نانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آب

خانه / مقاله / نانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آب

نانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آب

در مقاله
نانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آبReviewed by رضا فرضی on Sep 5Rating: 5.0نانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آبنانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آب

نانو فناوری دانشی نوین در تصفیه آب

عاطفه سادات رضایی طوسی[۱]      فریده رستمی[۲]

 

چکیده

مقدمه: امروزه یکی از مشکلاتی که جوامع و انسانها را تهدید می کند، کمبود منابع آب و آلودگی آب می باشد و این امر سبب شده تا تامین آب آشامیدنی سالم به یکی از دغدغه های اصلی جامعه جهانی تبدیل شود. بدین‌ ترتیب فیلتر نمودن آب بافیلترهای نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت آب ایجاد می‌کند. با علم به اینکه سایرروشهای تصفیه هزینه بالا و آلودگی شیمیایی شدید دارند روشهای تصفیه نوین نانوفناوری در تصفیه آب را مبنای مطالعه خود قرار دادیم.

مواد و روشها: این مطالعه براساس تحقیقات انجام شده توسط محققین و برگرفته از اینترنت در زمینه کارایی غشایی نانوفیلتراسیون درحذف نیترات ازآب آشامیدنی، عملکرد نانوفیلتراسیون درحذف کروم ۶ ظرفیتی ازآبهای سولفات، حذف آرسنیک از آب آشامیدنی باکمک نانو ذرات آهن و حذف آلاینده های آلی بکمک نانو بوده است.

نتایج: با افزایش فشار و با افزایش غلظت نیترات میزان حذف نیترات افزایش خواهد یافت. نوع آنیون بر حذف نیترات باعث کاهش و نوع کاتیون موجب افزایش حذف نیترات می شود. نانوفیلتراسیون می تواند بعنوان روشی مناسب درحذف کروم بکار رود. بهترین راندمان بمیزان ۹۸% در PH خنثی ومتمایل به قلیایی رخ می دهدو با افزایش غلظت جامدات کروم ۶ ظرفیتی بمیزان کامل حذف می گردد.این روش همچنین در تصفیه آلاینده های فلزی سنگین بسیار ضروری است.

بحث و نتیجه گیری: فناوری نانو بدلیل قابلیت بالای خود در تعیین و کنترل محدوده وسیعی از منابع آلوده کننده تاثیر قابل ملاحظه ای درایجاد و رفع مسائل زیست محیطی دارد. باتوجه به اینکه درکشور درسالهای اخیردر زمینه نانو تحقیقات زیادی انجام میشود، توجه بیشتر به این روش به عنوان یک فناوری جدید و عملی کردن آن در صنایع ضروری به نظر میرسد.

کلمات کلیدی: نانو فناوری،تصفیه، آب

مقدمه:

