چهارشنبه 14 تیر 1402

کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب ورودی و پساب معادن

۱. فناوری نانو

بی شک یکی از مهمترین دستاوردهای بشر در دهههای اخیر، حوزه علوم و فناوری نانو[1] است که راهکارهای متنوع و نوآورانهای برای رفع مشکلات و معضلات موجود در بخشهای مختلف ارائه مینماید. فناوری نانو که به عنوان مهندسی و هنر دستکاری مواد در مقیاس نانو (۱ تا 100 نانومتر) شناخته می‌شود، پتانسیل‌های بالقوه و بالفعل نانو‌مواد را در بخش‌های مختلف علمی، صنعتی، محیط زیست و… به نمایش می‌گذارد. یکی از اصلی‌ترین مشخصههای فناوری نانو، توانایی آن در دستکاری، کنترل و بهینه سازی ساختار اساسی مواد در ابعاد اتمی و مولکولی، در راستای ایجاد خواص ویژه در ترکیبات مختلف است که تقریبا منشا اصلی کاربردهای این فناوری در حوزههای مختلف به حساب میآید.

—————————–

[1] Nanotechnology

آب و توسعه پایدار

ایران به دلیل قرار گرفتن در منطقه جغرافیایی خاص، جزء مناطق تقریبا کم آب جهان محسوب شده و از حدود یک سوم متوسط بارش‌های جهانی برخوردار است. لذا تمام برنامه‌ریزی‌ها در زمینه توسعه اقتصادی به طور معنا‌داری با مقوله آب و میزان دسترسی به آن گره خورده است و بدون توجه و ارزیابی منابع آبی اعم از زیرزمینی، رودخانه‌ها، نزولات آسمانی و… مبحث توسعه پایدار[1] فاقد وجاهت و پشتوانه علمی و عملی خواهد بود. برداشت بی رویه آب جهت مصارف کشاورزی (بیش از 90 درصد مصرف آب کشور) در کنار کاهش نزولات آسمانی، منجر به ایجاد شرایط بحرانی در کشور ما شده است و با توجه به اهمیت ویژه آب برای صنایع مختلف (مخصوصا صنایع معدنی)، می‌توان پیشبرد مبحث توسعه پایدار را به نوعی در گرو مدیریت بهینه منابع آب در کشور دانست.

—————————–

[1] Sustainable Development

بحران آب و صنعت معدن

ایران از نظر اقلیمی منطقه‌ای کم باران و به نسبت خشک تلقی می‌شود و از طرفی دارای منابع غنی کانی‌های معدنی است که می‌تواند نقش بسیار موثری در راستای عمران و آبادانی، ایجاد اشتغال و توسعه پایدار داشته باشد. اما نکته قابل توجهی که در این میان وجود دارد، این است که تقریبا تمام این معادن در مناطق گرم و خشک ایران واقع شده‌اند. بر این اساس، تامین آب مورد نیاز برای واحدهای معدنی و صنایع معدنی، یکی از مهم‌ترین مشکلات صنایع معدنی کشور است؛ مشکلی که برخی از کارشناسان از آن با عنوان بحران آب معادن یاد می‌کنند. در نتیجه، بهره‌مندی از مواهب صنایع معدنی نیازمند تامین یک عنصر زیرساختی‌ بسیار مهم به نام آب است. به‌ویژه اینکه به طور معمول پرعیارسازی[1] و کنسانتره‌گیری[2] از مواد معدنی حداقل در یک مرحله به‌وسیله آب انجام می‌شود و از نظر اقتصادی هیچ توجیهی وجود ندارد که سنگ و خاک خام را به مناطق برخوردار از آب انتقال داد. در این شرایط، به کارگیری و بومی سازی برخی راهکارها و فناوری‌های نوین را می‌توان یکی از اقدامات موثر در راستای کاهش چالش‌های پیش روی تامین آب صنایع معدنی دانست.

