امروز جمعه ۳۰ فروردین ۱۳۹۸ ۰۳:۰۶

مقالات

بررسی کاربرد فناوری نانو درصنعت آب وفاضلاب

پروژه  ۱۳۹۷/۱۱/۱۰
چکیده
پیشرفت در علم و مهندسی در مقیاس نانو نشان می دهد که بسیاری از مشکلات کنونی
در ارتباط با کیفیت آب می تواند مرتفع گردد و یا تا حد زیادی با استفاده از مواد جاذب در
مقیاس نانویی ، نانوکریستالها ، نانوذرات فعال زیستی ، غشاء کاتالیستی نانویی و نانوذرات
پیشرفته در میان سایر محصولات و فرآیندهای حاصل از توسعه فناوری نانو بهبود بخشیده شود.
نوآوری در توسعه فن آوری های جدید برای شیرین نمودن آب یکی از این دستاورد ها می باشد.
علاوه بر این محصولات تولیدی توسط فناوری نانو باعث کاهش غلظت مقادیر ترکیبات سمی به
کمتر از حد یک قسمت در یک میلیارد در آب می گردد ، لذا این فن آوری جهت حصول
استانداردهای مورد استفاده مشاوران کیفیت آب و بهداشت بکار می رود. این مقاله به بررسی
امکان استفاده از نانودر صنعت آب و فاضلاب می پردازد و همچنین معرفی انواع فناوری نانو مثل
نانو لوله ها ، نانو سنسورها، نانو ذرات و غیره در صنعت آب وفاضلاب می پردازد.
مقدمه
افزایش جمعیت جهان و کاهش منابع آب آشامیدنی ، نگرانی هایی را در باره تامین آب آشامیدنی
مورد نیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب که در نتیجه
افزایش آلودگی های زیست محیطی شدت پیدا می کند ، سبب شده است تامین آب بهداشتی
مورد نیاز مردم به یکی از مشکلات اساسی جهان امروز تبدیل شود امراض ناشی از آلودگی منابع
آب ، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شاید ده ها هزار نفر از مردم جهان می شود . این در حالی
است که امکان بازیافت آب دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را فراهم خواهد
آورد . اخیراً با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای
جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند.
استفاده از فیلترهای نانومتری ، تحول عظیمی را در بازیافت و استفاده مجدد از منابع آب ایجاد
کرده است کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از : نانو سنسورها ، نانو فیلترها،
نانوفتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات و... است.
فیلترهای فیزیکی با منافذی درحد نانومتر می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحدهای
کوچک پروتئینی را به صورت کامل و صد درصد غربال می کنند؛ همچنین با استفاده از
جداکننده های الکتریکی که به وسیله صفحات ابرخازن یون ها را جذب می کنند ، می توان نمک
و مواد سنگین را نیز از آب جدا کرد.
بررسی فعالیت های پژوهشی در سطح دنیا نشان می دهد که تصفیه آب یکی از مهم ترین زمینه
های کاربرد فناوری نانو در صنعت آب است و با بهره گیری از آن ، هزینه های تصفیه آب به میزان
قابل توجهی کاهش خواهد یافت . استفاده از فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در
سیستم های موجود و کاربرد نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع و کامل آلودگی آب از
مهم ترین موارد کاربرد نانو فناوری در صنعت آب و فاضلاب است.
-1 نانو
- -1 1 تاریخچه نانو در جهان
چهل سال پیش ریچارد فیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل در سخنرانی معروف
خود در سال 1151 با عنوان "آن پایین فضای بسياری هست" به بررسی بعد رشد نیافته علم
مواد پرداخت وی در آن زمان اظهار داشت اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را
دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زند او فرض را بر این قرار داد که اگر
دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک
بسازند، پس خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر نماییم . در واقع آنها به مرزهای
حقیقی شان در لبه های نا معلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود به طوری که یک اتم را در مقابل
دیگری به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را
ایجاد نماییم و جای این سوال باقی می ماند که با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه
وسایلی می توانیم ایجاد کنیم ؟
فیمن در ذهن خود یک دکتر مولکولی را تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد
کوچکتر خواهد بود و می تواند به بدن تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و
تایید سلامتی سلولها، انجام ترمیمی و به طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر
بپردازد .
