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

فرصت‌های نو‌ظهور در حوزه فناوری نانو برای بهبود امنیت آب

افراد مقاله : ‌ مترجم - امیر آذرنیا

موضوع : آموزش و ترویج کلمات کلیدی : آب - تصفیه آب تاریخ مقاله : 1398/01/09 تعداد بازدید : 388

هیچ منبع دیگری به اندازه آب برای بقای زندگی ضروری نیست، و فراهم‌کردن آن به‌صورت امن، مطمئن و اقتصادی در سطح جهان، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های قرن بیست و یکم است. در این مقاله، فرصت‌ها و رویکرد‌های جدید در جهت به‌کار‌گیری فناوری نانو برای بهبود بازده و مقرون‌به‌صرفه بودن فرایند‌های تصفیه آب و استفاده مجدد از پساب مورد توجه قرار می‌گیرد. موانع بالقوه توسعه و پیاده‌سازی آن‌ها به‌همراه نیاز‌های پژوهشی برای غلبه بر آن‌ها و بهبود امنیت آب توصیف می‌شود.

 

مقدمه
اهمیت آب پاک برای سلامت جهانی و توسعه اقتصادی بر کسی پوشیده نیست. با رشد روز‌افزون جمعیت، فراهم‌ساختن اقتصادی و امن آب در سطح جهانی چالش بسیار بزرگی است که نیاز به آن به‌شدت در حال افزایش است. کمبود آب سالم با تغییرات آب و هوا، خشکسالی‌های مداوم و پیش‌روی شوری در مناطق ساحلی، و نیز آلودگی آب‌ها شدت گرفته و تصفیه آب رفته‌رفته پیچیده‌تر، سخت‌تر و پرهزینه‌تر شده است. در حال حاضر، بیش از 650 میلیون انسان در سراسر جهان دسترسی به آب سالم و ایمن ندارند و در هر دو دقیقه یک کودک زیر پنج سال به دلیل بیماری‌های اسهالی قابل‌پیشگیری ناشی از کیفیت پایین آب و بهداشت ناکافی جان خود را از دست می‌دهد.

سلامت عمومی و محیط‌زیست توسط انواع گسترده‌ای از آلاینده‌های آب شامل آلاینده‌های با منشأ طبیعی و مواد شیمیایی سنتزی تهدید می‌شود. آلاینده‌های طبیعی متداول عبارتند از ریز‌اندامگان‌ها[1] و سیانوتوکسین‌های[2] بیماری‌زای تولید‌شده توسط توده‌های جلبک، و نیز فلزات و شبه‌فلزات سنگین زمین‌زاد مانند آرسنیک که می‌توان آن‌ها را با استفاده از چند فرایند‌ ابتدایی تصفیه آب از قبیل فیلتراسیون/ضد‌عفونی و رسوب‌دهی از بین برد (شکل 1). سیستم‌های تصفیه پیشرفته‌تری نیز با هدف حذف ترجیحی آلاینده‌هایی که به‌سادگی توسط حواس ا قابل‌تشخیص نبوده اما قادر به ایجاد سمیت مزمن، از اختلال باروری گرفته تا سرطان می‌باشد، طراحی شده است. این آلاینده‌ها شامل آفت‌کش‌ها، ترکیبات آلی فرار مانند حلال‌های صنعتی و آلاینده‌های نوظهور از قبیل فرآورده‌های دارویی و محصولات بهداشت شخصی است که باعث اختلال در سیستم‌های غدد درون‌ریز یا دیگر اثرات مخرب می‌شود.

آلاینده‌های اولویت‌دار و نو‌ظهور به میزانی که سلامت عمومی یا اکوسیستم را به مخاطره بیاندازد، اغلب در منابع آب آشامیدنی، پساب کارخانه‌های تصفیه فاضلاب، و آب‌های طبیعی قابل شناسایی است. این واقعیت مؤید نیاز روز‌افزون به نوآوری فناورانه و احیای ظرفیت‌های موجود در زیرساخت تصفیه موثر آب است. برای مثال، باکتری‌های مقاوم به چندین داروی آنتی‌بیوتیک موسوم به ابر‌باکتری‌ها[6] در تاسیسات تصفیه فاضلاب تولید مثل کرده و تکثیر و انتشار می‌یابند. مروری بر مقاومت ضد‌میکروبی (راه‌اندازی‌شده توسط دیوید کمرون[7]، نخست‌وزیر بریتانیا، در سال 2014 میلادی) حاکی از آن است که تا سال 2050 میلادی، ابر‌باکتری‌ها سالانه جان 10 میلیون انسان را گرفته و صد‌ها میلیارد دلار در زمینه خدمات بهداشتی-درمانی و کاهش بهره‌وری به اقتصاد جهانی خسارت وارد می‌آورد. بهبود تصفیه آب و کنترل آلودگی نه تنها موجب کاهش قابل‌توجه در هزینه‌های خدمات بهداشتی-درمانی و تعدیل در کاهش بهره‌وری می‌شود، بلکه به توسعه اقتصادی و توانمند‌سازی اجتماعی- اقتصادی جامعه نیز کمک می‌کند (شکل 1). نوآوری فناورانه نیز برای سبک‌کردن بار مالی نگهداری و استهلاک تجهیزات تصفیه آب آشامیدنی و پساب بسیار حائز اهمیت است.

