کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب

نانوتکنولوژی منجر به تغییرات شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب شده و پساب و آلودگی را کاهش داده است. همچنین فناوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد به بطوری‌که کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار شده است. در فناوری نوین نانو با به کارگیری روش‌های متنوعی می‌توان آب را از پساب‌های آلوده برای مصارف کشاورزی، صنعتی و حتی خانگی بازیافت کرد.

کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب

اولین کنفرانس ملی نانوفناوري در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
24 اردیبهشت ماه 98
دانشگاه خلیج فارس- بوشهر

پژوهشگر این مقاله: گلبانو علاسوند
پست الکترونیکی عهده دار مکاتبات  Golbanooalasvand[@]yahoo.com

1. دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگی محیط زیست دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات خوزستان
2. استادیار گروه محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات خوزستان

چکیده

همچنین استفاده از فناوری نانو در راستای کاهش اثرات سوء زیست‌محیطی به‌عنوان یکی از راهکارهای مدیریتی مطرح است و نانوتکنولوژی به‌عنوان جبران‌کننده زیان‌های زیست‌محیطی ناشی از ضایعات صنعتی شناخته می‌شود. یکی دیگر از مسائل مطرح‌شده توسط متخصصان آب و فاضلاب اهمیت کاربرد نانوتکنولوژی در تصفیه آب و پساب، خصوص استفاده از فرآیندهای غشایی از قبیل اسمز معکوس، میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و نانوفیلتراسیون بود. لازم به ذکر است، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا ( زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ‌تر را دارد.

مقدمه

آب از ضروری‌ترین عناصر حیات بر روی کره زمین است و یک سرمایه ملی محسوب می‌شود. تا بیست سال گذشته، انرژی مهم‌ترین سرمایه ملی کشورها بود اما در آینده نزدیک آب به‌جای نفت در ردیف نخستین سرمایه ملی کشورها قرار خواهد گرفت. به گفته کارشناسان، برای انرژی غیرنفتی جایگزین‌هایی البته نه‌چندان ارزان‌تر اما قابل‌دسترس وجود خواهد داشت، درحالی‌که برای آب، این مایه حیاتی جایگزینی وجود ندارد و به همین دلیل تأکید فراوانی بر صرفه‌جویی و استفاده بهینه از منابع آن صورت می‌گیرد. از سویی، توانایی بازیافت آب و امکان دسترسی به منابع مناسب‌تر برای مصارف گوناگون از ضروریات مهم است.

فرآیندهای غشایی کاربردهای مختلفی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی نیز دارد که مهم‌ترین آن‌ها در صنعت نفت؛ شیرین سازی گاز ترش از گاز طبیعی Co2) و (H2S ، بازیافت و خالص‌سازی هیدروژن از جریان‌های گازی، بازیافت هیدروژن از گازهای خروجی واحدهای تولید آمونیاک و حذف بخار آب از گاز طبیعی است.

کاتالیست ها کاربرد مهم و موفقی در استفاده از این فناوری هستند. در بعضی از موارد همگن یا ناهمگن راندمان کاتالیستی (سرعت) با استفاده از عوامل نانومقیاس به‌طور اساسی اصلاح‌شده است. مواد نانومقیاس برای کاتد باتری‌های لیتیمی نظیر آئروژل یا زیروژل باعث افزایش ظرفیت، عمر، سرعت تخلیه و شارژ می‌گردند.

ساختارهای کامپوزیتی دوستار محیط زیست:

استفاده از قابلیت مواد نانو ساختاری در مواد کامپوزیتی پتانسیل مناسبی را برای تولید موادی با خواص اصلاح‌شده و مناسب جهت کاربردهای ویژه نظیر سیستم‌های فیلتراسیون ایجاد می‌کند. این مواد قابلیت سیستم‌های زیست‌محیطی را افزایش دهند و عمر و کارکرد آن‌ها را طولانی‌تر و هزینه‌های کلی و اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهند. همچنین باعث ایجاد ساختارهای کوچک‌تر و سبک‌تر شوند و درنتیجه سیستم‌های با مصرف انرژی کمتر ایجاد کنند. استفاده از مواد نانومقیاس در کامپوزیت‌ها در طیفی از مواد افزودنی پایه اکسیدی یا نیتریدی در فولاد تا توسعه کامپوزیت‌های ناهمگن کاملاً مهندسی‌شده متغیر است.

1- رفع آلودگی :

مواد نانو ساختاری نقش مهم و رو به رشدی در رفع آلودگی‌ها دارند. این نقش شامل استفاده :

الف) از کشف تا کاربرد: یک ماده نانو ساختاری ۴۱-MCM

محققین در شرکت نفتی موبیل یک برنامه تحقیقاتی بلندمدت در استفاده از مواد بلورین به‌عنوان پایه‌های کاتالیستی را به عهده گرفته‌اند. این برنامه به‌طورکلی کاتالیزور را دگرگون کرده و جایگزین پایه‌های کاتالیستی متداول در اکثر کاربردها شده است. به‌طور خاص این برنامه روی زئولیت ها و مواد متخلخل با اشکال و شیمی و سطح مشخص و اندازه حفرات کمتر از یک نانومتر متمرکزشده است. زئولیت های 5-ZSM و Y امروزه به‌طور گسترده‌ای در سراسر جهان فرآیندهای کاتالیستی عمده در صنایع نفت پتروشیمی میلیاردها دلار درآمد مازاد ایجاد کرده‌اند.

