کاربردهای فناوری نانو در حذف آلاینده های آب با استفاده از نانوذرات آهن صفر ظرفیتی

آب، این عنصر حیات، از مهمترین و اساسی­ترین ضروریات زندگی محسوب می­شود و کمبود و یا نبود آن ادامه حیات را برای هر موجود زنده­ای دچار مشکل می­سازد. چرخه تولید غذا و صنعت کشاورزی به آب وابسته است و بدون آن کمیت و کیفیت محصولات کشاورزی کاهش یافته و امنیت غذایی جامعه به خطر می­افتد. رشد روز افزون جمعیت، تغییرات آب و هوایی و افزایش بیابان­ها از یک سو و رشد صنعت و آلوده شدن محیط زیست از طرف دیگر، موجب شده است تا منابع آب، آلوده شده و تهیه­ی آبی سالم و کافی، به یکی از مهمترین چالش­های قرن حاضر تبدیل شود. به منظور مقابله با این چالش، امروزه می­توان از فناوری‌های نوینی چون فناوری نانو استفاده کرد. این فناوری می­تواند نقش مهمی در بهینه­سازی تکنیک­های تصفیه و بازیابی آب‌های غیر متعارف ایفا کند و با به کار گیری آن علاوه بر این که مراحل و هزینه­های تصفیه و بازیابی آب کاهش می‌یابد، می­توان امید بیشتری نیز داشت تا آبی با کیفیت بهتر و سالم­تر برای مصرف در اختیار انسان‌ها، جانوران و گیاهان قرار گیرد.

آلودگی آب

براساس تعریف سازمان بهداشت جهانی[1]، وجود هر نوع ماده‌ای ازقبیل گازها، ذرات معلق، مواد شیمیایی یا بیولوژیکی درآب که تاثیر نامطلوب بر سلامت موجودات زنده بگذارد و مانع از استفاده مطلوب از آن شود را آلودگی آب گویند. برهمین اساس دو نوع منبع آلودگی برای آب مشخص شده‌است که این منابع آلودگی در شکل 1 مشاهده می‌شود [2].

شکل 1- منابع آلودگی آب

اثرات آلودگی آب

کیفیت آب­های سطحی و زیر­زمینی به دلایل مختلفی چون افزایش آلودگی محیط زیست و وارد شدن فاضلاب­های شهری و صنعتی به آن، نشت شیرابه­های ناشی از دفن غیر اصولی زباله و ورود رواناب­ها و زه­آب­های کشاورزی  به منابع آب، رو به کاهش می­باشد (شکل 2). آب­های آلوده سطحی و زیرزمینی از طرق گوناگونی سلامتی انسان و جامعه را به خطر می­اندازد که از جمله این موارد می­توان به مصرف و تماس مستقیم انسان با این آب­ها، مصرف محصولات کشاورزی آبیاری شده با آب­های آلوده و مصرف آبزیان موجود در این آب­ها، اشاره داشت. براساس گزارشی که در روز جهانی آب و در سال 2010 در موسسه Pacific ارائه شد، روزانه حدود 2 میلیون تن، لجن و فاضلاب­های صنعتی و کشاورزی به درون رودخانه­ها، دریاها، دریاچه­ها و اقیانوس­ها تخلیه می­شود و 5/2 میلیارد نفر از جمهیت جهان در تماس مستقیم با آب­های آلوده هستند که از این میزان حدود 6/1 میلیارد نفر، در آسیا زندگی می­کنند. در کشورهای در حال توسعه حدود 70 درصد از فاضلاب­های صنعتی بدون هیچ­گونه تصفیه­ای به منابع آب وارد می­شوند، همین امر موجب شده است که در برخی نواحی بیش از 50 درصد گونه­های آبزیان در معرض انقراض قرار گیرند و 1/3 درصد از مرگ و میرهای جهان نیز ناشی از مصرف آب­های آلوده ­باشد [3].

شکل2- نمونه­هایی از آلودگی­های ایجاد شده در آب توسط فاضلاب­های صنعتی و شهری و زه­آب­های کشاورزی

