاليزورها بر اساس تعامل نوري با نانوذرات فلزي عمل مي‌کنند. اين نوع تصفيه به دليل فعاليت‌هاي فتوکاتاليستي بسيار وسيع و مؤثري که دارند، مورد توجه قرار گرفته است. فعاليت‌هاي فتوکاتاليستي بر اساس تخريب باکتري‌ها و مواد آلي توسط واکنش با راديکال‌هاي هيدروکسيل انجام مي‌شود. معمولاً موادي معدني مثل نيمه‌هادي‌ها و اکسيدهاي فلزي در نانوکاتاليزورها به‌کار مي‌روند. با اين حال، براي تبديل به نانوفتوکاتاليست، بايد برخي از مقررات و الزامات خاص را رعايت کنند.

نانوغشاها در تصفيه آب و فاضلاب

نانوغشاها مسئول جداسازي ذرات از فاضلاب‌ها هستند. آنها مي‌توانند در حذف رنگ‌ها، فلزات سنگين و ساير آلاينده‌ها بسيار کارآمد باشند. نانومواد مورد استفاده به عنوان غشا شامل نانولوله‌ها، نانوروبان‌ها و نانوالياف هستند.

گاهي اوقات تصفيه معمولي آب نمي‌تواند در حذف برخي آلاينده‌ها مانند فلزات سنگين و ميکروارگانيسم‌ها به طور مؤثر عمل کند. مشکل ديگر توليد محصولات جانبي ضدعفوني (DPBs) است که براي سلامت انسان خطرناک هستند.

حذف فلزات

فلزات سنگين و برخي يون‌ها داراي سميت بسيار بالا هستند که ممکن است براي انسان و اکوسيستم‌ها آسيب‌هاي جدي ايجاد کنند. به همين دليل، محققان به بررسي کارايي نانوفرآيند مغناطيسي پرداخته‌اند که به عنوان يک جاذب براي فلزات سنگين عمل مي‌کند. نتايج نشان داده‌اند که با افزايش pH از 4 به 8، بهره‌وري در حذف فلزات به تقريباً 100 درصد افزايش مي‌يابد. اين فلزات شامل Fe2+، Pb2+، Zn2+ و Cu2+ هستند. ساير فلزات مورد مطالعه (Ni2+، Mn2+، Co2+، Cd2+) نيز بهبود مشابهي در بهره‌وري حذف نشان دادند، اما با باقي‌ماندن کمتر از 90% از مقدار اوليه.

فيلتراسيون، انعقاد، اصلاح بيولوژيکي يا الکتروشيميايي و جذب از بين اين فرآيندها، جذب به عنوان يک روش انعطاف‌پذيرتر در طراحي و بهره‌برداري تصفيه‌خانه‌ها در نظر گرفته مي‌شود و مي‌تواند آب با کيفيت بالا توليد کند. اکسيدهاي فلزي در ابعاد نانو به عنوان جاذب‌هاي مهمي در نظر گرفته مي‌شوند که شامل اکسيدهاي آهن، منگنز، آلومينيوم و تيتانيوم هستند. ابعاد و شکل اين مواد عوامل کليدي در کارايي جذب مي‌باشند. همچنين، مواد مبتني بر کربن نيز به عنوان جاذب‌هاي مورد استفاده قرار مي‌گيرند و نمونه‌هايي از آن‌ها شامل نانولوله‌هاي کربني (CNT) و گرافن هستند. CNT داراي نسبت سطح به حجم بالا و توزيع اندازه پورهاي بزرگ مي‌باشند، که امکان جذب موثرتري را نسبت به کربن فعال دانه‌اي يا پودري فراهم مي‌کنند. گرافن همچنين به دليل منطقه سطحي بزرگ و ويژگي‌هاي الکتروني غني به عنوان جاذب‌هاي کارآمد در تصفيه آب معرفي شده‌اند.

حذف روغن و چربي

حوادث نشت نفت از منابع طبيعي يا دفع از صنايع ممکن است به اکوسيستم‌ها آسيب برساند. همچنين، پساب‌هاي خانگي نيز ممکن است حاوي روغن باشند و توليد آنها در حال افزايش است. روش‌هاي متعددي براي جداسازي روغن از آب آلوده به نفت وجود دارد، اما بسياري از آنها هزينه‌بر و در برخي موارد کارايي مطلوبي ندارند. فناوري نانوتکنولوژي به عنوان يک روش مؤثرتر و به صرفه‌تر براي حذف روغن از آب مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

کاربردهاي نانوتکنولوژي در تصفيه آب و فاضلاب

در دنياي امروز، ارتقاء عملکرد فرآيندهاي تصفيه آب و فاضلاب از اهميت بسياري برخوردار است. نانوتکنولوژي به عنوان يک شاخه پيشرفته از علوم مواد و مهندسي به ويژه در اين زمينه نقش مهمي ايفا مي‌کند. مواد نانومتري به دليل ويژگي‌هاي منحصر به فردشان مانند پايداري بالا، سطح بزرگ نسبي به حجم و ويژگي‌هاي الکتريکي و مکانيکي مناسب، به معضلات موجود در تصفيه آب و فاضلاب پاسخ مي‌دهند.