علاوه بر دستورالعمل‌های قانونی برای کنترل آلودگی آب و مشوق‌های اقتصادی برای دسترسی مطمئن و ارزان به آب سالم، نیاز روز‌افزونی به فرایند‌های نمک‌زدایی اقتصادی‌تر و استفاده مجدد از پساب احساس می‌شود. این امر امکان استفاده از طیف وسیع‌تری از منابع متداول آب مانند آب شور، آب دریا، پساب و سیلاب‌ها را فراهم کرده و امنیت آب را بهبود می‌بخشد. شایان ذکر است که امنیت آب، طبق تعریف سازمان ملل، به صورت «توانایی دسترسی پایدار و تضمین‌شده یک جمعیت به مقادیر کافی آب با کیفیت قابل‌قبول برای حفظ معیشت، رفاه انسانی، توسعه اجتماعی-اقتصادی، حفاظت مطمئن در برابر آلودگی ناشی از آب و فجایع مرتبط با آن، و پاسداری از اکوسیستم‌ها در فضای آرام و پایدار سیاسی» تعریف می‌شود.

در قرن بیست و یکم، حوزه آب شاهد فراهم‌آمدن فرصت‌های جدید و جذاب در ارتباط با فناوری نانو بوده است. فناوری نانو قادر است از طریق کنترل اندازه، مورفولوژی و ساختار شیمیایی، مواد جدیدی با خواص کاتالیستی، جذب سطحی، نوری، کوانتومی، الکتریکی و یا ضد‌میکروبی منحصر‌به‌فرد برای استفاده در سیستم‌های تصفیه آب عرضه کند که باعث بهبود بازده و کاهش هزینه فرایند گردد. اگرچه احتمالا فناوری نانو حلال تمامی مسائل مرتبط با تصفیه آب نیست، اما نانومواد مهندسی‌شده به توسعه نسل جدید سیستم‌های چند‌کاره و گسترده تصفیه آب با اندازه نسبتا کوچک و استقرار آسان، کمک کرده و در عین حال، آلودگی آب، اتلاف آب و انرژی مورد‌نیاز برای تامین آب تا فواصل طولانی از طریق سیستم‌های توزیع بزرگ و تراوا را کاهش می‌دهد. همچنین، سیستم‌های گسترده تصفیه آب مبتنی بر فناوری نانو دارای ظرفیت و انعطاف‌پذیری بالایی برای تصفیه آب‌های چالش‌برانگیز است که متعاقبا نیازمند استفاده از زنجیره‌های بزرگ و پیچیده تصفیه می‌باشد.

علاوه بر این، نانومواد مهندسی‌شده ترکیب مراحل چندگانه تصفیه شامل جذب سطحی، تخریب کاتالیستی و ضدعفونی کردن را در مواد پیشرفته چند‌عاملی که مجموعه وسیعی از آلاینده‌ها را به‌طور همزمان مورد هدف قرار می‌دهند، تسهیل می‌کند و این در حالی است که هر کدام از این آلاینده‌ها به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت نیازمند استفاده از فرایند‌های حذف متفاوتی هستند. ساده‌سازی زنجیره تصفیه، کاهش جاگیری تجهیزات آن و بهبود بازده تصفیه موارد حائز اهمیتی هستند. همچنین، فناوری نانو می‌تواند به اصلاح فناوری‌های سنتی با مصرف انرژی، مواد شیمیایی و زیرساخت فراون که در حال حاضر برای تصفیه آب شهری با کمترین میزان امنیت مود استفاده قرار می‌گیرند، کمک کند (شکل 1). حرکت به سمت استفاده از فرایند‌های فیزیکی و کاتالیستی پیشرفته‌تر، هزینه‌های مربوط به مقتضیات انرژی و مدیریت پسماند را کاهش می‌دهد. در نهایت، نانومواد مهندسی‌شده می‌تواند سیستم‌های تصفیه آب را به قابلیت بی‌سابقه انتخاب‌پذیری در رفع آلاینده‌های ویژه مجهز کرده و در راستای متناسب‌شدن کیفیت آب تصفیه‌شده برای کاربرد مورد‌انتظار (برای مثال، استفاده خانگی شامل آشامیدن، آبیاری مناظر طبیعی یا سرمایش صنعتی) مفید باشد. این «تصفیه متناسب با کاربرد مورد‌نظر» از هدر‌رفت ظرفیت تصفیه برای حذف اجزای آلاینده غیر‌ضروری جلوگیری به عمل آورده و از این طریق موجب کاهش هزینه‌های تصفیه می‌شود.

در حالت کلی، تصفیه آب و پساب بر پایه فناوری نانو باید هنگامی در نظر گرفته شود که: (الف) فناوری‌های موجود نتواند الزامات استاندارد‌های حال یا آینده مربوط به کیفیت آب را بر‌آورده کند، (ب) بتواند تصفیه آب را مقرون‌به‌صرفه‌تر کند (مثلا با حذف سریع‌تر آلاینده‌ها با صرف انرژی و مواد کمتر) و یا (ج) سیستم‌های تصفیه چند‌کاره با کارایی‌بالاتر و جاگیری کوچک‌تر (مثلا در محل مصرف یا در مصارف خانگی) مورد‌نیاز باشد. در اینجا، فرصت‌های نو‌ظهور و رویکرد‌های پایدار برای کاربرد نانومواد ‌مهندسی‌شده در تصفیه و استفاده مجدد از آب مورد ملاحظه قرار می‌گیرد. فرصت‌های مناسب بالقوه و موانع توسعه و پیاده‌سازی آن‌ها همراه با نیاز‌های پژوهشی در راستای غلبه بر این موانع مورد بحث قرار می‌گیرد.

