نوشیدن آب پاک با تقلید فناوری‌نانو از خلقت

سال 2010، زمانیکه چشم‌انداز جهانی اهداف توسعه‌ی هزاره[1] مبنی بر بهبود منابع آب آشامیدنی زودتر از برنامه تحقق یافت، دنیا به نقطه‌ی تحول رسید. در سال 2015، 91% جمعیت دنیا از منابع بهبودیافته‌ی آب آشامیدنی استفاده می‌کردند، هرچند این دستاورد همچنان برای 660 میلیون نفر دست نیافتنی بود. شعار اهداف توسعه پایدار 6[2] با عنوان "اطمینان از دسترسی و مدیریت پایدار آب و بهداشت برای همه"، از "منابع بهبودیافته‌ی آب آشامیدنی" به "خدمات آب آشامیدنی با مدیریت ایمن" من جمله الزام صریح آب آشامیدنی عاری از آلاینده‌ها، ارتقا یافته بود.

انسان در معرض آلاینده‌های آب آشامیدنی قرار می گیرد که تحت تاثیر کیفیت منبع آب و روش تصفیه‌ی آن و همچنین آلاینده‌هایی است که ممکن است در طول انتقال و در منزل وارد آب شوند. کیفیت منابع آب بسیار متنوع است؛ به‌طورکلی آب‌های سطحی نسبت به آلاینده‌هایی که به واسطه‌ی بیماری آب را آلوده می‌کنند و منجر به رشد میکروارگانیسم‌ها (پاتوژن‌ها) می‌شوند، آسیب‌پذیرتر هستند. آب‌های زیرزمینی اغلب غلظت بالایی از مواد طبیعی مانند آرسنیک و فلوراید دارند. چه آب‌های سطحی و چه زیرزمینی به‌طور محلی با آلاینده‌های صنعتی ناشی از تولید، ذخیره، دفع و حوادث آلوده می‌شوند. در مناطقی که منابع تجدیدپذیر آب شیرین کمی دارند، آب شور و حتی آب فاضلاب تصفیه شده، مجددا تصفیه می‌شوند تا آب آشامیدنی تولید شود. تنوع زیاد آلاینده‌ها در آب آشامیدنی، به‌ویژه آن دسته که مشمول مقررات اصلی ملی آب آشامیدنی ایالات متحده می‌شوند (شکل 1) ، چالشی دشوار برای تامین آب ایمن پیش‌رویمان می‌گذارد.

تنوع کیفیت منابع آب آشامیدنی در استفاده از فناوری‌های متفاوت تصفیه‌ی آب نمود پیدا می‌کند. اغلب، فناوری‌های تصفیه در یک زنجیره انجام می‌شود، به‌طوریکه تصفیه‌خانه‌های‌ موجود ارتقا می‌یابند تا الزامات جدید کیفی آب را براورده کنند. درصورتیکه فرآیند تصفیه‌ی بسیار موثری (مانند اسمز معکوس مبتنی بر غشا) نیاز به پیش‌تصفیه برای حفظ عملکردش داشته باشد، اجرای زنجیره‌ای فناوری‌ها امری ضروری است.

درحال‌حاضر، لیو و همکارانش، که در بخش فناوری نانو مجله‌ی نیچر فعالیت دارند، راهکاری آسان پیشنهاد می‌دهند که اجازه می‌دهد کشورهایی با درآمد کم یا متوسط نیز بتوانند از پس اعمال چند فناوری برای تصفیه‌ی آب برآیند. جایگزینی احتمالی فناوری‌های موجود و مورد استفاده می‌تواند عملیات را نیز ساده کند حتی در جاییکه درحال‌حاضر آب آشامیدنی باکیفیت فراهم می‌شود.

لیو و همکارانش رویکردی در پیش گرفته اند که از استراتژی تغذیه آکتینیا یا شقایق دریایی تقلید شده است که با دراز کردن شاخک‌هایش شکار را به دام می‌اندازد (شکل 2). نانومایسل لخته‌ساز شبه‌آکتینیا[3] (AMC) هسته‌ای چربی‌دار[4] دارد که با پوسته‌ای آلومینوسیلیکاتی احاطه شده و هنگامیکه برای تصفیه به‌کار می‌رود، پوسته‌اش توسط آب، هیدرولیز می‌شود و توده‌ای تشکیل می‌دهد که آلاینده‌های خاصی را به دام می‌اندازد.                                                                                     

کاربرد واقعی AMC در تصفیه‌ی آب نه تنها به موثر بودن آن بلکه به ممکن بودن آن از لحاظ تولید، ذخیره و کنترل بستگی دارد. سنتز AMC مبتنی بر هیدرولیز یک ماده‌ی شیمیایی مقرون به صرفه است، که از طریق آن یک ترکیب آمونیوم نوع چهارم با یک دُم چربی‌دار (آلیفاتیک) و سر سیلانول تشکیل می‌شود. پس از چگالش سیلانول با آلومینیوم کلراید، فرآورده به صورت میسل درمی‌آید (همان AMC). در pH کمتر از 4، سوسپانسیون AMC مدت زمان بیشتری پایدار است که ذخیره، حمل و کنترل را ممکن می‌سازد.