جمعیت جهان در حال افزایش و منابع آب آشامیدنی رو به کاهش است؛ بنابراین ممکن است جهان در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می‌شود سبب شده‌است تا تأمین آب بهداشتی به یکی از دغدغه‌های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود[۱]. حدود%۶۹ آب مصرفی جهان صرف کشاورزی و عموما آبیاری می شود و%۲۳ به مصرف صنایع میرسد و مصارف خانگی تنها حدود ۸% را شامل می شود. در کشورهای توسعه یافته، بخش کشاورزی و صنایع بیشترین مصرف آب را داشته و بالاترین نقش را در آلودگی آبها دارد. امروزه اکثر کشورها با مشکلات آلودگی آب مواجه هستند. آینده این وضعیت در کشورهای پیشرفته بسیار جدی است. در واقع چالش بزرگی در مواجه با نیاز مبرم جمعیت جهان به آب پاکیزه و تصفیه شده پیش رو است[۲]. که براساس پیش بینی سازمان ملل تا سال ۲۰۲۵، ۴۵ کشور (%۳۲جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی خواهد شد. لذا استفاده از فناوری های نو برای حل مشکلاتی که بر اثر پیشرفت صنایع باعث آلودگی محیط می شوند ضروری است. اولین جرقه فناوری نانو در سال ۱۹۵۹ زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت[۳]. فناوری نانو شامل ایجاد تغییر در مواد در مقیاس نانومتری است که باعث تولید مواد، ساختارها و وسایل جدید می شود. پیشرفت های علوم و مهندسی در مقیاس نانو پیشنهاد میکند که بسیاری از مشکلات حاضر همچون مشکل نامناسب بودن کیفیت آب، میتواند به طور چشمگیری توسط نانو جاذبها، نانوکاتالیزها، نانو ذرات فعال زیستی، غشاهای کاتالیستی با ساختارهای نانویی، مواد خیلی ریز(درحد کمتر از میکرون) نانو پودرها، نانولوله ها، نانوذرات مغناطیسی، گرانولها، نانوخوشه ها، نانوذرات و کلوئیدها که نقش قابل توجهی در کیفیت آب در محیط زیست طبیعی دارند، تقلیل یابد یا رفع شود[۴]. یکی از امیدهایی که مردم نسبت به آینده نانوتکنولوژی دارند این است که نانوذرات بتواند برای از بین بردن مواد مضر، ترمیم بافت های بدن، بهبودی کیفیت آب و مراقبت از سلامتی انسان و بهداشت محیط زیست به کار آید. با فناوری نانو میزان هزینه تصفیه آب به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد[۵]. فناوری‌های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می‌کند. آب تصفیه ‌شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب‌ معدنی تصفیه‌شده ارزش دارد. با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر از آن حذف می‌شود[۶]. با علم به اینکه فناوری نانو که مدت کوتاهی از ظهور آن می گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است در نتیجه صنعت آب به عنوان یکی از پایه های حیات از این مسئله مستثنی نیست و در بخشهای مختلف آن شامل تصفیه آب و شیرین سازی آب و …. کاربرد دارد. هدف از این مطالعه بررسی تعیین نقش فناوری نانو بعنوان دانشی نوین در تصفیه آب بوده است.

مواد و روشها:

این مطالعه براساس تحقیقات انجام شده توسط محققین و برگرفته از اینترنت در زمینه کارایی غشایی نانوفیلتراسیون درحذف نیترات ازآب آشامیدنی، عملکرد نانو فیلتراسیون در حذف کروم ۶ ظرفیتی از آبهای سولفات، حذف آرسنیک از آب آشامیدنی با کمک نانو ذرات آهن و حذف آلاینده های آلی به کمک نانو بوده است.

نتایج: نانو کاربردهای زیادی در صنایع بخصوص در صنعت تصفیه آب دارد که این کاربردها شامل: کارایی غشای نانوفیلتراسیون در حذف نیترات از آب آشامیدنی می باشد که با افزایش فشار و با افزایش غلظت نیترات میزان حذف نیترات افزایش می یابد. نوع آنیون بر حذف نیترات تاثیر دارد به عنوان مثال با افزایش غلظت سولفات میزان حذف نیترات کاهش می یابد چرا که به دلیل بار منفی زیاد و انرژی هیدراتاسیون بالاتر از نیترات توسط غشا پس زده می شود و بجای اینکه از نظر بار الکتریکی خنثی بماند به سمت دیگر غشا می رود. نوع کاتیون به همراه نیترات بر حذف آن تاثیر داشته و هر قدر کاتیون همراه انرژی هیدراتاسیون بالاتری داشته باشد بهتر دفع شده و به تبع آن حذف نیترات بهتر صورت می گیرد[۸]. کاربرد دیگر آن در حذف کروم ۶ظرفیتی از آبهای حاوی سولفات میباشد که کروم به عنوان اکسی آنیون کاربرد زیادی در صنایع دارد. بعضی از منابع آب زیرزمینی که تامین کننده آب آشامیدنی هستند دارای غلظت بیش از حد مجاز کروم۶ ظرفیتی به همراه سولفات هستند. زمانی که غلظت کروم۶ ظرفیتی بیش ازg/lµ۵۰ برسد باعث خطراتی نظیر سرطان پوست و عوارض آلرژیک دیگری گردد[۹]. لذا از جنبه اقتصادی و زیست محیطی نانوفیلتراسیون می تواند به عنوان روشی مناسب برای حذف کروم بکار رود. در این روش تاثیر غلظت،PH ، آنیون و کاتیون بر راندمان حذف کروم۶ ظرفیتی مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید بهترین راندمان به میزان %۹۸ در PH خنثی و متمایل به قلیایی رخ داد. هم چنین با افزایش غلظت جامدات محلول کروم۶ ظرفیتی به میزان کامل از آب حذف گردید. با افزایش میزان غلظت آنیون بویژه سولفات در آب حذف کروم۶ ظرفیتی %۱۰۰ افزایش یافت. بنابر تحقیقات انجام شده غشاهای نانوفیلتراسیون روش مناسبی جهت حذف همزمان کروم و سولفات از آب زیرزمینی می باشد[۱۰]. همچنین نانو در حذف آرسنیک از آب آشامیدنی استفاده می شود که تقریباٌ در تمام خاکها آرسنیک به مقدار جزئی موجود است و در آبها نیز کم و بیش دیده شده و مقدار آن بستگی به زمین شناسی محل و جریان آب دارد. آرسنیک در محیط به دو صورت ۳و ۵ ظرفیتی دیده شده، که نوع دوم آن مسموم کننده خطرناکیست حداکثر حدمجاز آرسنیک مطابق استانداردWho، ۰٫۰۱ میلی گرم برلیتر است و آزمایشات نشان می دهد که برای از بین بردن اغلب فلزات سنگین موجود در آب، روش تصفیه کاتالیزوری گزینه مناسبی نمی باشد پس نیاز به فناوری نانو برای تصفیه آلاینده های فلزی سنگین مانند آرسنیک بسیار ضروری است[۱۱].

