فناوری نانو در تصفیه آب و فاضلاب

به تازگی با ورود فناوری های جدیدی مانند زیست فناوری و نانو فناوری، روش های جدیدی برای تصفیه آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی ارائه شده است. در دنیای امروز که با کمبود آب آشامیدنی سالم و افزایش آلاینده‌ها روبرو هستیم، فناوری نانو به عنوان راه حلی نوظهور و امیدوارکننده، روشی کارآمد، مقرون به صرفه و مدرن برای حذف آلاینده‌ها از آب ارائه می‌دهد و به ما کمک می‌کند تا به آب سالم و باکیفیت به طور پایدار دسترسی داشته باشیم. کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از : نانو فیلترها، نانو فتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات و نانو سنسورها. در ادامه با کاربرد های این فناوری در تصفیه آب و فاضلاب آشنا می شویم.

فناوری نانو در تصفیه فاضلاب

فناوری نانو به یکی از کاربردی ترین فناوری‌های قرن بیست‌ و‌ یکم تبدیل شده ‌است. خواص بی‌نظیر نانومواد شامل موارد زیر می‌شود:

• نسبت سطح به حجم زیاد
• اندازه کوچک
• ساختار سازمان‌یافته
• کارایی در فیلتراسیون

این ویژگی‌ها به حذف فلزات سنگین از فاضلاب آلوده کمک می‌کنند. براساس نوع نانومواد، تصفیه فاضلاب به سه گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند؛

1. نانوکاتالیست‌ها
2. نانوجاذب‌ها
3. نانوغشاها

نانوکاتالیست‌ها

این فرآیند تصفیه فعالیت‌های فتوکاتالیستی را شامل می شود که عبارت است از برهمکنش انرژی نور با نانوذرات فلزی. فعالیت‌های فتوکاتالیستی، میکروارگانیسم‌ها (باکتری‌ها) و مواد آلی را از راه واکنش با رادیکال‌های هیدروکسیل از بین می‌برد. مواد مورد استفاده در نانوکاتالیست‌ها عموما مواد معدنی مانند اکسیدهای فلزی و نیمه‌رساناها هستند.

نانوجاذب‌ها

این روش تصفیه از نانومواد آلی یا معدنی که میل ترکیبی زیادی نسبت به مواد جاذب دارند استفاده می‌کند. این جاذب‌های سطحی می توانند به خوبی بسیاری از آلاینده‌ها را از نابود کنند. جاذب ایده‌آل کوچک، دارای مساحت سطح زیاد، پتانسیل کاتالیستی عالی و واکنش‌پذیری زیاد است.

نانوجاذب‌ها بر اساس فرآیند جذب خود به نانوذرات فلزی، نانوذرات مغناطیسی، اکسیدهای مختلط نانوساختار و نانوذرات اکسید فلزی تقسیم بندی می‌شوند.

بیشتر بخوانید: تجهیزات تصفیه فاضلاب

نانوغشاها

در این روش تصفیه، نانوغشاها قادرند آلاینده‌ها را از فاضلاب جدا کنند. این‌ مواد به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین، رنگ‌ها و سایر آلاینده‌ها استفاده می‌شوند.

معمولا نانولوله‌ها، نانونوارها و نانوالیاف در نانوغشاها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نانوذرات نقره، عوامل ضدمیکروبی می باشند که در طول تصفیه فاضلاب آلاینده‌های باکتریایی بسیاری را در خود جای می‌دهند.

نانوذرات نقره و اکسید گرافن دو نقش را ایفا می‌کنند؛ اول با غیرفعال کردن سلول‌های باکتریایی از آلودگی بیولوژیکی جلوگیری می‌کنند و سپس به علت ماهیت آب‌دوستی که دارند می‌توانند با تشکیل یک لایه قوی آبی، اتصال میکروبی را کاهش دهند.

