کاربرد فناوری نانو در حذف آلودگی آرسنیک از آب

فناوری نانو توانایی طراحی ساختارها را با دقت و ظرافت مولکولی-اتمی‌را فراهم 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. در اصل همین خصوصیات منحصر به فرد است که منجر به کاربرد گسترده محصولات مبتنی بر فناوری نانو در حوزه­های مختلف گردیده است. 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.

 

• آرسنیک و اهمیت حذف آن از آب

آرسنیک[1] یکی از عناصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با علامت As مشخص شده و دارای عدد اتمی ۳۳ است.  آرسنیک دارای اعداد اکسایش 3^–، 0، 3⁺ و 5⁺ می‌باشد. آرسنیک شبه فلز سمی معروفی است که به اشکال مختلف یافت می‌شود. آرسنیک می‌تواند به صورت ارگانیک و غیرارگانیک وارد بدن گردد. تحقیقات نشان داده که خطرات آرسنیک به صورت غیرارگانیک (مثل آرسنیک محلول در آب آشامیدنی) بسیار بیشتر از آرسنیک ارگانیک (مثل آرسنیک موجود در غذاهای دریایی) می‌باشد.  اثرات کوتاه مدت آرسنیک شامل استفراغ، درد شکم و اسهال است و دوز بالای  آن می‌تواند کشنده باشد. تاثیرات درازمدت مواجهه با آرسنيک  می‌تواند منجربه آسیب در توالی DNA و ژن شود كه در نتيجه آن سرطان حاصل مي گردد (شکل 1). استاندرد جهانی غلظت آرسنیک آب آشامیدنی برای  بیشتر کشور‌ها 01/0 میلی گرم بر لیتر و برای برخی کشورها تا 05/0 میلی گرم بر لیتر تعیین شده است. بخش زیادی از  آلودگی آرسنیک در آب‌های زیر‌زمینی به دلیل شرایط زمین شناسی و وجود عوامل طبیعی همچون معادن زرنیخ^[2] (As2S3)، می‌باشد. اما با توجه به گسترش فعالیت‌های انسانی جهت استفاده از ترکیبات حاوی آرسنیک، آلودگی آب‌های سطحی و آشامیدینی به طور قابل توجهی افزایش پیدا کرده است. حدود 50 در صد آرسنیک به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف در کشاورزي و دامپروری به عنوان حشره کش، علف کش، قارچ‌کش ،جلبک کش‌ها، شستشوي گوسفند، مواد محافظ پشم استفاده می‌شود و همچنین 30 درصد استفاده جهانی آرسنیک به مصرف مواد نگهدارنده چوب می‌رسد و 20 درصد مصرف جهانی آرسنیک صرف صنایع مختلفی همچون صنعت فولاد، صنایع شیشه و سرامیک، صنایع الکترونیک، نیروگاه با سوخت زغال سنگ و صنایع داروسازی می‌شود.

 

شکل 1: بیماری پوستی ناشی از تاثیر آرسنیک بر بدن انسان]1[.

 

• روشهای حذف آرسنیک

روش‌های متعددی برای حذف آرسنیک از آب وجود دارد. به دلیل ساده‌تر بودن حذف آرسنیک  با عدد اکسایش 5⁺، در بسیاری از موارد باید آرسنیک با عدد اکسایش 3⁺ را اکسید نمود تا به آرسنیک با عدد اکسایش 5⁺ تبدیل گردد و بدین ترتیب بتوان آن را از آب حذف نمود. همچنین در بسیاری از روش‌ها باید هزینه‌ها و دردسترس بودن عمومی را مدنظر قرار داد. کشورهای پیشرفته به دلیل در دسترس داشتن فناوری‌های مدرن و گران قیمت و توانایی خرید آن­ها، معمولا با مشکل آلودگی آرسنیک در آب آشامیدنی مواجه نیستند (شکل 2).  این در حالی است که اکثر کشورهای درحال توسعه و یا توسعه نیافته، به دلیل هزینه‌ بالای تجهیزات تصفیه آب، در دسترس نبودن این تجهیزات و یا به روز نبودن فناوری‌های مورد استفاده، با مشکل آلودگی آب به خصوص آلودگی آرسنیک (در همه و یا برخی نقاط) مواجه هستند.

