آلودگی صنعتی، همراه با پساب های خانگی، رواناب های کشاورزی و شهری، رودخانه ها را آلوده کرده و تصفیه آب را برای حذف همه آلاینده ها دشوار می کند. این آلودگی می تواند بر کیفیت رودخانه ها، کیفیت زندگی آبزیان تأثیر بگذارد و از طریق مصرف آب بر سلامت انسان نیز تأثیر بگذارد. به منظور بهبود کیفیت آب، نانوتکنولوژی به عنوان جایگزینی برای حذف بهتر آلاینده ها مانند فلزات سنگین، جداسازی آب روغنی و فعالیت ضد میکروبی مورد مطالعه قرار گرفته است. علاوه بر این، با افزایش صنعتی شدن همراه با آلودگی رودخانه ها، آب دریا می تواند جایگزین جالبی برای منبع آب آشامیدنی پس از تصفیه کافی باشد. نانومواد به عنوان امکانی برای حذف نمک از آب دریا مورد مطالعه قرار می گیرند و نوشیدن آن را ممکن می کند. با این حال، نیاز به روشن شدن خطرات بالقوه که این نانومواد می تواند برای محیط زیست ایجاد کند، وجود دارد. بنابراین، هدف از این بررسی، توصیف کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب در خصوص فلزات، حذف روغن از آب، فعالیت ضد میکروبی و نمک‌زدایی به منظور بهبود کیفیت آب و همچنین بحث در مورد خطر بالقوه آنها برای محیط زیست است.
در نتیجه صنعتی شدن جهان امروز، رودخانه ها از طریق تخلیه مواد شیمیایی خطرناک از جمله فلزات سنگین به محیط زیست آلوده شده اند. همراه با آلودگی صنعتی، پساب‌های خانگی، رواناب‌های کشاورزی و شهری نیز نگرانی مضاعفی برای کیفیت رودخانه‌ها هستند. این آلودگی ممکن است منجر به تجمع زیستی فلزات در آب و جانوران آبزی شود, که تهدیدی برای سلامت انسان و حیوانات میباشد. آلاینده‌های آب مانند یون‌های فلزات سنگین و رنگ‌ها برای موجودات زنده بسیار مضر هستند و می‌توانند اکوسیستم را تحت تأثیر قرار دهند. روش های معمولی تصفیه آب برای حذف بسیاری از آلاینده‌های موجود در آن بسیار کارآمد نیستند. بر اساس این مشکل، نانوتکنولوژی می تواند تصفیه آب را به دلیل اندازه نانو مواد، که سطح آن بزرگتر است، بهبود بخشد. واکنش پذیری بالا؛ سینتیک سریع؛ و همچنین قیمت تمام شده نانومواد از مزیت های مهم استفاده از این مواد است.
تخمین زده می شود که تقریباً 663 میلیون نفر عمدتاً در کشورهای در حال توسعه به آب آشامیدنی دسترسی ندارند. بنابراین، در شرایطی که گاهی اوقات تصفیه آب وجود ندارد، نیاز به تامین آب اولیه برای این افراد ضروری است. حذف آلاینده ها از آب های آلوده برای جلوگیری از آسیب به سلامت انسان و محیط زیست ضروری است. بر اساس مشکلات ذکر شده در بالا، مقاله حاضر با هدف استفاده از نانومواد برای بهبود کیفیت آب در خصوص حذف فلزات و روغن، ظرفیت نمک‌زدایی و فعالیت ضد میکروبی و همچنین بحث در مورد خطرات بالقوه‌ای که این نانومواد می‌توانند برای محیط زیست ایجاد کنند، انجام شده است تا به این ترتیب کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب و فاضلاب را بیشتر بررسی کنیم.
کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب و آب
نانو تکنولوژی شامل نانو موادی است که حداقل یک جزء با یک بعد کمتر از 100 نانومتر دارند. نانوتکنولوژی در سال 1959 با سخنرانی فیزیکدان ریچارد فاینمن در اجلاس سالانه انجمن فیزیک آمریکا با عنوان “جای زیادی در پایین وجود دارد” آغاز شد. کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب و آب آشامیدنی مورد مطالعه قرار گرفته و به عنوان یکی از پیشرفته ترین فرآیندها در این زمینه نام برده شده است. بر اساس نانومواد، تصفیه آب را می توان به سه گروه اصلی نانو جاذب، نانو کاتالیزور و نانو غشاء تقسیم کرد.
برای تصفیه فاضلاب به صفحه پکیج تصفیه فاضلاب شرکت پاک پساب اقلیم حتما سر بزنید.
