مطالعه کاربردهای نانو تکنولوژی

[فاطمه یاس]

مطالعه کاربردهای نانو تکنولوژی در کاهش سختی آب، کلر، ترکیبات بیماری زا و فلزات سنگین
محمد خیاط [SUP]*۱[/SUP] معصومه گوهری [SUP]۱[/SUP]

دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات خوزستان، اهواز، ایران

*: مسئول مکاتبات؛ Khayat.agri@gmail.com​

چکیده

در گذشته نه چندان دور اهداف تصفیه خانه های آب آشامیدنی کاهش مواد معلق و زدودن عوامل زنده بیماری زا در آب بود که با روشهای متداول فیلتراسیون و گندزدایی قابل حصول بوده اند. لیکن با افزایش غلظت مواد ریزدانه، ترکیبات ازته، مواد آلی و معدنی و فلزات سنگین به منابع آب روش های متعارف جوابگوی نیاز تصفیه خانه ها نبوده و لازم است از فرآیندهای نسبتاً جدید در تصفیه خانه ها استفاده شود. در نانو فیلتراسیون جدا سازی بر اساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد و فرآیندی فشاری است. اساساً این روش جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده کننده‌های میکرونی و یونهای چند ظرفیتی می‌باشد. از کاربردهای نانو فیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آبهای مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کننده ها و حذف نیترات ها اشاره نمود. نانو فیلتراسیون می‌تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری‌های موجود در آب را حذف کند. در ضمن امکان استفاده آسان از روشهای تصفیه را برای عموم فراهم می کند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می‌دهد. نانو حسگر ها اگر چه حسگرهای مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید، که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند.


واژگان کلیدی: فناوری نانو، سختی آب، کلر، ترکیبات بیماری زا و فلزات سنگین

مقدمه

در حال حاضر، می‏توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیط زیست، از قبیل نانوفیلترها (برای تصفیه پساب‏های صنعتی)، نانو پودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی) و نانوتیوب‏ها (برای ذخیره‏سازی سوخت کاملا تمیز هیدروژن) را برشمرد، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده‏تر از این گونه کاربردهای جزئی و مقطعی است. در گذشته نه چندان دور اهداف تصفیه خانه های آب آشامیدنی کاهش مواد معلق و زدودن عوامل زنده بیماری زا در آب بود که با روشهای متداول فیلتراسیون و گندزدایی قابل حصول بوده اند. لیکن با افزایش غلظت مواد ریزدانه، ترکیبات ازته، مواد آلی و معدنی و فلزات سنگین به منابع آب روش های متعارف جوابگوی نیاز تصفیه خانه ها نبوده و لازم است از فرآیندهای نسبتاً جدید در تصفیه خانه ها استفاده شود. اخیراً نیز با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند. مجمع عمومی سازمان ملل متحد به منظور افزایش آگاهی و ترغیب، جهت اداره بهتر امور مربوط به آب و حراست بهتر از این منبع حیاتی، سال ۲۰۰۳ را سال بین المللی آب شیرین اعلام نمود. اهمیت کاربرد فناوری نانو در صنعت آب فناوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. لذا صنعت آب، بعنوان یکی از پایه‌های حیات از این مسئله مستثنی نیست و در بخشهای مختلف آن، شامل ساخت سدها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب، شیرین سازی آب و غیره، فناوری نانو کاربرد یافته است. در مجموع کاربردهای متعددی را می‌توان در زمینه استفاده از فناوری نانو متصور بود که اهم آنها در ذیل آمده است: ۱- استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلاینده ها ۲- رنگ زدایی از آب آشامیدنی ۳- نمک زدایی از آب ۴- نانو پوشش ها ۵- نانو لوله‌های جاذب گازهای سمی ۶- نانو پلیمرهای متخلخل ۷- استفاده از نانو ذرات در تصفیه پسابها ۸- نانو فیلترها ۹- حذف آرسنیک موجود در آب با استفاده از فناوری نانو در ادامه نگاهی به کاربرد‌های این فناوری در صنعت آب خواهیم داشت [۱ و ۲].