 

فرصت‌های پیش‌ روی فناوری نانو در تصفیه آب
برخی از خواص نانومواد مهندسی‌شده را می‌توان با هدف بهبود فرایند‌های مختلف تصفیه آب دست‌کاری کرد. برای نمونه می‌توان به موارد زیر اشاره نمود: (الف) طراحی فوتوکاتالیست‌های نانوساختار با شیمی سطح، انرژی لبه باند رسانش یا ظرفیت و شکاف انرژی مناسب به‌طوری که قادر به ایجاد پیوند به‌صورت انتخابی با آلاینده‌های مورد‌نظر و تخریب آن‌ها با استفاده از نور خورشید گردند (اگرچه کاربرد عملی آن نیازمند افزایش بازده کوانتومی و پایداری کاتالیست و در عین حال کاهش هزینه‌های مواد مورد‌استفاده است) ؛ (ب) استفاده از نانوساختار‌های کربنی با رسانایی الکترونی بالا و ساختار متخلخل سلسله‌مراتبی به عنوان الکترود برای یون‌زدایی خازنی/جذب الکتریکی به منظور بهبود عملکرد نمک‌زدایی؛ (ج) مهندسی‌کردن مورفولوژی و مساحت سطح الکترود‌ها از طریق استفاده از آرایه‌هایی از نانولوله‌ها یا ساختار‌های ماکرو‌متخلخل سه‌بعدی به منظور بهبود سینتیک و انتقال جرم در اکسایش الکتروشیمیایی؛ و (د) کنترل اندازه نانوذرات مغناطیسی با هدف بهبود خاصیت ابرپارامغناطیس برای جداسازی و بازیابی کم‌انرژی با استفاده از آهنربا‌. هم فرایند‌های موجود و هم فرایند‌های نسل جدید تصفیه آب را می‌توان با استفاده از فناوری نانو ارتقا داد که در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرد.

 

بهبود فرایند‌های تصفیه موجود
فناوری نانو فرصت‌های جدیدی را برای بهبود فرایند‌های تصفیه آب ابتدائی و پیشرفته فراهم کرده است (شکل). برای نمونه، فیلتراسیون آب از طریق بستر‌های شنی به عنوان رویکردی مقرون‌به‌صرفه برای پاک‌سازی کلوئید‌ها و دیگر مواد جامد سوسپانسیونی (شامل باکتری‌ها) در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، این فرایند قادر به زدودن فلزات و شبه‌فلزات سمی محلول مانند آرسنیک نیست. یک رویکرد ساده برای غلبه بر این محدودیت، پوشش‌دهی شن با ذرات نانومتری مگنتیت (Fe3O4) است که ظرفیت جذب آرسنیک سه و پنج ظرفیتی را افزایش داده و جداسازی مغناطیسی موثر ذرات ریز مگنتیت را که طی فرایند فیلتر‌کردن یا بازتولید حذف می‌شوند، تسهیل می‌کند. به‌طور مشابه، مواد جاذب از قبیل کربن فعال که عموما برای حذف آلاینده‌های آلی با مقادیر بسیار اندک به کار می‌روند، برای زدودن آلاینده‌های آلی قطبی (از قبیل فرآورده‌های دارویی و رنگ‌های نساجی) و (اکسی) آنیون‌ها (مانند آنیون‌های آرسنیک) ناکارآمد هستند. با این حال، افزودن نانوجاذب‌های گزینشی در مقادیر کم به محیط متداول جذب می‌تواند عملکرد آن را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای بهبود داده و قابلیت حذف طیف وسیع‌تری از آلاینده‌ها را فراهم نماید.

فرایند اکسایش فوتوکاتالیستی آلاینده‌های آلی اولویت‌دار، فرایند دیگری است که می‌توان آن را با استفاده از فناوری نانو ارتقا بخشید. این فرایند اکسایش پیشرفته که مکمل مرحله ضد‌عفونی نیز می‌باشد، دارای یک محدودیت عمده است. این محدودیت عبارت است از ناکارآمدی در استفاده از گونه‌های فعال اکسیژن (از قبیل رادیکال‌های هیدروکسیل، سوپراکسید و اکسیژن منفرد) که در طی فرایند فوتوکاتالیستی تولید می‌شوند. این گونه‌های فعال اکسیژن به سرعت توسط اجزای غیر‌هدف آب مانند مواد آلی طبیعی زدوده می‌شود. نانوکاتالیست‌های مهندسی‌شده می‌توانند قابلیت انتخاب‌پذیری فرایند تصفیه و بازده استفاده از گونه‌های فعال اکسیژن را از طریق جاذبه الکترواستاتیکی میکرو‌ارگانیسم‌های بیماری‌زا (همانند آنچه در مورد آمینوفلورین‌ها نشان داده شده) یا جذب آلاینده‌های آلی هدف در نزدیکی مناطق فوتوکاتالیستی (همانند آنچه در مورد داربست‌های پلیمری فوتوکاتالیستی نشان داده شده) ، به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش دهند. جذب انتخابی آلاینده‌ها بر روی مواد فوتوکاتالیست می‌تواند توسط نانوذرات مهندسی‌شده دارای وجوه بلوری با اندیس بالا و یا با استفاده از روش‌های اصلاح سطح انجام شود.

هچنین، به کمک فناوری نانو می‌توان فرایند‌های جداسازی غشایی برای تخلیص و نمک‌زدایی آب را بهبود بخشید. یکی از رویکرد‌های مبتنی بر فناوری نانو، وارد‌کردن نانومواد کاتالیستی به داخل لایه انتخابی غشا به منظور تخریب آلاینده‌های سطحی آلی با تابش نور مرئی یا اعمال ولتاژ است که موجب کاهش آلودگی آلی می‌گردد. علاوه‌بر‌این، این نانوذرات تر‌شوندگی سطحی غشا‌ها را اصلاح کرده و انرژی سطحی آن‌ها را متناسب با کاربرد‌های جدید تغییر می‌دهند. برای مثال، پوشش‌دهی سطح غشا‌های میکرو‌متخلخل آب‌گریز با نانوذرات برای تشکیل ساختاری با برجستگی‌های نانومتری که دوباره به سمت داخل تقعر پیدا کرده‌اند (ساختاری نانومتری با نسبت بخش جامد به هوای بالاتر) ، آن را به یک سطح آب و روغن‌گریز[8] تبدیل می‌کند (شکل 2-الف). این سطوح مایع‌گریز در برابر تر‌شدن توسط آب و آلاینده‌هایی با تنش سطحی پایین مانند روغن و مواد فعال سطحی مقاومت می‌کنند و لذا می‌توان از آن‌ها برای تصفیه پساب با درجه شوری بالا (مانند آب حاصل از فرایند‌های استخراج نفت و گاز) با استفاده از روش تقطیر غشایی[9] به کار گرفت.


