فناوری نانو و غشاء نانولوله کربنی جهت نمک زدایی در صنعت تصفیه آب

نانوفناوری نوید بخش گستره جدیدی از دانش بشری است که نهایتا منجر به جایگزینی یا بهبود بسیاری از فناوری های معمول خواهد شد. نانوساختارها پایه اصلی نانوفناوری هستند. این ساختارها کمی از مولکول های عادی بزرگتر اما از سایر اجزای ساختاری جهان پیرامون ما بسیار کوچک ترند. نانوساختارها به دلیل اندازه بسیار کوچک و مهندسی بسیار ظریف (ظرافت مولکولی)، خصوصیات منحصر بفردی از خود نشان می دهند. زمانی که تجهیزات ساخته شده برپایه نانوفناوری جایگزین تجهیزات معمول می شوند، ساز و کارها[1] تغییر یافته و گاه چندین عملکرد کاملا جدید در خصوص محصول مورد انتظار است.

 

• نانو لوله کربنی

ساختارهای کربنی از جمله مهمترین نانوساختارها هستند. ساختارهای ویژه ای از جمله گرافن[2] و نانولوله کربنی[3] امروزه توجه بسیار زیادی را در سطوح تحقیقاتی و متعاقبا صنعتی بخود جلب نموده است. خصوصیات منحصر بفرد این دوگونه از نانوساختارهای کربن نوید بخش گستره بسیار زیادی از کاربردهاست. نانو لوله های کربن همانطور که از نامشان پیداست، ساختاری لوله مانند هستند که از شبکه های شش وجهی لانه زنبوری کربن ساخته شده اند. قطر این لوله ها در حد چند نانومتر و طول آن ها گاه چند میکرومتراست (شکل 1). نانولوله های کربنی پایداری شیمیایی خوبی دارند (کمتر با محیط واکنش داده یا خورده می شوند) و دارای استحکام کششی منحصر به فرد هستند. نانولوله های کربنی به دلیل ساختار ویژه خود مساحت سطح ویژه بسیار بالایی دارند، بصورتی که هرگرم از این ماده می تواند تا 1500 متر مربع سطح داشته باشد. نانولوله های کربنی از آلومینوم سبک تر هستند و پایداری حرارتی بسیار بالا (تا دماهای بالای 1000 درجه سانتیگراد) را فراهم می آورند. همچنین بر مبنای قطر داخلی بسیار کوچک، این لوله ها می توانند در ساختار غشاء یا فیلترها برای غربال گری ذرات بسیار ریز و خاص مورد استفاده قرار گیرند. لذا نانولوله های کربنی در بسیاری از عرصه های صنعتی نظیر تصفیه آب و فاضلاب جایگاه خود را پیدا کرده اند.

شکل 1: ساختار یک نانو لوله کربنی، قطر لوله تنها چند نانومتر (میلیاردیوم متر) است و دیواره از اتم های کربن تشکیل شده است که در ساختاری شش وجهی (لانه زنبوری) در کنار هم قرار گرفته اند.

 