در بیشتر روش‌های متداول حذف آرسنیک، نیاز به استفاده از فرایند پیش­تصفیه وجود دارد. عموما این پیش تصفیه شامل استفاده از فرایند اکسیداسیون[3] به منظور تبدیل آرسنیک 3⁺ به 5⁺ می‌باشد. از جمله مهمترین روش‌های حذف آرسنیک می­توان به مواردی همچون موارد زیر اشاره نمود:

• فرایند انعقاد و لخته سازی[4] مثل استفاده از آلومینیم سولفات[5] و تصفیه کربناته[6]
• فرایند جذب[7] مثل استفاده از آلومینای فعال[8] و تبادلگر یون[9]
• فرایند غشایی[10] مثل اسمز معکوس[11]
• فرایند زیستی[12] مثل برخی از انواع جلبک‌ها و خزه‌ها ( بدون نیاز به پیش اکسیداسیون)

شکل 2:  سیستم حذف آرسنیک از آب آشامیدنی  به با کمک ستون‌های جذبی در کشور آمریکا ]2[.

 

• روش‌های حذف آرسنیک با استفاده از فناوری نانو

امروزه فناوری نانو جهت ارتقاء عملکرد فرایند‌های حذف آرسنیک از آب مورد توجه واقع شده است. عموما در این فرایندها، استفاده از فناوری نانو هزینه‌ها را کاهش داده و کارایی سیستم را افزایش می‌دهد. اکثر روش­های مبتنی بر استفاده از فناوری نانو برای حذف آرسنیک که مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیر مجموعه یکی از انواع فرایندهای حذف آرسنیک مانند انعقاد، جذب و یا فیلتراسیون غشایی هستند. البته با این تفاوت که این روش­ها از مزایای بیشتری نسبت به فرایند‌های متداول برخوردار هستند. مهترین روش­های مبتنی بر استفاده از فناوری نانو جهت حذف آرسنیک که بیش از همه مورد استفاده قرار گرفته­اند، شامل فناوری نانو فیلتراسیون[13]، اسمز معکوس، نانو ذرات هیبریدی[14] و نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی[15] هستند.

• نانو فیلتراسیون

به طور کلی غشا‌ها دارای حفرات بسیار ریزی هستند که مولکول‌های کوچک به راحتی از آن عبور کنند و مولکول‌های درشت‌تر در طرف دیگر غشاء باقی می‌مانند. تقسیم بندی غشا‌ها بر اساس اندازه منافذشان شامل، میکروفیلتراسیون[16](MF) ، الترافیلتراسیون[17](UF) ، نانو فیلتراسیون(NF)  و اسمز معکوس(RO)  می‌باشد. علاوه بر اسمز معکوس، غشا‌های نانوفیلتراسیون نیز جهت حذف آرسنیک از آب بسیار مورد توجه می‌باشند( شکل 3). غشاهای نانوفیلتراسیون مورد استفاده می‌توانند پلیمری و یا سرامیکی باشند. به طور معمول غشاءهای نانوفیلتراسیون 90 درصد آرسنیک را جداسازی می‌کنند.  غشاء‌های نانوفیلتراسیون در مقایسه با اسمز معکوس به فشار بسیار کمتری جهت جداسازی آرسنیک آب نیاز خواهند داشت. البته لازم به ذکر است که در روش‌های غشایی نانو فیلتراسیون، همیشه نیاز به انجام فرایند پیش اکسیداسیون نیست، هرچند فرایند پیش اکسیداسیون می‌تواند تا حدودی بازده آن را افزایش دهد. استفاده این نوع از غشا‌ها جهت حذف آرسنیک از آب آشامیدنی در کشور‌های پیشرفته  بسیار متداول است.

