کاربردهای فناوری نانو در صنایع تصفیه آب

پیشوند نانو به معنی یک میلیاردم (10^-9) است. بنابراین فناوری‌نانو (نانوتکنولوژی) با ساختارهای مختلف ماده که دارای ابعادی از مرتبه یک میلیاردم متر هستند، سروکار دارد. مواد در ابعاد نانو دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به ساختار بالک خود هستند.

افزايش جمعيت جهان و کاهش منابع آب آشاميدني، نگراني‌هايي را درباره تامين آب آشاميدني مورد نياز کشورهاي مختلف در سراسر جهان به‌وجود آورده است. کمبود آب چه از نظر کيفي و چه از نظر کمي به ويژه در برخي کشورها، مردم را در معرض تهديد جدي قرار داده است. از این رو علم و فناوری دست به دست هم داده اند تا با توسعه برخی روش ها اين مشکل را از پيش رو بردارند.

آنچه در فناوری‌نانو به‌دنبال آن هستيم ايجاد بستري مناسب، براي دسترسي به آبي سالم، با کيفيت و مقرون به صرفه است. استفاده از فيلترهاي نانومتري به‌منظور افزايش بازيابي آب در سيستم‌هاي موجود و کاربرد نانو حسگرهاي زيستي براي تشخيص سريع و کامل آلودگي آب از مهم‌ترين موارد کاربرد فناوری‌نانو در صنعت آب و فاضلاب است.

 

برخی کاربردهای فناوری‌نانو در ارتباط با صنعت آب

 نانوحسگرها

اگرچه حسگرهای مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرها، با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده را حتی در مقادیر و غلظت های کم آشکار می نمایند.

نانوحسگرها شامل نانوحسگرهای زیستی و نانوحسگرهای شیمیایی می‌باشند. نانوحسگرهای زیستی در تصفیه آب و محیط زیست کاربرد دارند و می‌توانند انواع عوامل بیماری‌زا شامل مقادیر بسیار اندک میکروب‌ها و سموم حاصل از آنها را در حد ppb[1] شناسایی کنند. نانوحسگرهای شیمیایی در تصفیه آب و پساب‌های صنعتی کاربرد دارند و می‌توانند انواع آلاینده‌ها و همچنین مقادیر بسیار اندک یون‌های سنگین مانند سرب و آرسنیک موجود در آب را شناسایی کنند. نانو مواد و نانو ساختار‌هاي جديد مانند نانوذرات، نانوكريستال‌ها، نانو لوله‌هاي كربني، نانوالياف و فيلم های لایه نازك به‌عنوان دستگاه‌هاي حسگر مشخص شده‌اند.

با استفاده از فناوری‌نانو روش‌های مختلفی برای رفع آلودگی و تصفیه آب وجود دارد که در زیر به برخی از آن‌‌ها اشاره شده است.

• تصفیه آب به روش فیلتراسیون

به‌طور کلی 4 روش برای فیلتراسیون آب وجود دارد، که در ادامه به توضیح مختصری در این خصوص پرداخته شده است.
1- میکروفیلتراسیون [2]
میکروفیلتراسیون فرایندی است که از آن برای جداسازی ذرات، جامدات معلق کوچک و موادی دیگر مانند باکتری‌ها، مولکول‌هـا و ذراتی بزرگتر از 2 میکرون استفاده می‌شود. این روش قادر به فیلتر کردن نمک از آب نیست.
2- آلترافیلتراسیون [3]
در آلترافیلتراسیون مولکول‌هایی بزرگ‌تر از 50  نانومتر جدا می‌شوند. ابعاد حفره‌های فیلتر بین 2 تا 50 نانومتر است. این فرایند برای جداسازی و تغلیظ مواد کلوئیدی و سوسپانسیونی به کار می‌رود و قادر به فیلتر کردن ذرات یونی نیست.
3- اسمز معکوس 
اسمز معکوس فرایندی است که آب در اثر اختلاف فشار از یک غشای نازک عبور می‌کند تا محتویات و مواد معدنی شامل نمک، ویروس‌ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیر آلی و اتم‌ها و مولکول‌هایی در مقیاس کوچکتر 1 نانومتر جدا شوند. در این روش به‌دلیل استفاده از فشار بالا، هزینه تمام شده برای تصفیه آب بسیار بالا است.

