کِم سِنتر

گاه نوشت های یک دبیر

کِم سِنتر

گاه نوشت های یک دبیر

کاربرد فناوری نانو در تصفیه‌ آب

1-مقدمه

نوشتن در مورد آب و اهمیت آن هرچند تکرار بدیهات به نظر می‌رسد، اما همواره از موضوعات قابل‌توجه بوده است. البته قرار هم نیست در این مقاله از این موضوع نوشته شود، بلکه از کاربرد فناوری نانو و اثربخشی آن در صنعت تصفیه‌ی آب خواهیم گفت. اما پیش از آن لازم است اندکی درباره‌ی چگونگی تصفیه‌ی این «مایع حیاتی» بدانیم.

از نظر شیوه‌ی تصفیه‌، آب معمولاً به دو دسته‌ی: آب صنعتی و آب شُرب تقسیم‌بندی می‌شود. تصفیه‌ی آب صنعتی بسیار مشکل‌تر از آب شُرب می‌باشد، در آب صنعتی لازم است سختی آب به صفر برسد و عاری از اکسیژن باشد؛ چرا که این هر دو، موجب خوردندگی در مصارف صنعتی خواهند شد. در صورتی‌که، آب شُرب با سختی ppm500 نیز قابل‌مصرف بوده و وجود اکسیژن در آن سبب گوارایی آب خواهد شد. در این مقاله، توجه ما به آب شُرب و تصفیه‌ی آن خواهد بود.

آب طبیعی به غیر از H2O شامل چه ترکیبات دیگری می‌باشد؟ ناخالصی‌های آب عموماً به چهار دسته تقسیم‌بندی می‌شود:

1) محلول‌ها (شامل کاتیون‌ها و آنیون‌های محلول در آب)

2) غیرمحلول‌ها (مانند کلوئیدها و ذرات معلق در آب)

3) گازها (مانند اکسیژن، دی‌اکسیدکربن و...)

4) مواد آلی و عوامل بیماری‌زا

در هنگام تصفیه‌ی آب شُرب، تلاش می‌شود تا میزان هریک از ناخالصی‌های مذکور به حد متعادل برسد و برای حذف یا کاهش این ناخلصی‌ها روش‌های ویژه‌ای وجود دارد. در ادامه به بررسی مرحله‌ای فرایند تصفیه‌ی آب شُرب و تأثیر فناوری نانو بر آن می‌پردازیم.

2- تصفیه‌ی آب

مراحل تصفیه‌ی آب شُرب به طور خلاصه شامل موارد زیر می‌باشد:

1-2 آشغال‌گیری

در ابتدا اجسام بزرگ، سنگریزه‌ها، گل و لای و هرچه که سبب آسیب به دستگاه‌های تصفیه‌خانه می‌شود، توسط توری‌های مخصوص، از آب جدا می‌شود. این مرحله گاهی در بدو ورود به تصفیه‌خانه، و در بیش‌تر موارد قبل از ورود به خط لوله (لوله‌های انتقال از منبع به تصفیه‌خانه) صورت می‌گیرد. زیرا این مواد ممکن است سبب گرفتگی لوله‌ها شوند.

2-2- هوادهی

در این مرحله گازهای محلول در آب را خارج کرده و میزان اکسیژن آن را می‌افزایند. معمولاً طراحی تصفیه‌خانه‌ها به گونه‌ای است که آب در مسیر، دچار اُفت و خیز شده (مسیر شیب‌دار) و هوادهی ضمن عبور از همین مسیر صورت گیرد.

3-2- زلال‌سازی (انعقاد و ته‌نشینی ذرات کلوئیدی)

یکی از مهم‌ترین قسمت‌های تصفیه‌خانه همین عملیات انعقادسازی (coagulation) می‌باشد.

معمولاً در حوضچه‌های تصفیه‌خانه و با کم کردن سرعت آب، مقداری از مواد، توسط نیروی ثقل ته‌نشین می‌شوند. با این‌همه اما، آب هنوز زلال و شفاف نیست. علت این کدری، ذرات کلوئیدی معلق در آب است که به دلیل داشتن بارهای هم‌نام، قادر به تجمع و ته‌نشین شدن نیستند. به همین منظور، در این مرحله، از منعقدکننده‌ها استفاده می‌شود. منعقدکننده‌ها؛ موادی با بار مخالفِ ذرات کلوئیدی می‌باشند که با جذب این ذرات، به تجمع و رسوب‌شان کمک می‌کنند.