1. نانو جاذب ها در تصفیه اب و فاضلاب
نانو جاذب‌ها نانوذراتی هستند که از مواد آلی یا معدنی با میل ترکیبی بالا برای جذب مواد تشکیل شده‌اند، به عبارت دیگر، قابلیت حذف بسیاری از آلاینده‌ها را دارند. این نانوذرات برای حذف انواع مختلف آلاینده ها توسعه یافته و مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع مواد دارای ویژگی های مهمی مانند پتانسیل کاتالیزوری، اندازه کوچک، واکنش پذیری بالا و انرژی سطحی بزرگ هستند. آنها را می توان بر اساس فرآیند جذب آنها طبقه بندی کرد که شامل نانوذرات فلزی، اکسیدهای مخلوط نانوساختار، نانوذرات مغناطیسی و نانوذرات اکسید فلزی است .
2. نانو کاتالیزورها در تصفیه اب و فاضلاب
نانو کاتالیزورها بر اساس برهمکنش انرژی نور با نانوذرات فلزی هستند. این نوع تصفیه به دلیل فعالیت های فتوکاتالیستی زیاد و گسترده مورد توجه قرار گرفته است. فعالیت های فوتوکاتالیست بر اساس تخریب باکتری ها و مواد آلی توسط واکنش با رادیکال های هیدروکسیل است. مواد مورد استفاده در نانو کاتالیزورها معمولاً مواد معدنی مانند نیمه هادی ها و اکسیدهای فلزی هستند. با این حال، برای در نظر گرفتن نانو فوتوکاتالیستی، باید برخی از الزامات را رعایت کنند.
برای آموزش قدم به قدم تصفیه فاضلاب مقاله مراحل تصفیه فاضلاب را حتما مطالعه کنید.
3. نانو غشاها در تصفیه اب و فاضلاب
نانو غشاها وظیفه جداسازی ذرات از فاضلاب را بر عهده دارند. آنها می توانند در حذف رنگ ها، فلزات سنگین و سایر آلاینده ها بسیار کارآمد باشند .نانومواد مورد استفاده به عنوان غشا نانو لوله ها، نانوروبان ها و نانوالیاف هستند.
گاهی اوقات تصفیه معمولی آب نمی تواند در حذف برخی از آلاینده ها مانند فلزات و میکروارگانیسم ها بسیار مؤثر باشد. مشکل دیگر تشکیل محصولات جانبی ضد عفونی (DPBs) است که برای سلامت انسان خطرناک است.
فلزات سنگین و همچنین برخی از آنیون ها سمیت بالایی دارند و این خاصیت می تواند باعث آسیب واقعی به انسان و اکوسیستم شود بر این اساس، محققان کارآیی نانو فروسیال مغناطیسی را که به عنوان یک منعقدکننده در آب عمل می کند، به عنوان جاذب احتمالی فلزات سنگین مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد که با افزایش pH از 4 به 8، راندمان حذف فلز به تقریبا 100 درصد افزایش یافت، این فلزات سنگین Fe2+، Pb2+، Zn2+ و Cu2+ بودند. سایر فلزات مورد تجزیه و تحلیل (Ni2+، Mn2+، Co2+، Cd2+) نیز افزایشی در راندمان حذف فلز داشتند، اما آنها کمتر از 90% باقی می مانند.
فیلتراسیون، انعقاد، اصلاح بیولوژیکی یا الکتروشیمیایی و جذب در میان این فرآیندها، جذب در طراحی و بهره برداری انعطاف پذیرتر است و می تواند آب تصفیه شده با کیفیت بالا تولید کند. اکسیدهای فلزی در ابعاد نانو جاذب های مهمی هستند که شامل اکسیدهای آهن، اکسیدهای منگنز، اکسیدهای آلومینیوم و اکسیدهای تیتانیوم است. اندازه و شکل این مواد فاکتورهای مهمی برای عملکرد جذب هستند. استفاده از نانومواد اکسیدهای آهن در تصفیه آب می تواند از دو کاربرد متفاوت رخ دهد: (1) استفاده از نانومواد آهن به عنوان نوعی نانوجاذب و (ب) استفاده به عنوان فوتوکاتالیست، تبدیل آلاینده ها به مواد سمی کمتر.
مواد مبتنی بر کربن به عنوان جاذب مورد استفاده قرار می گیرند، آنها یک نمونه نانولوله های کربنی (CNT) هستند و نسبت سطح به حجم و توزیع اندازه منافذ بالایی دارند. با این ویژگی ها، CNT قابلیت جذب مهمی را در مقایسه با کربن فعال دانه ای یا پودری ارائه می دهد. یکی دیگر از مواد مبتنی بر کربن گرافن است، آنها به دلیل منطقه خاص بزرگ و محیط غنی از الکترون، جاذب های کارآمدی در نظر گرفته می شوند. اکسید گرافن همچنین نشان داد که ظرفیت جاذب بالایی به دلیل گروه های عملکردی قوی خود دارد.
