فناوری نانو و محیط زیست

محیط زیست آلوده همگان را بر این اندیشه وا می دارد که چطور می توان محیطی سالم تر فراهم کرد. راه های فراوانی که امکان پذیر است به مانند سلامت انسان برای طبیعت نیز به سه شکل است. پیشگیری، مراقبت و درمان. با تغییر در صنایع به کمک فناوری نانو می توان موادی ساخت که در بستر طبیعت قابل هضم بوده و یا دوباره می توان آن ها را به کالای دیگری تبدیل کرد.
گازهای سمی با توسعه پیل های سوختی حذف می شوند و انرژی های تجدید پذیر جای انرژی های فسیلی را خواهند گرفت. چنانچه مراقبت ها از محیط با دقت انجام شود، قبل از وقوع یک خطر بزرگ اقدامات سنجیده برای مقابله با آن صورت می گیرد و در نهایت اگر خطر از حد معمول گذشت می توان از راه کارهای فناوری نانو استفاده کرد و آسیب های محیطی را کاهش داد.

در آینده انرژی های جدیدی به کمک فناوری نانو موثر تر خواهند بود. برای مثال، سلول های خورشیدی، باد، موج دریا و انرژی زمین گرمایی ممکن است با استفاده از مواد پیشرفته با بازده بیشتر انرژی تولید کنند. با پیشرفت در باتری ها و پیل های سوختی هیدروژنی انرژی با  بازده بیشتری هم مصرف می شود. نانوحسگرها اجازه خواهند داد تا اثر فعالیت های بشر بر محیط زیست خیلی سریع قابل شناسایی و پیگرد باشد و به جای آن که وقت را تلف کنیم، فوراً اقدامات لازم را صورت دهیم. فناوری نانو همچنین در پالایش آلودگی های موجود و استفاده صحیح از منابعی که در اختیار ماست به ما کمک می کند.

کاربرد نانوحسگرها در محیط زیست

نانوحسگر وسیله ای است بسیار ریز که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

انواع نانوحسگرها

نانوحسگرها دو دسته‌اند:

موادّ نانوساختاری: مانند سیلیکونِ متخلخل، نانوحسگرهای ساخته‌شده از این مواد به منظور شناساییِ واکنش‌های شیمیایی و زیستی به کار گرفته می‌شوند.

نانوذرات: مانند موادّ کرویِ نانومقیاس که به عنوان گیرنده‌های نوری ـ زیستی،‌ نوری ـ شیمیایی و حسگرهای تصویریِ فضایی کاربرد دارند.ذرات نانوسیلیکون که به  عنوان حسگرهای زیستی استفاده می شوند.

آلودگی هوا

 یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت موثری در زمینه کنترل آلودگی هوا صورت گرفت. با اختراع اولین نمونه های غبار هوشمند، تولید اینگونه حسگرها به مرحله کاربرد علمی نزدیک شد. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیار سبک است. این نانوحسگرها به راحتی ساعت ها در هوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند از طریق بی سیم موجود در خود، اطلاعات جمع آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات در نمونه های اولیه حدود یک کیلوبایت در ثانیه است.

نانو حسگر گازی

 نشت گازهای مهلک یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متاسفانه هشداردهنده های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسایی اینگونه گازهای نشتی می شوند. این نوع حسگرها از نانوتیوب های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده اند و می توانند مولکول های گازهای سمی را جذب کنند. آنها همچنین قادر به شناسایی تعداد معدودی از مولکول های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی اند که این حسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلاینده های هوا و حتی مولکول های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

کنترل آلاینده های زیست محیطی

براساس نظر همگان روشن شده است که مردم، تأثیر بسزایی برای محیط زیست دارند. برای کنترل این اثر، نیاز است آثار فعالیت انسانی بر محیط و چگونگی تغییر آن بر حسب زمان بررسی شود تا موثرترین تصمیمات اتخاذ گردد. در حال حاضر سیستم هایی برای نمایش آلودگی وجود دارد، اما این سیستم ها معمولا اطلاعات کلی می دهند و چیز زیادی در مورد تحولات جدید و حجم آلودگی در زمان تغییر آن به دست نمی آید. برای کنترل دقیق آلاینده ها ابتدا باید به سراغ منابع آنها برویم، لذا شناسایی منشاء آلودگی بسیار مهم است.

 به کمک فناوری نانو تغییرات آلودگی به صورت موضعی قابل بررسی خواهد بود. معمولا وقتی متوجه می شویم چه ضرری به محیط زده ایم که خیلی دیر شده است. فناوری نانو بر اساس تحلیل نقطه ای و حسگرهای پیشرفته ابزاری برای دستیابی به داده های سریعتر فراهم می کند.

