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 تصفیه فاضلاب صنعتی

افراد مقاله : ‌ مترجم - امیر آذرنیا

موضوع : آموزش و ترویج کلمات کلیدی : آب - تصفیه پساب صنعتی تاریخ مقاله : 1398/03/21 تعداد بازدید : 128

کیفیت بالای آب، امری ضروری در بسیاری از فرآیندهای صنعتی است. این در حالی است که در بیشتر این فرایند‌ها، حجم زیادی فاضلاب صنعتی آلوده تولید می‌شود. فناوری نانو، ظرفیت تصفیه فاضلاب صنعتی با بازده بالاتر و هزینه کمتر را دارد، اما برای مشاهده تاثیر واقعی آن بایستی فناوری‌های بالقوه در مقیاس‌های بالاتر ظهور و بروز پیدا کند.

 

بخش اعظمی از آب‌های زیرزمینی و زیست‌محیطی، برای رفع نیاز‌های صنعتی و از جمله نیاز‌های کشاورزی استفاده  می‌شود. به عنوان مثال، در آمریکا 45 درصد از کل آب‌های سطحی در واحد‌های صنعتی و کشاورزی مصرف می‌شود. در بسیاری از موارد، به‌ویژه در تولید محصولات غذایی و آشامیدنی، فرآوری مواد شیمیایی و ساخت ریز‌تراشه‌ها، نیاز مبرمی به استفاده از آب با خلوص بالا وجود دارد. معمولا فرآوری آب با کیفیت بالا در محل مصرف آن و یا در واحد‌های مربوطه، طی مجموعه‌ای از مراحل تصفیه آب انجام می‌شود. این مراحل، اغلب شامل یک مرحله یون‌زدایی به روش‌هایی مانند اسمز معکوس یا تقطیر،  است. در برخی از صنایع مانند استخراج معادن، آب به عنوان محلول یا حاملی در طی فرایند استخراج، مورد استفاده قرار می‌گیرد.  بسیاری از مواد ارزشمند از فرآوری این آب به دست می‌آید. در صنایع نفت و گاز نیز حجم زیادی   از آب تصفیه شده، در مراحل خردایش هیدرولیک و تزریق آب مورد نیاز است. اگرچه با پیشرفت‌های اخیر در حوزه فرمولاسیون شیمیایی، امکان استفاده از آب با درجه شوری بالا برای خردایش هیدرولیک مهیا شده است، اما در مرحله تزریق سیال همچنان به تصفیه آب پیش از استفاده مجدد نیاز است. بی‌شک حوزه کشاورزی بزرگ‌ترین مصرف‌کننده آب شیرین است. به عنوان مثال، 62 درصد از آب‌های سطحی و زیرزمینی در بخش کشاورزی مصرف می‌شود. با توجه به استفاده فزاینده از آب بازیافتی در صنعت کشاورزی، به تصفیه مطمئن آب پیش از استفاده مجدد نیاز    است. وجود نمک‌ها و فلزات سنگین، به‌ویژه در مناطقی که آب بازیافتی  مصرفی به خوبی تصفیه نشده‌ است، باعث افت کیفیت خاک می‌شود. یکی از  ضروریات فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی،  تأمین آبی است که به اندازه کافی تمیز باشد؛ با این حال، هزینه بالای تصفیه آب با استاندارد‌های دقیق  از موانع جدی موجود است. از طرف دیگر، چالش‌هایی نظیر خشکسالی، آلودگی منابع آب و نیاز‌های روزافزون، میزان دسترسی آب برای مصارف کشاورزی و استخراج نفت و گاز را محدود می‌کند و لذا تولید غذا و انرژی به امری پیچیده تبدیل می‌شود. 