بخشی از این فاضلاب­ها سالانه به عنوان کود در زمین­های کشاورزی استفاده می­شود، اما این فاضلاب­ها دارای عناصری سمی چون سرب، کادمیوم، جیوه، نیکل و سایر عناصر مضر می­باشند. این عناصر سمی در اثر استفاده مکرر از فاضلاب­ها در آبیاری مزارع و گیاهان، در خاک تجمع پیدا کرده و توسط گیاه جذب می­شوند. به موجب این امر، علاوه بر اینکه گیاه دچار مسمومیت ناشی از عناصر سمی می­گردد، جذب عناصر ضروری مانند آهن، روی، منیزیم و کلسیم توسط گیاه کاهش یافته و اختلالاتی در رشد گیاه ایجاد می­شود. در نتیجه رشد ریشه، ساقه و برگ گیاه کاهش یافته و حتی متوقف می­شود و امکان از بین رفتن گیاه وجود دارد. تمامی این مسائل به معنی تهدید سلامتی انسان، جانوران و گیاهان است. بدین منظور محققان درصدد ابداع راه­کارهایی هستند تا میزان آلودگی در منابع آب را به حداقل ممکن کاهش دهند. تلاش‌های انجام شده در جهت ابداع روش­هایی است که سازگاری بیشتری با محیط زیست داشته و از منظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشند.

 

روش­های حذف آلودگی از آب

از دیرباز تا کنون روش­های مختلفی به منظور حذف آلودگی از منابع آب ابداع شده است که می‌توان این روش­ها را در پنج دسته کلی قرار داد (شکل 3) [6].

­

شکل 3- روش­های مرسوم حذف آلایندگی از آب [6]

اما روش­های ذکر شده دارای معایبی هستند که از جمله آن­ها می­توان به  غیر اقتصادی بودن این روش ها، عدم سهولت در انجام این مراحل و تولید مواد زائد زیاد اشاره نمود. به طور مثال روش‌های اسمز معکوس و تبادل یونی موجب تولید آب شور می‌شوند و یا دنیتریفیکاسیون[2] بیولوژیکی نیاز به تامین مستمر بسترهای آلی دارد و از مشکلات این روش نیز می‌توان به تولید لجن اشاره نمود. به همین دلیل، محققان به دنبال فناوری­هایی هستند که مشکلات بیان شده را نداشته باشد و یا به حداقل برساند و برای حذف طیف وسیعی از آلاینده­ها نیز کاربرد داشته باشند. به همین منظور فناوری نانو توجه محققان محیط زیست را به خود جلب کرده و به طور گسترده­ای مورد مطالعه قرار گرفته است. برخی از نانوساختارهایی که برای رفع آلودگی آب استفاده می­شوند عبارتند از:

  • نانوجاذب­ها (کربنی، فلزی و پلیمری)
  • غشاهای نانویی (نانو فیبر، نانوکامپوزیت و بیولوژیکی)
  • نانوفوتوکاتالیست­ها
  • نانوذرات آهن صفر ظرفیتی [1]

نانوذرات آهن صفر ظرفیتی

                در دو دهه اخیر، آهن صفر ظرفیتی (Fe0) به عنوان ماده تامین کننده الکترون توجه محققان محیط زیست را به خود جلب کرده و به طور گسترده­ای مورد مطالعه قرار گرفته است. از این نانوذرات تاکنون برای پالایش محیط زیست از انواع آلاینده‌های آلی و معدنی نظیر مواد آلی هالوژنه ،  فلزات سنگین، احیاء آلاینده­های آلی و غیر آلی، آرسنات، پرکلرایت، نیترات، نیترو آروماتیک‌ها، و اکسیدان­های سمی استفاده شده است. آهن صفر ظرفیتی بطور نسبی فراوان، ارزان و قابل دسترس است. نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی  نسبت به میکرو ذرات آهن صفر ظرفیتی دارای سطح ویژه و واکنش‌پذیری بسیار بالاتری هستند.

اکثر صنایع دارای پساب­­های آلوده می­باشند که رهاسازی این پساب‌ها در محیط زیست موجب آلودگی آن و ایجاد خطر برای گیاهان، جانوران و انسان می شود. نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی از طریق واکنش­های اکسیداسیون و احیا[3] و جذب سطحی[4]، آلاینده­ها را از محیط حذف می­کنند. مکانیزم عملکرد این نانوذرات  بدین صورت است که این ذرات بخشی از آلاینده­های موجود در آب نظیر نیترات، نیتریت، و ترکیبات کلریددار را یا به طور کلی از محیط حذف کرده و یا با تبدیل آلاینده به شکل‌های دیگر، درجه سمیت آن­ها را کاهش می­دهند. .نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی گونه‌های دیگری از آلاینده­ها نظیر فلزات سنگین، فسفات، و آرسنات را روی سطح اکسید شده خود جذب سطحی می کنند و بدین ترتیب غلظت این آلاینده­ها را در محیط کاهش می­دهند.