شکل 1. نحوه عملکرد اسمز معکوس.

 

4- نانوفیلتراسیون [4]
ابعاد حفره‌های نانوفیلتر بین 5/. تا 2 نانومتر است. روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. در نانوفیلتراسیون جداسازی بر اساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد. اساساً این روش، جهت حذف اجزای آلی نظیر آلاینده ها در اندازه میکرونی و یون‌های چند ظرفیتی می‌باشد.

از دیگر کاربردهای نانوفیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور از بین بردن موجودات زنده مضر به آب اضافه شده‌اند، حذف فلزات سنگین مانند جیوه، تصفیه‌ی آب‌های مصرفی، رنگ‌زدایی و حذف آلوده‌کننده‌ها اشاره کرد.

در شکل زیر انواع مختلف فیلتراسیون با توجه به نوع و اندازه ترکیبات قابل‌جداسازی نشان داده شده است.

شکل 2:  انواع مختلف فیلتراسیون با توجه به نوع ترکیبات قابل‌جداسازی

———————————————–

[1] part per million

[2] microfiltration

[3] ultrafiltration

[4] nanofiltration

 

 

مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون‌ها

• حذف نمک‌های چند ظرفیتی (از قبیل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کش ها)
• امکان تولید میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع
• از بین بردن انواع باکتری ها، ویروسها و میکروارگانیزم ها
• از بین بردن اثرات مخرب زیست محیطی
• حذف کدورت، سختی و شوری آب
• پایین بودن هزینه تصفیه
• حذف آلاینده های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز برای سلامت انسان
• عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی زیان‌آور برای محیط زیست و انسان

شکل 3: شمای کلی از عملکرد نانوفیلتراسیون

برخی از انواع نانو فیلترها

از جمله غشاهای مصرف شده در نانوفیلترها، می‌توان به نانولوله‌های کربنی اشاره کرد. نانولوله‌های کربنی می‌توانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگی‌ها، به طور یکنواخت هم‌راستا شوند. تخلخل‌های نانومتری نانولوله‌ها این فیلترها را از دیگر فناوری‌های فیلتراسیون بسیار انتخاب‌پذیرتر نموده است. همچنین نانولوله‌های کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی مناسبی هستند. اگر چه چندین روش برای سنتز نانولوله‌های کربنی استفاده شده است، غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند به وسیله پوشش‌دهی یک ویفر سیلیکونی با نانوذرات فلزی به عنوان کاتالیست، که موجب رشد عمودی و فشردگی بسیار زیاد نانولوله‌های کربنی می‌شود، سنتز شوند و پس از آن برای افزایش پایداری، فضای بین‌ نانولوله‌های کربنی را با مواد سرامیکی پر نمود. مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند تقریباً همه انواع آلودگی‌های آب را حذف کنند؛ این آلودگی شامل باکتری، ویروس، ترکیبات آلی و … است. همچنین این غشاها نویدی برای فرایند نمک‌زدایی و گزینه‌ای برای غشاهای اسمز معکوس نیز هستند.

اگر چه تخلخل نانولوله‌های کربنی به طور قابل توجهی کوچک است، غشاهای نانولوله‌ای نشان داده‌اند که به دلیل سطح داخلی صاف نانولوله‌ها، شدت جریان بیشتر یا یکسانی نسبت به تخلخل‌های بسیار بزرگ‌تر دارند. با توسعه روش‌های جدید و بسیار مؤثر برای تولید نانولوله‌های کربنی، هزینه تولید غشاهای نانولوله‌‌ای به طور پیوسته کاهش می‌یابد. بر اساس پیش‌بینی‌ برخی منابع، به دلیل کاهش قیمت نانولوله‌های کربنی، غشاهای نانولوله‌ای بسیار ارزان‌تر از سایر غشاهای فیلتراسیون، غشاهای اسمز معکوس، سرامیک و غشاهای پلیمری خواهد شد.

