1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

نقش فناوری نانو در حل چالش‌های جهانیِ آب

افراد مقاله : ‌ مترجم - آیدین هادی فکور

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : تصفیه آب - نانومواد مهندسی شده - نمک‌زدایی تاریخ مقاله : 1397/10/25 تعداد بازدید : 686

تهیه‌ی آب پایدار، ایمن، پاک و کافی، یک چالش جهانی است. فناوری‌های تصفیه‌ و نمک‌زدائی آب هنوز نیاز به انرژی و مواد اولیه‌ی شیمیایی فراوان دارند و در از بین بردن آلودگی‌های اساسی ناکارمد هستند. به‌علاوه، این فناوری‌ها برای گسترش و انتقال به مناطقی دور از مرکز تصفیه مناسب نیستند. برای رفع کمبودهای فناوری‌های کنونی به‌تازگی سعی شده است تا از ویژگی‌های قابل تنظیم نانومواد استفاده شود. این مقاله‌ی مروری، پتانسیل نانومواد برای بکارگیری در تصفیه‌ی پایدار آب را بررسی کرده و راه‌هایی برای ارزیابی ریسک‌های زیست‌محیطی و پذیرش اجتماعی فرایندهای تصفیه بر پایه‌ی فناوری نانو ارائه می‌کند. حیطه‌های آینده‌ی پژوهش که برای بکارگیری امن از فناوری نانو ضروری است نیز در این پژوهش مشخص شده است.

 

مقدمه
دسترسی به آب پاک، امن و کافی سنگ بنای سلامت و پایداری انسان است. دسترسی پایدار و جهانی به سرویس‌های حیاتی آب، نیاز به سرمایه‌گذاری در بخش گسترش و توسعه‌ی آب، تطبیق دادن زیرساخت‌های قدیمی سیستم‌های آبی، محافظت از منابع آب و برنامه‌ریزی هوشمندانه در مورد تاثیرات تغییرات اقلیم دارد. همچنین دانشمندان و سیاست‌مداران باید بحث در مورد تفاوت‌های تاریخی بین کشورهای توسعه‌یافته و در حال توسعه را کنار بگذارند و به جای آن تلاش کنند تا فناوری‌های قابل تطبیق گسترش یابد که انسان‌های مختلف و محیط‌های متفاوت را دربر بگیرد.

بعید است که بازطراحی نوآوارانه‌ی شبکه‌های تصفیه‌ی آب بزرگ مقیاس برای بهتر کردن انعطاف و تطبیق‌پذیری، بدون بازطراحی در واکنش‌های مقیاس مولکولی و پدیده های انتقال آب ممکن شود. سه دهه تلاش در زمینه‌ی نانومواد باعث ارائۀ مجموعه متنوعی از نانومواد مهندسی شده ( ENMs که در این مقاله تحت عنوان نانومواد خوانده می شوند) شده است که داری ویژگی‌های منحصربه فردی هستند که با مواد بالک (حجیم) متفاوت است. از جمله این تفاوت‌ها می‌توان به واکنش‌پذیری زیاد، خواص سطحی قابل تنظیم و ساختارهای بهینه شده اشاره کرد. از این ویژگی‌ها در بیوداروها، انرژی، کشاورزی، ارتباطات و کاربردهای آشکارسازها استفاده شده است اما فرایند تطبیق نانومواد برای کاربردهای تصفیه‌‌ی آب بسیار کندتر بوده است. بخشی از این کندی به این علت است که مردم می‌خواهند مطمئن شوند که سیستم‌های جدید تصفیه‌ی آب باعث بهتر شدن منابع طبیعی، انسانی و بهبود سرمایه‌ی فیزیکی می‌شود و ریسک اینکه به علت استفاده از این سیستم‌ها این موارد رو به‌وخامت برود وجود ندارد. البته تنها برای افزایش سلامت انسان استفاده از نانومواد در سیستم‌های تصفیه‌ی آب با استفاده از مواد گران قیمتی که مردم قادر به استفاده از آن نیستند و یا با استفاده از فناوری‌ای که به صورت محلی نمی‌تواند به طور پایدار به کار گرفته شود و با توجه به پیامدهای زیست محیطی آن، با اهداف پایداری کلی در تضاد هستند.

از سوی دیگر شکست در استفاده از پیشرفت‌های نانومواد برای بهبود تصفیه‌ی آب، کاراتر کردن فرایندها، یا بهتر کردن انعطاف سیستم، منجر به عدم پذیرش نوآوری‌ها و سرمایه‌های علمی به عنوان راهی برای بهبود وضع عمومی بشر می‌شود.

این مقاله به صورت نقادانه استفاده از نانومواد برای حل چالش بحران آب در جهان را با تمرکز بر اصل پایداری مرور می کند. ما ویژگی‌های نانومواد را به کاربردهایشان در عفونت‌زدایی، آلودگی‌زدایی و نمک‌زدایی مرتبط می کنیم و استراتژی‌های مختلف برای استفاده از آنها در تصفیه‌ی آب را به اختصار بیان می‌کنیم. نهایتاً بحث را با ارائه‌ی چارچوب‌های پایدار برای ارزیابی سود بدست آمده بواسطۀ استفاده از نانومواد در فرایند تصفیه‌ی آب به پایان می‌رسانیم؛ این بحث شامل در نظر گرفتن ریسک و پذیرش اجتماعی هم می شود.

 

غیرفعال شدن بیماری‌زاها برای تهیه‌ی آب سالم
وجود بیماری‌زاها در آب‌های آشامیدنی در سراسر دنیا و به ویژه در کشورهای در حال توسعه عامل اصلی بوجود آمدن بیماری‌های مزمن محسوب می‌شود. تخمین زده می‌شود که سالانه بیش از دو میلیون نفر که عمدتا کودک هستند به علت مصرف آب‌های ناسالم که منجر به بیماری‌های قابل پیشگری اسهالی می‌شود جان خود را از دست می‌دهند. ضدعفونی کردن آب، ضروری‌ترین مرحله در تصفیه و فراهم کردن آب آشامیدنی سالم به شمار می‌آید. از اوایل قرن بیستم که فیلتراسیون و کلراسیون مرگ‌های بوجود آمده به علت حصبه را به طور محسوسی کاهش داد، ایده‌ی تصفیه‌ی آب در یک مرکز تصفیه و لوله‌کشی آب به خانه‌ها ثابت مانده و در این مسیر تکامل یافته است.

ضدعفونی کردن آب در حال حاضر در تجهیزات تصفیه‌ی آب شهری توسط ضدعفونی کننده‌های شیمیایی (مانند کلر و ازن) صورت می‌گیرد و یا از تابش اشعه‌ی ماوراء بنفش استفاده می‌شود. از آنجا که هیچ راهی به تنهایی در مقابل تمام بیماری‌زاها کارگر نخواهد بود بیشتر فرایندها از رهیافت‌های چندگانه بهره می‌برند و از ویروس‌ها تا باکتری‌ها را هدف قرار می‌دهند.