بهره‌برداری از فرایند‌های تصفیه نسل جدید
 ارتقای امنیت آب مستلزم تطبیق‌پذیری بی‌سابقه روش‌های تصفیه به‌منظور بهره‌برداری از منابع غیر‌متداول آب با کیفیت و نرخ جریان متغیر (مانند سیلاب‌ها، شورابه‌های سطحی، آب اکستری یا آب دریا) و نیز انعطاف‌پذیری در انطباق اهداف مختلف تصفیه آب برای کاربرد‌های متنوع مورد‌نظر است. سیستم‌های تصفیه آب نسل جدید احتمالا دارای واحد‌های تعویض‌پذیر با سازگاری و بازده بالا برای حذف آلاینده‌های اولویت‌دار خواهد بود. چندین فناوری و مواد مبتنی بر فناوری نانو بایستی در این واحد‌ها با هم تلفیق شوند که عبارتند از جاذب‌های انتخابی، فرایند‌های خورشیدی-حرارتی مبتنی بر نانوفوتونیک به‌منظور نمک‌زدایی از آب با روش تقطیر غشایی، غشا‌های مقاوم به آلودگی سطحی حاوی نانوذرات مهندسی‌شده که امکان خودتمیز‌شوندگی و خود‌ترمیمی را فراهم می‌کند، یون‌زدایی خازنی با الکترود‌های انتخابی با رسانش بالا برای حذف یون‌های چند‌ظرفیتی که رسوب کرده یا باعث پوسته پوسته شدن غشا می‌شوند، جداسازی مغناطیسی سریع فلزات سنگین و آلاینده‌های غیر‌آلی دیگر با استفاده از نانوذرات مغناطیسی، سطوح نانوساختار که چسبندگی میکروبی را کاهش داده و از زیرلایه در برابر آلودگی طیستی و خوردگی حفاظت می‌کند، و حسگر‌هایی که عملکرد سیستم تصفیه را ارزیابی کرده و در صورتی که میزان آلاینده‌ها از حد مجاز فرا‌تر رود، شروع به اعلام خطر می‌کنند. نمونه‌هایی از این نوآوری‌ها در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرد.

·        غشا‌های مقاوم به رسوب آلاینده‌ها و با انتخاب‌پذیری بالا

رسوب آلاینده‌ها مهمترین مانع در برابر عملکرد موثر سیستم‌های غشایی است. این امر باعث افزایش مصرف انرژی، الزام به استفاده از مواد شیمیایی برای تمیز کردن آن، کاهش عمر مفید غشا و محدود شدن بازیابی آب طی فرایند‌های نمک‌زدایی می‌شود. آلودگی غشایی دارای انواع مختلفی است که عمدتا شامل رسوب آلی، رسوب زیستی و پوسته‌‌ای‌شدن مواد غیرآلی توسط نمک‌های با حلالیت جزئی می‌باشد. به منظور کنترل آلودگی غشایی می‌توان از برخی از خواص منحصربه‌فرد نانومواد مانند واکنش‌پذیری، آب‌دوستی و اندازه ذرات کوچک استفاده کرد.

غشا‌های مورد‌استفاده در نمک‌زدایی و تصفیه آب نسبتا آب‌گریز هستند و لذا تمایل به آلودگی از طریق جذب مواد آلی دارند که این امر باعث اختلال جدی در عملکرد سیستم می‌شود. پیوستن نانوذرات ابر‌آب‌دوست به سطح غشا‌های نمک‌زدایی پلی‌آمید یا غشا‌های فراپالایش[10] پلی‌وینیلیدن فلوئوراید با ایجاد یک لایه هیدراته ضخیم و مقاوم در برابر جذب آلاینده‌های آلی، رسوب آلی را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد. با این حال، مطالعات اخیر نشان می‌دهد که پیوند‌زدن[11] یک لایه نانومتری دندانه‌دار از جنس پلیمر‌های دارای یون‌های دو‌قطبی[12] به لایه انتخابی پلی‌آمیدی غشا‌های نمک‌زدایی، نسبت به غشا‌های اصلاح‌شده با نانوذرات ابر‌آب‌دوست مقاومت بالاتری در برابر رسوب آلی ایجاد می‌کند. به‌طور مشابه، افزودن کوپلیمر‌های بلوکی دوگانه‌دوست[13] طی تولید غشا‌های فراپالایشی با استفاده از فرایند وارونگی فازی[14] منجر به جدایش خود‌به‌خودی بخش آب‌دوست کوپلیمر بلوکی بر روی سطح غشا و درون حفرات نانومتری آن شده و در نتیجه باعث تضعیف مقاومت آن در برابر رسوب آلی می‌گردد. در هر دو مورد بیان‌شده، لایه‌های دندانه‌دار یکنواخت و متراکم از جنس پلیمر آب‌دوست در مقایسه با سطوح پوشش‌‌دهی‌شده با نانوذرات دارای مقاومت بالاتری در برابر رسوب آلی می‌باشد. از نانومواد مهندسی‌شده مختلفی می‌توان برای کنترل رشد زیست‌لایه (یا زیست‌آلودگی[15]) به‌عنوان یک عامل محدود‌کننده متداول در سیستم‌های غشایی استفاده کرد. از آنجایی که لایه انتخابی پلی‌آمیدی حساسیت بالایی به اکسیدان‌های مورد ‌استفاده در کنترل زیست‌آلودگی (مانند کلر آزاد) دارد، کنترل رسوب زیستی به ویژه در مورد غشا‌های نمک‌زدایی پلی‌امیدی بسیار حائز اهمیت است. یک رویکرد برای کنترل رسوب زیستی عبارت از ایجاد پیوند یا تشکیل در‌جای[16] نانوذرات نقره یا مس بر روی سطح غشای پلی‌آمیدی است. رهایش آهسته و پیوسته یون‌های نقره یا مس منجر به غیر‌فعال‌شدن باکتری‌های چسبیده به غشا شده و سرعت رسوب زیستی را کاهش می‌دهد (شکل 2-ب). عامل کلیدی در موفقیت این رویکرد در طولانی‌مدت، توانایی آن در باز‌تولید متناوب نانوذرات کشنده پس از انحلال و تخلیه آن‌ها از سیستم است.