منعقد کننده‌ها مواد معدنی‌ای هستند که بار الکتریکی بالایی دارند. مانند: آلومینیوم سولفات (آلوم)، ترکیبات آهن و...

در این‌جا: http://techalive.mtu.edu/meec/module03/Coagulation2.html

می‌توانید تصویری از عملیات منعقدسازی را توسط ذرات آلوم مشاهده نمایید.

4-2- فیلتراسیون

در این مرحله، آب از میان فیلترهای شنی عبور کرده و ذرات کوچک، ذرات تجمع‌یافته از کلوئیدها و میکروارگانیسم‌ها از آب خارج می‌شوند.

5-2- کاهش سختی آب

آب سخت به آبی گفته می‌شود که حاوی کاتیون‌های دوظرفیتی است. مهم‌ترین کاتیون‌های دوظرفیتی آب‌ها عبارتند از: Ca+2، Mg+2، Fe+2 و Mn+2 که در بین این مجموعه، کلسیم و منیزیم به دلیل غلظت بالا، بیش از سایر کاتیون‌ها اهمیت دارند. بنابراین، مجموع املاح Ca+2 و Mg+2 موجود در آب، سختی آب‌ها را تشکیل می‌دهند.

روش‌های کاهش سختی آب عبارتند از:

• روش لایم- سودا (استفاده از آهک و سودا)

در این روش با افزودن آهک و سود،‌ یون بی‌کربنات (HCO3-) را که عامل اصلی سختی آب است، به صورت کربنات کلسیم (CaCO3) رسوب می‌دهند.

• استفاده از رزین‌های مبادله کننده‌ی یون

از مهم‌ترین روش‌های کاهش سختی آب، استفاده از مواد جامدی‌‌ست که توانایی جایگزین کردن یون‌هایی دیگر را در ساختارشان دارند. این مواد به دو دسته‌ی رزین‌ها و زئولیت‌ها تقسیم‌بندی می‌شوند.

رزین‌ها مواد پلیمری هستند که می‌توانند یکی از یون‌های ساختارشان را با یون‌های موجود در محلول جایگزین و تعویض نمایند. به طور مثال، رزین کاتیونی به فرم سدیم، چنانچه در مجاورت آب سخت قرار بگیرد، یون‌های سدیم با یون‌های کلسیم جایگزین می‌شود.

زئولیت‌ها مواد متخلخلی با پایه‌ی آلومینیوم سیلیکات می‌باشند که به آن‌ها یون‌هایی مانند سدیم متصل است و قابلیت تعویض شدن با دیگر یون‌ها را داراست.

• اسمز معکوس

در فرایند اسمز معکوس، غشایی از جنس استات سلولز به کار می‌رود، که فقط نسبت به آب تراوایی دارد (شکل 1) و سبب عبور آب از غشا شده و مابقی اجزاء را پشت غشا نگه می‌دارد. اساس کار تمامی دستگاه‌های آب‌شیرین‌کُن فرایند اسمز معکوس می‌باشد.

• الکترودیالیز

اساس این روش،‌ همان روش دیالیز بیماران کلیوی‌ست که روشی گران‌قیمت می‌باشد. در این روش‌ از غشاهای متناوب کاتد- آند استفاده می‌شود که سبب یونیزاسیون آب می‌گردد.

6-2 گَندزُدایی

به حذف میکروب‌ها، ویروس‌ها، عوامل بیماری‌زا و انواع آلاینده‌های از آب، گندزدایی گفته می‌شود. انواع آلاینده‌ها شامل مواد آلی (کلروبنزن‌ها، تری‌هالو‌متان‌ها و..) ، فلزات سنگین (سرب، کادمیم و مس) و یون‌های غیرفلزی می‌باشد.