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتا ینگوچی استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد .او این
واژه را برای توصیف ساخت مواد )وسایل(دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می
باشدبه کاربرد . مینسکی توانست به تفکرات فیمن قوت ببخشد مینسکی پدر هوش مصنوعی
و شاگردش درکسلرگروهی از دانشجویان کامپیوتر را به صورت انجمنی دور هم جمع کردند .
او افکار جوانترها را با یکسری ایده ها که خودش نانو تکنولوژی نامگذاری کرده بود مشغول می
داشت . درکسلر تنها درجه دکتری نانو تکنولوژی را در سال 1111 ازدانشگاه MIT دریافت داشت او
یک پیشرو در طرح نانو تکنولوژی است . شکوفایی بسیار از فناوریهای مهم ازجمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو
دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره گیری از نانو تکنولوژی دچار اختلال خواهند شد .
- -2 1 تعریف نانو تکنولوژی
نانو تکنولوژی،توانمندی تولید مواد،ابزار ها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در
سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص آنها درمقیاس نانو می باشد .
علم نانو، عبارت است از مطالعه و پژوهش وسایل و ساختار هایی که در کوچکترین واحد
دیمانسیون ) 122 (نانومتر یا کوچکتر وجود دارند .
واژه نانو که در زبان یونانی ) NANOUS ( به معنای ریز وبسیار کوچک می باشد در سال 2311
میلادی به وسیله " Nario Taniguchi " ارائه گردید تا ماشین کاری با تلورانس کمتر از یک
میکرون را شرح دهد.
واژه نانو از یک کلمه یونانی به معنای" کوچک یا ریز" مشتق شده است نانو به اندازه بین 2تا
222 نانو متر می گویند .طول موج نور مرئی بین 122 122 نانومتر و سلول زنده اندازه ای معادل -
یک میکرون ) 2222 نانومتر ( دارد .
از تعاریف فوق بر می آید که نانو تکنولوژی یک رشته نیست بلکه رویکرد جدیدی در تمام رشته
هاست . برای نانو تکنولوژی کاربرد هایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو تشخیص پزشکی و
بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل ونقل، انرژی، محیط زیست، مواد هوا و فضا
و امنیت ملی بر شمرده اند : کاربرد های وسیع این عرصه و پیامد های اجتماعی سیاسی و حقوقی
آن،این فناوری را به عنوان زمینه فرا رشته ای و فرا بخش مطرح نموده است . هر چند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانوتکنولوژی از ابتدای دهه قرن بیستم به طور جدی
پیگیری شده اما اثرات تحول آفرین،معجزه آور و باور نکردنی نانو تکنولوژی در روند تحقیق و
توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشور های بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به
عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب
312 میلیون دلار ، 122 میلیون دلار و در سال 1221 ، نمایند .به طوریکه ژاپن درسال 1222
9 بیلیون دلار - / هزینه کرده است و آمریکا برای این امر در سالهای 1228 1221 حدود 1
اختصاص داده است . استفاده از این فناوری در کلیه علوم باعث شده است که تحقیقات در زمینه نانو به عنوان چالش
اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد . لذا محققین، اساتید و صنعت گران ایرانی نیز
باید در یک بسیج همگانی، جایگاه و موقعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و
حضوری فعال و حتی رقابتی در این جایگاه ایجاد نمایند . برای چنین کاری طراحی یک برنامه
منسجم فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است . نانو تکنولوژی دارای سه شاخه نانو فناوری خشک، مرطوب،و محاسبه ای است که از نظر کاربردی
در علوم مختلف به خصوص در ساخت و تولید مواد الکترونیکی پزشکی و صنایع غذایی کاربرد -
دارد .