• نمک زدایی و تصفیه آب توسط فرآیندهای غشایی

امروزه استفاده مجدد از آب های مصرفی و احیا آن به عنوان یک راهکار برای تهیه منابع آب جایگزین از آب غیر قابل شرب ضروری بنظر میرسد. بنابراین، مطالعات و تحقیقات بسیاری برای توسعه فناوری های مختلف در زمینه تصفیه و استفاده مجدد از آب[4]، احیا و نمک زدایی[5] (آب شیرین کن ها) صورت پذیرفته است. ارائه محصولات جدید با فناوری بالا در این زمینه موجب تولید آب قابل اطمینان تر و با کیفیت بالاتری شده است. علاوه بر این، چندین طرح عملی برای استفاده مجدد از پساب ثانویه فاضلاب در سراسر جهان وجود دارد. در میان آنها فیلتراسیون توسط غشا به عنوان یک فرآیند پایه ای، یکی از فناوری های موثر برای استفاده مجدد از فاضلاب می باشد. به علت کارایی بالای فیلتراسیون توسط غشاء به خصوص در حذف میکروآلاینده های آلی و معدنی، بهره گیری از این تجهیزات در زمینه  تصفیه فاضلاب و پساب های آلی مورد استقبال قرار گرفته است. این نکته قابل ذکر است که آب تولیدی با فناوری غشا دارای کیفیت بالا است، اما این آب هنوز در موارد غیر شرب از جمله کشاورزی، صنعتی و تفریحی و یا مصارف غیر مستقیم آب آشامیدنی استفاده می شود. بنابراین، صحت سلامت و ایمنی آب احیا شده باید از طریق ایجاد پایگاه داده های کیفیت و بهینه سازی سیستم برای استفاده غیرمستقیم و خصوصا مستقیم آشامیدنی تضمین شود.

• عملکرد غشاء های نانو لوله کربنی

نانو لوله های کربنی به دلیل   قطر داخلی بسیار کوچکی که دارند  (به خصوص در گستره ای بین 1 تا 10 نانومتر )، برای جداسازی بر مبنای اندازه ذرات می توانند بسیار مفید واقع شوند. به طوری که مولکولهای آب به دلیل اندازه کوچکشان به راحتی می توانند از داخل نانو لوله های کربنی عبور کنند ولی مانع از عبور بیشتر  مواد محلول در آب شوند.  یک مزیت عمده در خصوص  غشاء های نانو لوله های کربنی این است استحکامی مشابه با غشاء های سرامیکی را دارند و در عین حال انعطاف پذیری غشاء های پلیمری را نیز دارا هستند.  از سوی دیگر نانو لوله های کربنی دارای خواص آنتی باکتریال[6] می باشند. نانو لوله های کربنی میتوانند در یک بستر پلیمری به صورت تصادفی و نامنظم و یا به صورت عمودی و منظم قرار گیرند ( شکل 2).

 

شکل 2 :قرار گیری نانو لوله های کربنی به صورت نامنظم ( سمت چپ ) و قرار گیری نانو لوله های کربنی به صورت عمودی( سمت راست )

وجود نانو لوله های کربنی در غشاء پلیمری باعث می شود که عبور مولکولهای آب ساده تر شود. به خصوص استفاده از غشاء نانو لوله کربنی عمودی[7] باعث افزایش قابل ملاحظه ای در عبور سریع و آسان آب از درون غشاء شده بدون آنکه در گزینش پذیری[8] غشاء اختلالی ایجاد نماید.  غشاء های نانو لوله کربنی در صورتی که در سیستم های  نمک زدایی و اسمز معکوس[9] به کار روند،  میتوانند هزینه های تصفیه آب را کاهش داده و طراحی سیستم های کم فشارتری را ممکن سازند. این سامانه ها، انرژی بسیار کمتری را مصرف می کنند و همچنین در عمل بازده کار بسیار افزایش می یابد ( شکل 3).

 

شکل 3: نمودار فوق نشان می دهد که غشاء نانو لوله کربنی  عمودی[10] در یک فشار معین  نسبت به غشاء نانو لوله کربنی نامنظم[11]  و غشاء پلی اتر سولفون[12]  حجم بیشتری از آب را از خود عبور می دهد.

به عنوان یک مزیت بسیار عمده، خواص شیمیایی و عملکردی نانولوله های کربنی در نقش نانوکانال[13] عبور دهنده آب می تواند مهندسی شده یا اصطلاحا اصلاح شود. برای مثال می توان ابتدای (سر) نانو لوله های کربنی را توسط گروه های مختلف از مولکول ها، عامل دار[14] کرد ( شکل 4). این کار باعث می شود تا  احتمال عبور یون های بسیار کوچک  از نانو لوله های کربنی بسیار کم شود و کارایی غشاء در کل افزایش می یابد. همچنین می توان نانوکانال ها (نانولوله کربنی) را به صورتی عامل دار کرد، که عبور برخی مولکول ها را به صورت انتخابی (گزینشی[15]) تسهیل یا بطور کامل متوقف کرد. در مواردی نیز این امکان وجود دارد که غشاء نانو لوله کربنی به یک سیستم خود تمیز شونده[16] تبدیل شود و مانع از گرفتگی غشاء شده و طول عمر مفید غشا را تا چند برابر افزایش دهد.