—————————–

[1] Ore Processing

[2] Concentration

آب در صنایع معدنی

لزوم ایجاد حداکثر ارزش افزوده در طول زنجیره ارزش فرآورده‌های معدنی از یک سو و چالش‌های زیست‌محیطی پیرامون صنایع معدنی از سوی دیگر، این صنایع را ملزم به مدیریت بهینه منابع آب در دسترس می‌نماید. در صنایع معدنی، از آب برای مقاصد مختلفی همچون استخراج و فرآوری محصولات معدنی و کاهش میزان غبارات خروجی استفاده می‌شود. با این حال اصلی‌ترین مصرف آب در این صنایع به کارخانجات فرآوری محصولات معدنی اختصاص دارد که در اصل از آب برای افزایش خلوص (عیار[1]) محصولات خود بهره می‌برند. بنابراین، در کنار مشکلات مربوط به تامین و تصفیه آب ورودی، ایجاد پساب با غلظت‌هایی از گونه‌های مختلف توسط این صنایع نیز دور از انتظار نخواهد بود. مشکلات ناشی از پساب صنایع معدنی، بسته به نوع محصولاتشان می‌تواند شامل گستره‌ای از آلاینده‌ها باشد. با این حال، عمده‌ترین مشکلات در پساب این صنایع شامل مواد معلق، یون‌های فلزی، اسیدیته بالای پساب خروجی[2] (مخصوصا به دلیل وجود اسید سولفوریک) و سولفات است. در این صنایع، عموما از فرآیندها و ابزارهای مختلفی همچون شناورسازی[3]، فیلتراسیون، هیدروسیکلون[4]، تیکنر[5] و… جهت تصفیه آب ورودی و همچنین پساب خروجی استفاده می‌شود. با این وجود و با توجه به شرایط بحرانی فعلی در مقوله تامین آب صنایع معدنی، استفاده از راهکارها و فناوری‌هایی جهت بازیابی و استفاده مجدد از پساب‌ها، نمک‌زدایی[6] از آب‌های شور (مثل آب دریا یا آب‌ چاه‌های شور و لب شور) و نامتعارف[7]، استخراج املاح از پساب، کاهش میزان پساب خروجی و… نقش به سزایی در کاهش مشکلات پیش روی این صنایع در راستای تامین آب مورد نیاز آن‌ها خواهد داشت.

—————————–

[1] Karat

[2] Acid Mine Drainage (AMD)

[3] Floatation

[4] Hydrocyclone

[5] Thickener

[6] Desalination

[7] Degraded Water

پتانسیل‌های فناوری نانو در حوزه آب صنایع معدنی

امروزه کاربردها و قابلیت‌های فناوری نانو به قدری گسترش پیدا کرده است که می‌توان گفت تقریبا در تمام حوزه‌های صنعتی، محصولات یا کاربردهایی از آن در نقاط مختلف دنیا شناخته شده است. یکی از حوزه‌های صنعتی که کاربردهای متنوعی از فناوری نانو را به خود اختصاص داده است، صنعت آب و فاضلاب است که گستره‌ای از محصولات مبتنی بر فناوری نانو در این حوزه معرفی شده و به بهره‌برداری نیز رسیده است. از جمله کاربردهای فناوری نانو در این حوزه می‌توان به تصفیه آب ورودی و پساب خروجی صنایع معدنی اشاره نمود. اصلی‌ترین پتانسیل‌های فناوری نانو جهت تصفیه آب ورودی، کاهش میزان پساب خروجی و هدر رفت آب و همچنین استفاده مجدد از پساب، در این حوزه عبارتند از:

حذف یون سولفات: برای حذف یون سولفات تاکنون چندین راهکارهای مبتنی بر فناوری نانو ارائه شده است: 1- تصفیه شیمیایی: این فرایندها مبتنی بر انجام واکنش شیمیایی بین یون سولفات و یک ترکیب شیمیایی مشخص استوار هستند که یون سولفات را ترسیب داده یا به گونه‌ای دیگر تبدیل می‌نمایند. این فرایندها معمولا با فرایندهایی همچون جذب سطحی، فیلتراسیون و… دنبال می‌شوند. کاربرد فناوری نانو در این حوزه، عموما بر اساس استفاده از ترکیبات نانویی (معمولا ترکیبات بر پایه آلومینا) است که در اثر واکنش با یون سولفات منجر به ترسیب آن می‌شوند. 2- فرایند تبادل یون: این فرایندها مبتنی بر عبور آب از روی یک بستر رزینی هستند که عموما حاوی گونه‌های یونی مختلفی است. در اثر عبور آب آلوده به سولفات از روی رزین‌ها، یون سولفات جایگزین یون‌های موجود در ساختار رزین شده و بدین ترتیب بر روی سطح رزین جذب می‌شوند و از آب حذف می‌شوند. نسل‌های جدید این رزین‌ها ساختار نانویی دارند که امروزه به صورت تجاری نیز در بازار در دسترس قرار دارند. 3- فرایندهای مبتنی بر فیلتراسیون: در این روش‌ها از یک غشای نیمه تراوا برای حذف ترکیبات مختلف از آب استفاده می‌شود و اساس کار آن‌ها بر مبنای اعمال فشار به آب آلوده جهت عبور از حفرات غشاها استوار است. از جمله فرایندهای فیلتراسیون مبتنی بر فناوری نانو جهت حذف سولفات می‌توان به نانوفیلتراسیون یا اسمز معکوس تقویت شده با فناوری نانو (با استفاده از غشاهای اسمز معکوس نانوساختار یا اصلاح شده به وسیله نانومواد) اشاره نمود.