 لایه های نازک از مواد نیمه رسانای نانو ساختار مثل اکسید قلع در حسگرهای کوچکی به اندازه یک سکه  قرار داده شده اند. این حسگرها در سطوح بالاتر از مقدار استاندارد آلاینده های هوا مثل مونواکسیدکربن و اکسیدهای نیتروژنی آنها را می گیرند و وقتی سطح آلودگی کاهش پیدا کرد، مجدداً آنها را رها می سازند و این کار بارها قابل تکرار است. این اتصال به موقع به صورت الکتریکی تشخیص داده می شود و این اطلاعات می توانند مستقیماً به کامپیوتر مرکزی برای تحلیل فرستاده شود. ممکن است در آینده امکان نصب این نوع حسگرها به دستگاه های سیار مثل موبایل و ماشین برای فراهم کردن جزییات بیشتر ایجاد شود.

به دام انداختن آلاینده ها

زندگی انسان مولد آلودگی می تواند ناشی از سوختن در موتور خودروها، کارخانجات شیمیایی، کودهای شیمیایی خاک یا هر عامل بشری دیگری باشد، با این حال آلاینده های طبیعی زیادی نیز مثل میکروب ها وجود دارند. بسیاری از فناوری های موجود نتوانسته اند خود را با این مساله وفق دهند. با این وجود نانومواد جدیدی ساخته شده است که مثل آهنربا، می تواند آلاینده ها را به دام انداخته و از محیط تخلیه کند. کار این نانوذرات مثل این است که برای جذب آب از یک اسفنج استفاده کنید.

آرسنیک در آب های زیرزمینی در بسیاری از کشورها از جمله بنگلادش به سطحی بالاتر از حدود تعیین  شده توسط سازمان بهداشت جهانی رسیده است.

هیچ روشی وجود ندارد که بتواند سطح آلودگی را تا زیر مرز استاندارد کاهش دهد. اخیراً سیستم پیشرفته ای طراحی شده که در آن با استفاده از نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن، آرسنیک موجود در آب را تا 99% به دام انداخته و سپس آن ها را با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج می کنند.

گزارش سریع از وضعیت آلاینده ها

فناوری موجود از ایستگاه های بازرسی بزرگ و ثابت استفاده می کند. حتی در مناطق بسیار آلوده مثل شهرها، این ایستگاه ها معمولاً بیش از یک کیلومتر از هم فاصله دارند. این در حالی است که آلودگی می تواند به شدت در یک نقطه مثل محل ترافیک و کارخانجات صنعتی متمرکز شود. بنابر این تعیین موضع آن اهمیت دارد.

نانوذرات 

ذرات نانو در همه سوی ما در طبیعت وجود دارند: از نانو ذرات معدنی در آب گرفته تا نانو ذرات معلق در هوا که از طریق آتش و احتراق به دست می آیند. با این همه منشاء خیلی از آن ها بشری است.

حدود 60% از ذرات نانو در محیط به علت حمل و نقل جاده ای است و 27% دیگر ناشی از سایر فرآینده های احتراقی (مثل فعالیت نیروگاه ها) می باشد. ذرات نانویی معلق در هوا بیشترین تأثیر را روی سلامت انسان دارند. مشخص شده است که افزایش میزان ذرات بسیار ریز در هوا که قطر کمتر از 10 میکرومتر دارند (یادآور می شویم که هر میکرومتر معادل 1000 نانومتر است)، می تواند به افزایش بیماری های قلبی و تنفس نسبت داده شود و شواهد روبه رشد حاکی از آن است که نانو ذرات در این محدوده می توانند به شش ها نفوذ کنند و التهاب ایجاد کنند و می توانند در سایر اندام های بدن بخش شوند.

برای کنترل نانوذرات به دو چیز احتیاج داریم: کاهش یا جلوگیری از آزاد شدن نانو ذرات حاصل از احتراق و شناسایی دقیق آلاینده های محیط زیست کاهش نانوذرات می تواند با بهره گیری از فیلترهایی با منافذ نانومتری برای فرآیندهای احتراق دست یافتنی باشد. برای مثال ذرات نانومتری اکسید سریوم راندمان موتورهای دیزلی را افزایش و مقدار آلودگی ها را کاهش می دهند. شناسایی آلاینده ها نیز با شماری از روش های تحلیلی که قبلاً وجود داشته و هنوز هم به کار می روند و دانشمندان نانو در حال توسعه بیشتر آنها هستند، قابل حصول است. این روش های اندازه ذرات، شکل و واکنش پذیری شیمیایی آن ها(تمام جنبه هایی که فعالیت نانوذرات را نشان می دهد) را می سنجند.