رویکرد‌ دیگر برای کنترل رسوب زیستی شامل پیوند سطحی میان نانوساختار‌ها و نانومواد غیر‌قابل‌مصرف و سطح غشا به‌منظور غیر‌فعال‌سازی باکتری‌ها از طریق تماس مستقیم می‌باشد (شکل 2-ب). مطالعات اخیر نشان می‌دهد که نانوصفحات اکسید گرافن در غیر‌فعال‌کردن باکتری‌ها طی تماس مستقیم بسیار موثر عمل می‌کنند. کاربرد این روش برای غشا‌های نمک‌زدایی پایه پلی‌آمید نشان‌دهنده غیر‌فعال‌سازی قابل‌توجه باکتری‌های موجود بر روی سطح غشا بدون ایجاد هرگونه تاثیر مخرب روی قابلیت تراوایی آب و دفع نمک غشا‌هاست.

مقاومت پایدار و طولانی‌مدت در برابر زیست‌آلودگی توسط نانومواد غیر‌قابل‌مصرف که از طریق تماس مستقیم با باکتری‌ها عمل می‌کنند، کلید موفقیت در کنترل رسوب زیستی است. نانومواد مهندسی‌شده واقع بر سطح غشا احتمالا در طولانی‌مدت با باکتری‌های مرده و مواد آلی پوشیده می‌شوند و لذا عملکرد ضد‌میکروبی آن‌ها کاهش می‌یابد. ترکیب نانوصفحات اکسید گرافن با نانوذرات نقره و تشکیل نانوکامپوزیت‌های اکسید گرافن-نقره، غیر‌فعال‌سازی باکتری‌ها توسط نانوصفحات اکسید گرافن و یون‌های نقره را که درون رسوبات آلی واقع بر سطح غشا نفوذ می‌کنند، تضمین می‌کند (شکل 2-ب).

با استفاده از غشا‌های نمک‌زدایی مبتنی بر فناوری نانو با انتخاب‌پذیری بسیار بالا می‌توان نمک‌زدایی آب دریا و استفاده مجدد از پساب را با حذف مولکول‌های کوچکی که توسط غشا‌های پلی‌آمید متداول به‌طور کامل دفع نمی‌شوند (مانند بور و 1و4- دی اکسان) ، به‌صورت چشمگیری بهبود بخشید. برای نیل به این هدف، نیاز به ایجاد الگو‌های جدیدی برای طراحی غشا به‌منظور غلبه بر توازن میان تراوایی و انتخاب‌پذیری غشا‌های موجود احساس می‌شود (شکل 2-ج). غشا‌های نوین که حاوی آکواپورین[17] یا نانولوله‌های کربنی تک‌جداره با قطر اندک (شکل 2-د) در لایه انتخابی خود هستند، توانایی بسیار بالایی در دفع مولکول‌های کوچک دارند و این در حالی است که خاصیت تراوایی آب بالای آن‌ها حفظ می‌شود. با این حال، چالش عمده غشا‌های نمک‌زدایی نسل جدید، تولید آن‌ها در مقیاس انبوه و عاری از عیوب ساختاری است.

·        مواد چند‌عاملی برای حذف انتخابی آلاینده‌های اولویت‌‌دار

تصفیه چند‌منظوره با استفاده از ترکیب مواد جاذب با ظرفیت بالا، مواد مغناطیسی و مواد فوتوکاتالیستی قابل‌‌انجام است (شکل 3). برای نمونه می‌توان به مفهوم «طعمه-قلاب-شکار[18]» برای جذب انتخابی و پیش‌تغلیظ[19] آلاینده‌های اولویت‌دار بر روی سطح ماده فوتوکاتالیست (یا زیرلایه تثبیت‌شده آن) به‌منظور تخریب موثر‌تر آن‌ها اشاره کرد (شکل 3-الف). علاوه بر اکسید‌کردن آلاینده‌های آلی یا تجزیه آن‌ها به محصولات جانبی زیست‌تخریب‌پذیر‌تر، مواد فوتوکاتالیست به‌عنوان کاتالیزور فرایند تبدیل گونه‌های نامطلوب اکسی‌آنیون‌ (مانند کروم شش‌ظرفیتی، نیترات و سلنات) به گونه‌هایی با سمیت کمتر را از طریق واکنش‌های کاهش به‌کمک نور[20] عمل می‌کنند.