ب) نانو فناوری در محیط‌زیست

نانو ذرات اکسیدهای آهن، خاک‌های رس و دیگر کلوئیدها) عوامل اصلی انتقال آلاینده‌ها و مواد غذایی در آب، خاک و هوا می‌باشند. درک این روش‌های انتقال می‌تواند به توزیع سازنده‌های آلی و معدنی مطلوب کمک نموده و سازنده‌های نامطلوب را متوقف نماید. مثال‌هایی که امروزه استفاده می‌شوند یا تحت توسعه می‌باشند در زیر آمده است:

• زئولیت ها و تنظیم‌کننده‌های خاکی متخلخل دیگر، خصوصاً برای ذخیره‌سازی و آزادسازی آب به‌صورت کنترل‌شده
• استفاده از خاک رس و زئولیت ها به‌عنوان بخشی از موانع رادیو هسته‌ای در برابر منابع ضایعات هسته‌ای کوهستان یوکا
• آزادسازی کنترل‌شده آهن، فسفر و مواد غذایی دیگر از کودهای شیمیایی
• افزودن سیلیکات‌های آلومینیوم به غذا به‌عنوان عامل ساخت و افزودن زئولیتها به غذای حیوانات
• استفاده از زئولیتها به‌عنوان مبدل‌های یونی در خالص‌سازی آب و در شوینده‌ها
• استفاده از سیلیکا ژل و جامدهای نانو فازی دیگر به‌عنوان مواد خشک‌کننده

ج) پلیمرهای نانو حفره‌ای و کاربرد آن‌ها در تصفیه آب

یک دسته کاملاً جدید از پلیمرهای نانو حفرهای آلی با توزیع دقیق اندازه حفرات (2/1-۷/. نانومتر). با استفاده از سیکلودکسترین ها به‌عنوان بلوک‌های ساختاری بنیادی تولیدشده‌اند، این پلیمرهای نانو حفرهای قابل فرآوری در شکل ۲ ارائه‌شده‌اند.

د) خالص‌سازی فتوکاتالیستی سیالات

نانو ذرات پتانسیل زیست‌محیطی قابل‌توجهی به‌عنوان عوامل اصلاحگر دارند. با نانو ذرات می‌توان تلفات موجود را اصلاح کرد، از ایجاد جریان‌های پساب جدید جلوگیری نمود و مواد فعالی توسعه داد که می‌توانند ضایعات را از جایی که قرار دارند، یا جائی که تولیدشده‌اند خارج نمایند.

شکل 1 به‌طور شماتیک این فرآیند را نشان می‌دهد و دو ماده جدیدی را که می‌توانند تأثیر زیادی در این زمینه داشته باشند شرح می‌دهد. در قسمت (الف) شکل ۱ نشان داده‌شده که چگونه TiO۲ نانو ساختاری می‌تواند به‌عنوان فتوکاتالیزور برای پاک‌سازی جریان‌های پساب مورداستفاده قرار گیرد. این فرآیند می‌تواند آلاینده‌های آلی و زیستی را اکسید نماید.

این فرآیندها امروزه در دمای اتاق و هر جای دیگری قابل انجام است. برای این کاربرد دو ماه جدید در قسمت‌های (ب) و (ج) شکل زیر ارائه‌شده‌اند. در قسمت (ب) شمایی از یک فولرین معدنی جدید دارای Mo و S ارائه شده است. در قسمت (ج) شمایی از یک نانو لوله کربنی تک جداره نشان داده‌شده است. این ساختارها برای خالص‌سازی گاز و ذخیره‌سازی هیدروژن استفاده می‌شوند. همچنین آن‌ها می‌توانند استفاده بسیاری برای خالص‌سازی جریان‌های هوا داشته باشند و می‌توانند به‌صورت عاملی برای جذب فلزات سنگین و آلاینده‌های دیگر عمل نمایند.

در سال‌های اخیر یکی از فعال‌ترین حوزه‌های فوتوکاتالیستها، حذف آلاینده‌ها به خصوص آلاینده‌های آلی از محیط‌زیست توسط فوتوکاتالیستهای بر پایه TiO2 است. امروزه مطالعات زیادی در زمینه اکسیداسیون فوتوکاتالیستی ترکیبات آلی فرار که توسط منابع بی‌شماری تولیدشده و سرطان‌زا هستند در حال انجام است.

ه – نانو ساختارهای خودآرای تسلسلی برای جذب سطحی فلزات سنگین

 شکل زیر ترسیمی شماتیک از یک نانو کامپوزیت میان حفرهای دارای گروه‌های عاملی را نشان می‌دهد که از اسکلتی سیلیکاتی از حفرات استوانه‌ای شکل یافته است. این حفرات به ماده ظاهری کند و مانند با سطح ویژه بالا و تخلخلی نانومتری می‌دهد.