عملیات‌های ضدعفونی کننده‌ی بزرگ‌مقیاس کنونی که در مراکز بزرگ تصفیه صورت می‌گیرد نیاز به زیرساخت‌های گسترده دارد و مواد شیمیایی و انرژی زیادی مصرف می‌کند. به علاوه عملیات‌های ضدعفونی کننده‌ی کنونی معمولا با تشکیل مواد جانبی سمی ( به عنوان مثال هالوژنیت‌های جانبی تولید شده توسط کلراسیون و برومات‌های تولید شده توسط ازناسیون) همراه هستند، که این امر نیاز به فرایندهای بهینه‌سازی پیچیده و ساخت زیرساخت‌های بیشتر را به دنبال دارد. اگرچه که این تکنیک‌ها در کشورهای پیشرفته جوابگو بوده است اما استفاده از روش‌های مشابه در کشورهای در حال توسعه که میلیون‌ها انسان در خطر استفاده از آب آلوده هستند مناسب نیست. نیاز به فناوری پیشرفته و مقرون به صرفه که گستره‌ی وسیعی از بیماری‌زاها را در برگیرد، کمتر به مواد شیمیایی و انرژی وابسته باشد، کاربرد و نگهداری ساده‌تری داشته باشد و قابل حمل و نقل باشد به شدت احساس می‌شود.

نانومواد مهندسی شده با سازوکارهایی که در روش‌های سنتی به‌خوبی از آنها بهره‌برداری نمی‌شد، امکانات منحصر به فردی برای غیرفعال کردن بیماری‌زاها فراهم می‌کنند. این سازوکارها شامل اختلال در دیواره‌ی سلولی توسط ساختارهای نانومقیاس، فرایندهای فعال کننده‌ی سطح که توسط برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک مهیا می‌شود، تولید فوتوشیمیایی گونه‌های اکسیژن واکنشی و رساندن هدف‌دار عامل‌های ضدعفونی کننده است. این خصوصیات ویژه‌ی سطح و واکنش‌پذیری نانومواد که منجر به مهار بیوفیلم می‌شود یک راه تازه که تاکنون استفاده نشده را برای کاهش بیماری‌زاها در آب‌های آشامیدنی فراهم می‌کند، چرا که رشد مجدد میکروبی در آب‌های تصفیه‌شده در هنگام ذخیره و انتقال آب، یک نگرانی رایج است. توانایی در نشان دادن این کارکردهای مختلف در مقیاس کوچک، برای استفاده در نواحی‌ای که از کمبود زیرساخت‌ها رنج می‌برند امیدوار کننده است. برای ضدعفونی کردن آب، نانومواد مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌اند مانند نانو نقره، نانو اکسید روی، فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی مثل دی‌اکسید تیتانیوم و دی‌سولفید مولیبدن، و همچنین مواد بر پایه کربن مانند فولرین، نانولوله های کربنی، گرافن و مشتقات آنها. بعضی از مواد، مانند اکسید روی و مشتقات فولرین که مکانیزم‌های غیرفعال‌سازی آنها شامل نفوذ به سلول‌ها و مختل کردن سلول‌های داخلی است به علت اینکه ممکن است نانومواد در آنها انباشته شده و وارد اکوسیستم شوند، ایده‌آل به حساب نمی‌آیند. بقیه‌ی نانومواد عامل‌های زیست‌کش مانند یون‌های نقره را می‌شورند و بنابراین نیاز به دوباره پر کردن بعد از تخلیه دارند.

مکانیزم دقیق غیرفعال کردن بیماری‌زاها در نانوموادی که تاکنون بررسی شده‌اند نامعلوم مانده است. فهم مکانیزم غیرفعال کردن به این علت که ویژگی‌های نانومواد به علت اندازه، شکل و ویژگی‌های سطحی متفاوت با یکدیگرشان (حتی زمانی که اسمی مشابه دارند)، پیچیده است. استراتژی‌های طراحی برای تولید نانوموادی با مکانیزم‌های غیرفعال کردن دلخواه را می‌توان از حیوانات، گیاهان و حشراتی که در برابر گستره‌ی بزرگی از میکروارگانیزم‌ها بواسطه‌ی استفاده از آرایه‌ای از نانوساختارها و مجموعه پپتیدهای ضد میکروبی جان سالم به در می‌برند آموخت. به طور اخص این موضوع قابل اهمیت است که پپتیدها برای هدف قرار دادن غشاء‌های باکتریایی تکامل یافته‌اند و نه هدف قرار دادن اجزاء درون سلولی خاص، و این موضوع به علت همگنی ساختار دیوار سلولی و ترکیبات آن در باکتری است. نانوموادی که گونه‌های اکسیژن غیرواکنشی غیرانتخابی تولید می‌کنند (به عنوان مثال، رادیکال‌های هیدروکسیل تولید شده توسط فوتوکاتالیست‌ها) و عمکرد دیوار سلولی را به صورت شیمیایی و فیزیکی مختل می‌کنند (به عنوان مثال نانوصفحه‌های گرافنی که صفحه‌های تنظیم شده دارند) فرصت‌هایی فراهم می‌کنند تا فناوری‌های برپایه‌ی نانومواد برای کشتن بیماری‌زاهای غیرتخصصی بکار گرفته شود.

در هر صورت نسل آینده‌ی نانومواد بجای اینکه از یک نوع نانوماده برای هدفی خاص استفاده کنند باید به سمتی بروند تا از گونه‌های مختلف نانومواد با کارایی‌های متفاوت بهره ببرند (شکل 1). کاربردهایی که می‌توانند بطور گزینشی بیماری‌زاهای هدف گرفته شده را به منطقه‌ای که واکنش‌های غیرفعال کردن در آنجا رخ می‌دهد وارد کنند (برای مثال، بوسیله‌ی برهمکنش‌های الکترواستاتیک)، چه از روش کاتالیستی و چه از راه نانوساختاری نیاز به توسعه و گسترش دارند.

فناوری‌هایی که نانومواد را برای جلوگیری از نابودی این مواد به سطح می‌چسبانند برای مقاصد اقتصادی و محیط زیستی باید توسعه یابند. باید در نظر داشت نانوموادی که برای غیرفعال کردن بیماری‌زاها طراحی شده‌اند به احتمال فراوان با سلول‌های ارگانیزم‌های مرتبه بالاتر ارتباط برقرار خواهند کرد (در حقیقت، حتی پپتیدهای ضد میکروبی طبیعی در دوزهای بالا اینگونه رفتار می‌کنند).