مثال دیگری در این زمینه عبارت است از استفاده از نانوذرات ابر‌پارامغناطیس (شکل 3-ب) که با مناطق جذب انتخابی و عوامل کاتالیستی یا ضد‌میکروبی (شامل باکتری‌خوار‌ها[21]) به‌منظور تصفیه چند‌منظوره آرایش یافته‌اند. برای بازیابی و استفاده مجدد از نانوذرات از روش جدایش کم‌انرژی با اعمال آهنر‌با استفاده می‌شود. نانوذرات مهندسی‌شده مغناطیسی بر‌پایه آهن در طیف وسیعی از کاربرد‌ها، از حذف آلاینده‌ها از پساب صنعتی گرفته تا تصفیه آب آشامیدنی، مورد‌استفاده قرار می گیرد. با این حال، انحلال آهن مستلزم اضافه‌کردن مجدد و متناوب نانوذرات ابر‌پارامغناطیس به داخل سیستم است.

از مواد جاذب با ظرفیت بالا (شکل 3-ج) و عامل‌دار‌شده با نانوذرات مهندسی می‌توان برای حذف اکسی‌آنیون‌های آرسنیک، سلنیم و کروم طی تصفیه آب آشامیدنی برای کاربرد‌های خانگی و خارج از شبکه تصفیه شهری استفاده کرد. قابلیت انتخاب‌پذیری این سیستم را می‌توان با دست‌کاری خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات مهندسی‌شده (مانند آب‌دوستی و بار سطحی) ایجاد کرد. با کنترل اندازه، ساختار و حتی وجوه کریستالی نانوذرات طی سنتز آن‌ها می‌توان واکنش‌پذیری و سینتیک واکنش آن‌ها را برای حذف آلاینده‌های مختلف تنظیم کرد.

·        نمک‌زدایی کم‌انرژی (مبتنی بر نور خورشید)

جدید‌ترین پیشرفت قابل‌توجه در زمینه تصفیه آب با استفاده از فناوری نانو عبارت است از استفاده از فرایند تقطیر مستقیم آب بر مبنای تبخیر آن به‌کمک نور خورشید (شکل 4). در واقع، فرایند تقطیر متداول رویکردی جذاب برای نمک‌زدایی و تولید آب با خلوص بالاست؛ با این حال، نیاز به انرژی زیاد برای گرم‌کردن تمامی آب ورودی تا دما‌ی تبخیر با استفاده از منابع متداول گرمایش، کاربرد عملی آن را محدود می‌سازد. از آنجایی که جذب و پراکنش[23] نور توسط نانوذرات (شکل 4-الف و ب) یا محیط جامد نانوساختار (شکل 4-ج) می‌تواند منجر به گرمایش نور‌گرمایی[24] بسیار متمرکز در سیالات شود، رویکرد جدیدی برای تامین انرژی لازم برای فرایند تقطیر به شمار می‌آید. بر خلاف فرایند تقطیر متداول، در مورد تبخیر خورشیدی، تنها سیالی که در طول مسیر نور پراشیده از ذرات یا نانوذرات مهندسی‌شده معلق قرار دارد تا دمای مورد‌نیاز تبخیر گرم می‌شود. پیش‌نیاز اصلی این امر عبارت است از توانایی جذب طول‌موج‌های نوری که دربر‌گیرنده بخش اعظم طیف نور مرئی یا فرو‌سرخ بوده و در نتیجه، منجر به کوپل موثر انرژی الکترومغناطیسی منتشر‌شده از خورشید در ناحیه متراکمی از فضا گردد. در مورد نانوذرات، تبخیر نور‌گرمایی سیال توسط نور خورشید به میزان نور محبوس‌شده طی جذب و پراکنش چندین‌باره آن در درون سیال بستگی دارد (شکل 4-ب). در مورد نانوذرات مهندسی‌شده از قبیل گرافن لایه‌لایه‌شده[25] (شکل 4-ج) یا نانوحفرات عامل‌دار‌شده با نانوذرات (شکل 4-ج) ، ناحیه جذب‌کننده نور معمولا توسط ناحیه‌ای با رسانایی حرارتی پایین (از نظر هندسی به‌صورت دولایه) و یا توسط ناحیه جاذب نور واقع بر روی وجه درخشان ماده، از بقیه حجم سیال جدا شده است. برای ذرات و محیط‌های مختلفی که برای نشان‌دادن این اثر مورد‌استفاده قرار گرفته‌اند، نتایج بسیار مشابهی به‌دست آمده است: ایجاد یک اثر گرمایش بزرگ با گرادیان دمایی باریک میان سیال گرم‌شده و بقیه حجم سیال. از آنجایی که از نظر ترمودینامیکی هیچ محدودیتی روی مقدار نور قابل‌جذب توسط یک ذره یا ماده وجود ندارد، بیش از 99 درصد انرژی نور ورودی می‌تواند به‌طور مستقیم برای تولید گرما مورد‌استفاده قرار گیرد.