عملکرد این ماده با استفاده از یک نمونۀ بسیار چالش‌برانگیز آزمایش شد؛ یعنی بر روی پس‌آب حاصل از تصفیه‌ی بیولوژیکی فاضلاب! استفاده از AMC نه تنها برای پارامترهای کیفی آب معمولی، مانند کدری و نیترات، بلکه برای میکروآلاینده‌های ارگانیک و دارویی نیز عملکرد بسیار خوبی (حذف بیش از 90%) از خود نشان داد. عملکرد آن در خصوص نیترات‌ها بسیار قابل توجه است چراکه این آلاینده با منعقدکننده‌های سنتی[5] حذف نمی‌شوند و نیاز به فرآیند تصفیه‌ی هدف‌دار دارند (عموما تبادل یون). گزارش حذف 94 درصدی نیترات با AMC غلظت نیترات را تا اندازه‌ای پایین آورده که به‌طور امیدبخشی به استاندارد ایده آل آب آشامیدنی نزدیک است (0.96 میلی‌گرم بر لیتر در مقابل 1 میلی‌گرم در لیتر). دومین پسآب فاضلابی که برای آزمایش عملکرد AMC استفاده شد، بسیار چالش‌برانگیزتر از چیزی بود که در تصفیه‌ی واقعی آب آشامیدنی با آن مواجه هستیم.

اطمینان از عملکرد AMC و پیش‌بینی عملکرد آن در شرایط متفاوت، با درک مبانی مکانیکی حذف آلاینده‌ها میسر می‌شود. لیو و همکارانش برای توصیف نانومنعقدکننده‌ها و توضیح رفتار و عملکرد انعقادی آن، از روش‌های ترکیبی استفاده کردند. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، حاکی از تعاملات الکترواستاتیک میان آنیون نیترات با اتم‌های نیتروژن AMC و همچنین بیانگر تعاملات آب‌گریز داروی مسکن دیکلوفناک با زنجیره‌ی کربنی AMC بود. تراکم مولکول‌های رنگ فلوئورسنت و جذب آن‌ها به توده‌ی AMC با میکروسکوپ فلوئورسانت به‌طور مستقیم مشاهده شد.

پیشرفت بیشتر کاربرد AMC در تصفیه آب، گزینه‌های تصفیه را برای طیف وسیعی از آلاینده‌ها بالا می‌برد. آزمایش AMC بر تصفیه‌ی بیولوژیک پسآب نیز یادآور آن است که نیازها و فرصت‌ها برای استفاده‌ی مجدد از آب، تفاوت میان آب و فاضلاب را کمرنگ می‌کند. بازیافت و استفاده مجدد غیرمتمرکز، امکان کاهش قابل‌توجه تقاضای تحویل آب به خانوارها را به ارمغان می‌آورد؛ بهبود و تصفیه‌ی آب خاکستری حاوی مقدار کمی آلاینده برای استفاده مجدد خانوارها می‌تواند میانگین جهانی تقاضای روزانه 142 لیتر در هر نفر را تا بیش از 65% کاهش دهد.

رویکرد استفاده از ACM که منجر به تصفیۀ تک مرحله‌ای طیف گسترده ای از آلاینده ها می‌شود، موجب خواهد شد که فناوری‌های چندمرحله‌ای تصفیه‌ی آب که گروه‌های خاصی از آلاینده‌ها را مورد هدف قرار می‌دهند، دچار چالش شوند. هرچند این رویکرد درنهایت کاربرد گسترده‌ای دارد، ما باید هوشیار باشیم که دل به یک گلوله‌ی نقره‌ای، یا یک راهکار برای همۀ دردها نبندیم. مشکلات تامین و تصفیه‌ی آب، از نقطه ای به نقطۀ دیگر متفاوت است و راه‌حل‌های ما باید پاسخگوی نیازها و فرصت‌هایی از قبیل بازیافت آب، مواد مغذی و انرژی حاصل از فاضلاب باشند. AMC می‌تواند گزینه‌ای ارزشمند برای تامین آب ایمن باشد.

منبع

Hering, Janet G. "Drink safely with biomimetic nanotechnology”. Nature nanotechnology 14, no. 1 (2019) : 5–6.