دوشنبه 12 آبان 1399

کاربرد فناوری‌های نانو در تصفیه آب خاکستری

فناوری نانو توانایی طراحی ساختارها را با دقت و ظرافت مولکولی-اتمی‌فراهم می‌آورد. این به معنای مهندسی دقیق یک ساختار در حد میلیاردیوم متر یا همان نانومتر است. ساختارهایی که با این دقت تهیه می‌شوند، خصوصیات ویژه و منحصربفردی از خود نشان می‌دهند. همچنین این اندازه ذرات (یا جزئیات ساختار)، خصوصیات بسیار خاصی را ایجاد می‌کند. انتظار می‌رود که تا سال 2050 میلادی، این فناوری بتواند چهره زندگی بشر را بطور کلی تغییر دهد. فناوری نانو در کنار فناوری زیستی و فناوری اطلاعات، موج دیگری از انقلاب صنعتی را در جهان رقم خواهد زد.

آب خاکستری

آب خاکستری، مجموعه ای از پساب‌های ظرفشویی، دستشویی و حمام می‌باشد و می‌تواند با ایجاد ساز و کاری جدید، برای مصارف مختلف خانه مورد استفاده قرار گیرد. به طور کلی استفاده از آب خاکستری در بخش‌های مختلف به شرح زیر مطرح است:

شستشوی ماشین
شستشوی محوطه
آبیاری فضای سبز و درختان
آب مورد نیاز فلاش تانک‌های سرویس بهداشتی

آب خاکستری تفاوت‌های زیادی با فاضلاب توالتی دارد، زیرا فاضلاب توالتی را با نام گندآب‌ها (آب سیاه) می‌شناسند که حاوی فضولات انسانی هستند. آب خاکستری دو نوع می‌باشد: آب خاکستری سبک که پساب لباسشویی و دوش را شامل می‌شود و آب خاکستری سنگین که معمولا پساب‌هایی مانند ظرف شویی است. همانطور که در شکل 1 مشخص است، میزان مصرف آب و در نتیجه آن میزان تولید آب خاکستری بسته به منطقه و سبک زندگی افراد متفاوت است. پس سیستم تصفیه آب خاکستری بر این اساس می‌بایستی طراحی گردد. استفاده مجدد از آب خاکستری، در واقع صرفه جویی در آب تصفیه شده است؛ چرا که بدون استفاده از آب شیرین، می‌توان نیاز‌های روزمره را مرتفع نمود. موفقیت یک سیستم استفاده مجدد از آب خاکستری، بستگی زیادی به تلاش‌های فردی برای نگهداری از آن دارد.

شکل1- مقایسه میزان تولید آب خاکستری در مناطق مختلف الف ) موارد مصرف آب در یک خانوار در کالیفرنیا بدون در نظر گرفتن فضای سبز منزل [1]. ب) موارد مصرف آب در یک خانوار در اروپا [2].

مزایای استفاده مجدد از آب خاکستری

به طور کلی خانوارها در طول سال حجم زیادی آب را مصرف می‌کنند. میزان مصرف توسط تک خانوار در کالیفرنیا در بیرون خانه ( جهت آبیاری فضای سبز خانه و شست و شوی ماشین) شامل 38 درصد از کل آب مصرفی می‌باشد. از سوی دیگر چند خانوار ( مجموعه مسکونی که از چند خانه مجزا تشکیل شده است) مصرف کمتری خارج از خانه خواهند داشت که حدود 20 درصد را شامل می‌گردد (شکل 2). به نظر می‌رسد که با تصفیه آب خاکستری و استفاده مجدد از آن، می‌توان نیاز آب مصرفی خارج از خانه را تامین نمود و تاثیر بسیار زیادی بر کاهش مصرف آب گذاشت.

شکل 2 : میزان مصرف آب توسط خانوار در داخل و خارج از منزل [3].

یک بررسی در کالیفرنیا نشان می‌دهد که هر چه میزان استفاده از آب خاکستری افزایش یابد، آب شرب شهری بیشتری صرفه‌جویی می‌گردد. همانطور که در شکل 3 مشخص می‌باشد، در یک خانوار حجم زیادی از آب صرف فضای سبز[1] و توالت می‌گردد که می‌توان بخش عمده آن را از آب خاکستری تامین کرد. اگر تنها پساب لباسشویی مورد استفاده مجدد واقع گردد، حدود 16 درصد صرفه جویی در آب خواهد شد (حدود 4/79 لیتر در روز برای یک خانوار)، اگر پساب‌های لباس شویی و دوش مورد استفاده مجدد واقع گردد حدود 28 درصد در مصرف آب شهری صرفه‌جویی می‌گردد (140 لیتر در روز برای یک خانوار) و اگر تمامی آب خاکستری تولید شده مورد استفاده قرار گیرد، بالغ بر 40 درصد در مصرف آب شرب شهری صرفه جویی می‌شود(6/200 لیتر در روز برای یک خانوار).