 

 

شکل 4 : عامل دار کردن سر نانو لوله های کربنی توسط گروه COOH (گروه اسیدی کربوکسیلیک) در یک غشاء نانولوله کربنی منظم عمودی

• تولید نانولوله کربنی در ایران

تولید غشاء نانو لوله کربنی منظم و عمودی نیازمند فناوری ساخت بالاست. هرچند برای تولید چنین غشاهایی روشهای عملیاتی متفاوت ارائه شده است. یکی از متداولترین این روشها ، رشد نانو لوله های کربنی بر روی بستر می باشد.

هرچند شواهدی مبنی بر تولید انبوه داخلی و فراتحقیقاتی غشاهای نانولوله کربنی با کارآیی بالا تا کنون در این زمینه یافت نشد، شرکت هایی به تولید و پخش نانولوله های کربنی در داخل کشور مبادرت نموده اند. امید می رود که با اعلام نیاز مخاطبین و اهتمام شرکت های داخلی، تولید این مهم نیز در کشور تحقق یابد. از جمله تولید کنندگان انبوه نانولوله کربنی در کشور می توان به پژوهشگاه صنعت نفت اشاره نمود.

 

• فعالیت های مشابه خارجی در زمینه تولید غشاء های نانو لوله کربنی

با توجه به  خصوصیات منحصر بفرد و کاربردهای گسترده و روز افزون غشاء های ترکیب شده با نانو لوله های کربنی، تخمین زده می شود که بازار جهانی این مواد به مقدار قابل توجهی  از سال 2013 تا سال 2020 ارتقا پیدا کند. حجم بازار جهانی غشاء های نمک زدایی به تنهایی در سال 2009 میلادی 5/2 بیلیون دلار رقم زده شده و انتظار می رود که تا 10 بیلیون دلار تا سال 2018 رشد نماید. علی رغم هزینه بالای نمک زدایی از آب، امروزه این صنعت با سرعت رشد سالانه 15 تا 20 درصد به پیش می رود . انتظار می رود با توجه به بحران آب شیرین در جهان، بازار غشاء و محصولات مربوطه در سال 2018 به حجمی معادل 30 بیلیون دلار برسد. به دلیل برتری در زمینه هزینه ها (تا 75% هزینه کمتر) نسبت به سامانه های اسمز معکوس و توانایی ساخت تجهیزات کوچکتر با کارآیی بیشتر، استفاده از غشاهای پیشرفته نانوساختار  می تواند بازار نمک زدایی از آب در جهان را تا حد زیادی تسخیر نموده و حتی ارتقاء بخشد.

صنایع  تولید غشاء و فیلتر، در زمینه تحقیقات مربوط به غشاء نانو لوله های کربنی سرمایه گذاری های زیادی کرده اند. یکی از شرکت های پیشرو که توانسته است محصولات خود را وارد بازار کند شرکت SELDON TECHNOLOGIES می باشد که توانسته است فیلتر های قابل حمل تصفیه آب بر مبنای غشاء نانو لوله کربنی تولید کند و به صنایع نظامی و فضایی مثل NASA عرضه کند ( شکل 5).