حتی اگر این اتفاق هم نیافتد، آنها حداقل به علت رهاسازی ناخواسته در طبیعت، بر روی اکوسیستم میکروبی تاثیر منفی خواهند گذاشت. بنابراین، پیدا کردن نانوموادی که بیماری‌زاهای زیادی را از میان بردارد و یافتن نانوموادی که برای بشر و محیط زیست زیانبار نباشند اهداف متناقضی برای پیگیری به حساب می‌آیند. رسیدن پایدار به این هدف با مهندسی دقیق و طراحی سیستم‌هایی که یا نانومواد در آنها طی یک فرایند دیگر پس گرفته می‌شود (شکل 1a) یا به صورت سفت و سخت به سطح ماده‌ی میزبان می‌چسبد (شکل 1b) امکان‌پذیر خواهد بود.

 

آلودگی‌زدایی برای تهیه‌ی آب تمیز
آلوده کردن منابع آب آشامیدنی مانند رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی با آلودگی‌های ارگانیک و غیرارگانیک یک مشکل جهانی بزرگ در کشورهای توسعه یافته و درحال توسعه است. بعضی از آلودگی‌هایی که نگران کننده‌اند مردم‌زاد (آنتروپوژن) هستند از جمله آلودگی‌های دارویی، آفت‌کش‌ها و پیشگیرنده‌های آتش، در حالی‌که بقیه‌ی آلودگی‌ها شیمیایی‌های طبیعی مانند آرسنیک هستند. درحالیکه این آلاینده‌ها معمولا در غلظت نسبتا کم وجود دارند اما اثرات آنها می‌تواند هم‌افزایی داشته باشد و با استفاده‌ی پشت سر هم، اثرات مرگ‌باری بر سلامتی انسان داشته باشد.

روش‌های سنتی برای از بین بردن آلاینده‌ها شامل جداسازی فیزیکوشیمیایی و اکسیداسیون شیمیایی است. جداسازی فیزیکوشیمیایی مانند جذب فیزیکی و فیلتراسیون غشائی می‌تواند آلوده کننده‌های ارگانیک و غیرارگانیک را به طور کارا از میان بردارد، اما از گزینندگی لازم برخوردار نبوده و پسماندهای فراوانی بواسطه‌ی استفاده‌ی زیاد از آنها بوجود می‌آید که این پسماند‌ها نیاز به دفع دارد. از اکسیداسیون شیمیایی به طور متناوب برای آلودگی‌زدایی یا بازمصرف زباله‌های صنعتی و شهری استفاده می‌شود، و اینکار بطور عمده توسط فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته انجام می‌گیرد (این فرایندی است که در آن رادیکال‌های واکنشی تولید می‌شود). در هر صورت استفاده‌ی فراوان از انرژی و مواد شیمیایی در فرایند اکسیداسیون، همراه با ریسک احتمال تشکیل مواد شیمیایی جانبی، توانایی فرایندهای اکسیداسیون را محدود می‌کند. فناوری‌های کنونی ممکن است از رهیافت‌های جدیدی بهره‌مند شوند که گزینندگی را برای آلاینده‌های اولیه بهبود می‌بخشند، پایداری مصرف انرژی و مواد شیمیایی را به بار می‌آورند و مقرون به صرفه هستند. پیشرفت‌ها در فناوری‌نانو از نانومواد عامل‌دار شده گرفته تا نانوکامپوزیت‌ها و نانوساختارهای سلسله مراتبی، این پتانسیل ‌را دارند که فناوری‌های سنتی موجود در صنعت تصفیۀ آب، مانند جذب فیزیکی و کاتالیز، به ویژه در سیستم‌های کوچک مقیاس خارج از مرکز را بهبود ببخشند. نانومواد می‌توانند از طریق کنترل اندازه ماده، مورفولوژی و ساختار شیمیایی، ویژگی‌های جذبی، کاتالیستی و نوری خارق‌العاده‌ای داشته باشند و می‌توان از این ویژگی‌ها برای آلودگی‌زدایی آب استفاده کرد.

برای جذب موثر آلودگی‌ها، سطح نانوجاذب‌ها مانند اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال، آهن و اکسید آلومینیوم) و نانومواد بر پایه‌ی کربن ( نانولوله‌های کربنی و گرافن) باید برای بهینه‌سازی گنجایش جذب، مکانیزم‌های پیوندی و گزینندگی تنظیم شوند. برای مثال کاهش اندازه‌ی نانوجاذب‌ها باعث افزایش ناحیه‌ی ویژه‌ی سطحی می‌شود. در هر صورت، از آنجا که کیفیت جذب به طور مستقیم وابسته به تعداد مکان‌های جذب است فقط افزایش ناحیه‌ی سطحی خود به خود منجر به جذب بهتر نخواهد شد. دستکاری ساختار کریستالی و صفحه‌های کریستالی و همچنین دستکاری خواص سطحی ازجمله بار الکتریکی و آب‌دوستی، بطور مستقیم واکنش‌پذیری صفحه‌ی نانومواد را تحت تاثیر قرار می‌دهد که در نتیجه نه تنها ظرفیت جذب تغییر می‌کند بلکه گزینندگی نیز متفاوت خواهد شد. برای مثال، با در معرض گذاشتن صفحه‌های متفاوت، هماتیتی که منیزیم در آن دُپ شده است از خود قابلیت جذب برای یون‌های Pb2+، Cd2+، و یاHg2+ نشان می‌دهد. مقادیری که در آن ویژگی‌های ماده‌ی جذب شده عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار می‌دهد در سیستم‌های جذب شونده- جذب کننده‌ی متفاوت با یکدیگر فرق دارد و باید مورد به مورد بررسی شود.

به علت هزینه‌ی تولید و تولید ناپایدار نانومواد، نانوجاذب‌ها احتمالا جایگزین سیستم‌های تصفیه‌ی مرکزی که از مواد سنتی استفاده می‌کند نخواهند شد. به بیان دیگر نانومواد بر پایه‌ی کربن جایگزین کربن‌های فعال که تقریبا به همان اندازه توانایی جذب دارند نخواهند شد. در عوض، استفاده از نانومواد در سیستم‌های مرکزی امروزی برای قدرتمندتر کردن سیستم‌های جذب کنونی است. برای مثال، زمانی‌که نانوجاذب‌های اکسید آهن با کربن فعال ترکیب می‌شوند، که عموما توانایی از بین بردن اکسی‌آنیون‌ها (مانند آرسنیک) را ندارند، می‌توانند با بهبود جذب ارگانیک‌ها و غیرارگانیک‌ها عملکرد کلی را بهبود ببخشند (شکل 2a). کاربرد نانوجاذب‌ها در سیستم‌های تصفیه‌ی آب غیرمرکزی محتمل‌تر است؛ چه برای سیستم‌های جذب مواد خاص که برای آلودگی‌های ویژه بکار می‌رود و چه به عنوان بخشی از یک سیستم چندگانه که از یک سری مراحل برای نابودی آلاینده‌ها استفاده می‌کند (شکل 2a).