نگاهی کلی به تصفیه آب

در ابتدا برخی از روش های قدیمی تصفیه آب را مطرح کرده و به ذکر معایب آن می پردازیم سپس وارد بحث استفاده از فن آوری نانو شده و مزایای آن را مورد بررسی قرار خواهیم داد.


در تصفیه آب معمولا دو شیوه اصلی مورد بررسی قرار می گیرد

الف- روش های سنتی ب- روش های جدید شامل استفده از غشاها و فن آوری نانو


مراحل تصفیه در روش سنتی شامل موارد زیر می باشد

۱- عملیات پیش تصفیه ۲- منعقد شدن ذرات ۳- بهم پیوستن ذرات منعقد شده و تشکیل ذرات بزرگتر ۴-رسوب گذاری ۵- گندزدایی ۶- هوادهی ۷- صافی کردن

برخی از معایب شیوه سنتی در تصفیه آب عبارتند از

1. هر کدام از فرآیندهای شیوه سنتی به تنهایی قادر به از بین بردن تمامی آلودگی های آب نیستند.
2. شیوه سنتی اساسا بر مبنای نصب تاسیسات فرآیندی (مانند حوضچه ته نشینی) و استفاده از چندین فرآیند متوالی می باشد. بنابراین امکان حمل و نقل در چنین سیتم هایی مشکل است.
3. ۳- کاهش بازدهی برخی فرآیندها با افزایش دبی از دیگر معایب این روش می باشد.
   
4. ۴- هزینه بهره برداری از این سیستم ها نسبت به روش های غشایی بیشتر است.
   
5. ۵- به علت استفاده از مواد شیمیایی در برخی فرآیندها (مانند افزودن کلر در عملیات گندزدایی) آب حاصل برای شرب مطبوع نیست.
   

کاربردهای نانو تکنولوژی در تهیه ی آب پاک

برخی کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب فناوری نانو با روشهای زیر می‌تواند در تهیه آب تمیز کمک کند؛ ۱٫ غشاهای فیلتر اسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب ۲٫ روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی ۳. نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی ۴٫ نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب در ادامه برخی موارد فوق توضیح داده می‌شود [۵].


نانو فیلتراسیون روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. در نانو فیلتراسیون جدا سازی براساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد و فرآیندی فشاری است. اساساً این روش جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده کننده‌های میکرونی و یونهای چند ظرفیتی می‌باشد. از دیگر کاربردهای نانو فیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آبهای مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کننده ها و حذف نیترات ها اشاره کرد. نانو فیلتراسیون می‌تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری‌های موجود در آب را حذف کند. در ضمن امکان استفاده آسان از روشهای تصفیه را برای عموم فراهم می کند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می‌دهد. نانو حسگر ها اگر چه حسگرهای مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند[۴].


موارد لازم در تصفیه آب خانگی برای حذف یا کاهـش مواد زائد آب آشامیدنی

این مواد عمدتا عبارتند از: الف) سختی آب، ب) کلر و ترکیبات بیماریزای کلر، ج) فلزات سنگین، د) آلودگی های میکربی. در زیر به بررسی این پارامترها و روشهای تصفیه آن ها می پردازیم:


