تصفیه آب و فاضلاب با فناوری نانو

پیش‌بینی شده تا سال ۲۰۲۵ میلادی(۱۴۲۹ خورشیدی) ۵۰ درصد از جمعیت جهان در مناطقی زندگی کنند که تحت فشار کمبود شدید آب قرار دارد.

تا سال ۲۰۱۵ (۱۳۹۴) فقط حدود ۲۰ درصد از فاضلاب‌های جهان تصفیه می‌شد. در کشورهای در حال توسعه به‌طور تقریبی ۷۰ درصد از فاضلاب‌های صنعتی بدون کمک مناسب سازمان ملل به هدر خواهد رفت. برآورده کردن نیازهای آبی روزافزون، چه در کشورهای صنعتی و چه در حال توسعه، بسیار سخت است و رشد زیرساخت‌ها و روش‌های جدید تصفیه آب، سرعت کمتری نسبت به رشد نیاز به آب دارد. به همین دلیل، روش‌های جدید تصفیه آب با کارآیی بالا و هزینه کم در اولویت قرار دارد.
پیشرفت‌های اخیر در نانومواد منجربه تسهیل در استفاده از فناوری نانو در فرآیند تصفیه آب شده است. تاکنون مطالعات گوناگون نشان داده که نانومواد قابلیت‌های فراوانی در تصفیه آب به‌ویژه در جذب فیزیکی، فرآیند غشایی، اکسیداسیون کاتالیستی و عفونت‌زدایی دارد. متاسفانه بیشتر گزارش‌ها در مورد نانومواد تنها در آزمایشگاه‌ها انجام شده یا فقط نشان می‌دهد که این روش به‌طور کلی خوب است.
یکی از فناوری‌های نانو که در بازار در دسترس است استفاده از نانوذرات تک‌ظرفیتی با استفاده از تزریق است. از زمانی که قیمت نانومواد کاهش یافته، استفاده از آنها در تصفیه آب آسان‌تر شده است اما در هر صورت هنوز ضعف‌های ذاتی زیادی در زمینه استفاده مستقیم از نانوذرات در تصفیه آب وجود دارد. نخست، نانوذرات در سیستم‌های سیال تمایل دارند تا در یک منطقه تجمع کنند که منجربه افت شدید فشار می‌شود. دوم اینکه جدا کردن نانوذراتی که کارآیی خود را از دست داده‌اند(به‌جز نانوذرات مغناطیسی) از آب تصفیه شده بسیار دشوار است. این مسئله از منظر اقتصادی دلخواه نیست. سوم اینکه رفتار و سرنوشت نانومواد مصرف شده در تصفیه آب و فاضلاب به‌خوبی درک نشده است و تاثیر نانومواد در محیط‌های آبی و سلامتی انسان، می‌تواند پیشرفت‌ها در این زمینه را به تعویق بیاندازد.
برای جلوگیری از اثرات مخرب نیاز به ساخت دستگاهی احساس می‌شود که بتواند زمانی‌که فعالیت‌ها زیاد است رهایی نانومواد را کم کند و یا نانومواد را جابه‌جا کند. نانوکامپوزیت‌ها گزینه‌ای مناسب در این مسیر به‌نظر می‌رسند. نانوکامپوزیت‌ها به‌طور معمول با ساخت نانوذرات دلخواه روی مواد پایه، مانند پلیمرها یا غشاها ساخته می‌شوند. نانوکامپوزیت می‌تواند به‌صورت مواد چندفازی که یک بعد آن کوچک‌ءتر از ۱۰۰ نانومتر است تعریف شود. بعضی از نانوکامپوزیت‌ها در تصفیه آب بسیار کارآ بوده‌اند؛ قابل استفاده مجدد، صرفه اقتصادی و قابل رقابت با زیرساخت‌های کنونی.