یکی از چالش‌های اصلی در این زمینه توسعه هندسه‌هایی است که نیروی حاصل از این رویکرد را کنترل کند. در تحقیقات آزمایشگاهی اولیه مستقیما از تبخیر خورشیدی برای تولید بخار آب در فصل‌مشترک مایع-هوا استفاده شده است که در آن ماده فعال به‌صورت شناور بوده (شکل 4-ه) یا توسط پایه‌های شناور به‌صورت معلق قرار گرفته است. با آنکه در این رویکرد امکان درخشش موثر فراهم است، اما جریان بخار می‌تواند بازده فرایند تقطیر را از طریق تداخل با باریکه نور متمرکز و تحدید هندسه دستگاه تقطیر محدود نماید. می‌توان با به‌کار‌گیری تبخیر خورشیدی با هندسه نمک‌زدایی غشایی بر این مشکلات فائق آمد (شکل 4-و). در روش متداول نمک‌زدایی غشایی، آب ورودی در دمای بالا بر روی غشای آب‌گریز میکرومتخلخل جاری شده و آب نمک‌زدایی‌شده با دمای کمتر از سمت دیگر غشا خارج می‌شود. اختلاف دمای بین دو سیال در هر دو سمت غشا باعث ایجاد اختلاف فشار بخار و در نتیجه انتقال بخار از سمت ورودی (تغذیه) غشا و چگالش بخار در سمت نمک‌زدایی‌شده آن می‌شود. با پوشش‌دهی سمت تغذیه غشا با نانوذرات جاذب نور پهن‌باند، به جای گرمایش سیال ورودی با روش‌های متداول برای پیشرفت این فرایند، گرمایش نور‌گرمایی خورشیدی صورت می‌گیرد. با انجام این اصلاحات بر روی فرایند متداول تقطیر غشایی، شکل ظاهری آن به‌شدت تغییر می‌یابد و فرایند حاصل به تقطیر غشایی خورشیدی بر پایه نانوفوتونیک[26] موسوم است. استفاده از گرمایش نور‌گرمایی به کمک نور مستقیم خورشید، رویکرد تقطیر غشایی را به روشی با قابلیت تجاری‌شدن تبدیل می‌کند که مهمتر از تغییر شکل ظاهری آن است. علاوه بر این، با پوشش‌دهی نانوذرات جاذب نور، بازده فرایند تقطیر غشایی افزایش می‌یابد. فرایند تقطیر غشایی خورشیدی اصلاح‌شده با نانوذرات روشی بسیار آینده‌دار برای کاربرد‌های خانگی و با مقیاس کوچک است.

 

موانع اجرایی و نیاز‌های پژوهشی
با استفاده از فناوری نانو می‌توان بر بسیاری از چالش‌های موجود در حوزه تصفیه آب غلبه کرد. هر کدام از انواع نانومواد مهندسی‌شده مانند جاذب‌های با ظرفیت جذب بالا، فوتوکاتالیست‌ها و مواد مغناطیسی، دارای مزایا و محدودیت‌هایی در زمینه ظرفیت تصفیه، قابلیت تجاری‌شدن، قابلیت تولید مجدد و هزینه‌های تولید است. برای انتخاب و طراحی مواد پیشرفته، درک چگونگی تاثیر‌پذیری خواص کارکردی نانومواد مهندسی‌ از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی بنیادی آن‌ها (نظیر مورفولوژی، ساختار بلوری و جذب وابسته به وجوه کریستالی) در بالاترین اولویت است.

در عین اینکه مواد جاذب متداول از نظر ظرفیت جذب و انتخاب‌پذیری با محدودیت مواجه هستند، نانوجاذب‌ها با دارا‌بودن سطح ویژه بزرگ و شیمی سطح قابل‌کنترل برای به‌حداقل‌رساندن ممانعت جذب از سوی گونه‌های مزاحم، ظرفیت تصفیه بالاتری را فراهم می‌کنند. بنابراین، کنترل برهم‌کنش‌های بین آلاینده‌ها و نانومواد مهندسی در سطح مولکولی دارای بالاترین اولویت پژوهشی است. اگرچه نانوجاذب‌ها از نسبت سطح به حجم بالایی برخوردارند و لذا ظرفیت جذب بالاتری نسبت به جاذب‌های میکرومتری یا توده‌ای[27] دارند، اما افزایش مساحت سطح همواره به منزله افزایش ظرفیت حذف آلاینده نمی‌باشد. همچنین، توانایی جذب نانوجاذب‌ها توسط ساختار و چگالی مناطق مرجح برای جذب مولکول‌های آلاینده تعیین می‌شود، و لذا دست‌کاری شیمی سطح این مواد برای دستیابی به ساختار و چگالی بهینه مناطق مرجح جذب یک حوزه تحقیقاتی اولویت‌دار است. همانند جاذب‌های متداول، بازتولید مقرون‌به‌صرفه نانوجاذب‌ها نیز در زمره مهم‌ترین چالش‌های پژوهشی است.

نشاندن، جاگذاری یا سنتز مستقیم و درجای نانومواد مهندسی در داخل زیرلایه‌ها یا داربست‌های پلیمری یا تجاری به‌منظور به‌حداقل‌رساندن رهایش یا تسهیل در استفاده مجدد بدون از دست دادن کارایی آن‌ها، نیاز به انجام اصلاحات فراوانی دارد. در حالی که تثبیت و بازیابی مغناطیسی ممکن است برخی از این مسائل را مرتفع سازد، اما بایستی نانومواد ابر‌پارامغناطیس ویژه‌ای برای حفظ یکپارچگی آن ها در آب طراحی شود که در عین حال از کاهش بازده آن‌ها به دلیل تجمع و کلوخه‌ای‌شدن جلوگیری کند.

فرایند‌های فوتوکاتالیستی که نیازمند تابش فرابنفش (UV) هستند، نفوذ نور محدود و بازده کوانتومی پایینی دارند که باعث افزایش میزان هزینه و انرژی مورد‌استفاده در لامپ‌های فرابنفش و کاهش بازده فرایند تصفیه می‌شود. برای برطرف‌کردن این محدودیت‌ها و نیز طراحی مواد فوتوکاتالیست حساس به نور مرئی که به‌منظور کاهش مصرف انرژی الکتریکی توسط نور خورشید فعال می‌شوند، می‌توان تدابیر مختلفی نظیر مهندسی شکاف انرژی[28] و پلازمونیک[29] اتخاذ نمود.

می‌توان با استفاده از علم نانوفوتونیک بر میزان بالای مصرف انرژی و عدم قابلیت استفاده انبوه از تقطیر غشایی متداول فائق آمد، اما غشا‌های موجود به دلیل شکنندگی ذاتی‌شان برای یکپارچه‌سازی فرایند‌های مبتنی بر نور مطلوب نیستند. برای بهبود هر‌چه‌بیشتر توانمندی فرایند‌های مبتنی بر غشا و نور نیاز به توسعه مواد نانوکامپوزیتی جدیدی است.