الف- سختی آب، املاح موجود در آب موجب بالا رفتن سختی آب می شوند تماس آب با ترکیبات آهکی موجود در زمین باعث ورود عوامل سختی در آب ها شده و معمولا آب های زیرزمینی از سختی زیادتری نسبت به آب های سطحی برخوردارند. سختی آب، عملا شاخص میزان فعل و انفعال آب با صابون است و برای شستشو با آب های سخت تر به صابون زیادتری نیاز است. سختی آب به مجموعه املاح کلسیم و منیزیم موجود در آب بر حسب میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم اطلاق میشود. طبقه بندی آب ها از نظر سختی بشرح زیر میباشد: آب های سبک ۶۰-۰ میلی گرم در لیتر آب های با سختی متوسط ۱۲۰-۶۰ میلی گرم در لیتر آب های سخت ۱۸۰-۱۲۰ میلی گرم در لیتر آب های خیلی سخت بیشتر از ۱۸۰ میلی گرم در لیتر آب های سخت در درجه حرارت بالا در جداره کتری و دیگ های بخار رسوبات کربنات کلسیم ایجاد میکند. مطالعات اخیر نشان داده که مصرف آب های سخت تر بعلت وجود منیزیم و کلسیم مرگ های ناگهانی ناشی از امراض قلبی و عروقی را به شدت کاهش میدهد. در حال حاضر هیچگونه رابطه ای میان پیدایش سنگ کلیه و سختی آب گزارش نشده است. علاوه بر این وجود کلسیم و منیزیم در آبهای آشامیدنی سخت مانع جذب فلزات سنگین نظیر سرب، کادمیوم، روی و مس و رسوب آنها در استخوانها می شود. در عین حال در نقاطی از روسیه که از آب های نسبتا سخت استفاده می کنند به مواردی از پیدایش سنگ در مجاری ادرار برخورده اند. این موضوع تقریبا در آب های با سختی ۵۰۰ میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم به اثبات رسیده است. از سوی دیگر در نقاطی که از آب های نرم تر استفاده می شود، به فشار خون، وجود چربی و کلسترول در خون برخورده اند که هر دوی این عوامل میتواند در مرگ های ناگهانی بسیار مؤثر باشد. به طور کلی میتوان گفت که در نقاطی که آب سخت مصرف می شود امراض قلبی کمتر از نقاطی است که ساکنین آنها آب های سبک تر مصرف می کنند. به علاوه بروز سکته های قلبی در نقاط با آب های سخت تر به مراتب کم تر از نقاط با آب های سبک تر است


ب) کلـر برای میکرب زدایی، در تصفیه خانه های شهری کلر به آب افزوده میشود کلر و ترکیبات آن برای ضدعفونی آب آشامیدنی در تصفیه خانه ها به آب اضافه میگردد. در سالهای اخیر تحقیقات بعمل آمده نشان داده اند که مواد آلی موجود در آب با کلر ترکیب شده و ایجاد تری هالومتان ها، کلرات و سایر ترکیبات جانبی مضر و سمی می نمایند که باعث بروز انواع بیماریهای صعب العلاج در انسان میگردند.


ج) فلزات سنگین فلزات سنگین از طریق نفوذ پساب صنعتی در آب آشامیدنی به انسان منتقل میشود فلزات سنگین با توجه به توسعه شهرنشینی و صنایع که منجر به افزایش میزان فاضلاب و پساب تولید گردیده است، عمدتا از طریق دفع نادرست و غیربهداشتی فاضلاب شهری و پساب صنعتی وارد محیط زیست می گردد. مرگ و میرهای آبزیان در اثر تخلیه پساب های محتوی فلزات سنگین در دنیا و ایران بی سابقه نیست. سبزیجات اطراف تهران نیز که با فاضلاب آبیاری میشود از این آلودگی ها بی بهره نمیباشد. فلزات سنگین شامل سرب، جیوه، روی، نیکل، کرم، کادمیوم و غیره میباشد. وجود فلزات سنگین در غلظت بیش از استاندارد در آب شرب باعث عوارض مختلف نظیر مسمومیت، حساسیت شدید، ضایعات کروموزومی، عقب افتادگی ذهنی، فراموشی، پارکینسن، سنگ کلیه، نرمی استخوان و انواع سرطان منجمله سرطان پروستات میگردد. یکی از کارشناسان محیط زیست، آلودگی محیط مخصوصا آب با فلزات سنگین را بعنوان بزرگترین گناهی که بشر در طبیعت انجام میدهد ارزیابی نموده است [۳].