نانو مواد مورد استفاده در فرایند تصفیه پساب صنعتی

نانوموادی که معمولا برای تصفیه پساب صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از؛

نانولوله‌های کربنی (CNT): نانولوله‌های کربنی غشاهایی با هدایت الکتریکی تولید می‌کنند. اندازه حفرات لایه به نوع پلیمرهای مورد استفاده در اتصال عرضی نانولوله‌های کربنی وابسته است. اندازه منافذ غشاء از صد نانومتر تا کمتر از ده نانومتر متفاوت است. از این نانوغشاها به طور گسترده برای تصفیه بیولوژیکی پساب صنعتی و نمک‌زدایی از آب‌ شور صنعتی استفاده می‌شود.

نانوذرات گرافن اکسید (GO): نانوذرات گرافن اکسید همانند فرآیند تعرق (transpiration) یک برگ درخت عمل می‌کنند. به این معنا که، در حالی که حرارت خورشید را جذب می‌کنند تا تشکیل بخار را تشدید نمایند، آب از طریق ساختار گرافن اکسید بیرون کشیده می‌شود. این روش در نمک‌زدایی از آب‌ شور با انرژی خورشیدی استفاده می‌شود.

نانوذرات سیلیکا فلوئورینه (Fluorinated silica): نانوذرات سیلیکا فلوئورینه سطح انرژی کمی تولید می‌کنند که مقاومت بالایی نسبت به چربی دارد. این امر در عملیات تصفیه پساب حاوی روغن، پالایش نفت و صنایع فرآوری مواد غذایی بسیار مفید است.

نانومواد لایه‌ای (Layered nanomaterials): نانومواد لایه‌ای حاوی گرافن و گرافن اکسید، مولیبدن دی‌سولفید و مکسین‌ها (MXenes) (کربونیتریدها، کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه فوق العاده نازک) به طور گسترده در تصفیه پساب صنعتی به کار می‌روند.

فناوری نانو در تصفیه آب

نانو فیلترها

تاریخچه نانو فیلتراسیون به دهه هفتاد میلادی زمانی که غشاهای اسمز معکوس با فشارهای تقریبا پایین همراه با جریان آب تصفیه ای قابل قبول، بسط و توسعه پیدا کردند، باز می‌گردد. استفاده از فشارهای بسیار بالا در فرآیند اسمز معکوس، علی رغم تهیه آب با کیفیت بسیار عالی، هزینه گزاف انرژی مصرفی را در پی داشت که عاملی نگران کننده به حساب می‌آمد. بنابراین تهیه آب با استفاده از این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود. لذا استفاده از غشاهایی با میزان درصد حذف پایین تر ترکیبات محلول، اما با قدرت نفوذ آب بیشتر و به طبع آن، افزایش حجم آب تصفیه شده با کیفیتی مطلوب (درحد استانداردهای مورد نظر) در فناوری جداسازی یک پیشرفت اساسی، به شمار می‌آمد. به همین دلیل غشاهای اسمز معکوس با فشار پایین، بعنوان غشاهای نانو فیلتراسیونی شناخته شدند.

نانو فیلتراسیون فرآیند غشایی نوینی است که خواص آن مابین فرایندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون قرار دارد و در اختلاف فشار پایین (10-20 بار) قابل استفاده است. به دلیل عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه‌های عملیاتی آن کم و نگه داری این سیستم به مواد شیمیایی وابسته نبوده و پساب خروجی فشرده و غلیظ می‌باشد. لذا هزینه حمل و نقل و دفع آن نیز کمتر است. به کمک تجهیزات خاصی که وجود دارد، غشاها به طور خودکار تمیز می‌شوند. در مورد فرآیند نانو فیلتراسیون، هزینه انرژی بسیار کمتر از اسمز معکوس می‌باشد. نکته بسیار مهم در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب گری در حذف یون‌ ها می باشد.