ازجمله روشهای حذف آرسنیک توسط این فناوری جدید می توان به استفاده از موارد زیر اشاره نمود:

الف: نانو ذرات آهن

برای حذف آرسنیک از آب، از نانو بلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستم های تصفیه جدید استفاده می شود، علت استفاده این است که سطوح معدنی آهنی تمایل شدیدی به جذب آرسنیک از خود نشان می دهد و همچنین با انتخاب اندازه مناسب می توان به راحتی این ذرات مغناطیسی را از آب جذب و جدا کرد. آلودگی آرسنیک در آب آشامیدنی یک معضل جهانی است، راه های مختلفی برای زدودن آن وجود دارد. ولی برای این کار دستگاه های وسیع و پمپ های فشار بالا که با انرژی برق کار می کنند، مورد نیاز است .راه حل پیشنهادی این گروه ساده و بی نیاز از الکتریسیته است .هرچند نانوذرات استفاده شده در این روش گران قیمت هستند، اما آنها در حال کار بر روی روشی برای تولید این ذرات هستند که در آن از و روغن زیتون استفاده می شود و امکانات بیشتری جز یک اجاق گاز نیاز ندارد. آزمایشات با استفاده از نمونه های خالص از ذرات اکسید آهن هم اندازه در آب به سوسپانسیون انجام شد. یک میدان مغناطیسی جهت وارد کردن فشار به ذرات برای خارج شدن از محلول مورد استفاده قرار گرفت که در نهایت آب خالص باقی ماند .به دلیل خاصیت معروف آهن در متصل شدن به آرسنیک، آزمایشات روی آب آلوده به آرسنیک را تکرار کردند و دریافتند که ذرات آهن، مقدار آرسنیک در آب آلوده را تا زیر سطح EPA برای آب آشامیدنی آمریکا کاهش می دهد[۱۲].

ب: ARSENXNP

این اختراع کارایی و راندمان بالایی را در حذف آرسنیک نشان داده است. این اختراع در حقیقت یک رزین تعویض یونی است که در راستای تکمیل رزین های انتخابگر جهت تصفیه آب های زیر زمینی از یو ن های نیترا ت، پرکلرات و کروم ۶ظرفیتی ساخته شده است. از مهم ترین امتیازات ARSENXNP، انتخابگری بالای آن برای یون آرسنیک است که پلیمرهای پایه آن برای دوام و بقا نیاز به شستشوندارند. به عبارت دیگر این محصول عمر طولانی و کاربرد بسیار ساده ای دارد. این حذف آرسنیک از آب آشامیدنی، جهت حذف آرسنیک از پساب های صنایع نیمه هادی و آب های استفاده شده در برج های خنک کننده نیز کاربرد دارد[۱۳].