 

• نانو ذرات اکسید آهن

نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم شکستگی ترکیبات آلاینده می‌شوند و آن‌ها را به ترکیباتی با درجه سمیت بسیار پایین تبدیل می‌کنند. استفاده از این نانوذرات باعث حذف آرسنیک، کروم، مس، کبالت ، نیکل، آلاینده ها و ترکیبات آلی از آب می‌شود.

آرسنیک در اثر انحلال مواد معدنی موجود در سنگ‌ها و خاک‌هایی که تحت تاثیر عوامل فرساینده طبیعی  قرار گرفته‌اند، در لایه‌های زمین پخش می‌گردد. این ماده بی‌بو، بی‌مزه و بسیار سمی و سرطان‌زا می‌باشد که استفاده دراز مدت از آب آلوده به آن، باعث ایجاد سرطان‌های پوستی، لنفاوی، کلیوی، صفرایی و ریوی می‌شود.

نانوذرات مغناطیسی اکسیدآهن، جاذب‌های بسیار مناسبی برای آلاینده آرسنیک به‌ویژه در آب‌های اسیدی هستند و آرسنیک موجود در آب را تا 99% به دام می‌اندازند.

شمایی از عملکرد نانوذرات مغناطیسی اکسیدآهن و حذف یون‌های فلزی از آب

====================

ArsenX^np یک رزین جاذب متشکل از نانوذرات اکسیدآهن آب‌دار روی یک زیرلایه پلیمری است که به‌دلیل سطح ویژه بالا، ظرفیت بیشتر و سینتیک جذب سریع‌تر، کارایی و راندمان بالایی برای تصفیه آب‌های زیرزمینی از یون‌های نیترات، پرکلرات، کروم و خصوصا آرسنیک نشان داده است. از مهمترین امتیازات ArsenX^np انتخاب‌گری بالای آن برای یون آرسنیک است و پلیمرهای پایه آن برای دوام و بقا نیاز به شستشو ندارند. این محصول عمر طولانی و کاربرد بسیار ساده‌ای دارد و علاوه بر حذف آرسنیک از آب آشامیدنی، جهت حذف آرسنیک از پساب‌های صنایع نیمه هادی و آب‌های استفاده شده در برج های خنک کننده نیز کاربرد دارد.

====================

• نانوذرات لانتانیوم

نانوذرات لانتانیوم، فسفات را از محیط‌های آبی جذب می‌کنند. کاربرد این نانوذرات به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد جلبک‌ها جلوگیری می‌کند.

• نانو ذرات نقره:

نانو­ذرات نقره، یکی از پرکاربرد‌­ترین ذرات در حوزه فناوری‌نانو هستند که به دلیل داشتن خصوصیات ضد­میکروبی مشهور بوده و به عنوان یک کاتالیست قادرند بیش از 650 گونه باکتری، ویروس و قارچ را نابود سازند. یونهای نقره به سبب اندازه کمی که دارند سطح تماس بیشتری با فضای بیرون دارند و تأثیر بیشتری در محیط می گذارند. بنابراین نانوذرات نقره به‌دلیل، تاثیر بسیار زیاد و سریع، غیر سمی بودن، آب‌دوست بودن و سازگاری با محیط زیست در تصفیه آب کاربرد دارند.

• نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم

نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم، به‌دلیل خاصیت فوتوکاتالیستی خود قادر به حذف آلاینده‌ها در آب و تبدیل آن‌ها به مواد بی‌خطر نظیر دی‌اکسید کربن و آب هستند. از این نانوذرات می‌توان برای رفع آلاینده ها؛ ویروس ها و مواد شیمیایی آلی خطرناک استفاده کرد.

پس از جذب اشعه ماورابنفش به وسیله این ذرات، الکترونهای آن‌ها برانگیخته شده و از مدار خود خارج می‌شوند، که نتیجه آن بر جای گذاشتن حفراتی است که قابلیت اکسید‌کنندگی بسیار بالایی دارند و قادر خواهند بود مواد آلاینده و باکتری‌ها را به مواد بی‌خطر مانند آب و دی اکسید کربن و ….تجزیه کنند.