روش‌های مختلف گندزدایی عبارتند از:

• روش‌های شیمیایی شامل:

1) جذب سطحی توسط کربن فعال (فیلتراسیون توسط کربن فعال)

2) کلردارکردن

3) اشعه‌ی ماوراء بنفش (UV)

سهل‌ترین و پرکاربردترین این روش‌ها کُلرزنی است. چرا که ماده شیمیایی کُلر ارزان و قوی بوده و به هر سه صورت جامد،‌ مایع و گاز در دسترس می‌باشد.

• روش‌های بیولوژیکی شامل:

1) اکسیداسیون

2) باکتری‌های تجزیه‌کننده

• روش‌های مکانیکی شامل:

1) ته‌نشینی

2) فیلتراسیون شنی یا مواد مشابه

- کاربردهای نانو در تصفیه‌ آب

3-1- استفاده از نانولوله‌های کربنی در فیلتراسیون

همان‌طور که در مقاله‌ی قبل ذکر شد، فرایند جذب سطحی از جمله روش‌های حذف آلاینده‌ها می‌باشد. هم‌اکنون از کربن فعال به عنوان جاذب استفاده می‌شود. اما نانولوله‌های کربنی به دلیل ساختار منظم و مساحت سطح بالاتر می‌توانند جایگزین مناسبی برای کربن فعال باشند. از طرفی، در فیلتراسیون به وسیله‌ی کربن فعال، نیاز به تولید گاز ازن می‌باشد که مستلزم صرف هزینه‌های زیادی است. ضمن این‌که از نظر زیست‌محیطی تولید این گاز توصیه نمی‌شود. بنابراین، استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان فیلتر آلاینده‌ها، از جایگاه ویژه‌ای در تصفیه‌ی آب برخوردار است.

به طور کلی، آلاینده‌هایی که تاکنون از طریق جذب سطحی بر روی نانولوله‌های کربنی از آب حذف شده‌اند، شامل مواد آلی، یون‌های فلزات سنگین نظیر Pb+2، Cu+2، Cd+2 و F- و یون‌های غیرفلزی بوده‌اند.

نانولوله‌های کربنی به دلیل سطح زیاد و ساختار منظم، راندمان جذب بیش‌تری نسبت به جاذب‌های دیگر دارند. اما تولید و خالص‌سازی مشکل نانولوله‌ها و قیمت بالای این مواد نسبت به دیگر جاذب‌ها، از محدودیت‌های استفاده از نانولوله‌های کربنی در تصفیه آب می‌باشد.

3-2- استفاده از نانوذرات برای زدودن باکتری‌ها

از آن‌جایی که در فرایند کلردار کردن، محصولات جانبی سمی و خطرناکی مانند تری‌هالو‌متان‌ها تشکیل می‌شود، به‌کارگیری فناوری نانو برای برطرف کردن مشکلات محیط زیست و سلامت ضرورت می‌یابد. هم‌اکنون ادعا می‌شود که نانوذرات و نانولوله‌های کربنی پتانسیل بالایی را برای زدودن باکتری‌ها و عوامل بیماری‌زا دارا می‌باشند. محتمل‌ترین نانومواد آنتی‌باکتریال که ممکن است در گندزدایی آب استفاده شوند، نانوذرات فلزی و اکسیدهای فلزی مانند نقره و اکسید تیتانیوم خواهند بود.

نانوذرات آهن

از دیگر روش‌های تصفیه آب توسط نانوذرات،‌ تزریق نانوذارت آهن به آب‌های آلوده است. در این روش، پس از تزریق، نانوذرات آهن با اکسیژن موجود در آب واکنش داده و زنگ آهن تولید می‌نماید؛ آلاینده‌ها در تماس با زنگ آهن خنثی می‌شوند. این روش بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر از روش‌های کنونی‌ست و آب‌های زیرزمینی را پیش از هرگونه عملیات تصفیه‌، به سطح زمین پمپاژ می‌کند.

3-3- تصفیه آب با انرژی آفتابی

تصفیه آب شور و تبدیل آن به آب شیرین، شامل تبخیر آب برای جدا کردن نمک از آن است. اگر بتوانیم با استفاده از پیل‌های آفتابی ساخته شده با فناوری نانو، برق ارزان‌تری تولید کنیم، می‌توانیم از الکتریسیته حاصل برای تبدیل آب شور به آب شیرین، و یا آب آبیاری زمین‌های کشاورزی در بیابان‌ها استفاده کنیم.