استفاده از نانومواد واکنشی، به ویژه فوتوکاتالیست‌ها، برای تولید رادیکال‌های غیرگزینشی که آلاینده‌ها را اکسید می‌کنند، یک رهیافت بدون مواد شیمیایی و مقرون به صرفه برای تولید آب سالم است. کارایی این سیستم به شدت وابسته به توانایی فوتوکاتالیست در جذب نور، تقویت تشکیل رادیکال‌ها و کاهش انتشار رادیکال توسط مواد آلی و قلیایی پس زمینه است. تلاش‌های زیادی شده تا با استفاده از فناوری نانو، مکانیزم فوتوکاتالیست را با استفاده از رهیافت‌هایی مانند نانوساختار کردن، اصلاح سطح و استفاده از نانوکامپوزیت‌ها بهبود بخشند (شکل 2b). مثال‌هایی از استراتژی‌هایی که برای بهبود عملکرد فوتوکاتالیست‌های TiO2 که بطور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرد، شامل دُپ کردن برای فعال‌سازی در نور مرئی، تشکیل هتروجانکشن‌ها برای جداسازی بار و نانوساختار کردن برای جذب ترجیحی آلاینده‌های هدف بر روی سطح کاتالیست است. در هر صورت کارایی فرایند آلاینده‌زدایی فوتوکاتالیستی از آب، تنها با چگونگی عملکرد فوتوکاتالیست تعیین نمی‌شود بلکه چگونگی رساندن نور، بازیابی و بازمصرف کاتالیست و کم‌کردن هزینه‌ی نهایی تاثیرگذار است. تاکنون فوتوکاتالیست‌های اندکی برای مصارف کاربردی بکار گرفته شده‌اند که این نشان از لزوم پژوهش‌های تکمیلی در جهت طراحی موادی برای استفاده در این حیطه دارد.

بعد از تلاش‌های زیاد، فرایندهای فعال شده توسط نانومواد معمولا در شرایط مدل‌شده، قادرند جذب عالی از خود نشان دهند و نابودی آلاینده‌ها به‌صورت کاتالیستی در آنها قابل قبول بوده است. با طراحی پایین به بالای بیشتر نانوکامپوزیت‌های دارای نانوساختارهای پیچیده، انتظار می‌رود این عملکرد بهبود پیدا کند. در هر صورت برای عملی شدن این فناوری‌ها باید قابلیت‌هایی که ویژه‌ی موضوعی خاص هستند در زمان طراحی این فناوری‌ها بهبود پیدا کنند. به طور اخص، نانومواد برای ضدعفونی کردن باید به گونه‌ای طراحی شوند که بتوانند در دنیای واقعی آب‌ها کار کنند نه اینکه فقط در شرایط کنترل شده از عهده‌ی کار برآیند و علاوه بر آن، قابلیت بازیابی و بازمصرف داشته باشند. با توجه به نگرانی‌های مرتبط با تولید نانومواد، بازیابی و بازمصرف از اهمیت بالایی برخوردار است. سرانجام برای توسعه‌ی سیستم‌های ضدعفونی کننده‌ی فعال شده توسط نانومواد، نیاز به یک رهیافت چندرشته‌ای احساس می‌شود که متخصصان فناوری‌نانو و علم مواد را با پژوهشگران تصفیه‌ی آب و فرایندهای آبی پیوند می‌دهد.

 

نمک‌زدائی و بازمصرف منابع آبی انباشت شده
با توجه به منابع معدود آب سالم، خیلی مواقع لازم است تا منابع آب غیرمعمول مثل آب دریاها و آب‌های زیرزمینی شورمزه با استفاده از سیستم‌های تصفیه‌ی قابل حمل و نقل تصفیه شوند. اسمز معکوس از فشار هیدرولیکی و غشاء گزینشی برای تولید آب سالم بهره می‌برد و به علت مصرف انرژی کم، به عنوان فناوری غالب در نمک‌زدائی به حساب می‌آید (اسمز معکوس 5 مرتبه انرژی کمتری نسبت به فناوری‌های گرمایی نیاز دارد).

همچنین اسمز معکوس یک گام حیاتی در نیروگاه‌های بازمصرف فاضلاب‌ها محسوب می‌شود که فاضلاب‌های شهری را به آب‌هایی از مرتبه‌ی قابل انتقال تبدیل می‌کنند ( شکل 3a). برخلاف پیشرفت‌های جدید در فناوری‌های نمک‌زدائی (برای مثال، تقطیر غشائی، اسمز مستقیم و یون‌زدایی خازنی)، اسمز معکوس احتمالا به عنوان فناوری اصلی برای تولید آب آشامیدنی خواهد ماند. گام حیاتی در اسمز معکوس، غشاء نمک‌زدا است جایی که مقادیر زیاد آب اجازه‌ی عبور از آن را پیدا می‌کند در حالیکه اجازه‌ی عبور به هیچکدام از مواد حل شده در آب داده نمی‌شود. یک غشاء صنعتی تولید شده برای اسمز معکوس، از یک کامپوزیت لایه‌‌ی نازک (TFC) که دارای پشت پارچه‌ای است، یک لایه‌ی پلیمری متخلخل برای حمایت مکانیکی و یک لایه‌‌ی گزینشی پلی‌آمید بسیار متخلخل تشکیل شده است (شکل 3b) تا آب را از مواد حل شده درآن جدا کند و اینکار عموما بر اساس اندازه‌ی مولکولی انجام می‌شود. با اینکه ثابت شده است که غشاء‌های TFC موادی کارا برای تولید آب هستند، اما آنها چندین مشکل اساسی دارند. اول اینکه برخلاف کیفیت خوبشان در جلوگیری از عبور نمک ( معمولا بیش از 99.5%)، آنها نمی‌توانند از عبور حل‌شده‌های طبیعی کوچک (مثل بور در آب دریا و N-نیتروزودی‌متیل‌آمین (NDMA) سرطان‌زا در فاضلاب) جلوگیری کنند و معمولا همیشه نیاز به گام‌های بعدی برای تصفیه‌ی آب احساس می‌شود. دوم آنکه شیمی سطح و مورفولوژی خشن غشاء‌های TFC رسوب و به ویژه بیورسوب را تشدید می‌کند و می‌تواند عملکرد سیستم را مختل کند. سوم اینکه غشاء‌های TFC به شدت در مقابل اکسیدان‌هایی مانند کلر شکننده هستند و بنابراین نمی‌توان از کلر برای رسوب‌زدایی بهره برد. فناوری‌نانو شاید راهکارهایی برای هر کدام از این مشکلات داشته باشد.