شکل 3: حذف آرسنیک با استفاده از فناوری غشایی نانوفیلتراسیون ]3[.

• اسمز معکوس بهبود یافته با نانو مواد

اسمز معکوس به عنوان یک روش موثر جهت حذف آرسنیک از آب آشامیدنی شناخته می‌شود. با این حال به دلیل هزینه بسیار بالای تعویض و نگه‌داری غشاها، استفاده از آن برای برخی از کشورهای در حال توسعه صرفه اقتصادی نخواهد داشت. در سال‌های اخیر با توسعه روز‌افزون فناوری نانو، توجه زیادی نیز به بهینه سازی فرایند اسمز معکوس با استفاده از نانوذرات مختلف صورت گرفته است (شکل 4). این بهینه سازی‌ها با استفاده از فناوری نانو در دو جنبه کلی صورت گرفته است: کاهش میزان مصرف انرژی توسط طرح‌های نمک زداییِ اسمز معکوس و همچنین بهبود عملکرد و کارایی غشاهای اسمز معکوس، که عمدتا هر دو مورد با تغییر ساختار و ترکیبات سازنده غشاها صورت می‌پذیرد.

شکل4 : غشاء اسمز معکوس بهبود یافته با نانو مواد ]4[.

• نانو ذرات هیبریدی

رزین‌های تبادل‌گر آنیونی هیبریدی[18]، در حقیقت دانه‌هایی از رزین­های پلیمری تبادلگر یون هستند که محتوی نانو ذرات اکسید فلزی هیدراته[19] (HMO) هستند. فلزات مورد استفاده در ساختار رزین هیبریدی معمولا از فلزاتی مانند، Fe(III)، Al(III)، Ti(IV) و Zr(IV) تشکیل می‌شوند. این نوع از رزین‌های هیبریدی گستره وسیعی از آنیون‌ها و همچنین کاتیون فلزی حد‌واسط[20] را به راحتی جذب می‌کنند. این نوع از رزین‌هایِ حاوی نانو ذرات بسیار بهتر از رزین‌های تبادلگر یون معمول کار می‌کند. یکی از بهترین رزین‌های تبادلگر یونی جهت حذف آرسنیک آب، رزین‌های تبادلگر یون حاوی نانو ذرات اکسید آهن هیدراته[21] (HFO) می‌باشد (شکل 5).

شکل 5: رزین‌های تبادلگر یون حاوی نانو ذرات اکسید آهن هیدراته جهت حذف آرسنیک آب]5[.

 

• نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی

یکی از مهمترین مشکلات آلودگی ناشی از آرسنیک، آلودگی آبهای زیر زمینی در ابعاد گسترده می‌باشد. به دلیل وسعت این آلودگی، حذف آرسنیک با روش­های متداول امکان پذیر نیست.  در دو دهه اخیر نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی مورد توجه محققان محیط زیست واقع شده است. از این نانو ذرات برای پالایش انواع مختلفی از آلودگی‌های محیط زیست استفاده شده است. نانوذرات آهن صفر ظرفیتی از طریق واکنش‌های اکسیداسیون و احیا و جذب سطحی، آلاینده‌هایی مانند آرسنیک در محیط کاهش می‌دهند (شکل 6). این نوع از نانو ذرات معمولا از طریق تزریق به چاهک‌های حفرشده در مسیر آب زیرزمینی آلوده قرار می‌گیرند.

 

شکل 6: قابلیت نانو ذرات  آهن صفر ظرفیتی در حذف آلودگی ناشی از آرسنیک]6[.