حذف فلزات سنگین: همانند روش‌های حذف یون سولفات، فلزات سنگین را نیز می‌توان توسط روش‌های فیلتراسیون (نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس تقویت شده با فناور نانو) از آب یا پساب جداسازی و حذف نمود. همچنین جهت حذف این دسته از یون‌ها، می‌توان از نانوجاذب‌ها یا جاذب‌های نانویی (شکل 1) نیز بهره گرفت. نانو جاذب‌ها، دسته‌ای از جاذب‌ها هستند که به واسطه: 1- سطح فعال بسیار زیادی که دارند (در نتیجه نانویی بودن) و 2- به دلیل ساختار مهندسی شده، قادر هستند با گزینش‌پذیری، بازدهی و تمایل بسیار زیادی گونه‌های مختلف (به خصوص یون‌های فلزات سنگین) را بر روی سطح خود جذب نموده و آن‌ها را از آب‌ها یا پساب‌های آلوده حذف نمایند.

یک نمونه نانوجاذب مبتنی بر نانوساختارهای کربنی جهت حذف فلزات سنگین از آب یا پساب [1].

نمک‌زدایی: طی این فرایند که در صنعت معمولا جهت تامین آب ورودی به صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد، نمک‌های موجود در آب حذف می‌شوند. نمک‌زدایی از آب‌های شور، می‌تواند منبع آب بسیار بزرگی (97 درصد آب‌های زمین شور هستند) را در اختیار انسان‌ها قرار دهد. بدیهی است که ایران نیز به واسطه برخورداری از مرزهای آبی وسیع در جنوب کشور، می‌تواند بخش عمده‌ای از آب مورد نیاز خود را به خصوص در حوزه‌های صنعتی از طریق نمک‌زدایی آب دریا تامین نماید. روش‌های نمک‌زدایی به دو دسته روش‌های تقطیری و غشایی (فیلتراسیون) تقسیم بندی می‌شوند. در این میان، کاربرد فناوری نانو در فرایندهای نمک‌زدایی عموما به طراحی غشاهای اسمز معکوس تقویت شده به وسیله فناوری نانو خلاصه می‌شود. شکل 2 نمونه‌ای از این نوع غشاها را به نمایش می‌گذارد.

شمایی از یک غشای اسمز معکوس مبتنی بر نانولولههای کربنی جهت نمک‌زدایی از آب‌های شور [2].

بررسی بازار

صنایع معدنی را می‌توان یکی از پردرآمدترین صنایع دنیا دانست. این صنایع در کنار درآمد بالا، نیازمند صرف هزینه‌های زیادی نیز هستند. یکی از اصلی‌ترین هزینه‌های مورد نیاز در این صنایع، مربوط به واحدهای تصفیه آب و پساب است. بنابراین بدیهی است که این حوزه بازار بسیار قدرتمندی را نیز در اختیار داشته باشد. بر اساس گزارش‌های بین‌المللی، بازار تصفیه آب در صنایع معدنی در سال 2014 چیزی در حدود 9 میلیارد دلار بوده است و پیش بینی‌ها حاکی از این است که این بازار در سال 2019 به مبلغ 17 میلیارد دلار برسد [3]. همچنین بر اساس آمار ارائه شده توسط موسسه GWI، این بازار در کشورهای آمریکای لاتین، به عنوان یکی از مهم‌ترین قطب‌های معدنی جهان، در سال 2014 در حدود 4 میلیارد دلار بوده است و پیش بینی می‌شود که این بازار در سال 2020 به حدود 5 میلیارد دلار برسد [4].

علیرغم وجود بازار قابل توجه تصفیه آب و پساب در صنایع معدنی و همچنین وجود محصولات متعدد مبتنی بر فناوری نانو در این حوزه، در حال حاضر گزارش دقیقی از حجم بازار محصولات مبتنی بر فناوری نانو در این حوزه منتشر نشده است. با این حال، به عقیده نگارنده متن، در بدترین شرایط شاید بتوان 5 الی 10 درصد از حجم کل بازار این حوزه را به محصولات مبتنی بر فناوری نانو نسبت داد.

7.معرفی برخی شرکت‌های فعال

با توجه به تعدد کاربردهای توسعه یافته بر اساس فناوری نانو برای تصفیه آب و پساب صنایع معدنی، دور از انتظار نخواهد بود که تعداد محصولات موجود در این حوزه نیز قابل توجه باشد. لذا در ادامه صرفا به معرفی برخی از شرکت‌های فعال در این حوزه و محصولات آن‌ها پرداخته خواهد شد.

بخشی از فعالیت‌های موسسه تحقیقاتی Mintek که در سال 1934 در کشور آفریقای جنوبی تاسیس شده است، بر روی توسعه نانومواد جهت کاربردهای مختلف متمرکز شده است. یکی از محصولات این مرکز، ترکیبی خاص از نانو ذرات آلومینا است که قادر است با سولفات واکنش کرده و منجر به ترسیب آن شود [5].