بعضی نانومواد امکاناتی عالی برای جداسازی آب و نمک دارند. مخصوصا اینکه فناوری‌نانو راهی جدید ارائه می‌دهد که می‌توان بجای نفوذ از دیواره‌ی پلی‌آمید به مکانیزمی بر اساس اندازه‌ی ذرات روی آورد که در آن، تخلخل‌های فاصله‌دار به آب اجازه‌ی عبور می‌دهند و از عبور نمک و حل‌شده‌های دیگر جلوگیری می‌کنند. به عنوان مثال زئولیت‌های خاص و چارچوب های فلز-آلی (MOF) دارای تخلخل‌هایی ذاتی هستند که ممکن است برای نمک‌زدائی مناسب باشد. ساده‌ترین روش استفاده از این نانومواد غشاء‌های ماتریکس مختلط است که در آنها زئولیت، MOF، و نانومواد دیگر بطور مستقیم به لایه‌ی گزینشی پلی‌آمید وارد می‌شوند. در هر صورت، برخلاف پژوهش‌های زیاد، این رهیافت به علت وجود نقص در مرزهای نانومواد و لایه‌های پلی‌آمید که می‌توانند گزینندگی لایه را بسیار کاهش دهند شکست خورده است.

یک رهیافت موثر دیگر، جایگزینی کامل لایه‌‌ی پلی‌آمید با یک لایه‌ی گزینش کننده‌ی جدید و حاصل شده از فناوری‌نانو است (شکل 3b). در بهترین حالت این لایه‌ها هم گزینندگی دلخواه را خواهند داشت و هم در مقابل کلر مقاوم خواهند بود. نانومواد بر پایه‌ی کربن، مثل نانولوله‌های کربنی و نانومواد بر پایه‌ی گرافن، بخاطر امکان عبور بسیار سریع آب در راستای سطوح اتمی گرافیتی نرم بسیار مورد توجه هستند. چالش اصلی برای این مواد، کنترل دقیق اندازه‌ی تخلخل‌ها است. در غشاء‌های بر پایه‌ی CNT، نانولوله‌ها تخلخل‌ها را تشکیل می‌دهند؛ بنابراین نیاز اصلی تولید نانولوله‌هایی با قطر داخلی 0.47 نانومتر و کمتر است تا جلوی عبور نمک را بگیرد. در غشاءهای بر پایه‌ی گرافن، اکسید گرافن و مشتقاتش لایه‌های افقی را تشکیل می‌دهند به طوری که فضای بین صفحه‌ای یک بعد حیاتی برای گزینندگی است. این فضا با استفاده از حضور اکسیژن عامل‌دار یا دیگر مولکول‌ها تشکیل می‌شود و کنترل این فضاها با استفاده از کاهش جزئی عامل‌های اکسیژن یک چالش اساسی است. کاهش جزئی ممکن است برای بهبود گذردهی نیز بسیار مهم باشد. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که حتی مقادیر کمی از گروه‌های هیدروکسیل (بیش از 5 درصد نسبت به تعداد کربن‌) به‌شدت عبور آب را کاهش می‌دهد زیرا زبری اتمی و پیوندهای هیدورژنی افزایش می‌یابند. ( عاملداری حدود 20 درصد در اکسیدهای گرافن معمول است).

نانوکانال‌های سنتزشده (شکل 3b) یک راه جایگزین برای لایه‌های گزینشی غربال کننده‌ی مولکولی بحساب می‌آیند. چنین کانال‌هایی یا بر اساس خودسامانی مولکول‌های کوچک تشکیل می‌شوند، یا با سورفکتانت‌های کریستال-مایع یا از راه سنتز مستقیم آرایه‌های بزرگی از کانال‌های تک مولکولی. پیشرفت‌های پژوهشی در این زمینه بسیار قابل ملاحظه بوده است اما همچنان بهینه‌سازی‌هایی در جهت گذردهی و گزینندگی مورد نیاز است. فناوری‌نانو همچنین فرصتی منحصر به فرد برای غلبه بر بیورسوب‌ ایجاد می‌کند که به عنوان پاشنه‌ی آشیل غشاء‌ها بشمار می‌آید. با توجه به مطالب گفته شده در بخش غیرفعال کردن بیماری‌زاها، نتیجه می‌گیریم که نانوموادی که غیرفعال کردن باکتریایی را به روش تماسی ممکن می‌سازند ( مانند اکسید گرافن و نانولوله‌های تک دیواره) امیدوارکننده‌ترین بخش برای حل چالش‌ها به‌شمار می‌آیند. چنین موادی نیازی به بازتولید ندارند، که از آنجا که عمر غشاء تا 5 سال طول خواهد کشید موضوع مهمی تلقی می‌شود. به علاوه، پیوستن معقول به سطح می‌تواند کمترین مشکل ممکن را در عمکرد جداسازی غشاء‌ها ایجاد کند. نانومواد آب‌دوست می‌تواند ترشدگی را بهبود ببخشد و در نتیجه چسبندگی باکتریایی را کاهش دهد، اما در عمل در مقایسه با لایه‌های پلیمری ضد-چسبان ضعیف‌تر است. سطوج ضدرسوب نهایی احتمالا باید ترکیبی از فناوری نانو و پلیمرها را داشته باشند تا ویژگی‌های ضدمیکروبی و ضدچسبندگی را بطور همزمان از خود نشان دهند. چنین سطوح کامپوزیتی نیاز دارند تا به صورت منطقی طراحی شوند به گونه‌ای که نانومواد و پوشش‌های پلیمر دسترسی سطحی داشته باشند و در طول عمر غشاء پایدار بمانند.

با نگاه به آینده ما فکر می‌کنیم که کاربردهای فناوری‌نانو در غشاء‌های نمک‌زدا به دو فاز تقسیم می‌شود ( شکل 3c). در کوتاه مدت، لایه‌های گزیننده‌ی فعال‌شده توسط فناوری‌نانو از غشاء‌های پلی‌آمید TFC که به صورت صنعتی تولید می‌شوند کم اهمیت‌تر خواهند بود. در این مدت، فناوری نانو در حیطه‌‌ی رسوب‌زدایی کاربردهایی به عنوان عامل‌های فعال کننده‌ی سطحی بر روی غشاء‌های TFC پیدا خواهد کرد. در طولانی مدت ممکن است پیشرفت در سنتز نانومواد و تولید انبوه لایه‌های نازک بدون نقص منجر به تولید جایگزین‌هایی برای غشاء‌های پلی‌آمید TFC بشود. نهایتا چنین غشاء‌هایی نه تنها سطوح ضدرسوبی دارند بلکه به کلر نیز مقاومند؛ این مسئله باعث می‌شود اجرای فرایندهای محکم و ضدرسوبی منجر به تولید آب با کیفیت بالا با بهره‌وری بالا و مصرف شیمیایی کم بشود.