حفرات به‌صورت الگویی برای الصاق مولکول‌های دارای اندازه و فعالیت شیمیایی ویژه عمل می‌کنند، تا تک لایه‌های خودآرا روی دیواره شکل گیرند. مولکول‌ها به‌شدت از یک سمت خود را به این پایه سرامیکی چسبیده، انتهای دیگر خود را برای تعامل با واکنش با گونه‌های شیمیایی موردنظر مهیا می‌سازند.

این نانو کامپوزیت‌ها، که تک لایه‌های خود را شده بر روی پایه‌های میان حفره‌ای (SAMMS) خوانده می‌شود، در آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث وست روی آن‌ها کار شده است. آن‌ها در ربایش یون‌های فلزات سنگین از جریان‌های پساب بسیار فعال‌اند و انتظار می‌رود مصارف بیشمار دیگری نیز در فناوری‌های ذخیره انرژی، جداسازی، کاتالیز و درمان مشکلات زیست‌محیطی بیابند.

– نانو فیلترها

یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانو فیلترها است که گام مؤثری در حفظ محیط‌زیست و صرفه‌جویی در انرژی شناخته می‌شود. نانوفیلترها براساس منافذشان به ۳ گروه:

1. میکرو
2. اولترا
3. نانوفیلترها

طبقه‌بندی شده‌اند. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولا از ۲ لایه تشکیل می‌شود. لایه‌های نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می‌دهد. غشاها در اشکال مختلف مارپیچی، صفحه ای، لوله ای و فیبری هستند.

نانوفیلتراسیون یک فرآیند جداسازی تحت فشار ما بين اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون است. نانو فیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون برتری دارد، چرا که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده‌های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آب حاصله بیشتر از حد محصول است که پیامد آن افزایش قیمت این روش است.

به‌طور معمول یکی از مراحل تصفیه آب و پسابها افزودن مواد شیمیایی مختلف به آنها است که این مواد برای سلامتی انسان مضر و دارای اثرات زیست‌محیطی نامطلوب است. به‌طور مثال باقیمانده ترکیبات آلومینیم که به‌عنوان منعقد کننده در تصفیه آب استفاده می‌شود، می‌تواند باعث بیماری آلزایمر (فراموشی) شود. در صورتی که با استفاده از نانوفیلتراسیون کلیه ذرات معلق، ویروس ها و باکتری های آب بدون نیاز به هیچ گونه مواد افزودنی از بین خواهد رفت.

دیگر مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و پساب عبارتند از:

• حذف نمکهای چند ظرفیتی (از قبيل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کش ها)
• امکان تولید میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع
• از بین بردن انواع باکتری، ویروس و میکروارگانیزم ها
• حذف آلاینده‌های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز سلامت انسان
• از بین بردن اثرات مخرب زیست‌محیطی
• حذف کدورت، سختی و شوری آب
• پایین بودن هزینه تصفیه

و در مجموع همانگونه که اشاره شد نیاز نداشتن به افزودن مواد شیمیایی زیان آور برای محیط‌زیست و انسان. فیلترها براساس اندازه منافذشان دسته بندی می‌شوند و بر این اساس به میکروفیلترها الترافیلترها و نانوفیلترها دسته بندی می‌شوند. نانو فیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پایین تر از اسمز معکوس است، بنابراین قیمت تمام شده نانوفیلترها و انرژی مصرفی کمتر است.

نانوفیلترها علاوه بر بازیابی عناصری مثل نمک و کلسیم از آب، قادر به بازیابی ویروس ها و باکتری ها نیز می‌باشند بنابراین می‌توانند در رفع آلودگی‌های آبهای ذخیره نوشیدنی انسان ها و آبهای کشاورزی استفاده شوند.

نانوفیلترها می‌توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهایی که نیاز به مراتب شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض ها آسیب پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع تر از عامل مسمومیت پاک شود.

برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و اندوتوکسین باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسایی شود. با استفاده از نانوفیلترها می‌توان در یک مرحله پلاسما و اندو توکسین را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسایی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد. علاوه بر این نانوفیلترها می‌توانند در جداسازی های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسید نوکلوئیک تصفیه DNA ، جذب پروتئین ها و اسید نوکلوئیکها، سوبسترا برای کشت، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذایی و استریلیزه کردن سرمهای پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند.

2-1-  تولید فیلترها

دانشمندان روش ساده ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانو لوله های کربنی ابداع کرده‌اند که حتی قادر به حذف هیدروکربن های سنگین از نفت خام است. استفاده از نانو لوله های کربنی در ساخت فیلترها، سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آن‌ها در برابر گرما می‌شود.