———————————————————

[1] در ایالت کالیفرنیا بیشتر خانه ها دارای فضای سبز و باغچه های بزرگ می باشند

شکل 3: میزان صرفه‌جویی در آب از طریق مصرف مجدد آب خاکستری [3].

استفاده از فناوری نانو جهت تصفیه آب خاکستری

آب خاکستری را به دلیل داشتن انواع شوینده‌ها، نمی‌توان مستقیما مورد استفاده قرار داد و لازم است که با روشی ساده و ارزان تصفیه گردد. دو نوع سیستم برای تصفیه آب خاکستری وجود دارد:

سیستم زیستی[1]: در سیستم زیستی از گیاهان و یا باکتری‌ها جهت تصفیه استفاده می‌شود که مهمترین آنها تالاب‌های مصنوعی[2] و بایوراکتورها[3] می‌باشد.

سیستم مکانیکی[4]: در این سیستم‌ها از فیلتر‌های غشایی و یا شنی استفاده می‌شود و در مواردی جهت حذف آلودگی میکروبی موجود، از پرتودهی نور فرابنفش استفاده می‌شود (شکل 4).

شکل 4: طریقه تصفیه آب خاکستری جهت مصارف مختلف [4].

————————————————————-

[1] Biological systems

[2] constructed wetlands

[3] bioreactors

[4] Mechanical systems

امروزه فناوری نانو جهت ارتقاء عملکرد سیستم‌های مکانیکی در تصفیه آب خاکستری مورد توجه واقع شده است. استفاده از فناوری نانو هزینه‌ها را کاهش داده و طول عمر و کارایی سیستم تصفیه را افزایش می‌دهد. فناوری‌های نانوی مورد استفاده معمولا شامل غشاء‌های نانو فیلتراسیون و یا نانو کاتالیزور‌ها می‌شوند.

غشاهای نانوفیلتراسیون ظرفیت متوسطی برای حذف نمک‌های تک ظرفیتی داشته و همچنین قابلیت حذف موثر نمک‌ها، فلزات سنگین، رنگ، ویروس‌ها و باکتری‌ها و ترکیبات آلی زنجیره‌دار را از آب و فاضلاب دارا می‌باشند. بیشتر غشاء‌های نانو فیلتراسیون مورد استفاده در تصفیه آب خاکستری از نوع سرامیکی می‌باشد، چراکه پایداری و مقاومت زیادی نسبت به مواد شوینده و یا تغییرات pH دارد که در نتیجه آن زمان کارکرد غشاء طولانی خواهد بود و نگهداری آن آسان می‌باشد( شکل 5). این نوع از غشاء‌ها دسته‌ای از انواع غشاهای مصنوعی هستند که از ترکیبات معدنی مانند آلومینا (Al₂O₃)، تیتانیا (TiO₂)، اکسیدهای زیرکونیوم (ZrO₂)، سیلیکا (SiO₂)، کربید سیلیکون (SiC) و … ساخته می‌شوند.

شکل 5: استفاده از غشاء نانوفیلتراسیون جهت تصفیه آب خاکستری [5].

در برخی از سیستم‌ها از نانوکاتالیزورها و یا نانو فوتوکاتالیست‌ها [1] (فتوکاتالیست‌ها معمولاً اکسیدهای جامد نیمه‌رسانا هستند که با جذب فتون‌ها یک جفت الکترون-حفره[2] در آنها ایجاد می‌شود. این الکترون-حفره می‌توانند با مولکول‌های موجود در سطح ذرات واکنش دهند) جهت تجزیه ترکیبات آلی موجود در آب خاکستری استفاده می‌شوند. فوتوکاتالیســت‌های مناســب زیادی وجود

دارنــد، امــا رایجترین مــاده موثــر تیتانیم دی‌اکســید[3] نانویی اســت. نانوذرات بســیار موثرتــر از مولکول‌هــای درشــت موجود در فوتوکاتالیست‌ها عمل می‌کنند. برای فعالســازی نانو ذرات تیتانیم دی‌اکســید، تابش پرتوی فرابنفش از نور خورشــید یــا منبع نور مصنوعی مورد نیاز است. نانو فتوکاتالیست‌ها می‌توانند با سیستم‌های تولید کننده نور فرابنفش ترکیب شوند تا فرایند کاتالیستی نانو ذرات بهترین عملکرد را داشته باشد (شکل 6).