 

• شرکت‌های فعال در زمینه حذف آرسنیک

به دلیل اهمیت حذف آرسنیک از آب آشامیدنی، شرکت‌های بسیار زیادی در زمینه تجهیزات تصفیه آن سرمایه‌گذاری کرده‌اند.  امروزه استفاده از فناوری نانو به عنوان یک روش قابل اطمینان جهت حذف آرسنیک آب مورد توجه برخی شرکت‌ها قرار گرفته است. امروزه غشا‌های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون توسط شرکت­های زیادی در دنیا تولید می‌شود که از جمله بزرگترین و شناخته‌شده‌ترین این شرکت‌ها را می‌توان Dow، GE Water و BASF نام برد. از مهمترین محصول نانویی جهت حذف آرسنیک می‌توان به محصول تجاری ArsenX^np اشاره کرد. ArsenX^np رزین‌های تبادلگر هیبریدی هستند که از ترکیب بستر پلیمری با نانو ذرات اکسید آهن هیدراته تشکیل شده‌اند]7[. این محصول ساخت شرکت آمریکایی Systematix است و با بازده بالا به راحتی آرسنیک آب را حذف می‌کند. هزینه فرایند تصفیه با این نانو جاذب در حدود 09/0-07/0 دلار در هر 1000 لیتر برآورد شده‌است. بنا بر پیشنهاد سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا، ArsenX^np یکی از بهترین گزینه‌ها برای سیستم‌های حذف آرسنیک با حجم کم می‌باشد (شکل 7).

الف)

ب)

شکل 7: الف) رزین‌های ArsenX^np ، ب) سیستم ArsenX^np جهت حذف آرسنیک آب

یکی از بزرگترین  معضلات کشورهای در حال توسعه که صنعت کشاورزی قوی دارند، استفاده بیش از حد از سموم کشاورزی است. از جمله آن، کشورهای هند و بنگلادش را  می‌توان نام برد که به دلیل چنین فعالیت‌هایی، گستره وسیعی از آب آشامیدنی به آرسنیک آلوده شده است و از سوی دیگر، مردم روستایی به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند. شرکت هندی InnoNano Research، سیستمی با استفاده از فناوری نانو عرضه کرده است که بدون نیاز به برق به راحتی آرسنیک را از آب حذف نماید ( شکل 8). این سیستم که AMRIT نام دارد از نانو ذرات آهن(III) اکسید-هیدروکسید[22] به عنوان جاذب آرسنیک استفاده می‌کند و همچنین جهت ایجاد خواص آنتی باکتریال سیستم، از ترکیب نانو ذرات نقره[23] و نانو ورق آلومینیم (III) اکسید-هیدروکسید[24]  استفاده شده است ]8[.

شکل 8:  اجرای پایلوت حذف آرسنیک از آب آشامیدنی در منطقه Murshidabad واقع در بنگال شرقی هندوستان ، هر واحد  قابلیت تامین آب آشامیدنی 300 نفر از افراد محلی را دارا می‌باشد.

یکی دیگر از شرکت‌های فعال در زمینه فناوری نانو، شرکت آمریکایی Materials Modification می‌باشد که محصولات نانوکامپوزیتی به عنوان فیلترهای حذف آرسنیک از آب به مرحله تولید رسانده است ]9[. یکی از مهمترین پروژه‌های این شرکت در راستای حذف آرسنیک از آب آشامیدنی، با سرمایه بالغ بر 100000 دلار با همکاری سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا در مناطق آلوده صورت پذیرفت ]10[.

 

• شرکت‌های فعال ایرانی

در ایران نیز شرکت‌های معدودی موفق به تولید محصولات نانویی جهت حذف آرسنیک آب شده­اند. از جمله این شرکت­ها می­توان به شرکت پیام آوران نانوفناوری فردانگر اشاره نمود که سامانه نانوکویتاسیون جهت آرسنیک زدایی از آب را به مرحله تولید رسانده است (شکل 9) ]11[. محصول این شرکت با استفاده از راکتور نانوکویتاسیون، ترکیبات آرسنیک با اعدد اکسایش 3⁺ را به عدد اکسایش 5⁺ تبدیل کرده و با استفاده از بستر جاذب آلومینای فعال، آرسنیک را از آب جدا می‌کند. محصول این شرکت در ابعاد صنعتی قابل استفاده می‌باشد.