برخی از شرکت های صنعتی در حال استفاده از نانوفیلترهای اکسید آلومینیم با اندازه دو نانومتر برای تصفیه آب هستند. فیلترهای نانو سرام قادرند باکتریها، نمکها عناصر کدر کننده، مواد رادیو اکتیو و فلزات سنگین را از آب حذف کنند. این نوع فیلترها در ۵ PHتا ۹ بهترین عملکرد را دارند. حداکثر ۴ بار فشار را می‌توان به فیلترها اعمال کرد که منجر به‌شدت جریان ۹ تا ۱۰ لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی متر مربع از فیلتر خواهد شد. در حال حاضر، هزینه هر مترمربع فيلتر یک دلار است که ممکن است این مقدار به ۳ دلار نیز برسد. بنا به گفته کارشناسان، فیلترهای نانو سرام، نیازی به تصفیه پیشین یا پسین، تمیز کردن و شارژ مجدد فیلتر ندارند.

تحقیقات نشان می‌دهد استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب علاوه بر افزایش کیفیت آب تصفیه شده، می‌تواند هزینه‌های تصفیه را تا حدود زیادی کاهش دهد. به تازگی پژوهشگران فعالیت های وسیعی در زمینه استفاده از فناوری نانو فناوری نانو مدنظر قرار داده اند که چنانچه تحقیقات به نتایج مطلوبی برای استفاده در مقیاس صنعتی برسد امید آن می‌رود در آینده ای نزدیک نانوتکنولوژی بسیاری از فرآیندها را در صنایع مختلف، به ویژه در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی تحت تأثیر خود قرار دهد.

همانطور که امروزه می بینیم، نانوتکنولوژی به‌عنوان یکی از مدرن ترین علوم روز دنیاست که در علوم مختلف از قبیل: فیزیک، شیمی، مهندسی و پزشکی جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده است. به‌طوریکه بسیاری از دانشمندان اثرات آن بر زندگی را برایر آثار انقلاب صنعتی در قرن نوزدهم می دانند.

نانوتکنولوژی:

نانوتکنولوژی شامل توسعه، تحقیقات و فناوری در سطوح اتمی، مولکولی و ماکرو مولکولی با طول تقریبی از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، به منظور فراهم آوردن شناخت اصولی از پدیده ها و مواد در مقیاس نانو و هدف ایجاد ساختارها، قطعات و سیستمهایی که به خاطر اندازه کوچک و یا متوسط خود دارای خواص و عملکردهای جدیدی هستند.

مسائل مهم نانوتکنولوژی:

یکی از مسائل مهم نانوتکنولوژی و کاربردی شدن این علم توانایی کنترل پارامترها می باشد. به‌طور خلاصه نانوتکنولوژی شامل دستکاری مواد در حوزه اتم ها بوده، که شامل قرار دادن اتم ها در جای خاص خود می باشد و اجازه می‌دهد تا موادی سبک‌تر، محکم تر، ارزان‌تر، تمیزتر و با دقت ابعادی بالاتر ساخته شوند.

به زبان ساده می‌توان گفت که اجسام و مواد نانومتری ، تعداد زیاد ولی قابل شمارشی از اتم و مولکول ها را دارا می‌باشند. نانوتکنولوژی با ساختارهای گوناگونی از مواد سرو کار دارد که ابعاد آن‌ها از مرتبه نانومتر است. نانوتکنولوژی محدوده ای از تکنولوژی است که در این محدوده انسان می‌تواند انواع ترکیبات، آلیاژها، وسایل و ابزارها و به‌طورکلی، سیستم ها و سازه های گوناگون را در مقیاس اتمی و مولکولی و در ابعاد نانومتری طراحی کرده و به مرحله ساخت برساند. روش ساخت در اکثر موارد، به‌صورت جابه جا نمودن اتم ها و مولکول‌ها و قرار دادن آن‌ها در موقعیت های مناسب می باشد.

در ایران از ابتدای سال ۱۳۸۰ و با برنامه ترویجی دفتر همکاری های فناوری ریاست جمهور فعالیت در این زمینه آغاز شد. درنتیجه این فعالیتها تعدادی از دستگاه های دولتی اقدام به تشکیل گروه برنامه ریزی نانو نموده اند که از آن جمله می‌توان به وزارت خانه های علوم تحقیقات و فناوری، بهداشت درمان و آموزش پزشکی، صنایع و معادن، جهاد کشاورزی، دفتر فناوری‌های نانو ریاست جمهوری و… اشاره کرد.

هدف از انجام این تحقیق آشنایی و معرفی نانوتکنولوژی به‌عنوان شاخه ای جدید و پر کاربرد در صنعت، محیط‌زیست، پزشکی و غیره است. همچنین اشاعه فرهنگ استفاده از نانوتکنولوژی در زمینه های مختلف علمی از جمله محیط‌زیست و صنعت به‌عنوان راهی برای رسیدن به اهداف مختلف در این زمینه ها است.

نانوتکنولوژی چنانچه ذکر شد، منجر به تغییرات شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد. همچنین فناوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط‌زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تاثیر قابل ملاحظه ای، در درک مولکولی فرایندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد، در ایجاد و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده، در توسعه فناوریهای “سبز “جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته باشد. لازم به ذکر است، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا ( زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ‌تر را دارد.