مقاله پیشنهادی: تصفیه فاضلاب به روش MBR
حوادث نشت نفت از منابع طبیعی یا دفع از صنایع رخ میدهد و در نتیجه اکوسیستم را تحت تاثیر قرار می دهد. همراه با صنایع، پساب‌های خانگی نیز می‌توانند حاوی نفت باشند و تولید آنها به سرعت در حال افزایش است. روش‌های مختلفی برای جداسازی روغن از آب آلوده به نفت اعمال می‌شود، با این وجود گران هستند و گاهی اوقات بسیار مؤثر نیستند. فناوری‌های جدید برای این منظور مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و نانوتکنولوژی تا کنون مقرون به صرفه‌تر بوده است.
برخی از خواص نانومواد می توانند در جداسازی موثر نفت از آب استفاده شوند، که شامل راندمان جداسازی بالا، قابلیت بازیافت خوب، سازگاری با محیط زیست و ساخت آسان هستند. برخی از محققان ساختارهایی با نانومواد برای جداسازی نفت از آب توسعه دادند. در یکی از این تحقیقات، از نانو سیلیس آبگریز برای حذف بنزین و گازوئیل از آب استفاده شد. نتایج آنها نشان داد که این ماده در مقایسه با جاذب‌های آلی یا معدنی موجود، در حذف این روغن‌ها مؤثرتر بود.
محققان دیگر اسفنجی را طراحی کردند که قادر به حذف روغن از آب بود. آنها از نانوذرات نقره پوشیده شده روی سطح یک اسفنج متخلخل استفاده کردند. نتایج نشان داد که این اسفنج خاصیت فوق آب گریزی و خود تمیز شوندگی دارد و می توان از اسفنج چندین بار استفاده مجدد کرد. با این حال، از بسیاری از حلال‌ها و روغن‌های آلی آزمایش‌شده، ظرفیت جذب اسفنج به چگالی، ویسکوزیته و کشش سطحی مواد بستگی دارد که منجر به ظرفیت جذب حجم‌های مختلف می‌شود.
مقاله پیشنهادی: تصفیه فاضلاب به روش SBR
رشد جمعیت و شهرنشینی در نهایت نیاز به تامین آب شیرین قابل دسترسی جدید خواهد داشت، و نمک‌زدایی به عنوان منبع مهم آب آشامیدنی مورد مطالعه قرار می‌گیرد، زمانی که آب دریا منبع عظیمی از آب باشد نمک زدایی با استخراج اجزای معدنی از منابع مختلف آب مانند آب دریا، آب شور و آب تصفیه شده مشخص می شود. برخی از روش‌های مرسوم برای حذف نمک از آب عبارتند از، فرآیندهایی همچون رسوب، اکسیداسیون، کاهش، تبادل یونی، فیلتراسیون غشایی و جذب سطحی.
تصفیه معمولی آب در حذف نمک از آب چندان مؤثر نیست، با این حال، برخی از روش‌ها مانند غشاهای اسمز معکوس به فشار بالا نیاز دارند و منجر به مقادیر قابل توجهی زباله‌های مایع می‌شوند. بنابراین، استفاده از نانوموادی که به فشار کمتر و همچنین مصرف انرژی کم و دفع نمک زیاد نیاز دارند به عنوان یک مسیر مناسب برای نمک‌زدایی غشایی پایدار مورد مطالعه قرار می‌گیرند. یکی از نانومواد که بسیار مورد توجه است گرافن است، آلوتروپ کربن و به دلیل خواصی مانند استحکام، شیمیایی و ضخامت، بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت.
تحقیقات انجام شده با گرافن پتانسیلی را که گرافن نانومتخلخل می تواند به عنوان یک غشای انتخابی برای نمک زدایی آب داشته باشد نشان داد.اکسید گرافن (GO)، شکلی از گرافن، حاوی گروه‌های عاملی است که منجر به آب دوستی و چگالی بار منفی بالا می‌شود، و این ویژگی‌ها برای فرآیند نمک‌زدایی ضروری هستند. در پژوهشی دیگر، توانایی غشاهای نانو هیدروکسی آپاتیت در دفع نمک از آب ارزیابی شد. نتایج نشان داد که وقتی غلظت NaCl افزایش یافت، دفع نمک توسط غشاء نیز افزایش یافت و به رد 73 درصد به غلظت 5000 ppm نمک رسید.
فعالیت ضد میکروبی
بر اساس دستورالعمل های کیفیت آب آشامیدنی (سازمان بهداشت جهانی، 2017)، باکتری های بیماری زا، ویروس ها و انگل ها می توانند باعث بیماری های عفونی شوند که شایع ترین و گسترده ترین خطرات بهداشتی مرتبط با آب آشامیدنی هستند. نتایج نشان داده که گندزدایی آب به زمان بستگی به غلظت باکتری دارد (حدود 1 ساعت) و با موفقیت می تواند باکتری ها را از بین ببرد.