بسیاری از فرایند‌های تولید صنعتی، حجم زیادی فاضلاب آلوده تولید می‌کنند. نوع آلاینده‌های موجود در فاضلاب صنعتی بسته به فرایند تولید مورد‌استفاده می‌تواند شامل اجزای آلی خاص (یا مخلوطی از آن‌ها)، درجه شوری بالا، فلزات سنگین، pH بالا یا پایین، و کدورت زیاد ناشی از ذرات غیرآلی باشد. فاضلاب صنعتی معمولا به دلیل مشخصات منحصر‌به‌فرد آلاینده‌ها و تولید آن‌ها در موقعیت‌های مکانی دوردست، نیاز به تصفیه اولیه با استفاده از تجهیزات اختصاصی تصفیه آب در محل تولید دارد. بنابراین، استفاده از فناوری‌های نوین با قابلیت تصفیه موثر و اقتصادی آب بازیافتی به منظور توسعه اقتصادی پایدار و حفاظت از محیط زیست امری حیاتی محسوب می‌شود. این فناوری‌ها تصفیه جریان‌های فاضلابی پیچیده را با هدف احیای مجدد آب و بازیابی انرژی و مواد ارزشمند، میسر می‌سازند.

 

چالش‌های پیش ‌روی فناوری‌های موجود
تصفیه موفقیت‌آمیز آب آلوده علاوه بر فرآوری آب با کیفیت مطلوب، شامل نگهداری و حفاظت از فرایند‌های مربوط به واحد‌های پایین‌دستی است. تصفیه فاضلاب صنعتی فرایندی پیچیده بوده و غالبا نیاز است تا مراحل متوالی تصفیه چندین بار طی شود. این فرایندها «زنجیره تصفیه» نامیده می‌شود. اگرچه تقطیر آب آلوده از بین رفتن تمامی آلاینده‌ها به جز آلاینده‌های فرار را تضمین می‌کند، اما به‌طور قابل ملاحظه ای گران است. علاوه‌براین، تمامی آب‌های صنعتی نیازمند چنین تصفیه سنگینی نیستند. برای نمونه، در صورت حذف آلاینده‌های خاص از آب تولید‌شده در صنعت نفت و گاز، برای استفاده مجدد، به نمک‌زدایی کامل  نیازی نیست. بنابراین، اتخاذ رویکرد‌ تصفیه هدف‌دار (به جای استفاده از روش‌های فیزیکی مانند تقطیر که تنها آلاینده‌های مشخصی را از بین می‌برد و آب با کیفیت قابل‌تنظیم تولید می‌کند،)، به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای، قابلیت اجرایی بسیاری از فرایند‌های صنعتی را از نظر اقتصادی بهبود می‌دهد. علاوه‌براین، اکثر فرایند‌های تصفیه موجود، از نظر اجرایی، با چالش‌های فراوانی روبرو  است. به عنوان نمونه، چربی موجود در فاضلاب، باعث لایه‌لایه شدن غشا‌ها، تغییر ظرفیت جداسازی آن‌ها و جلوگیری از عملکرد متفاوت جاذب‌ها می‌شود. به این ترتیب، برای آنکه فرایند تصفیه ممکن شود، انجام یک مرحله جداسازی چربی/آب الزامی است. میکروارگانیسم‌هایی که از مرحله پیش‌تصفیه  حذف نشده‌اند، بر روی سطح غشا‌های  مخصوص نمک‌زدایی رسوب می‌کنند، و مواد ضد‌عفونی‌کننده  ته‌نشین نشده آب در مرحله پیش‌تصفیه‌، می‌تواند غشا‌های نمک‌زدایی را اکسید یا نابود کند. مواد با حلالیت جزئی در آب آلوده،  با حجم قابل توجهی، بر روی غشا‌ها رسوب کرده و  عملکرد نمک‌زدایی از آب  را  کاهش می‌دهد. همچنین، آهن و مواد آلی باقیمانده می‌تواند رزین‌های مخصوص تبادل یون و جاذب‌های دیگر را  آلوده نماید. به این ترتیب، انجام فرایند اکسیداسیون یا جذب سطحی پیش از تصفیه بیشتر آب الزامی است. به‌علاوه، ظرفیت‌ فناوری‌های مورد‌بحث، به‌ویژه در زمینه بازیافت آب و کاهش درجه شوری  بطور ذاتی ی محدود است. به عنوان مثال، غشا‌های اسمز معکوس، جاذب‌ها و اکثر سطوح تبادل یون به ترتیب به فشار اسمزی و هیدرولیک و نیز رسوبات معدنی، ترکیبات ویژه با گروه‌های عاملی خاص، و مواد شیمیایی مشخصی محدود می‌شوند. برای غلبه بر این چالش‌ها، لازم است فرایند‌های انجام‌شده در واحد‌های مختلف تصفیه، قادر به حذف همزمان آلاینده‌های متنوع شیمیایی (مواد آلی، غیرآلی و مواد خاص) و بازیافت انرژی و مواد ارزشمند (از قبیل عناصر قلیایی نادر، مواد مغذی و اسید و باز‌ها) از طیف وسیعی از جریان‌های فاضلاب صنعتی باشد.

