استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب‌های صنعتی
کیفیت پساب تصفیه‌شده عاملی حیاتی در استفاده مجدد آن است؛ به این معنی که آب بازیافت شده برای مصارف خاص باید مطابق با استانداردهای ایمنی باشد. فرآیندهای تولید مختلف مقدار زیادی پساب آلوده ایجاد می‌کند. نوع آلاینده موجود در پساب صنعتی به فرآیند تولید بستگی دارد. به طور کلی آلاینده‌های پساب صنعتی شامل ترکیبات آلی، pH خیلی زیاد، فلزات سنگین سمی، نمک زیاد و کدورت بالا (ناشی از حضور ناخالصی‌های معدنی) است.
چالش‌های روش‌های متداول تصفیه آب
عملیات تصفیه پساب صنعتی شامل موارد زیر است؛
· شناور سازی
· جذب سطحی
· ترسیب شیمیایی
· تبادل یونی
· انعقاد و لخته‌سازی
· فیلتراسیون غشایی
این مراحل تصفیه پساب، گاه در حذف آلاینده‌های خاص، مانند فلزات سنگین، میکروارگانیسم‌ها و چربی بی‌اثر هستند. تصفیه پساب صنعتی برای برآورده کردن استانداردهای کیفیت آب قابل‌استفاده مجدد، نیازمند چندین مرحله پیچیده متوالی است.
فرآیند تقطیر روشی تضمین‌شده برای حذف آلاینده‌های آب است، اما این فرآیند تصفیه بسیار گران‌قیمت است.
بازیافت پساب صنعتی همیشه به فرآیند تصفیه شدیدی مانند روش تقطیر نیاز ندارد. به عنوان مثال، در صنعت نفت و گاز، بازیافت آب در صورتی که آلاینده‌های خاص را کاملاً از بین ببرد دیگر نیازی به نمک‌زدایی کامل ندارد. در این موارد، تنها یک روش تصفیه هدفمند کافی است. این امر تنها آلاینده‌های خاص را حذف می‌کند و آب با کیفیت خوبی تولید می‌کند که می‌تواند دوباره استفاده شود.
بسیاری از فناوری‌های تصفیه پساب موجود قابلیت‌های ذاتی محدودی دارند. به عنوان مثال، غشاء اسمز معکوس نمی‌تواند برای بازیافت پساب حاوی غلظت بالایی از نمک استفاده شود. استفاده از جذب‌کننده‌های سطحی (adsorbers)، به ترکیبات خاص با گروه‌ها و ساختارهای خاص محدود می‌شود. اکثر سطوح تبادل یونی مخصوص مواد شیمیایی خاصی است.
محققان ضمن پرداختن به این چالش‌ها، فرایندهای زیادی را کنار هم قرار داده‌اند که می‌تواند به طور آنی آلاینده‌های مختلف را حذف کند و ترکیبات با ارزش (عناصر خاکی کمیاب و مواد مغذی) و انرژی حاصل از پساب صنعتی را بازیابی کند. با این حال، این تکنیک‌های پیچیده بسیار پرهزینه هستند.
استفاده از فناوری نانو در تصفیه پساب
فناوری نانو به یکی از کاوش شده ترین فناوری‌های قرن بیست‌و‌یکم تبدیل شده است. خواص بی‌نظیر نانومواد موارد زیر را شامل می‌شود؛
· نسبت سطح به حجم زیاد
· اندازه کوچک
· ساختار سازمان‌یافته
· کارایی در فیلتراسیون
این ویژگی‌ها به حذف فلزات سنگین از پساب آلوده کمک می‌کند. براساس نوع نانومواد، تصفیه پساب به سه گروه اصلی تقسیم می‌شود؛
1. نانوکاتالیست‌ها
2. نانوجاذب‌ها
3. نانوغشاها
نانوکاتالیست‌ها
این فرآیند تصفیه فعالیت‌های فتوکاتالیستی را در برمی‌گیرد که شامل برهمکنش انرژی نور با نانوذرات فلزی است. فعالیت‌های فتوکاتالیستی، میکروارگانیسم‌ها (باکتری‌ها) و مواد آلی را از طریق واکنش با رادیکال‌های هیدروکسیل از بین می‌برد. مواد مورد استفاده در نانوکاتالیست‌ها معمولا مواد معدنی مانند اکسیدهای فلزی و نیمه‌رساناها هستند.