وقتی ابعاد مواد، در محدوده نانو باشد، بدلیل بالا بودن سطح تماس عمل فوتو کاتالیست در زمان بسیار کوتاه و باقدرت بالایی صورت می پذیرد

 

شمایی از انجام فرایند فوتوکاتالیستی بر روی آب آلوده و تبدیل آن به آب تمیز.

 

 

 

نانوکامپوزیت SnO₂/Ag/TiO₂  : حذف رنگ از آب

SnO₂/Ag/TiO₂ یکی از نانوکامپوزیت‌های ساخته شده با دی‌اکسید تیتانیوم است که برای حذف رنگ از آب استفاده می‌شود. رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید زدوده شود، بلکه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشاء تولید تری هالو متانها [1]مانند (CHCl₃) نیز باشند، خطرناک محسوب می‌شوند. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است برای حذف رنگ غیر قابل تخریب  Acid orange 52و با غلظت ppm 25 از نانوکامپوزیت SnO₂/Ag/TiO₂ نشان داده شده است. در مدت زمان 25 دقیقه این رنگ کاملا تخریب و  حذف شده است.

 

زئولیت‌ها یکی دیگر از ساختارهای نانومتری قابل استفاده برای تصفیه آب هستند. زئولیت‌ها سال‌هاست که مورد استفاده قرار دارند ، ولی امروزه با کنترل اندازه ذرات تشکیل دهنده غشاء و ایجاد غشاهایی همگن از این مواد، امکان بالا بردن بازدهی فراهم شده است. زئولیت‌ها کریستالهای جامدی هستند که روزنه‌هایی در ابعاد میکرونی دارند و معمولا از سیلیکون ، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده‌اند و در یک قاب قرار گرفته اند. این مواد به‌صورت کانی‌های طبیعی وجود دارند. که با هزینه‌های بالا بدست می‌آیند، نوع دیگر آنها به صورت مصنوعی ساخته شده که برای مقاصد خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. زئولیت‌ها قادر به حذف مواد آلی خطرناک و همچنین یون های فلزات سنگین از آب می‌باشند. این مواد به دلیل ساختار شیمیایی خاص (بلورهای متخلخل ) از سه ویژگی تبادل یون، جذب و خاصیت کاتالیستی برخوردارند.

—————————————

[1] Trihalomethane

 

فناوری نانوحباب (نانوکویتاسیون) در تصفیه آب
نانوحباب‌ها حباب‌های گازی بسیار ریزی هستند که قطر آن‌ها معمولاً کمتر از 200 نانومتر می‌باشد. این حباب‌ها به علت اندازه بسیار کوچک ویژگی‌های منحصر به فردی دارند،

از جمله ویژگی‌های نانوحباب‌ها عبارتند از:
– پایداری طولانی‌مدت: نانوحباب‌ها در مایعات به‌خوبی پایدار می‌مانند و به سطح آب نمی‌آیند.
– حفظ گاز: این حباب‌ها گازهای محلول مانند اکسیژن و هوا را برای مدت طولانی حفظ می‌کنند.
– تولید رادیکال‌های آزاد: نانوحباب‌ها در فرآیند تجزیه قادر به تولید رادیکال‌های آزاد هستند که می‌تواند به نابودی آلاینده‌ها کمک کند.
کاربردها: نانوحباب‌ها در صنایع مختلفی است، مانند:
– تصفیه آب: بهبود کیفیت آب و حذف آلاینده‌ها.
– کشاورزی: افزایش میزان اکسیژن محلول در آب برای رشد بهتر گیاهان.
– پزشکی: در برخی از روش‌ها به عنوان حامل دارو.

 

 

نتیجه گیری

مزایای استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب

• کاهش هزینه‌های تصفیه آب
• حفظ اجزای ضروری مغذی در آب
• افزایش امکان بهره‌گیری از آب‌های غیرقابل استفاده از طریق نمک‌زدایی و بازیافت
• تولید آب تمیز، سالم و عاری از آلاینده‌هایی که با روش‌های معمول تصفیه نمی‌توانند از آب جدا شوند

 

آینده فناوری نانو در صنعت آب :