 

فناوری نانو در تصفیه آب
انواع متعددی از  نانومواد، در فرایند‌های مرتبط با تصفیه فاضلاب صنعتی مورد‌استفاده قرار گرفته‌اند. به منظور تولید غشا‌های رسانای جریان الکتریکی، شبکه‌های به‌هم‌پیوسته‌ای از نانولوله‌های کربنی (CNT) با اتصالات عرضی به صورت مجزا یا  بصورت پوشش بر روی زیرلایه‌های متخلخل مورد استفاده قرار گرفته است. بسته به نوع پلیمر‌های به‌کار‌برده ‌شده برای برقراری اتصالات عرضی میان نانولوله‌های کربنی،  اندازه حفرات در این غشا‌ها از 100 نانومتر تا زیر یک نانومتر قابل‌تغییر است. بنابراین، این دسته از مواد قابلیت استفاده در طیف وسیعی از کاربرد‌ها، از تصفیه زیستی فاضلاب صنعتی گرفته تا نمک‌زدایی شورابه‌های صنعتی را دارا می‌باشند. این شبکه‌های به‌هم‌پیوسته از نانولوله‌های کربنی، عبور بار الکتریکی از سراسر سطح غشا را ممکن می‌سازد و لذا انرژی به‌طور مستقیم به فصل‌مشترک غشا/آب می‌رسد. این انرژی با هدف تاثیر‌گذاری بر روی نیرو‌های الکترواستاتیک، تولید گونه‌های فعال اکسیژن[1] (ROS) و بهبود pH موضعی از طریق الکترولیز آب  مصرف می‌شود. تبدیل انرژی الکتریکی برای جلوگیری از آلودگی و گرفتگی غشا (به‌عنوان مثال، رسوب زیستی، پوسته‌پوسته شدن مواد معدنی یا رسوب مواد آلی)، تغییر شکل آلاینده‌های آلی و غیرآلی، و بهبود قابلیت انتخابی‌بودن غشا صورت می‌گیرد. علاوه بر این، با عامل‌دار کردن یا آلایش[2] نانولوله‌های کربنی، واکنش‌پذیری کامپوزیت حاصل به‌شدت افزایش می‌یابد.