نمونه دیگری از فعالیت ضد میکروبی با استفاده از فناوری نانو، تحقیقاتی است که نانوذرات مغناطیسی پوشیده شده با پلی (اتیلن) گلیکول (PEG) را توسعه دادند که با (RW)3 (یک پپتید ضد میکروبی) عامل‌دار شده بود تا به عنوان یک ضد میکروبی عمل کند. این نانوذرات مغناطیسی به طور گسترده در آلاینده‌های مختلف از جمله حذف فلزات، شناسایی باکتری‌ها، انگل‌ها، ویروس‌ها یا آنتی‌بیوتیک‌ها و در جداسازی آلاینده‌ها استفاده می‌شوند. با این وجود، این نانوذرات مغناطیسی را می‌توان با مولکول‌هایی که می‌توانند با باکتری‌ها تعامل یا تخریب کنند، عامل‌دار شوند. نتایج نشان داد که نانوذره قادر است آب را ضدعفونی کند و جمعیت باکتریایی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. نانولوله‌های کربنی نتایج جالبی را هنگام ارزیابی حذف یا حتی غیرفعال کردن باکتری‌ها و ویروس‌های بیماری‌زا از خود نشان داده‌اند.
پیشنهاد می کنیم مقاله تصفیه فاضلاب صنعتی را مطالعه کنید.
خطرات کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب برای محیط زیست
اگرچه نانوتکنولوژی با بهبود کیفیت محیطی ثابت کرده است که در زمینه های مختلف بسیار مؤثر است، برخی از جنبه ها باید مورد بحث قرار گیرد که آیا نانومواد و/یا نانوذرات می توانند بر محیط زیست و موجودات آبزی تأثیر بگذارند یا خیر. با این حال، با توجه به پیشرفت روزافزون در فناوری نانو، اطلاعات کافی در مورد اثرات آن بر سلامت انسان وجود ندارد. موضوع دیگر این است که نانومواد هنوز در محیط قابل شناسایی نیستند و این می تواند منجر به انواع مختلفی از مشکلات زیست محیطی شود که می تواند از انتشارات اتمسفر و جریان های زباله جامد یا مایع از خدمات تولید رخ دهد.
برخی از جنبه‌ها بر اثر نانومواد در محیط تأثیر می‌گذارند، مانند غلظت، وجود مواد آلی یا معدنی، pH. همچنین دوره ای که ذره در اکوسیستم باقی می ماند در سمیت آن منعکس می شود، هر چه مدت طولانی تر باشد سمی تر می شود.
از 151 مقاله، 127 مطالعه (66٪) گزارش کردند که قرار گرفتن در معرض مخلوط سمیت را در مقایسه با قرار گرفتن در معرض یک ماده افزایش می دهد. و مطالعات باقی‌مانده (26) بیانگر کاهش سمیت زمانی که ارگانیسم‌ها در معرض مخلوطی از مواد شیمیایی قرار می‌گیرند، بیان کردند. یک نقش کلیدی مهم برای تعیین اثراتی که نانومواد می‌توانند بر موجودات زنده ایجاد کنند، آگاهی از منابع اصلی، مسیرها، تبدیل‌ها، و غرق‌های نانومواد، اطلاعاتی در مورد مناطقی مانند آب، رسوبات و موجودات زنده که از این قرار گرفتن در معرض آسیب خواهند بود، ارائه می‌کنند. در نتیجه، علاوه بر اینکه نانوتکنولوژی می‌تواند پیشرفت‌های بی‌شماری را در تصفیه آب ایجاد کند، می‌تواند به ارگانیسم‌های در معرض نانومواد و/یا نانوذرات نیز آسیب برساند، با این حال، بسیاری از تحقیقات جدید باید انجام شود تا نتایج بیشتری در مورد خطرات احتمالی آنها ارائه شود.
نتیجه گیری
در بررسی حاضر، کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب و آب تا حدودی توضیح داده شد. تصفیه معمولی آب گاهی اوقات در حذف برخی از آلاینده ها مانند فلزات سنگین، روغن و میکروارگانیسم ها چندان مؤثر نیست. برای بهبود این تصفیه، نانومواد به عنوان جایگزین احتمالی برای حذف این آلاینده‌ها در حال مطالعه هستند. همچنین با رشد شهرنشینی و صنعتی شدن به دنبال آن آلودگی آب، در آینده استفاده از منبع دیگری به عنوان آب آشامیدنی ضروری خواهد بود. یک احتمال آب دریا است و نمک زدایی که توسط نانومواد انجام می شود جایگزین جالبی برای حذف نمک از آب است.