 

نانوذرات آهن صفر ظرفیتی تثبیت شده[5]

                ذرات آهن صفرظرفیتی در مقیاس نانو، تمایل به تجمع[6] دارند که در این صورت سطح ویژه کاهش یافته و به موجب آن درصد حذف آلایندگی نیز کاهش می­یابد. همچنین این نگرانی وجود دارد که نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی به درون آب گسیل شده و منجر به بروز خطرات زیست محیطی شوند. به همین منظور این ذرات را روی موادی از قبیل رس، گرافیت، شن  و بسیاری از مواد دیگر تثبیت می­کنند تا سطح ویژه افزایش یافته و این ذرات بتوانند عکس العمل بهتری از خود در تقابل با آلاینده­ها نشان دهند. همچنین این امر باعث می­شود با مصرف مقادیر کمتر از این ذرات، غلظت­های بیشتری از آلاینده‌ها از بین برود و نگرانی ها در خصوص گسیل شدن این ذرات به درون آب نیز کاهش می­یابد. در کنار تمامی این مسائل، عمل تثبیت کردن موجب می­شود تا جداسازی ذرات از محیط آب به راحتی صورت پذیرد.

روش­های استفاده از نانوذرات آهن صفر ظرفیتی

همانطور که اشاره شد از نانوذرات آهن صفر ظرفیتی برای ازبین بردن طیف وسیعی از آلاینده ها از منابع آب­های زیرزمینی، رودخانه­ها و پساب­های صنعتی و کشاورزی استفاده می­شود. در طرح­های نیمه صنعتی صورت گرفته، از این ذرات به دو طریق برای رفع آلودگی آب­های زیرزمینی استفاده شده است:

  • تزریق ذرات به چاهک­های حفر شده.
  • استفاده از دیوارهای نفوذپذیر یا فیلترهای حاوی نانو ذرات.

در روش اول نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی را تحت فشار و از طریق چاهک­های حفر شده به منابع آب تزریق می­کنند. این عمل باعث می­شود تا نانو ذرات تحت فشار روی ذرات خاک موجود در سفره­های آب زیزمینی قرارگیرند و منطقه­ای را تشکیل دهند که آلودگی­های آب با عبور آن از این ناحیه و تماس با این نانو ذرات، از بین برود (شکل4).

شکل 4- تزریق نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی به آب­های زیرزمینی [16]

در روش دوم، نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی را در دیوارهای نفوذپذیری که در مسیر جریان آب قرار گرفته­اند، می­ریزند. در این روش نیز مشابه روش قبلی، آب آلوده با عبور از این دیوار نفوذپذیر، تصفیه می­شود. در فواصل زمانی مناسب (بسته به اندازه فیلتر و میزان آلودگی آب یا پساب) فیلتر را می توان تعویض کرد و با احیای مجدد نانو ذرات آن را بازیابی کرد (شکل5).

شکل 5- تصفیه آب آلوده با عبور کردن آن از دیوارهای نفوذپذیر [16]

با استفاده از فیلترهای حاوی نانو ذرات و قرار دادن آن در مسیر عبور آب می توان انواع آلاینده‌ها را همزمان جذب و یا حذف کرد.  بنابراین دور از انتظار نیست که بتوان از فیلترهای محتوی این نانو ذرات در دستگاه­های تصفیه آب نیز بهره­برد (شکل 6).

شکل 6- نمونه­ای از دستگاه­های تصفیه آب با قابلیت به کارگیری فیلترهای حاوی نانو ذرات آهن صفرظرفیتی

 

برتری نانوذرات آهن صفر ظرفیتی نسبت به سایر روش­ها

برتری نانوذرات آهن صفر ظرفیتی به این دلیل است که می­تواند طیف وسیعی از آلاینده­های آلی و فلزات سنگین را طی دو مرحله و توسط واکنش­های اکسیداسیون و احیا و جذب سطحی از محیط حذف کند. از قابلیت­های بارز این ذرات می­توان به استفاده چندین و چند باره از آن در رفع آلودگی اشاره داشت به طوریکه پس از حذف آلایندگی توسط این ذرات می­توان آن­ها را با یک فرایند بسیار ساده بازیابی کرده و بار دیگر به منظور حذف آلایندگی مورد استفاده قرار داد، بدون آنکه خللی در کارایی آن­ها پدیدار شود. غلظت­های کم نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی نیز قادر است حجم بالایی از آلایندگی را از بین ببرد.