 

شکل 5: فیلتر بر مبنای نانولوله کربنی جهت مصارف ناسا ( شکل بالا)، فیلتر قابل حمل برای استفاده عمومی جهت تصفیه آب ( شکل سمت راست )، فیلتر قابل حمل برای استفاده نظامی در جهت تصفیه آب دریاچه و رودخانه به آب قابل شرب ( شکل سمت چپ) .از دیگر از شرکت های پیشرو ، میتوان به شرکت های  Nanoamor ، Porifera ، NanOasis و BASF اشاره کرد. شرکت Porifera موفقیت چشم گیری در عرضه و فروش غشاهای نانو لوله کربنی به بازار داشته است ( شکل 6 ). همچنین شرکت NanOasis ، غشاء های نانو لوله کربنی جهت استفاده در اسمز معکوس را وارد بازار کرده است.

 

شکل 6 : غشاء نانولوله کربنی تولید شده توسط شرکت porifera.

• جمع بندی

تقاضای روزافزون برای آب شیرین به گسترش سامانه های نمک زدایی برپایه فیلتراسیون منجر شده است. استفاده از غشاهای نانوفیلتراسیون در مقایسه با اسمز معکوس به صرف انرژی و هزینه کمتر منتهی می شود. در این میان غشاهای نانولوله کربنی با فناوری خاص خود از اهمیت بسزا و کارآیی زیادی برخوردارند. شرکت های بزرگی در دنیا بر تولید و تجاری سازی غشاهای نانولوله کربنی متمرکز شده اند.

• منابع

 

A review of water treatment membrane nanotechnologies, M. Theresa, M. Pendergast, E. M.V. Hoek, Energy Environ. Sci. P:1946 V: 4 (2011)

Water Desalination Using Carbon-Nanotube-Enhanced Membrane Distillation, K. Gethard, O. Sae-Khow, S. Mitra, ACS Appl. Mater. Interfaces, P: 110 V: 3 (2011)

Carbon nanotube membranes for water purification: A bright future in water desalination, R.Das, Md. Eaqub Alia,,S. AbdHamid, S. Ramakrishna, Z. Z. Chowdhury, Desalination, P: 97 V: 336 (2014)

Compression-Modulated Tunable-Pore Carbon-Nanotube Membrane Filters, X. Li, G. Zhu, J. S. Dordick, P. M. Ajayan, small, P: 595 V:3 ( 2007)

Carbon nanotube membranes for desalination and water purification: Challenges and opportunities, S. Kar, R.C. Bindal, P.K. Tewari, Nano Today, P: 385 V: 7 (2012)

Fast reverse osmosis using boron nitride and carbon nanotubes, M. E. Suk, A. V. Raghunathan, N. R. Aluru, Applied Physics Letters, P: 133120 V: 92 (2008)

Carbon nanotube membranes with ultrahigh specific adsorption capacity for water desalination and purification, H.Yang , Z. J.Han, S. Fung Yu, K. Leong Pey, K. Ostrikov, R. Karnik, Nature Communication , P: 2220 V: 4 (2013)

http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=1406&lang=1

http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=3314&lang=1

http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=3289&lang=1

http://www.edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=221

http://porifera.com/carbon-nanotube-ultrafiltration-membranes/

http://seldontech.com/applications/

http://www.nanoamor.com/products

http://www.dvidshub.net/news/74194/us-australian-forces-test-prototype-water-machine-during-talisman-sabre-2011#.VF0BlTSUdls

http://www.dvidshub.net/image/432156/us-australian-forces-test-prototype-water-machine-during-talisman-sabre#.VF0BkDSUdls

http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2008/er_4.html

http://www.nanoasisinc.fogcitydesign.com/news.html

 

——————————————

[1] Mechanism

[2] Graphene

[3] Carbon nanotube

[4] Treatment

[5] Desalination

[6] Antibacterial

[7] Vertically aligned

[8] Selectivity

[9] Reverse osmosis (RO)

[10] VA-CNT/PSF

[11] R-CNT/PSF

[12]PSF

[13] Nanochannel

[14] Functionalization

[15] Selective

[16] Self-cleaning

 

———————————————————————

تهیه کنندگان

• مهندس احسان فریدی شیمی تجزیه دانشگاه شیراز
• دکتر محسن سروری شیمی تجزیه دانشگاه شیراز

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

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

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

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

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