د) میکروارگانیزم های بیماری زا

- رزین های تبادل یون برای کاهش سختی آب رزین های تبادل یونی با تبدیل یون های کلسیم و منیزیم محلول در آب به یون های نامحلول، آنها را جذب و در نتیجه سختی آب را کاهش می دهد. متاسفانه، این رزین ها محیط بسیار مساعدی برای رشد و تکثیر باکتریها میباشند بطوریکه تعداد باکتریها در داخل این فیلترها در کمترین مدتی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. جدیدا برای مقابله با تکثیر میکرواورگانیزم ها در محیط رزینی، فیلترهای رزینی نوع Bacterio static تولید گردیده است که تا حدودی مانع تکثیر سریع میکروبها در داخل فیلتر می گردد. با این وجود، قبل وبعد از این نوع فیلتر آب بایستی کاملا ضدعفونی گردد و چون راکد ماندن‌ آب در داخل بستر رزین موجب گندیدگی سریع آب می گردد، باید دقت نمود که آب در داخل این فیلترها همیشه جریان داشته باشد. رزینهای داخل فیلتر پس از مدتی اشباع شده و بایستی تعویض شوند. استفاده از این فیلترها برای آبهای مشکوک و یا آلوده به میکروب و انگل مجاز نمی باشد.

- کربن اکتیو (زغال فعال) برای حذف کلر، رنگ، بو و تری هالومتانها فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی فلزات سنگین محلول در آب را دارد و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر آب را حذف می نماید. مشابه فیلترهای رزین، بستر کربن فعال محیط مساعدی برای تغذیه و تکثیر باکتری ها بشمارمی آیند و پس از آن گندزدایی و تصفیه میکربی ضروری میباشد. زئولیت برای حذف فلزات سنگین زئولیت ها رزین های طبیعی هستند که دارای خاصیت مبادله کاتیونی و حذف فلزات سنگین میباشند. از جمله موارد مهم کاربری زئولیت ها حذف کاتیونهای ارسنیک، تیتان، آلومینیوم کوبالت، کرم، آلومینیوم، سرب، روی و غیره میباشد. فیلترهای سرامیکی برای حذف مواد معلق، باکتری ها و انگلها فیلترهای سرامیکی با منفذهای عبور آب حدود ۵/۰ میکرون، مانع عبور مواد معلق و کلیه انگلها و میکربها گردیده و با اطمینان کامل آلاینده های بیماری زای آب را حذف می نمایند. حتی آبهای آلوده و مشکوک پس از عبور از این صافی ها کاملا شفاف، بهداشتی و قابل شرب می گردند. تصفیه با فیلترهای سرامیکی تنها روش غیرشیمیایی میباشد که بدون نیاز به برق، آلودگی های میکربی آب را حذف می نماید. فیلترهای سرامیک مرغوب، در مواقع شیوع بیماریهای اپیدمی نیز بهترین شیوه تامین آب شرب سالم در محل مصرف میباشند[۴ و ۵].