در مطالعه­ای، اثر نانو ذرات آهن صفر­ظرقیتی بر میزان حذف نیترات از آب مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور به محلول‌های حاوی غلظت­های مختلف نیترات (0 تا 150 میلی گرم بر لیتر)، مقدار  36/0 گرم بر لیتر از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی اضافه گردید. نتایج نشان داد که در دامنه غلظت اولیه 25 تا 150 میلی گرم بر لیتر نیترات، درصد بالایی از نیترات در اثر واکنش با نانو ذرات آهن احیا گردیده و از محیط حذف شده است. به طوریکه این میزان از نانو ذرات (36/0 گرم بر لیتر) توانسته حدود 85 درصد آلودگی محلول حاوی نیترات با غلظت 150 میلی­گرم بر لیتر را حذف کند (شکل 7) [18].

­
شکل 7- درصد نیترات حذف شده در حضور 36/0 گرم بر لیتر از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی [18]

در پژوهشی دیگر، که به منظور حذف فلزات سنگین از محیط­های آبی صورت گرفت، از غلظت 5 گرم بر لیتر نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی برای حذف فلزاتی چون نیکل، کادمیوم، روی، نقره، کروم، سرب و مس استفاده شد. درصد حذف این عناصر از آب با توجه به نوع عنصر 37 تا 99 درصد به دست آمد که این امر کارایی بالای این ذرات در حذف آلاینده­های فلزی را نشان می­دهد [19].

محصولات تجاری در حوزه نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی

                امروزه به دلیل افزایش آلودگی آب­های سطحی و زیرزمینی و ظهور مشکلات بسیار در سلامتی و بهداشت جامعه، محققان درصدد استفاده از فناوری نانو برای حذف آلاینده­ها از آب هستند. بدین منظور برخی از موسسه­های تحقیقاتی و شرکت‌های موجود در نقاط مختلف دنیا به ساخت نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی روی آورده­اند تا با استفاده از یک روش ساده، زمینه حذف آلاینده­ها را از آب­های سطحی و زیرزمینی فراهم کنند که نام برخی از این شرکت­ها را در جدول 1 مشاهده می­گردد.

 

جدول 1 – شرکت‌ها و موسسات تحقیقاتی فعال در زمینه نانوذرات آهن تک ظرفیتی

نام موسسه تحقیقاتی کشور
دانشگاه تربیت مدرس [14] ایران
  NANO IRON, s.r.o جمهوری چک [20]
  Golder Associates کانادا [21]
Geosyntec آمریکا [22]

اکثر شرکت­های سازنده، از این نانو ذرات در طرح­های نیمه صنعتی استفاده کرده­اند. در ایران نیز محققان دانشگاه تربیت مدرس اقدام به ساخت نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی تثبیت شده روی شن کرده­اند که با استفاده از این ذرات آلودگی آب­های سطحی و زیرزمینی به طور موثری کاهش می­یابد و به دلیل برخورداری از ذرات طبیعی شن، این نانوذرات تثبیت شده سازگاری بیشتری با محیط زیست داشته و فرایند جداسازی آن از محیط­های آبی نیز آسان‌تر می­باشد [14].

مزیت­های استفاده از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی

  • کاهش هزینه­های فرایند تصفیه آب، به طوری که نیازی به ساخت تجهیزات پیچیده و گران­قیمت نمی­باشد.
  • نانو ذرات آهن صفرظرفیتی قابلیت این را دارند که بتواند در مدت زمان کوتاهی، غلظت­های زیادی از آلودگی را از بین ببرند.
  • قابلیت استفاده از این نانو ذرات برای حذف انواع آلاینده­های آلی و معدنی و فلزات سنگین.
  • کاربردهای متنوع (قابلیت استفاده در آب­های زیرزمینی، رودخانه­ها، چاه­های آبیاری و دستگاه­های تصفیه آب).
  • قابلیت بازیابی مجدد واستفاده دوباره از آن­ها برای حذف آلایندگی
  • سازگاری بیشتر با محیط زیست (نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی تثبیت شده روی شن).

 

 

منابع

  1. Qu, X., Alvarez, P.J.J., Li, Q., (2013). Applications of Nanotechnology in Water and Wastewater Treatment, Water Research. doi: 10.1016/j.watres.2012.09.058.
  2. WHO, 2015, Quantifiying environmental health impacts. Definition of the modifiable environment. WHO programmes. who.int
  3. Ross, N., (2010). World water quality facts and statistics, Clean water for healthy world, World water day 2010, Pacific institute, 4p.
  4. کریمی، ن. خان­احمدی، م. مرادی، ب. 1392. اثر غلظت­های مختلف سرب بر برخی پارامترهای فیزیولوژیکی گیاه کنگرفرنگی. جلد بیستم. شماره اول. مجله پژوهش­های تولید گیاهی. دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