۲ – ۲ – نانوفیلتراسیون و کاربردهای آن

در اوایل دهه ۱۹۵۰ میلادی، پروفسور Yuster در دانشگاه UCLA پی برد که اگر محلولی از نمک در مجاورت هوا یا هر سطح آب زدا قرار گیرد، بر طبق معادله گیبس، لایه ای از آب خالص در فصل مشترک تشکیل می‌شود که ضخامت آن در حدود ۳ الی ۴ آنگستروم می باشد. بعد پروفسور Sourirajan ضمن کار در آزمایشگاه وی به این نتیجه رسید که اگر به‌جای مجاور نمودن هوا با محلول نمک، فاز آب زدای دیگری مانند یک سطح پلاستیکی مجاور شود، بر طبق معادله گیبس، هنوز هم لایه ای از آب خالص بایستی در فصل مشترک محلول و سطح جامد وجود داشته باشد.

حال اگر یک حفره بسیار ریز (پرز) روی سطح جامد وجود داشته باشد، می‌توان آب خالص را با فشار به درون آن هدایت نمود و در طرف دیگر سطح جامد آن را جمع آوری نمود. بنابراین اگر سطح یک فیلم پلاستیکی، متخلخل فرض شده و آب با فشار از داخل آن رد شود، می‌توان آب خالص تهیه نمود. البته مقدار آب، بسیار کم می باشد ولی به هر حال جداسازی صورت گرفته است.

بعدأ دو دانشمند در دانشگاه فلوریدا دریافتند که استات سلولز نسبت به محلول های الکترولیتی آب دریا، نیمه تراوا است. بعد از آن‌ها، دانشمندان دیگری در این زمینه کار کردند که تحقیقات آن‌ها منجر به تهیه غشاهای کاربردی چند لایه و نامتقارن و باردار شد و فرآیندهای غشایی اسمز، اسمز معکوس، دیالیز، الكترودیالیز، میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، غشا مایع، تراوش گاز و تراوش تبخیری ارایه شدند که برای کاربردی نمودن این فرآیندها، غشاها در شکل های هندسی مختلفی تهیه شدند تا حداقل فضا را اشغال نمایند طوری که آن‌ها در چهار چوب مدول لوله ای، حلزونی، الیاف توخالی و قاب و صفحه ای ارایه شدند. نیاز به یک فرآیند غشایی با اختلاف فشارهای نسبتا کم و در عین حال میزان دفع مناسب باعث ارایه فرآیند نوین نانو فیلتراسیون شد. انتخاب این نام برای این فرآیند این است که اندازه حفرات غشاهای مورداستفاده در این فرآیند در حدود نانومتر است.

2 – 3 – مقایسه نانوفیلتراسیون با دیگر فرآیندهای غشایی

نانوفیلتراسیون یا همان اسمز معکوس فشار پایین، فرآیند غشایی جدیدی است که خواص جداسازی آن بین فرآیندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد. به همین علت به آن اسمز معکوس غیر متراکم یا شل نیز می گویند. زیرا با توجه به جدول زیر، اختلاف فشار عملیاتی، اندازه حفرات غشا مکانیزم جداسازی و اندازه ذرات جدا شونده توسط این فرآیند نزدیک به این دو فرآیند می باشد. البته باید توجه داشت که غلظت املاح موجود در خوراک برای این فرآیند باید کمتر از فرآیند اسمز معکوس باشد و همچنین غلظت درشت مولکول های موجود در خوراک برای این فرآیند اسمز معکوس باشد و همچنین غلظت درشت مولکول های موجود در خواراک برای این فرآیند باید کمتر از اولترافیلتراسیون باشد.

در این فرآیند به وسیله اعمال اختلاف فشاری در دو طرف یک غشا، بعضی مواد خوراک ورودی به غشا از آن عبور می نمایند و جداسازی صورت می‌گیرد. به علت عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری این فرآیند خیلی پایین تر از فرآیندهای مشابه دیگر است. همچنین، چون که هزینه پمپ، لوله و مخازن کاهش چشمگیری در فشارهای پایین دارد، سرمایه گذاری کمتری نیاز دارد.

2-4- غشاهای نانوفیلتراسیون

غشاهای نانوفیلتراسیون معمولا از یک لایه بسیار نازک و متراکم و یک لایه محافظ تشکیل شده اند. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی را انجام می‌دهد و لایه محافظ باعث حفاظت غشا در مقابل فشار سیستم می‌شود. ضخامت لایه نازک و مقدار تخلخل آن، مقدار شار عبوری را کنترل می‌کند. غشاهای نانوفیلتراسیون معمولا در دو نوع باردار و غير باردار موجود هستند.

توان رقابت فرآیند نانوفیلتراسیون در برابر دیگر فرآیندها وقتی بارزتر می‌شود که از غشاهای نانوفیلتراسیون باردار در این فرآیند استفاده شود. جنس غشاهای نانوفیلتراسیون غير باردار معمولا از پلیمرهایی نظیر استات سلولز و پلی آمید می باشد. جنس غشاهای نانوفیلتراسیون باردار به دو نوع این غشاها بستگی دارد. این غشاها در سه نوع باردار منفی، باردار مثبت و دو قطبی موجود هستند.