نانوجاذب‌ها
این روش تصفیه از نانومواد آلی یا معدنی که میل ترکیبی زیادی نسبت به مواد جاذب دارند استفاده می‌کند. این جاذب‌های سطحی قادرند به خوبی بسیاری از آلاینده‌ها را از بین ببرند. جاذب ایده‌آل کوچک، دارای مساحت سطح وسیع، پتانسیل کاتالیستی عالی و واکنش‌پذیری زیاد است.
نانوجاذب‌ها براساس فرآیند جذب خود به نانوذرات فلزی، نانوذرات مغناطیسی، اکسیدهای مختلط نانوساختار و نانوذرات اکسید فلزی طبقه‌بندی می‌شوند.
نانوغشاها
در این روش تصفیه، نانوغشاها می‌توانند آلاینده‌ها را از پساب جدا کنند. این مواد به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین، رنگ‌ها و سایر آلاینده‌ها استفاده می‌شوند.
نانولوله‌ها، نانونوارها (nanoribbons) و نانوالیاف به طور معمول در نانوغشاها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نانوذرات نقره، عوامل ضدمیکروبی هستند که در طول تصفیه پساب آلاینده‌های باکتریایی بسیاری را در خود جای می‌دهند.
نانوذرات نقره و اکسید گرافن دو نقش ایفا می‌کنند؛ یعنی با غیرفعال کردن سلول‌های باکتریایی از آلودگی بیولوژیکی جلوگیری می‌کنند و به دلیل ماهیت آب‌دوستی خود می‌توانند با تشکیل یک لایه قوی آبی، اتصال میکروبی را کاهش دهند.
نانوموادی که معمولا برای تصفیه آب صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از؛
نانولوله‌های کربنی (CNT): نانولوله‌های کربنی غشاهایی با هدایت الکتریکی تولید می‌کنند. اندازه حفرات لایه به نوع پلیمرهای مورد استفاده در اتصال عرضی نانولوله‌های کربنی وابسته است. اندازه منافذ غشاء از ۱۰۰ نانومتر تا کمتر از نانومتر متفاوت است. این نانوغشاها به طور گسترده برای تصفیه بیولوژیکی پساب صنعتی و نمک‌زدایی از آب شور صنعتی استفاده می‌شود.
نانوذرات گرافن اکسید (GO): نانوذرات گرافن اکسید همانند فرآیند تعرق (transpiration) یک برگ درخت عمل می‌کنند، به این معنا که، در حالی که حرارت خورشید را جذب می‌کنند تا تشکیل بخار را تشدید نمایند، آب از طریق ساختار گرافن اکسید بیرون کشیده می‌شود. این روش در نمک‌زدایی از آب شور با انرژی خورشیدی استفاده می‌شود.
نانوذرات سیلیکا فلوئورینه (Fluorinated silica): نانوذرات سیلیکا فلوئورینه سطح انرژی کمی تولید می‌کند که مقاومت بالایی نسبت به چربی دارد. این امر در عملیات تصفیه پساب حاوی روغن، پالایش نفت و صنایع فرآوری مواد غذایی بسیار مفید است.
نانومواد لایه‌ای (Layered nanomaterials): نانومواد لایه‌ای حاوی گرافن و گرافن اکسید، مولیبدن دی‌سولفید و مکسین‌ها (MXenes) (کربونیتریدها، کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه فوق العاده نازک) به طور گسترده در تصفیه آب صنعتی به کار می‌روند.
شرکت‌هایی که در زمینه تصفیه آب با فناوری نانو فعالیت دارند
شرکت‌های Carbotecnia و Global Proventus، مستقر در مکزیک، تجهیزات بسیار پیشرفته‌ای را برای تصفیه آب با استفاده از تکنیک‌های مختلف مبتنی بر نانو مانند نانوفیلتراسیون ارائه می‌دهند.
شرکت Heltec محصولات تصفیه آب براساس نانوفیلتراسیون، میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و الکترودیونیزاسیون تولید می‌کند. محصولات Heltec به آمریکا، آلمان، انگلیس، کانادا و ایرلند و همچنین آمریکای مرکزی و جنوبی صادر می‌شود.
شرکت Aquapro تجهیزات نانوفیلتراسیون تولید می‌کند و خدماتی مانند نصب تجهیزات سیستم‌های تصفیه آب را ارائه می‌دهد.