جداسازي نفت از آب با استفاده از نانومواد

يکي از مهمترين کاربردهاي نانومواد در اين زمينه، جداسازي نفت از آب است. خواص سطحي خاص نانومواد از جمله ويژگي‌هاي کاتاليتيک، آب‌گريزي بالا و قابليت جذب بالا، تبديل آنها به جاذب‌هاي عالي در حذف نفت و روغن‌هاي آلاينده از منابع آبي مي‌کند. محققان به توليد ساختارهايي با استفاده از نانومواد پرداخته‌اند که مي‌توانند نفت و روغن‌ها را از آب جدا کنند. به عنوان مثال، نانوسيليس آبگريز به عنوان يک جاذب نانو براي حذف بنزين و گازوئيل از آب استفاده شده و نتايج نشان داده‌اند که اين ماده به مراتب مؤثرتر از جاذب‌هاي آلي يا معدني معمولي در حذف اين آلاينده‌ها است.

محققان ديگر اسفنج‌هاي نانوموادي طراحي کرده‌اند که قادر به حذف روغن‌ها از آب هستند. اين اسفنج‌ها از نانوذرات نقره پوشيده شده روي سطح يک ساختار متخلخل بهره مي‌برند. خواص منحصر به فرد اين اسفنج‌ها شامل آب‌گريزي بالا، توانايي خودتميزشوندگي، و قابليت استفاده مجدد چندين بار مي‌باشد. با اين حال، براي بهره‌برداري بهينه از اين اسفنج‌ها، نياز به مطالعه دقيق‌تري در زمينه تأثيرات خصوصيات مختلف مواد آلاينده و نانومواد دارند.

جداسازي نمک از آب با استفاده از نانوتکنولوژي

يکي از چالش‌هاي اساسي در زمينه تامين آب شيرين، نمک‌زدايي از منابع آب مختلف مانند آب دريا است. روش‌هاي متنوعي براي حذف نمک از آب وجود دارد و از جمله آن‌ها مي‌توان به رسوب‌زدايي، اکسيداسيون، کاهش، تبادل يوني، فيلتراسيون غشايي و جذب سطحي اشاره کرد. استفاده از نانومواد به عنوان غشاهاي نانو در فرآيند نمک‌زدايي جايگزين مناسبي براي فرآيندهاي سنتي مي‌شود. به عنوان مثال، گرافن که يک شکل از کربن است، به عنوان يک جاذب نانو براي نمک‌زدايي آب استفاده مي‌شود و تحقيقات نشان داده‌اند که گرافن نانوپوروس مي‌تواند به عنوان يک غشا انتخابي براي حذف نمک از آب مؤثر باشد.

در پژوهش‌هاي ديگر، توانايي غشاهاي نانو هيدروکسي  آپاتيت در دفع نمک از آب مورد بررسي قرار گرفته و نتايج نشان داده‌اند که اين غشاها مي‌توانند نمک را با موفقيت حذف کنند. اين پيشرفت‌ها در تکنولوژي نانو به معناي بهبود کارايي تصفيه آب و مؤثرتر کردن فرآيندهاي نمک‌زدايي از آب مي‌باشند.

فعاليت ضد ميکروبي نانومواد در تصفيه آب

يکي از مسائل اصلي در تصفيه آب، کنترل باکتري‌ها، ويروس‌ها و انگل‌هاي بيماري‌زا است. استفاده از نانومواد مي‌تواند در گندزدايي آب و کاهش بيماري‌هاي مرتبط با آب کمک کند. به عنوان مثال، تحقيقات نشان داده‌اند که با استفاده از نانوذرات مغناطيسي پوشيده شده با پلي (اتيلن) گليکول (PEG)، مي‌توان باکتري‌ها را از بين برد و آب را ضدعفوني کرد. همچنين، نانوذرات مغناطيسي به عنوان ابزارهاي مفيدي در شناسايي و حذف آلاينده‌هاي مختلف از جمله فلزات سنگين و آنتي‌بيوتيک‌ها نيز استفاده مي‌شوند.

خطرات کاربرد نانوتکنولوژي در تصفيه آب و فاضلاب

اگرچه نانوتکنولوژي مزاياي زيادي در تصفيه آب دارد، بايد توجه شود که استفاده از نانومواد ممکن است تأثيرات ناخواسته‌اي بر محيط زيست و موجودات آبزي داشته باشد. اثرات دقيق نانومواد هنوز کاملاً مشخص نشده‌اند و نياز به تحقيقات بيشتري در اين زمينه وجود دارد. همچنين، نانومواد به سادگي در محيط قابل شناسايي نيستند که مي‌تواند منجر به مشکلات مختلفي شود، از جمله انتشار در اتمسفر و جريان‌هاي زباله جامد يا مايع.

نتيجه‌گيري

در نهايت، نانوتکنولوژي توانايي بهبود فرآيندهاي تصفيه آب و فاضلاب را دارد. با اين حال، براي استفاده ايمن و مؤثر از آن، نياز به تحقيقات دقيق‌تر در زمينه تأثيرات زيست محيطي و سلامت انسان داريم. همچنين، نياز به پيگيري مداوم نانومواد در محيط و شناسايي آنها وجود دارد تا از انتشار نامطلوب آنها جلوگيري شود. به اين ترتيب، نانوتکنولوژي مي‌تواند نقش مهمي در بهبود تصفيه آب و فاضلاب ايفا کند، همچنين از آسيب‌هاي احتمالي زيست محيطي جلوگيري نمايد.