شکل 9: سامانه نانو‌کویتاسیون جهت آرسنیک‌زدایی از آب ساخت شرکت پیام آوران نانوفناوری فردانگر

 

از شرکت‌هایی در زمینه تولید غشاهای نانوفیلتراسیون در ابعاد خانگی جهت حذف آلاینده‌های مختلف فلزی فعالیت می‌کنند می‌توان به شرکت‌های شرکت سپنتا پلیمر شریف و شرکت فناوری نانوکاسپین با غشاء نانوفیلتراسیون پلیمری و شرکت دانش پژوهان صنعت نانو با غشاء نانوفیلتراسیون سرامیکی اشاره کرد ]11[.

 

• جمع بندی

غلظت بالای آرسنیک در آب می­تواند اثرات کوتاه مدت و یا دراز مدت بر سلامت انسان داشته باشد. به دلیل غلظت بالای آن در برخی مناطق و تاثیرات آن بر روی آب آشامیدنی و یا محصولات غذایی، حذف آرسنیک لازم و ضروری می‌باشد. حذف آرسنیک از آب زیرزمینی و یا آشامیدنی از مهمترین اولویت‌های کشورهای پیشرفته جهت حفظ سلامت انسان درنظر گرفته شده است. برای انجام این کار، فناوری‌های متعددی در نقاط مختلف دنیا به‌کار می‌رود. امروزه فناوری‌های مبتنی بر نانو جهت رفع آلودگی آرسنیک  از آب آشامیدنی  به دلیل بازده بالا و هزینه کم بیش از گذشته مورد توجه واقع شده است. به نظر می‌رسد که سرمایه گذاری‌های گسترده بر روی فناوری نانو جهت یافتن روش‌های ارزان آرسنیک‌زدایی به خصوص در کشورهای فقیر، اهمیت این فناوری را نشان می‌دهد.

 

• مراجع

 

• http://www.sos-arsenic.net/english/mitigation/update_miti.html
• Costs of arsenic removal technologies for small water systems: u.s. epa arsenic removal technology demonstration program, epa/600/r-11/090 (2011)
• Membrane technologies for water treatment: removal of toxic trace elements with emphasis on arsenic, fluoride and uranium, j. Bundschuh, crc press, taylor & francis group, volume 1
• http://www.lgwatersolutions.com/
• Use of ArsenX^np a hybrid anion exchanger, for arsenic removal in remote villages in the Indian subcontinent, Reactive & Functional Polymers 67 (2007) P:1599–1611
• Simultaneous Oxidation and Reduction of Arsenic by Zero-Valent Iron Nanoparticles: Understanding the Significance of the Core−Shell Structure, J. Phys. Chem. C, 113 (2009) P: 14591–14594.
• http://www.systematixusa.com/products/media/active_media/arsenx.htm
• At A Long-Awaited Turning Point, Nature Nanotechnology, 9 (2014) P: 491-494.
• http://www.matmod.com/
• https://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.highlight/abstract/5608
• http://irannano.org/filereader.php?p1=main_416f6f6e989c339c4788b641269076c0791.pdf&p2=paper&p3=1&p4=1

[1] Arsenic

[2] Orpiment

[3] Oxidation

[4] Coagulation and Flocculation

[5] Aluminum sulfate  (Alum)

[6] Lime Treatment

[7] Adsorption

[8] Activated alumina

[9] Ion Exchange

[10] Membrane Filtration

[11] Reverse Osmosis

[12] Bioremediation

[13] Nano Filtration

[14] Hybrid nanoparticles

[15] Zerovalent iron nanoparticles

[16] Microfiltration

[17] Ultrafiltration

[18] Hybrid anion exchanger

[19]  Hydrated Metal Oxide

[20] Transition Metal

[21] Hydrated ferric oxide

[22] Iron(III) Oxide-Hydroxide  (FeO(OH)·nH2O)

[23] Silver nanoparticles

[24] Aluminium Oxyhydroxide  (AlO(OH))

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

•  کارگزار ترویج صنعتی فناوری نانو در صنعت آب، حسگر و محیط زیست
• احسان فریدی، صابر زارع، محسن سروری

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه 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 دانلود 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]

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