نانوفیلترها

آب محور اصلی زندگی تمام موجودات است. اما در اثر دخالت انسان در محیط زیست، آلودگی های بشری وارد آب های آزاد شده و بشر مجبور است جهت استفاده از این منابع از خلوص آن ها مطمئن گردد. افزایش بازدهی سیسستم های تصفیه آب به کارگیری ابزاری که به سرعت آب یا هوای آلوده را به آب خالص تبدیل کند، مهم ترین موضوعات روز فناوری نانو هستند. می توان گفت یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرایند نانوفیلتراسیون معمولا مولکول های بزرگ را دفع می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرایند قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفت کش ها، آلاینده هایی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرایند نانوفیلتراسیون از هیچ ماده شیمیایی برای سختی گیری آب استفاده نمی شود، بنابراین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیایی معمول است.

نانوفیلترهایی که جهت تصفیه آب یا هوا استفاده می شوند، می توانند علاوه بر جدا سازی مواد باکتریایی و ویروسی، آنها را در پشت دیواره فیلتری کاملاً نابود کنند. از چنین قابلیتی درنانو فیلترهای هوا نیز استفاده شده است که دقیقاً همین کار را انجام می دهند. این فیلترها از انرژی سطحی بالای نانوذراتی مانند روی و نقره که روی فیلتر پوشش داده شده اند، استفاده کرده و با برخورد هر ساختار زنده آن را از بین می برند. یکی از مهم ترین ابزار پیشگیری از بیماری ها، غیر از فراهم کردن سطوح ضدعفونی شده دوری از قرار گرفتن در معرض میکروب های بیماری زا است. این امر می تواند به صورت تصفیه هوا با مایعاتی باشد که بیمار در طول دوره درمان در معرض آن ها قرار می گیرد. خیلی از ویروس ها به خاطر این  که کوچک تر از منافذ فیلترها هستند، می توانند از فیلترها عبور کنند. در نتیجه این فیلترها بدون استفاده خواهند ماند. نانوفیلترها که منافذی با ابعاد نانویی دارند ، کوچک ترین ویروس ها را هم از خود عبور نمی دهد. به کار بردن مواد فعالی مثل نانوذرات نقره یا دی اکسید تیتانیوم و منابع نور ماوراء بنفش می تواند این اثر را با از بین بردن ویروس ها، باکترهای ها و قارچ های به دام افتاده افزایش دهد. این قبیل سیستم ها قبلاً در مبارزه علیه سارس، جهت جلوگیری از انتشار ویروس از بیماران مبتلا به پرسنل پزشکی به کار گرفته شده اند. هر چه ابعاد حفرات فیلتر کوچک تر و تخلخل آن بیشتر باشد فیلتر توانایی بیشتری در جداسازی ذرات خواهد داشت. 

برخی از کاربردهای فرآیند نانوفیلتراسیون در به‌سازی محیط زیست می‌توان اشاره کرد:

* تصفیه‌ی پساب‌ رختشوی‌خانه‌ها

* تصفیه‌ی پساب‌های اسیدی واحدهای صنعتی

* رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

* تصفیه‌ی پساب‌ واحد تولید روغن زیتون

* تصفیه‌ی آب پنیر

* جداسازی روغن از آب

* خالص‌سازی الکل‌های سبک

* رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

انسان‌ها برای سلامتی خود احتیاج به آشامیدن آب سالم دارند. آب سالم آبی است که نه بو داشته باشد و نه مزه و باید زلال هم باشد.رنگ موجود در آب آشامیدنی نه‌تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشأ تولید تری ‌هالو متان ( مانند CHCl3) نیز باشند، خطرناک محسوب می‌شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنة مضر و سرطان‌زا می‌شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور در اثر تجزیة مواد آلیِ موجود در آب حاصل می‌شوند. اغلب روش‌های متداول برای تصفیة آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می‌توان تا 99 درصد این‌گونه مواد را به‌سهولت از آب جدا کرد‌.

خالص‌سازی الکل‌های سبک با استفاده از نانوفیلترها

الکل‌‌هایی مانند اتانول و متانول به عنوان حلال یا مادة پاک‌کننده به‌وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‌های مختلف را به خود جذب می‌کنند. با توجه به اینکه دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیان‌باری بر محیط زیست دارد، باید برای استفادة مجدد تصفیه شوند. روش‌های متداول از قبیل تقطیر، ضمن آلوده کردن محیط زیست، انرژی زیادی را تلف می‌کنند. استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت از محیط زیست و صرفه‌جویی در مصرف انرژی است.

مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان