فناوری های نوین درمورد تصفیه آب وفاضلاب

افزایش جمعیت جهان و کاهش منابع آب آشامیدنی، نگرانی‌هایی را درباره تامین آب آشامیدنی مورد نیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب که در نتیجه افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی شدت پیدا می‌کند، سبب شده است تامین آب بهداشتی مورد نیاز مردم به یکی از مشکلات اساسی جهان امروز تبدیل شود. امراض ناشی از آلودگی منابع آب، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شاید ده‌ها هزار نفر از مردم جهان می‌شود. این در حالی است که امکان بازیافت آب، دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد. امروزه به کمک فناوری‌های نوین الکتریکی و مکانیکی، به آسانی می‌توان آب آلوده را در کشاورزی و حتی مصارف خانگی استفاده کرد. استفاده از فیلترهای نانومتری، تحول عظیمی را در بازیافت و استفاده مجدد از منابع آب ایجاد کرده است.

فیلترهای فیزیکی با منافذی در حد نانومتر می‌توانند باکتری‌ها، ویروس‌ها و حتی واحدهای کوچک پروتئینی را به صورت کامل و صددرصد غربال کنند؛ همچنین با استفاده از جداکننده‌های الکتریکی که به وسیله صفحات ابرخازن یون‌ها را جذب می‌کنند، می‌توان نمک و مواد سنگین را نیز از آب جدا کرد. بررسی فعالیت‌های پژوهشی در سطح دنیا نشان می‌دهد که تصفیه آب یکی از مهم‌ترین زمینه‌های کاربرد فناوری نانو در صنعت آب است و با بهره‌گیری از آن، هزینه‌های تصفیه آب به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت. استفاده از فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم‌های موجود و کاربرد نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع و کامل آلودگی آب، از مهم‌ترین موارد کاربرد نانوفناوری در صنعت آب و فاضلاب است.

نانوفیلترها

با استفاده از فناوری‌های نوین، تولید آب نانوفیلتر شده در مقیاس انبوه امکان‌پذیر خواهد شد. این روش می‌تواند بسیاری از موانع و مشکلات موجود در روش‌های قبلی را از میان بردارد. با استفاده از نانوفیلترها، مواد معدنی مورد نیاز برای سلامت انسان در آب باقی می‌ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می‌شود. دانشمندان و محققان، به روش ساده‌ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانولوله‌های کربنی دست یافته‌اند که علاوه بر حذف موثر آلاینده‌ها در مقیاس نانو و میکرو از منابع آب می‌تواند هیدروکربن‌های سنگین را نیز از نفت خام جدا کند. استفاده از نانولوله‌های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در پاکسازی، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می‌شود. این فیلترها از دقت بسیار زیادی برخوردارند و می‌توانند ویروس‌هایی به اندازه 25 نانومتر را بخوبی عوامل بیماری‌زای بزرگتر مانند باکتری ‌ای کولای از آب حذف کنند. کاهش هزینه‌ها و همچنین کنترل مقدار آلاینده‌ها در آب تصفیه شده از دیگر مزایای کاربرد این روش به شمار می‌آید.

شیرین‌کننده‌هایی از جنس غشای نانومتری

محققان توانسته‌اند غشاهایی از نانولوله‌های کربی بسازند که به کمک آن جداسازی گاز و مایع با کمترین هزینه‌ امکان‌پذیر خواهد شد. امروزه بیشتر غشاها از مواد پلیمری ساخته می‌شوند که در دمای بالا مشکلاتی را به وجود می‌آورند. در این نوع غشاها نمی‌توان توازن مناسبی را میان ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار کرد. استفاده از نانولوله‌های کربنی امکان انتخاب‌پذیری مناسب در ورودی‌های بالا را فراهم می‌کند. غشاهای جدید با حفره‌های کوچک‌تر و متراکم‌تر و همچنین امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره، از نظر گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای دیگر بسیار موثرتر هستند و کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند. از روش جداسازی غشایی، در شیرین‌سازی آب استفاده می‌شود. در این روش، آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشای دارای حفرات ریز موسوم به نانو حفره می‌ریزند. این حفره‌ها آنقدر کوچک هستند که فقط بخار می‌تواند از میان آنها عبور کند و آب، مایع، نمک‌ها و مواد معدنی دیگر در پشت غشا باقی می‌مانند. در طرف دیگر غشا، محفظه‌ای از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن دوباره به مایع تبدیل می‌شود.

تصفیه آب به کمک نانوذرات‌

نانوذرات لانتانیوم، فسفات را از محیط‌های آبی جذب می‌کند. کاربرد این نانوذرات در حوضچه‌ها و استخرهای شنا می‌تواند به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد جلبک‌ها جلوگیری کند. نانوپودرها نیز می‌توانند به عنوان مواد مناسبی برای پاکسازی خاک‌های آلوده و آب‌های زیرزمینی به کار روند؛ همچنین نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم شکستگی ترکیبات آلوده‌کننده می‌شود و آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین تبدیل می‌کند. آرسنیک از آلاینده‌های بسیار سمی است که به طور طبیعی یا پساب‌های انسانی سبب آلودگی آب می‌شود. مصرف این ماده سبب افزایش شیوع سرطان مثانه و روده می‌شود. آمار مسمومیت با آرسنیک در سطح جهان بسیار زیاد است و در بسیاری از کشورهای در حال توسعه که بیش از 10 تا 20 درصد جمعیت آنها به مسمومیت آرسنیک مبتلا شده‌اند، چنین اتفاقی یک فاجعه بهداشتی به شمار می‌آید. بیشتر آلایندگی‌‌های ناشی از آرسنیک در کشورهای جهان سوم گزارش شده است و به همین دلیل، این کشورها بشدت نیازمند فناوری‌های نوین هستند تا به کمک آن بتوان آلاینده‌های فلزی سنگین مانند آرسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد. در روش‌های جدید از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستم‌های تصفیه آب استفاده می‌شود. سطوح معدنی آهنی نه‌تنها تمایل شدیدی به جذب آرسنیک دارند، بلکه با انتخاب اندازه مناسب می‌توان براحتی این ذرات مغناطیسی را که به کمک روش‌های جداسازی مغناطیسی از آب جدا کرد. در حقیقت نانوذرات در جذب آرسنیک همانند توده آهنی عمل می‌کنند. در واقع نه‌تنها ظرفیت جذب آرسنیک در نانوذرات بالاتر است، بلکه به محض قرار گرفتن آرسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن از این ذرات بسختی انجام خواهدشد. با توجه به نتایج به دست آمده از بررسی‌ها و تحقیقات انجام شده در این زمینه می‌توان گفت نانوذرات مغناطیسی، جاذب‌های بسیار خوبی برای آلاینده‌ آرسنیک بویژه در آب‌های اسیدی هستند و خاصیت جذبی غیرقابل بازگشت این ذرات، مخزن مناسبی برای جمع‌آوری آلاینده‌ها فراهم می‌کند.

تصفیه فاضلاب‌

محققان به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران‌قیمت، کیفیت آب را در مقایسه با روش‌هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند، به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف موجودات زنده بسیار ریز است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضد عفونی کننده استفاده می‌شود، اما در این صورت حتی پس از تصفیه نیز ترکیبات ارگانیک زیادی در آب وجود خواهد داشت. کلر، موجودات زنده ریز را از آب حذف می‌کند، اما با آلاینده‌های ارگانیک واکنش می‌دهد و محصولات جانبی تجزیه‌ناپذیر و سمی تولید می‌کند که نمی‌توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیط زیست و استفاده از آنها در کشاورزی و صنایع دیگر می‌تواند مشکلات بهداشتی خطرناکی ایجاد کند.

تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزور نوری می‌تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضد عفونی با کلر شود تا موجودات زنده و ترکیبات آلی را به ‌طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز، ترکیبات ارگانیک بزرگ را به ذرات کوچک‌تری تبدیل می‌کنند، اما از آنجایی‌که این ترکیبات از نظر زیستی تجزیه ناپذیر‌ند برای تجزیه آنها باید از نوعی انرژی استفاده کنیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید تامین شده و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد. انرژی آزاد شده از واکنش سلول کاتالیزور نوری می‌تواند موجودات زنده ریز را از میان برده و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه کند. این فرآیند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری‌ از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. ذرات کاتالیزوری یا به صورت همگن در محلول پراکنده می‌شوند یا به صورت ساختارهای غشایی رسوب داده شده هستند که تجزیه شیمیایی آلاینده‌ها را امکان‌پذیر می‌کنند. با توجه به کاربردها و قابلیت‌های فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب، بسیاری از شرکت‌ها از این فناوری‌ در تصفیه آب و فاضلاب استفاده می‌کنند و به همین دلیل امروزه استفاده از محصولات و تولیدات برپایه فناوری نانو افزایش یافته است. این محصولات اغلب شامل نانو فیلتر‌ها و نانو حسگرهایی است که به منظور تشخیص مواد و ذرات موجود در آب مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تصفیه پساب‌های صنعتی

پساب‌های صنعتی صنایع شوینده، حاوی اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است که باید در فرآیندهای تصفیه از آب جدا شوند. یکی از دیگر موادی که در پساب‌های صنعتی یافت می‌شود، مواد نامحلول روغنی است. حضور این مواد، فرآیند تصفیه آب را با مشکل مواجه می‌کند. یکی از روش‌های اقتصادی برای تصفیه این مواد، استفاده از سیستم‌های ترکیبی حاوی میکروفیلترها و نانو فیلترهاست. در این سیستم برای حذف ذرات معلق مانند روغن‌ها و گریس‌ها از میکروفیلترها و برای حذف پاک‌کننده‌ها از نانو فیلترها استفاده می‌شود.