غشاهای دارای بار منفی معمولا از پوستهای متشکل از مواد پلیمری دارای گروه های اسید سولفونیک مثل پلی اتراسولفون سولفوناته و یک لایه نگهدارنده از جنس پلی سولفون ساخته میشوند. برای تهیه غشاهای دارای بار مثبت معمولا از مواد پلیمری دارای گروه‌های آمینی استفاده می‌شود. استفاده از پلی اتیلن ایمین یا پلی الکترولیت آمونیم چهارتایی بسیار رایج است. غشاهای دو قطبی معمولا به وسیله جذب سطحی مواد پلیمری دارای گروه‌های آمینی بر روی غشاهای دارای بار منفی تهیه می‌شوند.

البته این غشاها را از طریق جذب سطحی مواد پلیمری دارای گروه‌های اسید سولفونیکی بر روی غشاهای دارای بار مثبت نیز می‌توان تهیه نمود. هر چند که غشاهای نانوفیلتراسیون تک قطبی به‌طور گسترده‌ای به‌صورت صنعتی ساخته شده اند. غشاهای نانوفیلتراسیون دو قطبی در حد بسیار کمی فقط به‌صورت آزمایشگاهی ساخته شده اند. غشاهای نانوفیلتراسیون دارای بار مثبت یا منفی به ترتیب کاتیونها و آنیونها را دفع و جدا می نمایند و غشاهای نانوفیلتراسیون دو قطبی هم آنیونها و هم کاتیونها را دفع و جدا می نمایند.

2-5- کاربردهای کلی نانوفیلتراسیون

فرآیند نوین نانوفیلتراسیون به دلیل مشابهت با فرآیندهای اسمز معکوس، اولترافیلتراسیون و الکترودیالیز، به‌طور مناسبی جایگزین این فرآیندها در خیلی از کاربردهایشان می‌تواند شود که خیلی از این موارد جایگزینی تا کنون تحقق یافته است و موارد باقیمانده و کاربردهای جدید نیز در مرحله تحقیق می‌باشند. به هرحال می‌توان گفت که یکی از کاربردهای مهم این فرآیند در زمینه شیرین سازی آب و سختی گیری از آن و تهیه آب فوق خالص برای صنعت نیمه هادی ها، دیگ های بخار و صنایع داروسازی می باشد.

همچنین از این فرآیند در تصفیه پساب های صنعتی مثلا در صنایع شیمیایی، نفت و پتروشیمی، کاغذ سازی، لبنیاتی، نساجی و آب فلز کاری استفاده می‌شود. از این فرآیند در صنایع غذایی برای تغلیط و املاح زدایی مثلا برای آب میوه ها و آب پنیر استفاده میشود. ضمنا این فرآیند برای پروتئین گیری به‌طور مثال از آب پنیر و پلاسمای خون مناسب است.

۶ – ۲- کاربردهای بررسی شده

برای بررسی کاربرد نانوفیلتراسیون در سختی گیری از آب، طرحی در رابطه با مدل سازی، شبیه سازی، به دست آوردن داده های آزمایشی و مقایسه این داده ها نتایج حاصل از شبیه سازی کامپیوتری اجرا شد که در آن طرح، علاوه بر بررسی تأثیر غلظت خوراک، اختلاف فشار عملیاتی و پارامترهای غشا بر شار حجمی و میزان دفع حاصل از فرآیند نانوفیلتراسیون، اثر pH خوراک و افزودن پلی الکترولیت به خوراک نیز بررسی شد که نتایج آن در سال های اخیر انتشار یافته است. مهم ترین نتیجه این طرح این است که نانوفیلتراسیون جایگزین مناسبی برای فرآیندهای تبادل یونی، آهک زنی و آهک- سودازنی در زمینه سختی گیری از آب می باشد.

در طرح مشابه دیگری، کاربرد نانوفیلتراسیون در املاح زدایی و پروتئین گیری از آب پنیر بررسی شد که نتایج بسیار جالبی در رابطه با جایگزینی فرآیند نانوفیلتراسیون به‌جای فرآیند اولترافیلتراسیون در این کاربرد حاصل شد. اخیرا در دو طرح دیگر، کاربرد نانوفیلتراسیون در پروتئین گیری از پلاسمای خون و تهیه آب فوق خالص برای صنایع الکترونیک و داروسازی و همچنین برای استفاده در دیگهای بخار صنایع بررسی شد. طرح اولی برای استفاده مناسب از خون موجود در کشتارگاه ها بسیار مطلوب است و طرح دومی نیز در صورت صنعتی شدن، مشکل خیلی از صنایع را رفع می نماید.

٣- کاربرد نانوفیلتراسیون در تصفیه آب آشامیدنی

فناوری‌های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می‌کند. بنا به اظهارات یک کارشناس علوم محیطی در چین، آب تصفیه شده به توسط نانوفیلتراسیون در دانشگاه تیانجین، به اندازه آب معدنی تصفیه شده ارزش دارد.