همچنین، بهبود غشا‌های مبتنی بر فشار که در تصفیه و نمک‌زدایی آب مورد‌استفاده قرار می‌گیرند و با چالش‌های جدی در زمینه آلودگی و عملکرد جداسازی نامطلوب مواجه هستند، امری ضروری است. با استفاده از پوشش‌های ضد‌رسوب بر روی سطح غشا می‌توان بر این موانع غلبه کرد. این پوشش‌ها چسبندگی آلاینده‌ها را کاهش داده و از تشکیل زیست‌لایه جلوگیری می‌کنند و لذا نیاز به پیش‌تصفیه آب و نیز استفاده از مواد جدید با انتخاب‌پذیری بسیار بالا برای تولید غشا به حداقل می‌رسد. برای تهیه پوشش‌های ضد‌رسوب بایستی از نانوموادی استفاده کرد که به‌طور برگشت‌ناپذیر به سطح غشا چسبیده و تراوایی و انتخاب‌پذیری آن را مختل نکنند. مهم‌ترین چالش پیش‌ روی نسل جدید غشا‌های حاوی نانو‌کانال‌های[30] با انتخاب‌پذیری بالا مانند نانولوله‌های کربنی عبارت از تولید انبوه غشا‌های عاری از عیب در مقیاس صنعتی است.

علاوه‌براین، طراحی و بهینه‌سازی فرایند‌های تصفیه آب مبتنی بر فناوری نانو نیازمند درک هرچه‌بهتر ارتباط ساختار با خواص و عملکرد نانوماده به‌منظور انتخاب درست مواد و بهبود طول عمر، یکپارچگی ساختاری و اتکاپذیری فرایند می‌باشد. این امر شامل توسعه رویکرد‌های سنتز سبز برای تولید انبوه نانومواد کارکردی[31]، و نیز راهبرد‌های مقرون‌به‌صرفه برای باز‌تولید یا استفاده دوباره از نانومواد محلول (مانند برخی از نانوذرات فلزی) یا بی‌اثر‌شده می‌باشد.

 

چشم‌انداز آینده و نتیجه‌گیری
فرایند‌های تصفیه مبتنی بر فناوری نانو از پتانسیل زیادی برای به‌حداقل‌رساندن مصرف انرژی، مواد شیمیایی و پسماند حاصل از تصفیه آب، و نیز هزینه‌ها و اثرات بالقوه و مخرب زیست‌محیطی برخوردار است. برای مثال، مزیت روش نمک‌زدایی رایج بر پایه تقطیر پر‌انرژی، استفاده از منابع انرژی آزاد (مانند نور خورشید و گرمای هدر‌رفته) از طریق فناوری‌های نوین مبتنی بر نانوفوتونیک می‌باشد. علاوه‌براین، می‌توان با استفاده از فناوری نانو انتخاب‌پذیری جاذب‌ها و مواد فوتوکاتالیستی را با هدف افزایش بازده آن‌ها و کاهش ممانعت ترکیبات مزاحم بهبود بخشید.

فناوری‌های نمک‌زدایی و جداسازی مبتنی بر غشا همچنان ابزار مهمی در حوزه تصفیه آب در آینده قابل‌پیش‌بینی به شمار خواهد آمد، و موانع اجرایی از قبیل آلودگی و انتخاب‌پذیری ضعیف به‌منظور جداسازی یون‌ها یا مولکول‌های خاص به کمک فناوری نانو مرتفع خواهد شد. برای نمونه، عملکرد و اتکاپذیری غشا با جلوگیری رسوب از طریق برقراری پیوند یا افزودن عناصر ناخالصی[32] بهبود پیدا می‌کند، در حالی که غشا‌های نمک‌زدایی با انتخاب‌پذیری بالا را می‌توان با استفاده از نانو‌کانال‌ها طراحی کرد. غشا‌های نمک‌زدایی نسل جدید دارای ویژگی‌های مطلوبی از قبیل مقاومت بالا در برابر آلودگی، انتخاب‌پذیری بالا و پایداری شیمیایی قابل‌قبول در برابر عوامل اکسنده[33] مانند کلر خواهد بود. برای نیل به این هدف، نیاز مبرمی به توسعه قابل‌توجه در عرصه نانومواد جدید و روش‌های تولید عاری از عیب در حوزه غشا وجود دارد.

در حالت کلی، فراهم‌شدن دسترسی مطمئن و اقتصادی‌تر به آب با امنیت بالا مستلزم نوآوری‌های فناورانه است. فناوری نانو نقش بسزایی در فراهم‌نمودن طیف وسیعی از فرصت‌های بی‌سابقه برای بهبود برخی از سیستم‌های تصفیه آب شامل مواد و فناوری‌های تصفیه انعطاف‌پذیر و قابل‌تنظیم برای اهداف مشخص دارد. در آینده نزدیک، تصفیه آب بر پایه فناوری نانو به جای آنکه در تجهیزات بزرگ تصفیه شهری که علاقه‌ای به پذیرش ریسک ناشی از نوآوری نداشته و با محدودیت‌های متعددی در زمینه جایگزینی سیستم مواجه است، انجام شود، عمدتا به‌صورت کاربرد‌های ویژه‌ای از قبیل آب‌شیرین‌کن‌های خانگی اجرا می‌شود. با این وجود، امید است که این موج نوآوری‌های نو‌ظهور در نهایت بتواند موجبات توانمند‌سازی نسل جدید سیستم‌های تصفیه آب را فراهم کند تا علاوه بر کاهش هزینه و مصرف انرژی، شاهد بهبود قابل‌ملاحظه انعطاف و امنیت در تامین آب باشیم.

 

منبع:

Pedro J. J. Alvarez et al., Emerging opportunities for nanotechnology to enhance water security, Nature Nanotechnology 13 (8) (2018) 634-641.