بیشتر بخوانید: آب شیرین کن صنعتی چیست؟

لایه های غشای نانو فیلتراسیون

غشاهای نانو فیلتراسیون معمولا از دو لایه تشکیل می‌شوند. لایه نازک و متراکم که عمل جداسازی را بر عهده دارد و لایه محافظ که عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می‌دهد. غشاهای نانو فیلتراسیون عموما در دو نوع باردار و غیرباردار موجود می باشند. مکانیسم اصلی در حذف ملکول‌های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربالسازی استوار است. در حالی که ترکیبات یونی به دلیل بر همکنش‌های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه‌های باردار، حذف می‌شوند.

امروزه از غشاهای نانویی تجاری در اشکال متفاوتی استفاده می شود. این اشکال شامل، سیستم‌های مارپیچی، صفحه ای، جعبه ای، لوله ای و فیبری می‌باشند. شکل هر یک از غشاهای نانویی براساس نوع غشا، با هدف بالا بردن بازده و عملکرد آن انتخاب می‌گردد.

نانو فیلترها برای حذف محدوده عظیمی از ترکیبات به کار گرفته می شوند که عبارت است از:

• حذف آفت کش‌ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
• حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن
• حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
• حذف کاتیون ها و سختی
• حذف کروم، اورانیم، آرسنیک
• حذف آنیون ها
• حذف پاتوژن ها

نانو مواد

نانومواد در مقایسه با مواد در ابعاد بزرگ دارای سطوح بسیار بزرگ تری هستند. علاوه بر این، این مواد قادر به بر هم کنش با گروه های شیمیایی مختلف به منظور افزایش میل ترکیبی آنها با ترکیبات ویژه می باشند. همچنین نانومواد به عنوان لیگاندهای قابل بازیافت با ظرفیت و عملکرد انتخابی بسیار بالا، برای یون های فلزی سمی به هسته های رایواکتیو، حلال های آلی و معدنی به شمار می آیند.

جاذب ها به طور گسترده ای به عنوان جداساز محیطی در خالص سازی آب و برای حذف آلاینده های آلی از آب آلوده استفاده می شوند. تحقیقات وسیعی در این زمینه صورت گرفته است که از جمله آن ها می توان به کاربرد نانو تیوپ های کربنی تک دیواره برای حذف یون های سنگینی مثل 2Pb، 2Cu، 2Cd، چیتوزان با گروه‌های عاملی فسفاته برای حذف 2Pb، ترکیب کربن نانوتیوپ- اکسید سدیم برای حذف As (V)، نانو بلورهای FeO(OH) – برای جذب AS (V) و Cr (VI)، زئولیت‌های تعویض یون NaP1 برای حذف فلزات سنگین از پساب‌های معدنی اسیدی مانند 3Cr، 2Ni، 2Zn، 2Cu، 2Cd، نانو مواد کربنی برای جذب مواد آلی فرار، رنگ‌های آلی و ترکیبات آلی و ترکیبات آلی کلره، فولرن برای جذب ترکیبات آروماتیک چند حلقوی مانند نفتالین اشاره نمود.

نانو ذرات

نانو ذرات به دلیل ابعاد بسیار کوچک و ویژگی‌های منحصربه‌فرد، قادرند با آلاینده‌های موجود در آب در سطح مولکولی تعامل برقرار کرده و آنها را از بین ببرند. این امر نانوفناوری را به ابزاری قدرتمند برای تصفیه آب تبدیل می‌کند که مزایای متعددی را به همراه دارد:

• حذف آرسنیک با نانو ذرات سریم
• حذف آرسنیک با نانو ذرات اکسید آهن
• حذف کروم با نانو ذرات آهن
• حذف مس، کبالت و نیکل با نانو ذرات آهن
• حذف ترکیبات آلی با نانو ذرات آهن
• حذف آلاینده ها با نانو ذرات آهن در محل
• کاهش نیترات با نانوذرات دوفلزی پالادیم- مس
• گندزدایی آب با نانو ذرات نقره
• نانو سنسورها در تصفیه آب و پساب

منبع: آبسازه absaze.com