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
- 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.
- WHO, 2015, Quantifiying environmental health impacts. Definition of the modifiable environment. WHO programmes. who.int
- Ross, N., (2010). World water quality facts and statistics, Clean water for healthy world, World water day 2010, Pacific institute, 4p.
- 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.
- 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.
- Bhatnagar, A. and Sillanpää, M. (2011). A review of emerging adsorbents for nitrate removal from water. Chemical Engineering Journal, 168(2): 493-504
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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,
- Center of Grondwater Research. http://cgr.ieh.ohsu.edu/iron/
- 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.
- Khoshkalam, R. Rahnemaei, 2014, Mechanism of Nitrate Reduction by Iron Nanoparticles in the Presence of MnO2, Iran Nano Safety Congress, Tehran, Iran, 2014
- 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] WHO
[2] Denitrification
[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.
———————————————————————
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]
====================================================================================