 

پیامدهای زیست‌محیطی و بهداشتی
بهبود نانومواد برای مصارف آلاینده‌زدائی و غیرفعال کردن بیماری‌زاها، از سویی نگرانی‌هایی در ارتباط با پیامدهای زیست‌محیطی آنها ایجاد می‌کند (شکل 4). استفاده از نانومواد برای تصفیه‌ی آب می‌تواند منجر به تاثیرگذاری‌های زیست‌محیطی در حین تولید نانومواد، مصرف آن برای تصفیه‌ی آب و یا دور انداختن نانومواد به عنوان پسماند بشود (شکل 5). در هر صورت اندازه‌گیری ریسک استفاده از نانومواد در فرایند تصفیه‌‌ی آب بسیار دشوار است.

 

یک بخش مهم که باعث می‌شود میزان ریسک استفاده از نانومواد را نتوان به خوبی ارزیابی کرد عدم تکرارپذیری در سنجش سمیت نانومواد است. به عنوان مثال در یک آنالیز گسترده (شامل 74 پژوهش) برای سنجش میزان سمیت نانوذرات نقره در غلظت موثر 50درصد[1] (EC50) نتایجی با اختلاف تا 500 برابر بدست آمد. بخشی از این تفاوت‌ها به علت ناهمسانی در شکل، اندازه و شیمی سطح است که سمیت و واکنش‌پذیری را تحت تاثیر قرار می‌دهد و بخشی به علت نبود مراحل استاندارد برای مشخصه‌یابی نانومواد، آماده‌سازی و دوزیمتر. تلاش‌هایی برای توسعه‌ی یک روش استاندارد و تعیین موادی به عنوان رفرنس انجام شده است که باید تکرار پذیری مطالعات نانو سمیت را بهبود ببخشد. در هر صورت برای ارزیابی محیطی، این مراحل استاندارد نیاز به توسعه‌یافتن دارند تا شامل شرایط طبیعی پیچیده شوند چرا که سمیت و رفتار نانومواد وقتی که در طبیعت قرار می‌گیرند بلافاصله تغییر می‌کند. افزایش حجم تولید و تجاری‌سازی محصولات فعال شده توسط فناوری‌نانو احتمالا باعث افزایش رهاسازی نانومواد به طبیعت خواهد شد. عمدۀ نانومواد (63 تا 91 درصد) بصورت پسماند وارد طبیعت خواهند شد (تخمین زده می‌شود حدود بیش از 300000 تن در سال 2010). باید در نظر داشت که این اعداد شامل پوشش دهنده‌ها، پارچه‌ها و وسایل آرایشی می‌شوند که بسیار پرکاربردتر از موارد تصفیه‌ی آب هستند. به عنوان مثال، یک مطالعه‌ی ارزیابی ریسک احتمالی نشان داد که طبق داده‌های منتشر شده برای پنج نانوماده (Ag، TiO2، ZnO، فولرین و CNTs)، غلظت‌های محیطی این مواد معمولا کمتر از یک دهم غلظت آستانه‌‌ی سمیت است. برای کاربردهای تصفیه‌ی آب، یک مشکل اساسی آلوده‌شدن آب آشامیدنی با نانومواد است که منجر به این می‌شود که انسان‌ها مستقیم در معرض نانومواد قرار بگیرند (شکل 5). پیش‌بینی ریسک رهاشدن نانومواد در آب آشامیدنی چالش‌برانگیز است، زیرا نانومواد به سرعت در محیط‌های آبی تغییر پیدا می‌کنند. ارگانیک‌ها یا گونه‌های حل‌شده که تمایل زیادی به ترکیب با فلزات دارند (برای مثال، فسفات و سولفات) می‌توانند با یون‌های آزاد شده از نانومواد تشکیل کمپلکس داده و در نتیجه سمیت آنها را کاهش دهند. بقیه‌ی نانومواد با مواد ارگانیک پایدار می‌شوند که ممکن است ریسک مواجه شدن کاربران نهایی با آنها را افزایش دهد. در مطالعات دیگر، کلراسیون به علت تشکیل AgCl میزان سمیت را در نانوذرات نقره کاهش داد اما با تشکیل مکان‌های ناقص واکنشی در ساختار کربن، سمیت را در اکسید گرافن افزایش داد. در هر صورت تا امروز سرنوشت نانومواد در سیستم‌های آب آشامیدنی به اندازه‌ی تاثیرات آن در منابع آب طبیعی و فاضلاب‌ها بررسی نشده است و در حال حاضر پیش‌بینی چگونگی واکنش بیولوژیکی آنها در آب‌های آشامیدنی بسیار سخت است.

 

به علاوه، اثرات طولانی مدت در معرض مستقیم نانومواد بودن، مشخص نیست چرا که اطلاعات طولانی مدت در مورد سمیت نانو مواد در دسترس نیست. برای نانوموادی که از مواد فلزی قابل حل تشکیل شده‌اند (مثل Ag یا ZnO) فرم نانومقیاس از فرم یونی آنها خطرناکتر نیست که این مسئله نشان می‌دهد پیامدهای بهداشتی و زیست‌محیطی آنها را می‌توان با نگاهی احتیاط‌آمیز با استفاده از اطلاعات گونه‌ی قابل حل بدست آورد. برای مواد نامحلول یا نانوموادی که فقط به صورت جزئی حل می‌شوند بررسی سرنوشت بیولوژیکی آنها پیچیده‌تر است. مطالعات بر روی جوندگان نشان می‌دهد که بیش از 99 درصد نانومواد مصرف شده دفع می‌گردند و در بدن انباشت نمی‌شوند اما در هر حال مقادیری که انباشت می‌شوند به اندام‌ها منتقل خواهند شد. مطالعات بیشتری نیاز است تا مشخص شود آیا جابجایی نانومواد در بدن بازگشت‌پذیر است یا نه. این مطالعات همچنین برای مشخص کردن اثرات در معرض سطوح نسبتا شدید نانومواد قرار گرفتن نیز مورد نیاز است.