نمک‌زدایی شورابه‌هایی با درجه شوری بالاتر از 70 گرم بر لیتر، نظیر آنچه طی فرایند‌های تولید در صنایع نفت و گاز به‌وجود می‌آید، به دلیل نیاز به استفاده از فشار‌های بالا در فرایند استاندارد اسمز معکوس بسیار پیچیده است. در مورد این نوع شورابه‌ها، روش نمک‌زدایی مبتنی بر حرارت، بهترین روش خواهد بود. به  دلیل مزیت جذب نور با پهنای باند وسیع و واپاشی غیرتشعشعی پلاسمون[3] ، نانوذرات پلاسمونی نشانده‌شده بر روی زیرلایه‌های متخلخل و فوم‌های مجزا یا شناور برای  تولید حرارت مورد‌نیاز در تبدیل آب به بخار با استفاده از نور خورشید (به عنوان تنها منبع ورود انرژی)، به کار می‌روند. رویکرد‌های دیگری نیز برای نمک‌زدایی شورابه‌ها از طریق تولید بخار به کمک نور اتخاذ شده است که شامل استفاده از نانومواد با قابلیت جذب نور بالا نظیر کربن سیاه و نانوذرات Al-Ti-O می‌باشد. یک رویکرد خلاقانه دیگر برای نمک‌زدایی از شورابه‌ها به کمک نور خورشید عبارت است از استفاده از نانوذرات اکسید گرافن (GO) شناور بر روی سطح آب. در اینجا، نانوذرات GO همانند برگ درخت فرایند انتقال آب را بر عهده دارند. به این ترتیب که آب از طریق ساختار GO جذب شده و در عین حال گرمای خورشید به‌طور موثر برای تشکیل بخار مصرف می‌شود. یک رویکرد دیگر مبتنی بر فناوری نانو برای نمک‌زدایی حرارتی از شورابه‌هایی با درجه شوری بالا، استفاده از شبکه‌هایی از نانولوله‌های کربنی است که به عنوان مقاومت‌های الکتریکی،انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل ‌می‌کند. این شبکه‌ها قادرند با تبخیر مستقیم آب در فصل‌مشترک آب/غشا، بازده فرایند نمک‌زدایی را به‌شدت افزایش دهند.

اصلاح سطوح و تغییر در انرژی سطحی مواد، روشی جالب توجه برای جلوگیری از ایجاد اتصالات سطحی است که به عنوان یکی از نگرانی‌های بزرگ در بسیاری از فرایند‌های تصفیه فاضلاب صنعتی مطرحاست. استفاده از نانوذرات مختلف بر روی سطح غشا و درون حفرات آن، رویکردی جذاب برای تحقق این امر است. به عنوان نمونه، با استفاده از نانوذرات سیلیکای فلوئور‌دار، می‌توان سطحی با انرژی پایین به دست آورد. این سطوح در برابر تر‌شوندگی با روغن بسیار مقاوم بوده و حین فرایند تصفیه فاضلاب پر‌چربی -مانند آنچه طی تصفیه روغن یا فرآوری محصولات غذایی ایجاد می‌شود- کارایی بالایی دارد. در تصفیه آب با غلظت بالایی از باکتری‌ها، به منظور جلوگیری از اتصال میکروبی به سطوح از عوامل ضد‌میکروب از قبیل نانوذرات نقره و اکسید گرافن بر روی سطوح استفاده می‌شود. این ترکیبات دارای نقش دوگانه در جلوگیری از رسوب زیستی هستند. این نانومواد، سلول‌های باکتریایی را غیر‌فعال کرده و به دلیل ماهیت آب‌دوستی خود، با تشکیل لایه ضخیمی از آب، اتصال میکروبی را به حداقل می‌رسانند.  راهکار متفاوت دیگر  در به‌حداقل ‌رساندن اتصال به سطوح، کاهش میزان آلاینده‌ها است. در شورابه‌هایی با درجه شوری بالا، نانوذرات مغناطیسی به‌طور طبیعی در فصل‌مشترک آب/چربی موجود در امولسیون‌های نفت خام جدایش می‌یابند. به این ترتیب، از برهم‌کنش آن‌ها با سطوح ممانعت به عمل می‌آید و بازیابی آن‌ها از طریق اعمال میدان‌های مغناطیسی میسر می‌شود.