جذب فیزیکی و جداسازی
جذب فیزیکی یا فرآیند جداسازی بر پایه غشاها، دو فناوری سرآمد برای تصفیه آب و فاضلاب به‌شمار می‌آیند. جذب‌کننده‌های سنتی به‌طور غالب با مشکلاتی مانند گنجایش و انتخاب‌پذیری کم و همچنین کوتاه بودن چرخه جذب‌باززایی همراه بوده‌اند که به همین علت، این جذب‌کننده‌ها صرفه اقتصادی نبوده‌اند.
جذب‌کننده‌های بر پایهٔ نانومواد، مثلا فلزها یا اکسیدهای فلزی نانومقیاس، نانولوله‌های کربنی، گرافن و نانوکامپوزیت‌ها معمولا دارای سطح ویژهٔ بزرگ، واکنش‌پذیری بالا، سرعت واکنش سریع و میل ترکیبی خاص با آلاینده‌های گوناگون هستند. کارائی جذب این مواد به مراتب بالاتر از جذب‌کننده‌های سنتی است.
در کنار جذب، جداسازی غشایی، مرحله‌ای مهم در تصفیه آب به‌شمار می‌رود که امکان احیا آب از منابع غیرمعمول مانند فاضلاب‌های شهری را فراهم می‌آورد. حذف آلودگی‌ها با جداسازهای غشایی به‌طور عمده مبتنی بر اندازه است. درهرصورت، هنوز موانع زیادی برای پیشبرد فناوری غشاها وجود دارد، به‌عنوان مثال متضاد بودن ذاتی انتخاب‌پذیری و تراوایی، مصرف انرژی زیاد و پیچیدگی‌های اجرایی. برای رفع این موانع، غشاهای نانوکامپوزیتی پیشرفته با معرفی نانوذرات کاربردی به درون غشاها گسترش داده شده‌اند.
 این طبقه جدید غشاها ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی بهبودیافته‌ای از خود نشان می‌دهد که از این بین می‌توان به پایداری گرمایی یا مکانیکی بهینه شده و تخلخل و آب‌دوستی بهتر اشاره کرد. بعضی از این غشاها ویژگی‌های یگانه‌ای مانند تراوایی بهینه شده یا ویژگی‌های ضدرسوبی، ضدمیکروبی و قابلیت‌های فوتوکاتالیستی از خود نشان داده‌اند.

گندزدایی
گندزدایی، آخرین اما حیاتی‌ترین مرحله در تصفیه آب است. یک گندزدایی ایده‌آل باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد: ۱) طیف ضدمیکروبی گسترده در زمان کوتاه ۲) تولید نکردن محصولات جانبی خطرناک ۳) سمیت کم برای زیست‌بوم و سلامتی انسان‌ها ۴) هزینه انرژی کم و عملیاتی شدن آسان ۵) قابلیت نگهداری آسان و زنگ نزدن ۶) قابلیت دفع به صورت امن.
به‌تازگی، نانومواد زیادی با ویژگی‌های ضدمیکروبی قوی تهیه شده است که شامل نانوذرات کیتوسان، نقره، ۲ TiOهای نانوکاتالیست و نانومواد بر پایه کربن می‌شوند. این نانومواد میکروارگانیزم‌ها را با رهاسازی یون‌های فلزی سمی، آسیب زدن به سلول‌های غشایی با تماس مستقیم و یا تولید گونه‌های اکسیژن واکنشی از بین می‌برند.
 برخلاف گندزدایی‌های سنتی این مواد جدید فرآیند ناکار کردن میکروارگانیزم‌ها را با رهیافتی پایدارتر انجام می‌دهند که با توجه به این مسئله انتظار می‌رود تولید مواد جانبی مضر بسیار کمتر شود؛ علاوه‌بر این، زمانی که با استراتژی‌های مناسب جداسازی تلفیق می‌شود بعضی از گندزداهای نانو می‌توانند به صورت پیوسته با بهره بالا و مصرف انرژی پایین به‌کار بروند که این مسئله برای تمرکززدایی از فرآیند تصفیه آب بسیار با اهمیت است.