با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامتی انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می‌گردد. با توجه به اینکه ۵۰ درصد آب های زیرزمینی شهرهای چین آلوده و ۷۸ درصد آب در رودخانه های مناطق شهری غیر قابل شرب می‌باشد، این فناوری جدید در تصفیه آب، طرفداران زیادی دارد. در حال حاضر ۱۰ مرکز تصفیه آب با استفاده از نانوفیلتراسیون در چین، به کار مشغولند. تحقیقات نشان می‌دهد که با مصرف آب حاصل از نانو فیلتراسیون، در مدت طولانی، شیوع بیماریهای قلبی و عروقی و سرطان به ترتیب به میزان ۴۰درصد و ۲۰ درصد کاهش می‌یابد.

تصور اولیه در مورد نانوتکنولوژی این است که کاربردهای آن در صنایع خاص و عمدتا پیچیده می باشد. ولی مطالب فوق نشانگر این است که نانوتکنولوژی می‌تواند بشر را در حال عمومی ترین مشکلات زندگی روزمره نیز یاری کند. استفاده از نانوتکنولوژی در تصفیه آب در کشوری مثل چین نشان می‌دهد که حتی کشورهایی که شروع کننده نانوتکنولوژی نبوده و بودجه های چند صد میلیون دلاری صرف تحقیقات آن ننموده اند، می‌توانند در بعضی زمینه ها موفق باشند. مهم اینست که پتانسیل و لوازم نانوتکنولوژی را به خوبی بشناسیم و سعی کنیم با توجه به توانمندی های موجود کشور و با اهداف و جهت گیری مشخص، از ظرفیت های نانوتکنولوژی بیشترین استفاده را ببریم.

3-1- نانو ذرات و تصفیه آبهای آلوده

نانو ذرات دو فلزی، آلودگی تری کلر و آتن را صد مرتبه سریع‌تر از کاتالیستهای رایج تجزیه می‌کند.

تحقیقات در مرکزی فناوری نانوی زیستی و زیست‌محیطی در دانشگاه رایس نشان می‌دهد که نانو ذرات طلا و پالادیم کاتالیستهای بسیار موثر برای حذف آلودگی تری کلر و آتن از آب می‌باشند. نتایج این تحقیقات در مجله علوم و تکنولوژی محیط زیست منتشر خواهد شد.

مایکل وانگ مدیر این پروژه تحقیقاتی می گوید: مزیت های حذف‌ “تری کلر” و “آتن” با پالادیم به خوبی ارائه شده است ولی “ای تروش” کمی پر هزینه است. با به کارگیری فناوری نانو ما می‌توانیم تعداد اتم‌های در تماس با مولکول‌های تری کلر و آتن را افزایش دهیم و در نتیجه کارایی این کاتالیست چندین برابر کاتالیستهای رایج افزایش پیدا می‌کند.

تری کلر و آتن حلال رایج در روغن زدایی از فلزات و قطعات الکترونیکی می باشد. این ماده یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب ایالات متحده میباشد و در ۶۰ز پسماندهای صنعتی به‌عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن بایدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان می‌شود.

وزارت دفاع آمریکا هزینه تصفیه آب و حذف “‌تری کلر” و “آتن” را از آن در حدود ۵ میلیارد دلار تخمین زده است. برای حذف ‌تری کلر و آتن ، آب را در تماس با کاتالیست قرار می‌دهند. این کاتالیستها تری کلر و آتن را به مواد غیر سمی و یا کمتر سمی تجزیه می‌کنند. کاتایستهای شیمیایی نسبت به کاتالیستهای زیستی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند ولی بسیار گران هستند.

یکی از مزیت‌های کاتالیستهای پالادیم برای تجزیه‌ “تری کلر” و “آتن” این است که پالادین را مستقیماً به ماده غیر سمی اتان تبدیل می‌کند. درحالی‌که کاتالیستهای رایج مانند آهن،  ‌تری کلر و آتن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیل کلراید تبدیل می‌کنند.

آقای وانگ و همکارانش انواع کاتالیستهای پالادیم را بررسی می‌کنند. پالادیم به‌صورت بالک، پودر پالادیم روی بستری از اکسید آلومینیوم، نانو ذرات خالص پالادیم و یک نانوذره مخلوط که از نانو ذرات طلای پوشیده شده با لایه نازکی از اتم‌های پالادیم تشکیل می‌شود وجود دارد.

با کاهش یافتن ابعاد مواد به سمت نانومتر تعداد اتم‌های موجود در سطح ماده افزایش پیدا می‌کند. به‌عنوان مثال در مورد پالادیم با لک، ۴٪ اتم‌ها در سطح وود دارند ولی در مورد نانو ذرات پالادیم، ۲۴٪ اتم‌های ماده در سطح وجود دارند. درحالی‌که در نانو ذرات طلا – پالادیم حدود ۱۰۰% اتم‌های پالادیم توانایی انجام واکنش را دارند. این محققان در تلاش هستند پمپ استوانه‌ای را توسعه دهند که حاوی غشایی از نانو ذرات پالادیم باشد. این وسیله با پمپ کردن پیوسته آب، TCEرا به اجزاء غیر سمی تجزیه می‌کند.

این تحقیقات نشان می‌دهد که نانوکاتالیستهای طلا – پالادیم ساخته شده توسط این گروه صدبار سریع‌تر از پالادیم بالک TCE را تجزیه می‌کند.