کشف و توسعه نانومواد لایه‌ای شامل اکسید گرافن، سولفید مولیبدن (MoS2)، و لایه‌های نازک از کاربید‌ها، نیترید‌ها و کربونیترید‌های فلزات واسطه (MXenes)، به رشد سریع کاربرد‌ آن‌ها در حوزه تصفیه فاضلاب صنعتی انجامیده است. به‌ویژه، وجود فواصل خاص بین‌لایه‌ای در این مواد منجر به توسعه نمک‌زدایی شورابه‌ها و جذب سطحی آلاینده‌های آبی شده است. گرافن تک‌لایه با اندازه حفرات مناسب، به دلیل ضخامت بسیار اندک خود، غشای ایده‌الی برای نمک‌زدایی به شمار می‌آید. شبیه‌سازی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که این مواد امکان عبور آب با نرخ 100 تا 1000 برابر بزرگ‌تر از غشا‌های اسمز معکوس را فراهم می‌نمایند؛ اگرچه در این آنالیز‌ اثر پلاریزاسیون غلظت در‌نظر‌گرفته نشده است. با وجود جذابیت فراوان، تولید غشا‌هایی از جنس گرافن تک‌لایه به دلیل دشواری در ساخت صفحات بزرگ و بدون عیب گرافن و ایجاد حفرات با اندازه مناسب، امری پیچیده است. با این حال، امکان تحقق این ایده در مقیاس بسیار کوچک با موفقیت همراه بوده است. استفاده از فاصله بین‌لایه‌ای اکسید گرافن به عنوان الک‌های مولکولی برای حذف یون‌ها از نظر تحقیقاتی دارای جذابیت قابل‌ملاحظه‌ای است. با آنکه اکسید گرافن خالص در داخل آب متورم می‌شود، اما عوامل متعددی می‌تواند فرایند تورم آن را محدود نموده و امکان حذف هدف‌مند را فراهم سازد که شامل برقراری اتصالات عرضی هوشمند، احیای جزئی اکسید گرافن و یا تحدید فیزیکی لایه‌ها می‌باشد. این رویکرد باعث ایجاد فواصل بین‌لایه‌ای تا زیر یک نانومتر می‌شود که حتی قادر به پس‌زدن یون‌های تک‌ظرفیتی است. نانو‌مواد لایه‌ای دیگری نیز به عنوان مواد جاذب ویژه مورد‌استفاده قرار گرفته است. برای نمونه، نشان داده شده است که MoS2 به دلیل وجود گروه‌های فعال S توانایی جذب انتخابی فلزات سنگین را دارد.

از‌بین‌بردن و یا تغییر شکل ترکیبات آلی سمی یکی دیگر از چالش‌های پیش روی تصفیه فاضلاب صنعتی است، به‌ویژه زمانی که تخریب زیستی این نوع از آلاینده‌ها ناچیز باشد. تخریب فوتو‌کاتالیستی ترکیبات مقاوم با استفاده از نانومواد بسیار مورد‌توجه قرار گرفته است. نانوذرات فوتوکاتالیستی از جنس اکسید فلز از قبیل دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2)، هنگامی که در معرض نور قرار می‌گیرند، گونه‌های فعال اکسیژن تولید می‌کنند. به‌منظور  گسترش طول موج‌های فوتون فعال‌کننده، طیف وسیعی از عناصر مختلف را با این مواد می‌آلایند تا واکنش‌پذیری آن‌ها زیر نور خورشید به‌شدت افزایش پیدا کند. یکی از جدید‌ترین پیشرفت‌های انجام‌شده در این زمینه، استفاده از نانوذرات پلاسمونی برای تولید گونه‌های فعال اکسیژن است. مزیت عمده این مواد پلاسمونی توانایی آن‌ها برای فوتوسنتز توسط نور مرئی است، که باعث کاهش نیاز به استفاده از لامپ‌های گران‌قیمت فرابنفش می‌شود. با این حال، همانند تمامی فرایند‌های تخریب فوتوکاتالیستی آلاینده‌های آبی مبتنی بر نور، با موانع قابل‌توجهی مواجه است. به‌ویژه، کاربرد این فناوری‌ها در مقیاس بالا به دلیل نیاز به فراهم‌کردن نسبت‌های سطح به حجم بزرگ در طراحی راکتور، امری دشوار و چالش‌برانگیز است.