ج : نانو ذرات اکسید روی

اکسید روی توده ای نمی تواند آرسنیک را جذب نماید در حالیکه نانو ذرات خواص کاتالیستی و جذبی مفیدی را از خود نشان داده اند. البته استفاده از آنها به طور صنعتی با مشکلاتی همراه بوده است به نحوی که این مواد در ستون آب یا به سادگی معلق می شوند و یا هر فیلتری را که در مسیر حرکت آنها قرار گرفته باشد مسدود می کنند. بنابراین روشهای جدید برای ساخت توده های نانوذره ای هم اندازه و هم شکل رشته های رزینی را پیدا کرده اند. محققین برای ایجاد این توده ها، رزین های تبادل کاتیون را با یون های روی پرکردند، سپس آنها را سوزاندند، در نتیجه گوی هایی از نانو ذرات کروی دی اکسید روی با قابلیت بالای حذف آرسنیک بوجود آمدند. این فرآیند همچنین می تواند برای ایجاد توده های نانو ذرات سولفید فلزی و اکسید فلزی به منظور استفاده در کاربردهای کاتالیستی، تصفیه آب و رفع آلودگی ها به کار رود[۱۴]. کاربرد دیگر آن در حذف آلاینده های آلی با استفاده از نانو ذرات تیتانTIO2 می باشد که در این روش نانو ذرات تیتان برای اکسید کردن آلاینده های آلی و جذب فلزات سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. این نانو ذرات مواد آلاینده را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می کنند. نتایج حاصل از تحقیقات نشان می دهد که از این ماده می توان برای رفع آلاینده ها، ویروسها و مواد شیمیایی آلی خطرنانک نیز استفاده کرد. همچنین این نانو ذره مهم ترین کاتالیستی است که برای حذف آلودگی های ناشی از مواد آلی موجود در آبهای آلوده به مواد نفتی و نیز پسابهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد[۱۴] .

جدول زیر برخی گروه های نانو مواد و کاربرد آنها را نشان میدهد:

جدول۱- برخی گروه های نانو مواد و کاربرد آنها[۵]

 

دسته مواد کاربرد
نانولوله های کربنی تولید نانو لوله های کربنی تک دیواره، حسگرهای گازی،

حافظه های تراشه ای، تولید نانولوله، تولید فولرین

کامپوزیت های نانو لوله ایTio2 ، نانوسیم های AL2O3پوشش ها، کامپوزیت های پلیمریاکسیدهای تلقیح شده لانتانیدیتصفیه آب و فاضلاب، باتری نمایشگر، تولید ذرهنانوسیم های AL2O3بیوحسگرهای زیست محیطیسیم ها و نقاط کوانتدی Cd -Seبیوحسگرهای زیست محیطینانوذرات غیرآلی دیگر:فسفات های Ln ، BaCO3پرکننده پوشش ها، چاپ با امنیت بالافسفات های کلسیمجایگزینی استخوان

برخی از کاربردهای نانو در صنعت تصفیه آب:

۱) نانوفیلترها یا غشاهای فیلتراسیون نانو

۲) تصفیه آبهای زیرزمینی بوسیله اجزای آلی(نانوذرات)

۳) تصفیه آب با استفاده از نانولوله ها

۴)خالص سازی آب با بکارگیری فناوری نانو

۵)نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی

۶) نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب[۷]

بحث و نتیجه گیری:

نانو فیلتراسیون فرآیند غشایی جدیدی است که خواص آن بین فرایندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون قرار دارد و در اختلاف فشار پایین (۱۰-۲۰ بار) قابل استفاده می باشد. به علت عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه های عملیاتی و نگه داری این فرآیند به مواد شیمیایی نیاز نبوده و پساب تولیدی فشرده و غلیظ می باشد. لذا هزینه حمل و نقل و دفع آن کمتر است. به کمک تجهیزات خاص غشاء ها به طور خودکار تمیز می شود. در مورد فرآیند نانو فیلتراسیون، هزینه انرژی به مراتب از اسمز معکوس کمتر می باشد. نکته حائز اهمیت در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب گری در حذف یون هاست. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از دو لایه تشکیل می شود. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاهای نانوفیلتر اسیون معمولاً در دو نوع باردار و غیرباردار موجود هستند. مکانیسم اصلی در حذف مولکول های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربالسازی استوار می باشد. در حال که حذف ترکیبات یونی به دلیل برهم کنش های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه های باردار، حذف می شوند. امروزه غشاهای نانویی تجاری، در اشکال متفاوتی استفاده می گردند. این اشکال شامل، سیستم های مارپیچی، صفحه ای، جعبه ای، لوله ای و فیبری می باشد. شکل هر یک از غشاهای نانویی براساس نوع غشا و نانویی براساس نوع غشا و به منظور بالا بردن بازده و عملکرد آن انتخاب می گردد[۱۵] .