نتیجه گیری
در آینده ایران جزء کشورهایی خواهد بود که بحران مصرف بالا و کم آبی را به دلیل افزایش جمعیت شهر نشین و ارتقای سطح صنعت و کشاورزی، پیش رو خواهد داشت. مهندس افراسیاب باباکوهى کارشناس کنترل کیفیت و منابع طبیعى مى گوید: «در خشکسالى سال هاى گذشته حدود ۲۰۰ هکتار از باغ ها، بیش از ۱۰ هزار هکتار از محصول چاى و ۲ هزار هکتار از باغ هاى موز سیستان و بلوچستان و باغ هاى کوهپایه آسیب جدى دید. استخراج بى رویه از آب هاى زیرزمینى و سفره هاى آبدار زیرزمین در شرایط کنونى یک موقعیت بحرانى دارد. درحال حاضر از ۶۱۲ دشت کشور، ۱۵۰ دشت جزو مناطق ممنوعه و بحرانى است. با قبول این وضعیت، بخش بزرگى از مزارع در محدوده کویر قرار مى گیرد و مشخص مى شود خشکسالى یک واقعیت طبیعى و اقلیمى در کشور است. جمعیت کشور ما حدود یک درصد جمعیت جهان است ولى سهم ما از کل منابع آب شیرین در دنیا ۳۶ صدم درصد است. کشورهاى دیگر دنیا از ۴۵ درصد منابع آب مطلوب خود استفاده مى کنند. در کشور ما ۶۶ درصد آب مصرف مى شود. بیش از ۵۰ درصد ذخایر آب شیرین کشور، وابسته به منابع آب هاى زیرزمینى است که درحقیقت ما باید این منابع زیرزمینى را براى سال هاى خشکسالى نگهدارى مى کردیم. کارشناسان یکى از دلایل این بحران را ایجاد شهرک ها و گسترش بى رویه و برنامه ریزى نشده شهرها مى دانند. از سویى ما در اقلیم خشک و کم آب قرار داریم. از سویى هم کره زمین درحال گرم شدن است و پدیده ال نینو به گرم شدن هوا در این نقطه از جهان کمک کرده است. بنابراین با نگاهی به مشکلات تأمین آب در ایران و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می‌توان از فناوریهای نوین در این راه بهره جست. این مهم در سایه انجام نیاز سنجی و مطالعه دقیق اولیه تحقق می‌یابد. با توجه به اینکه در سالهای اخیر، ایران در حال اوج گیری در زمینه تحقیقات نانو است، عقلانی به نظر می‌رسد که در سمت و سودهی برنامه‌های کلان آب در کشور از فناوری نانو به عنوان یک پشتیبان قوی استفاده گردد.


منابع
[۱]- بنی هاشمی، ب. ۱۳۸۵٫ حذف آلودگی آب های زیر زمینی با استفاده از نانو مواد: نانو آهن صفر ظرفیتی. اولین همایش ملی نانو تکنولوژی. دانشگاه اصفهان.
[۲]- همامی، آ .و ع. مشاهد. ۱۳۸۷٫ صنایع زیستی از دیدگاه نانو تکنولوژی. انتشارات ققنوس.
[۳]- همایونی، ر. ۱۳۸۵٫ تهیه ریز لایه های کیتوسانی جهت تصفیه آلاینده‌ های زیست محیطی، اولین کنفرانس فناوری نانو در محیط زیست، دانشگاه صنعتی اصفهان. اسفند
[۴]- Bora, M. 2007. Preparation Starch-G-PCL Nano composites: as Biodegradable and Green Nano composites. Carbon filters media, International fiber Conference, Korea, and pp.91-92.

[۵]- Jefri, S. 2006. Stability in Nano Fluids. International Conference on Micro and Nano Technologies, ICMNT06. Algeria, 19-23 .

[۶]- Zelini, S. 2005. Density profile of hard sphere fluid confined within slit-like pores in wide range of pore width and fluid density, proceeding of 4th International Nanotechnology Symposium, Dresden, Germany, pp. 177-180.


Applications of nanotechnology to reduce water hardness, chlorine compounds, heavy metals and pathogenic

Abstract


In the not too distant past, the drinking water treatment plant to reduce suspended solids and remove disease-causing agents in the water was alive with conventional methods of filtration and disinfection has been achieved. But with increasing concentrations of fine-grained materials, nitrogen compounds, organic compounds and heavy metals, mineral and water resources to meet the need for conventional methods of treatment is not required on a relatively new treatment processes are used. Separate molecules by size in the nano-filtration process takes place and pressure. Basically this method to remove the organic components of the infected organ, such as micron and are polyvalent ions. Nano-filtration can be almost any water source, to create clean water and eliminate bacteria in water. Although various sensors for nano-sensors to detect impurities and contaminants are present, but nanotechnology could create new generations of sensors with the ability to provide high-value and low concentrations of pollutants that are revealed.


Key words: nanotechnology, water hardness, chlorine compounds, heavy metals and pathogenic