با گسترش فناوری نانو، نانو مواد، نانو کاتالیست ها و نانوذرات جدیدی گسترش یافته‌اند که در تصفیه آب دارای بازدهی بالاتری بوده و می‌توانند به‌طور موثرتری مواد آلاینده را از آب حذف کنند. بسیاری از این مواد همچنان به‌علت نو ظهور بودن در مراحل تحقیقاتی بوده و به نظر می رسد، با تکمیل اطلاعات مورد نیاز امکان استفاده از آن‌ها در آینده میسر خواهد شد. بدون شک در آینده‌ای نزدیک فناوری نانو سهم ارزنده‌ای در حذف آلاینده های زیست محیطی، بالاخص آلاینده‌های آب (از جمله نیتراتها ، فلزات سنگین ، مواد آلی، رنگ و… ) خواهد داشت.

پتنت :

با توجه به اهمیت آب سالم و بهداشتی و نقش آن در زندگی انسان‌ها، تلاش‌های بسیاری در زمینه تصفیه و خالص سازی آب صورت گرفته است. تعداد پتنت‌های ثبت شده در زمینه روش‌های مختلف برای تصفیه آب زیاد می‌باشد و تاکنون حدود 28000 پتنت در این زمینه به ثبت رسیده است. با توجه به اینکه فناوری  نانو یکی از جدیدترین روش‌های تصفیه آب است، تعداد پتنت ثبت شده در این مورد اندک می‌باشد. در زیر به توضیح مختصری در خصوص پتنت‌های ثبت شده در کشور آمریکا پرداخته شده است و در نمودار 8 تعداد اختراعات ثبت شده در زمینه کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب ترسیم شده است.

سال 2012: در این پتنت از نانوذرات ZnFe₂O₄،  ZnMn₂O₄، MnFe₂O₄و نانوکامپوزیت CO-Ni-B با بهره 94% برای تصفیه آب‌های آلوده استفاده شده است. این نانوذرات توانایی جذب یون‌های فلزی و حذف رنگ‌ از آب را دارند]3 [.

سال 2013: در این پتنت از نانوذرات مغناطیسی برای حذف آلودگی‌های آب استفاده شده است. این نانوذرات قادرند در مدت 10 دقیقه، 99% آلودگی آب را حذف کنند. انجام این کار بسیار آسان می‌باشد و فقط به کمک یک آهنریای قوی این کار انجام می‌شود]4[.

سال 2014: در این پتنت از فرایند فوتوکاتالیستی برای تصفیه آب استفاده شده است، که در آن با استفاده از نور LED یا نور خورشید، یون‌های فلزی سنگین، آلودگی‌های شیمیایی و آلودگی‌های بیولوژیکی آب قابل حذف شدن هستند]5[.

شرکت‌ها:

شرکت‌های داخلی	نام شرکت	محصول تولیدی	وبسایت
	شرکت آبسان پالایش	نانوفیلتراسیون	www.absun.ir 021-22321300
	بازرگانی صحنی	بازرگانی صحنی فروش و پخش دستگاه های تصفیه آب خانگی سرامیکی نانوسیلور	www.parscenter.com 021-66569712
	شرکت کیمیاب کویر	تصویه آب با استفاده از نانومواد	www.kimiabkavir.com 021-22905422
شرکت‌های خارجی	ABS Materials	جاذب نانوشیشه‌ای   برای حذف آلودگی آب	www.absmaterials.com
	Altair technologies	نانومواد و رنگ‌دانه‌های سفید برای رفع آلودگی آب	www.altairnano.com
	Clariant nano	تولید زئولیت‌های حفره‌ای	www.nano.zeolite.clariant.com
	Cnanoz	تولید نانولوله‌های کربنی برای تصفیه آب	www.cnanoz.com

——————————————–

مراجع:

[1] www.nano.ir

[2] Xue-Mei Li a  , Gaojie Xub, Yue Liub and Tao He, Magnetic Fe3O4 Nanoparticles: Synthesis and Application in Water Treatment, Nanoscience & Nanotechnology, 2011.

 

[3] publication number :WO2013020564

 

[4] publication number : US20140076819 A1

 

[5] publication number : US2014183141A1

 

]3[ کاربردهای فن آوری نانو در صنعت آب ومحیط زیست، شبنم محمدی،هشتمین سمینار آموزش شیمی ایران

 =================================

 

برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.