مطالعات جدید برخلاف بدبینی‌های اولیه، تصویری خوشبینانه از آینده نشان می‌دهند. این مطالعات تا زمانی که آزمایشات سمیت نانومواد بطور کامل مشخص شود براوردی از کاربردهای ایمن فناوری نانو در تصفیه‌ی آب به تصویر می‌کشند. تا زمانی که اطلاعات سمیت این مواد بطور کامل بدست آید بهترین راه، محدود کردن رهایی نانومواد از سیستم‌های مهندسی شده‌ی فعال شده بوسیله‌ی فناوری نانو است. برای اینکار پروتکل‌های آزمایشی که می‌توانند میزان این رهایی را بسنجند باید گسترش پیدا کند تا مقدار رهایی نانومواد مشخص شود. سناریوهای رهایی باید رها شدن این ماده در طول استفاده‌ی نرمال و هم در هنگام استفاده‌های مرتبط با فناوری نانو را بررسی کنند و با اینکار می‌توان با استفاده‌ی بهینه از این ماده میزان رهایی نانومواد را کاهش داد.

ریسک در معرض مستقیم قرار گرفتن نانومواد موجود در آب‌های آشامیدنی بسیار با اهمیت است. اما در هر حال در مقیاس کلی‌تر، پیامدهای بزرگتر استفاده از نانومواد برای تصفیه‌ی آب ممکن است رهایی مستقیم آن در آب یا طبیعت نباشد. مطالعات اخیر نشان می‌دهد پیامدهای زیست‌محیطی مرتبط با تولید نانومواد چندبرابر بیشتر از در معرض مستقیم قرار گرفتن آن است. به بیان دیگر، استفاده از انرژی و منابع در طول سنتز نانومواد پیامدهای زیست‌محیطی بزرگتری از سمیت نانومواد دارد (شکل 5). بنابراین توسعه‌ی یک تکنیک طراحی و تولید پایدار باید با جدیت مورد بررسی قرار بگیرد.

 

پایداری و پذیرش اجتماعی
تولید پایدار آب تمیز حرکتی مداوم در ارزیابی و کمینه کردن ریسک‌های موجود در بخش‌های مواد، فرایندها و شبکه‌ها است (شکل 5). همانطور که در بخش‌های قبل بحث شد، بسیاری از این بده‌بستان‌ها در بخش مواد در انتخاب و دوزینگ مواد شیمیایی در فرایندهای تصفیه‌ی آب رخ می‌دهد.

به عنوان مثال، حرکت از ضدعفونی کردن‌های بر پایه‌ی کلر به رهیافت‌های ضدعفونی کننده‌ی فعال شده توسط فناوری‌نانو، ممکن است به علت عدم نیاز به ضدعفونی کردن محصولات جانبی مزایای مثبت بهداشتی داشته باشد. در اینجا ارزیابی چرخه‌ی عمر با در نظر گرفتن تولید و تاثیرات محیطی، ساختاری برای ارزیابی و انتخاب جایگزین‌های شیمیایی پایدار فراهم می‌کند.

پتانسیل فناوری نانو برای حضور در فرآیند تصفیه‌ی آب در مقیاس بزرگ و در حد آبرسانی شبکه‌ای ممکن است بهره‌وری انرژی در تصفیه‌ی آب را بسیار بهبود بخشد، دسترسی به آب امن را افزایش دهد و بهره‌وری زیرساخت‌ها را بالا ببرد. به ویژه با استفادل همزمان از مواد جدید و فرایندها و توانایی‌های حسگری، ممکن است بتوان سیستم‌های تصفیه‌‌ی کوچک را با قیمتی قابل قیاس با سیستم‌های مرکزی وارد بازار کرد. در هر صورت فعال‌کردن مزایای پایدار اینچنینی نیاز به استراتژی‌هایی برای حل ریسک‌های اجرایی و افزایش اعتماد دارد.

استفاده از امکانات تصفیه‌‌ی آب غیرمتمرکز و کوچک مقیاس که با استفاده از فناوری نانو ممکن شده است شاید در کشورهای در حال پیشرفت که سیستم‌های مرکزی به علت کمبودهای مالی، علمی و حکومتی محدود است کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان یک مثال مثبت، مشخص شده است که کار بر روی نانونقره برای کاربردهای تصفیه‌ی آب منجر به کاهش مصرف انرژی، اثر مثبت بر روی گرمایش زمین و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای نسبت به سیستم‌های تصفیه آب متمرکز می‌شود. کارهای دیگری که اخیرا انجام شده است نقش حیاتی بستر فرهنگی و اجتماعی پیشرفت فناوری در امکان‌پذیری تصفیه‌ی آب توسط فناوری نانو را بررسی کرده است.

مدیریت ریسک در بخش مواد و فرایند، بصورت سنتی بر عهده‌ی آژانس‌های مقرراتی و اپراتورهای تصفیه‌ی آب شهری بوده است. فراهم کردن یک سری مقررات مشخص برای ارزیابی فناوری‌های نوظهور شاید یک انتقال سریع از مرحله‌ی محافظه‌کارانه‌ی «پیشگیری از ریسک» به مرحله‌ی «مدیریت ریسک» را ممکن سازد. مدیریت یا تدوین مقرراتی بر پایه‌ی عملکرد شاید استفاده از فناوری نانو در تصفیه‌ی آب را تسهیل و عدم قطعیت‌ها را کم کند.. صد البته، ابهاماتی در مورد اینکه این عدم قطعیت متعلق به «چه کسی» است، چه مقدار عدم قطعیت پذیرفتنی است و ارزیابی ریسک چه کسی بیشتر صحیح است معمولا به صورت موانعی برای پذیرش چارچوب‌های قانونی انعطاف‌پذیر و فناوری‌های جدید وجود دارد.

به نظر می‌رسد استقبال مردم از محصولات متفاوت در چگونگی توسعه‌ی فناوری‌های نانو برای تصفیه‌ی آب تاثیر مستقیم داشته باشد. غلبه بر محدودیت‌های مالی برای پذیرش این فناوری نیاز به این دارد که در توسعه‌ی این فناوری واقعیات اجتماعی-اقتصادی در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه در نظر گرفته شود. به علاوه جلوگیری از بدنام ساختن این فناوری‌های جدید نیازمند ایجاد اعتماد و شفافیت است. اگرچه مصرف کنندگان در زمینه‌های آرایشی و بازار پوشاک استقبال خوبی در ازای کارایی فقط اندکی بهتر این محصولات از خود نشان دادند اما در حوزه‌ی تصفیه‌ی آب احتمالا با نگاه محافظه‌کارانه‌تری به موضوع خواهند نگریست. ترکیبی از فرایندهای برچسب‌دار کردن و مجوزها به احتمال فراوان به ورود پایدار فناوری نانو بدون بدنام کردن و امتناع مصرف کنندگان کمک خواهد کرد.