شکل 6: استفاده از نانو ذرات فوتوکاتالیستی در سیستم پرتودهی نور فرابنفش جهت کاهش آلودگی آب خاکستری [6].

شرکت‌های فعال خارجی در حوزه تصفیه آب خاکستری

امروزه به دلیل کمبود آب و بحران‌های زیست محیطی ناشی از تولید زیاد پساب، تولید و استفاده از سیستم‌های تصفیه آب خاکستری بسیار مورد توجه واقع شده است و بسیاری از شرکت‌ها محصولات مبتنی بر فناوری نانو را به بازار عرضه کرده اند. شرکت استرالیایی Nanotechnology Victoria یک شرکت فعال در زمینه تصفیه آب خاکستری با استفاده از فناوری نانو می‌باشد. این شرکت در یکی از پروژه‌ها از سیستم غشاء‌های نانویی جهت پاک سازی آب خاکستری تولیدی در آکواریوم ملبورن[4] در ابعاد گسترده استفاده نمود[7 و8]. آکواریوم‌های بزرگ به دلیل مصرف زیاد آب و آلوده شدن مداوم آب در اثر فعالیت آبزیان، نیاز به تصفیه مداوم آب خاکستری دارد.

——————————————————-

[1] Nano photocatalyst

[2] Electron–hole pairs

[3] TiO2

[4] Melbourne Aquarium

شرکت Nano Membrane Toilet که از سوی محققان دانشگاه Cranfield University تاسیس شده است، سیستمی را طراحی کرده که با کمک فناوری نانو و غشاء نانویی، آب توالت چندین بار قابل استفاده باشد و مصرف آب به شدت کاهش یابد

توالت با قابلیت تصفیه مجدد آب با استفاده از فناوری نانو ساخت شرکت Nano Membrane Toilet.

شرکت showerspring ، جهت تصفیه آب خاکستری، کف پوش مخصوص دوش حمام را طراحی و تولید کرده است که می‌تواند حجم زیادی از آب را تصفیه کند و شوینده‌ها را با آب کمتری به سمت فاضلاب هدایت کند. آب تصفیه شده جهت مصارف مختلف مانند فضای سبز قابل استفاده خواهد بود

کفپوش تصفیه پساب دوش

پروژه‌ای به نام Nanowat جهت مطالعه و تولید سیستم تصفیه آب خاکستری با استفاده از فناوری غشاء نانویی و فوتوکاتالیستی با همکاری و سرمایه گذاری اتحادیه اروپا و [1]ENPICBCMED با بودجه بالغ بر 1404000 یورو در حال اجرا می‌باشد

سیستم غشاء نانویی جهت تصفیه آب خاکستری ( پروژه Nanowat)

———————————————————————————-

[1] کشورهای حوزه دریای مدیترانه را شامل می گردد

شرکت‌های فعال ایرانی

در ایران نیز موفقیت‌های قابل توجهی در تولید غشاء‌های نانوفیلتراسیون توسط شرکت‌های مختلف به دست آمده است. از جمله این شرکت‌ها را می‌توان شرکت دانش پژوهان صنعت نانو را نام برد که به طور تخصصی دستگاه خانگی تصفیه آب خاکستری با استفاده از غشاهای نانوساختار سرامیکی را به مرحله تولید رسانده است (شکل 11). این نوع غشا با جداسازی بخش عمده مواد شوینده از آب خاکستری، منجر به ایجاد قابلیت استفاده مجدد از آب تصفیه شده می‌شوند، بطوریکه بیش از 50 درصد در مصرف آب صرفه جویی می‌گردد.

شکل 10: ماژول غشاهای نانوساختار سرامیکی ساخت شرکت دانش پژوهان صنعت نانو

جمع بندی

کمبود آب به خصوص در کشورهای خاورمیانه، هزینه بالای تصفیه آب شهری، آلودگی زیست محیطی ناشی از تولید پساب شهری، از جمله عواملی است که تصفیه آب خاکستری و استفاده مجدد آن را ضروری می‌کند. فناوری‌های نوین مانند فناوری نانو ، این امکان را می‌دهد که با هزینه‌های پایین و بهره‌وری بالا، حجم زیادی از آب در منازل، سازمان‌ها و ساختمان‌های تجاری صرفه‌جویی گردد. این امر یکی از ملزومات اصلی جهت ساخت ساختمان‌های نوین در زمان حال و آینده خواهد بود.