 

چالش‌ها و فرصت‌های پیش رو
استفاده از فناوری نانو در تصفیه فاضلاب صنعتی به‌واسطه کاهش هزینه‌های تصفیه و قابلیت حذف آلاینده‌هایی که طی فرایند‌های متداول پیشین غیر‌قابل‌حذف بودند، نوید تجاری‌سازی بسیاری از این فرایند‌ها را می‌دهد. با این وجود، هنوز هم موانع متعددی بر سر راه این امر وجود دارد که بایستی برطرف شود. اگرچه بسیاری از فناوری‌های ذکر‌شده دارای مدارک مستند دال بر امکان انجام موفق آن‌ها هستند، لیکن تنها تعداد اندکی از آن‌ها تا مرحله عملی پیش رفته است. موانع بسیاری بر سر راه تجاری‌سازی آن‌ها قرار دارد که شامل موارد زیر است: (1) عدم سرمایه‌گذاری دولتی در حوزه تحقیقات کاربردی، (2) احتیاط سرمایه‌گذار هنگام مواجه با فناوری‌های نوین، و (3) عدم سرپرستی دولت در زمینه نظارت قانونی بر حوزه فناوری نانو. از طرف دیگر، سمیت بالقوه خود نانومواد نیز جای نگرانی است. این  موضوع، تحقیقات گسترده‌ای را در زمینه سمیت نانومواد برانگیخته است. مطالعات حاکی از آن است که قرار گرفتن دائمی در معرض نانومواد قطعا برای سلامتی زیان‌بار خواهد بود. اما اثر مخرب رهایش نانومواد در محیط‌ کم‌رنگ‌تر است، به‌ویژه اگر نانوماده مورد‌نظر بخشی از یک ماده کامپوزیتی باشد؛ چرا که با قرار گرفتن در محیط، فرایند‌هایی نظیر کلوخه‌ای‌شدن[4]، جذب سطحی بر روی مواد آلی طبیعی، رسوب‌کردن و اکسید‌شدن می‌تواند نانومواد را از حالت خالص و دست‌نخورده خود خارج کرده و لذا سمیت آن‌ها را تعدیل نماید.

بسیاری از مواد و فناوری‌های نانویی که در اینجا توصیف شدند به‌صورت تجاری تولید‌نشده و در دسترس نیستند (دست‌کم در مقادیر بزرگ). این امر مستلزم راه‌اندازی و توسعه اکوسیستم‌های تولیدی کاملا جدید پیش از تولید صنعتی و انبوه آن‌هاست؛ مثال بارز آن نیاز به ساخت صفحات بزرگ و بی‌عیب اکسید گرافن برای استفاده در فرایند نمک‌زدایی در مقیاس صنعتی است. مقیاس فرایند، چالش عمده و نهایی در حوزه تصفیه فاضلاب صنعتی است. طی فرایند‌های صنعتی، حجم بزرگی از آب و فاضلاب به‌ترتیب مصرف و تولید می‌شود و لذا فرایند‌های تصفیه مبتنی بر فناوری نانو بایستی اقتصادی، صنعتی و موثر باشد تا امکان‌پذیر و موفقیت‌آمیز تلقی شود. در نهایت، ضروری است که مراکز دانشگاهی به جای توسعه یک فناوری و جستجوی کاربرد برای آن، در راستای تامین نیاز‌های صنعت گام بردارند. حوزه تصفیه فاضلاب صنعتی نیاز‌های خاصی دارد و اگر پژوهشگران و مصرف‌کنندگان نهایی در کنار هم در جهت توسعه راه‌حل‌های ممکن برای مشکلات معین تلاش کنند، به‌ نفع کل جامعه خواهد بود.

 

منبع:

David Jassby, Tzahi Y. Cath and Herve Buisson , The role of nanotechnology in industrial water treatment. Nature nanotechnology 13, no. 8 (2018): 670-672.