از آنجا که سیستم‌های موجود آب و فاضلاب در کشورهای توسعه یافته به پایان عصر کارایی و صرفۀ اقتصادی می‌رسند، فرصتی ایجاد شده است که با نوآوری در مواد و فرایندها می‌توان سیستم‌های آبی پایدار و جدیدی را تشکیل داد. درحالی‌که بیشترین بحث‌های آکادمیک بر روی بده‌بستان‌های ریسک-مزایای استفاده از فناوری نانو در صنعت تصفیه‌ی آب، روی سلامتی انسان و محیط زیست است، کمتر از امکان استفاده از نانومواد برای بوجود آوردن طراحی سیستم صحبت به میان آمده است. نوآوری‌های نانومواد در هدف‌گیری آلاینده‌ها، گستره‌ی بزرگی از ضدعفونی کننده‌ها و جداساز‌های غشائی، قابلیت این را دارد تا سیستم‌های کوچک مقیاس با مزایای بزرگ اقتصادی، با بهره‌وری انرژی بالا و مزایای تولیدی فراوان را بتوان با استفاده از این نوآوری‌ها تولید کرد. بنابراین، توسعه‌ی یک چارچوب جامع که مواد، فرایندها و مفاهیم شبکه را شامل می‌شود و اثرات آنها را در نظر می‌گیرد، برای ارزیابی مزایای فناوری نانو در بخش آب بسیار اهمیت دارد.

 

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز
نانومواد فعال و غیرفعال با ترکیبات شیمیایی متفاوت، شکل و بعدهای مختلف در مقیاس آزمایشگاهی مطالعه شدند تا قابلیت آنها برای غیرفعال کردن بیماری‌زاها، نابودی آلودگی‌ها و جداسازی غشائی، چه در یک فرایند و سیستم مستقل و چه به عنوان بهبود دهنده‌ی فناوری‌های موجود بررسی شود. این مطالعات پتانسیل‌های متفاوت و مختلفی را نشان داد و بخش‌های امیدوارکننده‌ای که می‌توان در آینده آن‌ها را توسعه داد در این مطالعات مشخص شد. هرچند عملکرد و پایداری فرایندهای گزارش شده، بیشتر از فناوری‌های سنتی نبوده، استفاده از نانومواد به عنوان عناصر سازنده‌ی نانوساختارهایی با پیچیدگی‌های هندسی و/یا ترکیبی، ممکن است بعضی از کمبودهای استفاده از تک نانومواد را برطرف کند و در نتیجه منجر به بهبود عملکرد فرایند، پایداری و تطبیق‌پذیری شود. در هر صورت بکارگیری موفقیت آمیز نانومواد منفرد یا نانوساختارهای سلسله مراتبی بر روی سیستم‌های مهندسی شده‌‌ی عملگرا همچنان اصلی‌ترین چالش است.

پیشرفت‌ها در ابزارهای فعال شده توسط فناوری نانو برای غلبه بر چالش جهانی آب ممکن است با بکار بردن طراحی‌های مولکولی و پایین به بالا برای تولید نانوسیستم‌های پیچیده، به سرانجام برسد. چنین سیستم‌هایی که در مقیاس مولکولی طراحی شده‌اند بر محدودیت‌های رهیافت‌های کنونی که نانومواد حال حاضر با آن دست بگریبانند غلبه خواهند کرد. به عنوان مثال بکارگیری نانولوله‌های کربنی یا صفحات اکسید گرافن در یک ماتریکس برای تولید غشاء‌های پربازده نمک‌زدا، به علت نقص ذاتی در مرز بین نانومواد و ماتریکس بسیار مشکل است. طراحی سطح مولکولی غشاء‌های نانومتخلخل با نانوکانال‌های یکدست (به عنوان مثال از راه خودسامانی مولکول‌های کوچک) می‌تواند این مشکل را برطرف کند. در هر صورت برای رسیدن به این هدف نیاز اساسی به گسترش یک روش تولید پایدار برای افزایش مقیاس طراحی‌های مولکولی احساس می‌شود تا سیستم‌های مهندسی بتوانند از این طراحی‌ها استفاده کنند.

استفاده از نانومواد در فناوری‌های تصفیه‌ی آب، ریسک در معرض نانوموادقرار گرفتن را از طریق شغل، محیط زیست و آب آشامیدنی افزایش می‌دهد. در مطالعات آینده باید این مسئله مورد ارزیابی قرار بگیرد که چگونه استفاده از نانومواد می‌تواند با توجه به اثرات جانبی تولیدی آنها در نهایت مفید واقع شود. به علاوه با در نظر گرفتن عدم قطعیت زیادی که در ارزیابی ریسک نانومواد وجود دارد، گسترش امن و پایدار تصفیه‌ بر اساس فناوری نانو باید شامل استراتژی‌هایی برای محدود کردن رهایی نانومواد در کنار نظارت بر رهایی نانومواد در آب باشد. بهینه کردن مصرف نانومواد برای کمینه کردن مصرف آن با کم کردن هزینه‌های زیست محیطی که برای تولید و مصرف آن پرداخت می‌شود بسیار کارساز خواهد بود.

برای استفاده از فناوری نانو در تصفیه‌ی آب، نیاز به همگام سازی بین پیشرفت های فنی و فرآیندی با پیشرفت‌ها در پایداری و سازوکارهای مقرراتی احساس می‌شود. همچنین ضرورت دارد که این اختراعات برای کشورهای در حال توسعه نیز قابل استفاده باشند، چرا که تولید نانومواد در آنجا ممکن است متفاوت باشد. همچنین نیاز به یک ارزیابی سیستماتیک از فرایندها وجود دارد. در نهایت پژوهش‌هایی برای اندازه‌گیری دستاوردهای پایدار مرتبط با تصفیه کننده‌های قابل حمل باید انجام شود. درحالیکه سیستم‌های تصفیه‌ی قابل حمل ممکن است مزایای تکنیکی و پایداری زیادی داشته باشند اما در عین حال ممکن است که روند مقرراتی را پیچیده‌تر کنند. پژوهش‌های آینده بر روی استفاده از فرایندهای فعال شده توسط فناوری نانو باید بر روی پلتفرم‌هایی تمرکز کند که قابل استفاده بودن، قابل اعتماد بودن و واضح بودن مسئولیت را بهتر می‌کند، زیرا زمینه‌های اجتماعی، فرهنگی و مقرراتی که این سیستم‌ها احتمالا بکار گرفته خواهند شد بسیار متفاوت و متنوع خواهد بود.

 

منبع:


The role of nanotechnology in tackling global water challenges, Meagan S. Mauter, Ines Zucker, François Perreault, Jay R. Werber, Jae-Hong Kim & Menachem Elimelech, Nature Sustainability,166, VOL 1, APRIL 2018, 166-175.