شرکت کانادایی BQE Water از شرکت‌هایی است که به طور تخصصی در حوزه تصفیه آب و پساب صنایع معدنی فعالیت دارد. یکی از محصولات این شرکت، رزین نانویی جهت حذف سولفات است که حق اختراع آن را نیز به ثبت رسانده است. بر اساس ادعای این شرکت، این محصول حتی در شرایطی که میزان سختی[1] بسیار بالا باشد، نیز قادر به حذف سولفات خواهد بود [7].

شرکت شناخته شده GE Water (از زیر مجموعه‌های هلدینگ جنرال الکتریک)، از جمله شرکت‌هایی است که در حوزه آب صنایع معدنی فعالیت قابل ملاحظه‌ای دارد. از جمله محصولات آن می‌توان به غشاهای نانوفیلتراسیون جهت تصفیه پساب این صنایع و حذف سولفات اشاره نمود [8].

غشای نانوفیلتراسیون ساخت شرکت GE Water جهت حذف سولفات و برخی املاح دیگر [9]

یکی از اولین شرکتها در زمینه ساخت غشاهای اسمز معکوس تقویت شده با فناوری نانو، شرکت NanoH2O است که فعالیت خود را در سال 2005 شروع نموده و پس از آن رشد بسیار سریعی را تجربه نمود؛ به نحوی که در سال 2013 بخش توسعه فناوریهای حوزه آب شرکت بزرگ LG Electronics اقدام به خریداری آن نمود و امروزه غشاهای ساخته شده توسط فناوری این شرکت بزرگترین سهم را در بازارها به خود اختصاص دادهاند و به نوعی شناخته شدهترین محصول مبتنی بر فناوری نانو در بازار میباشنn [10].

غشای اسمز معکوس تقویت شده با فناوری نانو ساخته شده توسط شرکت LG و شمایی کلی از فناوری ساخت این غشاء که توسط شرکت NanoH2O توسعه یافته است [11].

—————————–

[1] Hardness

معرفی شرکت‌های فعال داخلی

در حال حاضر در کشور ما، شرکت‌های بسیاری در حوزه تصفیه آب و پساب صنایع معدنی فعالیت دارند، هرچند به صورت مستقیم گزارشی از فعالیت این شرکت ها در حوزه تصفیه آب معادن وجود ندارد. با این حال، یکی از محصولات داخلی که شاید بتواند در این حوزه مورد استفاده قرار گرفته و برخی مشکلات را مرتفع سازد، سامانه نمک‌زدایی مبتنی بر روش الکترودیالیز است که توسط شرکت پیام آوران نانوفناوری فردانگر (PNF) طراحی و ساخته شده است. غشاهای یون گزین مورد استفاده در این سامانه به وسیله فناوری نانو بهبود یافته‌اند که در کنار افزایش راندمان بازیابی آب، افزایش طول عمر سیستم را نیز به همراه داشته‌ است [12]. همچنین، شرکت فوق سامانه حذف فلزات سنگین از پساب را نیز جهت مصارف شرب و کشاورزی فراهم تولید می‌نماید.

سامانه نمک‌زدایی با استفاده از روش الکترودیالیز تقویت شده با فناوری نانو؛ تولید شرکت پیام آوران نانوفناوری فردانگر

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

جمع بندی

یکی از اصلی‌ترین ملزومات توسعه پایدار، توسعه صنایع و ایجاد زیرساخت‌های صنعتی مناسب است. در این میان، صنایع معدنی به عنوان یکی از صنایع زیرساختی کشور نقش غیر قابل انکاری در این مبحث خواهند داشت. در کشور ما معادن و صنایع معدنی بسیار شاخصی در حال فعالیت هستند، اما متاسفانه اکثر این واحدهای معدنی در نقاط خشک و کم آب قرار گرفته‌اند و با توجه به وضعیت بحرانی کشور از نظر منابع آب، این صنایع نیز به نوعی دچار بحران آب شده‌اند. در این شرایط، استفاده از فناوری‌های روز دنیا و سعی در بومی سازی آن‌ها می‌تواند نقش بسیار موثری در کاهش مشکلات این صنایع داشته باشد. امروزه فناوری نانو به عنوان یک فناوری پیش‌رو در اکثر حوزه‌های صنعتی شناخته شده و محصولات قابل توجهی نیز در حوزه تصفیه آب و پساب صنایع معدنی عرضه نموده است. استفاده از این محصولات که به صورت تجاری در دسترس هستند، از یک طرف می‌تواند منجر به افزایش بازیابی آب و در نتیجه کاهش میزان هدر رفت آب در این صنایع شده و از طرف دیگر استفاده از برخی منابع آب غیرمتعارف را نیز برای این صنایع به ارمغان آورد.

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