در واقع فناوری نانو بدلیل قابلیت بالای خود در تعیین و کنترل محدوده وسیعی از منابع آلوده کننده تاثیر قابل ملاحظه ای در ایجاد و رفع مسائل زیست محیطی داردو هزینه سیستم تصفیه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد [۱۶].

و ذکر این نکته که در آینده ایران جزء کشورهایی خواهد بود که بحران مصرف بالا و کم آبی را به دلیل افزایش جمعیت شهر نشین و ارتقای سطح صنعت و کشاورزی، پیش رو خواهد داشت. بنابراین با نگاهی به مشکلات تأمین آب در دنیا و ایران و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می توان از فناوریهای نوین در این راه بهره جست[۱۷].

منابع:

۱٫http:// pib.nic.in

۲٫www.celco.ir

۳٫www.nano.ir

۴٫www.nanoforum.org

۵٫http://nanotechweb.com

۶٫www.investorideas.com

۷٫ح .میرشجاع، م.محراب مجله اکتشاف وتولید تصفیه آب با استفاده از فناوری نانو دانشگاه صنعت نفت.

  1. علی ترابیان و همکاران، بررسی کارایی غشای نانوفیلتراسیون در حذف نیترات از آب آشامیدنی در شرایط عملی مختلف، مجله آب و فاضلاب شماره ی ۶۱ سال ۸۶، صفحات۱۹-۲۰٫
  2. سید باقر مرتضوی و همکاران، بررسی عملکرد نانوفیلتراسیون در حذف کروم۶ظرفیتی از آب حاوی سولفات، مجله سلامت و محیط، دوره ی سوم شماره ی سوم، پاییز۸۹ صفحات ۲۸۹-۲۹۰٫

۱۰٫www.sid.ir

  1. ح. امیربیگی۱۳۸۳، اصول تصفیه و بهداشت آب، انتشارات اندیشه رفیع.

۱۲٫http://magiran.com

۱۳٫http://waterandwastater.com

۱۴٫http://nano.org/viem/php.

۱۵٫www.civilica.com

۱۶٫ww.nanoidea.com

۱۷٫http://autnano.org

  1. ب، آیتی. م، دلنواز. س، فرتوس. بررسی فناوریهای ذرات نانو در تصفیه آب و فاضلاب. سومین کنگره ملی مهندسی عمران. ۱۳۸۶٫
  2. ریچارد بوکر. ارل بوسین. نانوفناوری برای همهف مترجمان ف، شریفی. ن، افتخارزاده. ف، مالکی. تهران ۱۳۸۸٫
  3. م، حسنی. م، اسکویی. مروری بر کاربرد فناوریهای نانو در تصفیه آب و فاضلاب

[۱] کارشناس بهداشت محیط مرکز بهداشتی درمانی(نویسنده مسوول) Email:ateferezayi@yahoo.com

[۲] کارشناس مرکز تحقیقات علوم بهداشتی درمانی دانشگاه علوم پزشکی مازندرانGmail:hsrcsari@gmail.com

رضا فرضی
رضا فرضی
رضا فرضی هستم متولد 71 در شهرستان دیر استان بوشهر، فارغ التحصیل مقطع کارشناسی رشته مهندسی شیمی دانشگاه خلیج فارس بوشهر و در حال حاضر دانشجوی مقطع ارشد مهندسی شیمی دانشگاه شیراز می باشم..
Recent Posts

ارسال نظر


*

تماس با ما

پیغام خود را بگذارید تا در سریع ترین زمان پاسخگوی شما باشیم.

قابل خواندن نیست ؟ تغییر دهید.. captcha txt

متن خود را برای جستجو وارد نماید

treat abaspenone