سنجش
امروز روش‌های سنجش و نظارت سنتی، از آشکارسازی میکرو آلودگی‌های با غلضت بسیار کم در آب عاجزند. آشکارسازی «در محل» و سریع بیماری‌زاها و آلاینده‌های بسیار خطرناک در شرایط اضطراری بسیار با اهمیت است. نانوموادی مثل نانولوله‌های کربنی، گرافن، نقاط کوانتومی و فلزهای نجیب، خواص اپتیکی مغناطیسی و الکتروشیمیایی ویژه‌ای دارند. بعضی از نانومواد می‌توانند پاسخ‌های اسپکتروسکوپیک را به‌مراتب بهبود ببخشند(جابه‌جایی رامان یا تشدید سطح پلاسمون)؛ همچنین، نسل بعدی آشکارسازهای نانوکامپوزیتی به‌دلیل ظرفیت بالایی که در نظارت محیطی و سنجشی دارند به‌طور گسترده بررسی شده است.
نانومواد به‌طور گسترده به‌عنوان جاذب‌های بسیار کارآمد، فوتوکاتالیست‌ها و ضدعفونی‌کننده برای تصفیه آب مورد بررسی قرار گرفته است. آنها به‌طور معمول شایستگی‌های زیادی مثل ظرفیت بالا، واکنش سریع، گرایش ویژه نسبت به آلاینده‌های هدف، پاسخ‌های بهبود یافته فوتوکاتالیستی در طیف گسترده‌تر و فعالیت‌های ضدمیکروبی قوی‌تر از خود نشان می‌دهند. بدون شک آنها امیدوارکننده‌ترین کاندیداها برای گسترش نسل بعدی فناوری تصفیه آب به‌شمار می‌آیند؛ البته هنوز مشکلات زیادی در راه کاربردهای صنعتی نانومواد وجود دارد. نخست آنکه، به‌طور معمول نانومواد ناپایدارند و به‌دلیل نیروی واندروالس بین آنها تمایل به انباشتگی و تجمع دارند. دوم آنکه، به غیر از نانومواد مغناطیسی بازیافت نانومواد که در تصفیه آب شرکت کرده‌اند بسیار مشکل است و این مسئله باعث می‌شود استفاده از نانومواد غیراقتصادی و غیرقابل استفاده باشد و در انتها تغییرات و سمی بودن نانوذرات به وضوح فهمیده نشده است.
یک رویکرد امیدوارکننده برای پیشبرد کاربردهای نانومواد گسترش مواد نانوکامپوزیتی است که هم از ویژگی‌های ماده میزبان و هم از خصوصیات نانومواد اشباع شده بر روی میزبان استفاده می‌کنند. میزبان‌هایی مانند پلیمرها، بیوپلیمرها، معدنی‌ها، کربن‌های فعال یا غشاها می‌توانند پراکندگی و پایداری نانوذرات موجود در خود را تسهیل کنند.
 آنها همچنین می‌توانند انتقال یا نفوذ آلاینده‌ها به میزبان را بهتر کنند و برهم‌کنش‌های بین‌وجهی را بهتر کنند. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند به‌خوبی رهایی نانوذرات در آب را بهتر کنند؛ به‌علاوه نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند تطابق فناوری نانو با فناوری‌هایی که امروز استفاده می‌شود را بهبود ببخشند. نانوکامپوزیت‌ها تغییرات زیادی در فناوری‌های تصفیه آب به‌وجود خواهند آورد. کارهای آینده باید فهم برهم‌کنش‌های بین نانوذرات ساکن و میزبان را عمیق‌تر کند، تکنیک‌هایی برای ساخت میزبان و دستکاری نانوذرات گسترش دهد و طراحی نانومواد چندکاره را منطقی‌تر کند.
در این میان، خطرها و اثرات نانومواد در محیط‌زیست باید مورد بررسی قرار گیرد و سنتز آنها از راه شیمی سبز برای کم کردن اثرات مخرب زیست‌محیطی باید به صورت موازی پیگیری شود. پروتکل‌ها و رهنمودهایی برای کنترل استفاده از نانومواد برای کمینه کردن اثرات آنها برای سلامت انسان و محیط‌زیست باید تهیه شود.


چاپ