 

  1. نورانی آزاد، ح. کفیل­زاده، ف. 1390. تاثیر سمیت کادمیوم بر رشد، قندهای محلول، رنگیزه­های فوتوسنتزی و برخی آنزیم­ها در گلرنگ (Carthamus tinctorius L.). مجله زیست­شناسی ایران. مقاله 8، دوره 24، شماره 9، صفحات 858-867.
  2. Bhatnagar, A. and Sillanpää, M. (2011). A review of emerging adsorbents for nitrate removal from water. Chemical Engineering Journal, 168(2): 493-504
  3. Ahn, S.C., Oh, S.Y. and Cha, D.K. (2008). Enhanced reduction of nitrate by zero-valent iron at elevated temperatures. J Hazard Mater, 156(1-3): 17-22.

 

  1. Zhang, Y., Li, Y., Li, J., Hu, L. and Zheng, X. (2011). Enhanced removal of nitrate by a novel composite: Nanoscale zero valent iron supported on pillared clay. Chemical Engineering Journal, 171(2): 526-531.
  2. Ryu, A., Jeong, S.-W., Jang, A. and Choi, H. (2011). Reduction of highly concentrated nitrate using nanoscale zero-valent iron: Effects of aggregation and catalyst on reactivity. Applied Catalysis B: Environmental, 105(1-2): 128-135.
  3. Zhang, J., Hao, Z., Zhang, Z., Yang, Y. and Xu, X. (2010). Kinetics of nitrate reductive denitrification by nanoscale zero-valent iron. Process Safety and Environmental Protection, 88(6): 439-445.
  4. Su, Y., Adeleye, A.S., Huang, Y., Sun, X., Dai, C., Zhou, X., Zhang, Y. and Keller, A. (2014). Simultaneous removal of cadmium and nitrate in aqueous media by nanoscale zerovalent iron (nZVI) and Au doped nZVI particles. Water Res, 63: 102-111.

 

  1. Jabeen, H., Kemp, K.C. and Chandra, V. (2013). Synthesis of nano zerovalent iron nanoparticles–graphene composite for the treatment of lead contaminated water. J Environ Manage, 130: 429-435.

 

  1. Cho, D.W., Chon, C.M., Jeon, B.H., Kim, Y., Khan, M.A. and Song, H. (2010). The role of clay minerals in the reduction of nitrate in groundwater by zero-valent iron. Chemosphere, 81(5): 611-616.

 

  1. میخک،آ. خلیلی، ب. فولادشکن، ف. خوش­کلام، ا. فرجی، م. راهنمایی، ر. کسائی، م. 1393. نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی تثبیت شده روی شن جهت تصفیه آب و خاک. گواهی ثبت اختراع به شماره ثبت 83595. دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.
  2. Khara D. Grieger, Annika Fjordbøge, Nanna B. Hartmann, Eva Eriksson, Poul L. Bjerg, Anders Baun, Environmental benefits and risks of zero-valent iron nanoparticles (nZVI) for in situ remediation: Risk mitigation or trade-off?, Journal of Contaminant Hydrology, Volume 118, Issues 3–4, 25 November 2010, Pages 165-183, ISSN 0169-7722,

 

  1. Center of Grondwater Research. http://cgr.ieh.ohsu.edu/iron/

 

  1. فولاد شکن، ف. (1390). کینتیک احیای نیترات به وسیله نانو ذرات آهن صفر تثبیت شده بر شن. پایان نامه کارشناسی ارشد خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، 70 ص.

 

  1. Khoshkalam, R. Rahnemaei, 2014, Mechanism of Nitrate Reduction by Iron Nanoparticles in the Presence of MnO2, ‏Iran Nano Safety Congress, Tehran, Iran, 2014
  2. Geiger, C., et al., (2009). Environmental Applications of Nanoscale and Microscale Reactive Metal Particles.Chapter 8. ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2009.

 

  1. nanoiron.cz

 

  1. golder.com

 

  1. geosyntec.com

 

 

[1] WHO

[2] Denitrification

1- Redox reaction

 

2- Adsorption

[5] منظور از تثبیت کردن یعنی فراهم کردن سطحی برای نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی تا در اثر وجود نیروهای مغناطیسی به هم متصل نشده و سطح ویژه این ذرات افزایش یابد.

4- agglomeration

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

مدیر طرح و تهیه کننده گزارش: گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در حوزه کشاورزی، صنایع غذایی، محیط زیست و صنایع وابسته

نگارش: دکتر احسان خوش­کلام

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]

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