بحث و نتیجه گیری

نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه می‌توان گفت رویکرد جدیدی در تمام رشته هاست، بدین منظور فعالیت های علمی پژوهشی در عرصه مهندسی بهداشت محیط؛ با طرح این دانشها و به انجام رساندن این فن آوری ها، بویژه در مقیاس های مادون ریز نانومتری، بدون شک در آینده ای نزدیک سهم ارزنده‌ای در حذف آلاینده‌های زیست‌محیطی بالاخص آلاینده‌های آب ( از جمله نیتراتها ، فلزات سنگین ، مواد آلی ، رنگ و … ) که سهم بسزایی از آسایش روانی اجتماعات از آن نشات می‌گیرد را ایفا خواهند کرد.

پیشنهادات:

راهکارهایی برای توسعه نانوتکنولوژی در جمهوری اسلامی ایران و تصویب یک برنامه ملی برای مشارکت و هماهنگی بخشهای مختلف دولت، دانشگاهها و مراکز پژوهشی، بخش خصوصی و صنعت با در نظر گرفتن نهاد هماهنگ کننده در این برنامه اولویتهای آموزشی، پژوهشی و صنعتی کشور مشخص می‌شود و با اختصاص بودجه به هر یک از بخشها، وظیفه اجرای برنامه به آن‌ها داده میشود و ضمنأ راهکارهای حمایت از بخش خصوصی و اقدامات لازم برای رفع موانع موجود دیده می‌شود.

• افزایش آگاهی های عمومی در مورد پتانسیل نانوتکنولوژی
• حمایت از شرکتهای خصوصی و نوپا
• تحقیقات توسعه ای با انتخاب محور مناسب و ایجاد چرخه کامل ثمردهی نوآوری
• ترویج نانوتکنولوژی در صنایع
• همکاری بین المللی به منظور سرعت بخشیدن به فعالیتها
• برای موفقیت در عرصه نانوتکنولوژی به زیر ساختهای سنگینی نیاز نیست و با انتخاب محورهای مناسب می‌توان به موفقیتهای ارزنده ای رسید. اما به هر حال موارد زیر لازم است:
• فرهنگ سازی و ترویج فعالیت آموزشی، پژوهشی و صنعتی در زمینه نانوتکنولوژی
• تسهیل همکاری های بین المللی
• تسهیل دستیابی به اطلاعات علمی جهان در این زمینه

درنتیجه نانوتکنولوژی، عرصه مهمی در علم و فناوری است که در سال‌های اخیر توجه کشورها، بنگاهها، مراکز آموزشی و پژوهشی و محققان را به خود جلب نموده است، حضور در این عرصه برای کشورها اجتناب ناپذیر بوده و برای کشور ما نیز ضرورت دارد اما در این عرصه تصمیم گیری بموقع و صحیح ضرورت داشته و یکی از الزامات اصلی آن تشکیل شبکه نوآوری در محورهای منتخب می‌باشد. تدوین و اجرای طرح جامع و آینده نگر و نهاد هماهنگ کننده فرابخشی نیز یکی از شرایط اصلی موفقیت در این عرصه می باشد.

منابع:

[1] نظری، نازنین ۱۳۹۰. بررسی اجمالی کاربرد نانوتکنولوژی در پالایش آلاینده‌های محیط ‌زیست با تأکید بر تصفیه آب. پروژه کارشناسی رشته محیط‌ زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز

[۲] اکبری، آرام. ۱۳۸۷. کاربردهای نانو فیلتراسیون و نقش نانوتکنولوژی در تصفیه آب. چهارمین همایش ملی بحرانهای زیست‌محیطی ایران و راهکارهای بهبود آن‌ها.

[۳] اکبری، آرام. ۱۳۸۴. کاربرد نانوتکنولوژی در منابع طبیعی و اثرات آن بر محیط‌ زیست. پروژه کارشناسی رشته محیط ‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز

[۴] رتنر، مارک. ۱۳۸۵. نانوفناوری سرآغازی متین بر اندیشه برجسته بعدی (ترجمه: میثم تهرانی)، انتشارات سیمای دانش اها لاله زاری، فاطمه آزیتا فراشی.۱۳۸۹. سمیت اکولوژیکی اثرات زیست‌محیطی نانو ذرات. فصلنامه انجمن نانو فناوری ایران، دنیای نانو سال ششم، شماره ۳۵: ۱۹.

[۶] موسوی، محمود. ۱۳۸۰.نانو فیلتراسیون و کاربردهای آن، همایش علمی کاربردی نانوتکنولوژی انقلاب صنعتی آینده -۱۴و۱۵ اسفندماه ۱۳۸۰.

1. Gutmanis, Ivars.1999.Probability of the nanotechnology manufacturing processes in the industrial nation in 2015-2025 time period. Robert of Hobe Corporation.
2. James Brooks Avey. June 2000. “No More Smog, Less Noise, Lower costs”, Technology Investor:51.
3.  WWW.hupaa.com
4.  www.iop.org
5. WWW.nano.ir
6. WWW.nanoarticle.com
7.  www.regenesys.com