- -3 1 تسلط بر قلمرو مولکولها
برای قدم گذاشتن در عرصه فناوری نانو باید درک صحیحی از ابعاد نانو و اهمیت آن داشت. اغلب
گفته میشود فناوری نانو، فناوری اشیاء کوچک است، اشیاء خیلی کوچک و در واقع استفاده و
تولید ماده در مقیاس ریز مولکولی است که در این ابعاد اتمها و مولکولها به شکیلی متفاوت از
ابعاد بزرگتر عمل میکنند و گسترهای از کاربردهای جالب و شگفتانگیز را فراهم میکنند .
میتوان اصطلاح "فناوری مولکولی" را برای فناوری نانو استفاده کرد، چرا که ابعاد نانو ابعاد
کارایی مولکولها است. این ابعاد چه حد و مرزی دارد؟ متوسط ضخامت یک تار موی انسان
82222 نانومتر و ابعاد مولکول گلوکز حدود 2 نانومتر است. قطر مو در مقایسه با مولکول گلوکز
بسیار بزرگتر است و مولکول گلوکز هشتاد هزار بار کوچکتر از تار مو است، اما میتواند انرژی
فعالیت اجزای بدن را تامین کند . " حوزه نانو، به هیچ حوزه خاصی از علم تعلق ندارد، به همه متعلق است". این توصیف تنوع
بینهایت و منحصر به فرد بودن فناوری نانو را میرساند و در عین حال لزوم آمادگی کسانی را
نشان میدهد که میخواهند در آن نقش داشته باشند. واژه نانو اولین بار در اواخر دهه 2312
استفاده شد. در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد، برنامه راهبردی پیشگامی
ملی فناوری نانو در آمریکا (NNI) در تلاش برای تعریف مرزهای این نظم جدید و نوظهور،
حدودی مشخص را پیشنهاد کرده است. طبق تعریف تعیین شده "فناوری نانو شناخت و کنترل
ماده در ابعاد نزدیک به 2 222 نانومتر است، ابعادی که در آن پدیدههای منحصر به فرد -
کاربردهای جدیدی پیدا میکنند ".
1 2 ماکروساختار، میکروساختار و نانوساختار - -
اگر هر جسمی را به منزله یک ساختمان با واحدهای کوچکتر در نظر بگیریم، این جسم و خواص
آن از همه این واحدها تاثیر میپذیرد. برای مقال رنگ انعکا سی از یک جسم جامد هم تابع
ماکروساختار شیشه است و هم از میکروساختار و نانوساختار متاثر است. ماکروساختار همان
ساختار ظاهری است. مثلا یک ظرف میتواند حفرههای سطحی یا لعاب داشته باشد. ساختار
ماکرومتری یا خواص ماکرومتری قابل حس و درک است، تیزی یک کارد، نرمی پر، درخشش فلز و
مشابه این موارد در ماکروساختار تعریف میشوند. مقیاس بزرگ روبنای یک ساختمان پیچیدهتر
است . برای ورود به دنیای پیچیده مولکولی و اتمی به ناچار باید از ابعاد میکرومتری گذر کنیم. به
ساختار میکرومتری، میکروساختار میگویند، بسیار از خواص قابل سنجش مواد حجیم مربوط به
میکروساختار هستند که در مقیاس بین یک میلیمتر تا یک میکرومتر قرار دارد. در مقایسه با
یک ساختمان این جز مثل اتاقهای ساختمان میباشد . ساختار مولکولی و اتمی یک شی، نانوساختار نامیده میشود که به مراتب در سطحی بنیادیتر
قرار میگیرد. در ساختار اتمی، نوع اتمهای موجود، موقعیت و تعدادشان و نحوه آرایش آنها
مدنظر قرار میگیرد. در علم نانو به ساختار بزرگتر از ابعاد نانومتری ساختار حجیم یاتودهای
گفته میشود. هرچه آشنایی ما با اتم و مولکول و پدیدههای مرتبط به آن یعنی پدیدههای
کوانتومی بیشتر باشد، بیشتر از مزایای فناوری نانو مطلع خواهیم شد .
1 2 فناوری نانو چیست؟ - -
توسعه فناوری وتحقیقات در سطوح اتمی ، مولکولی ویا ماکرومولکولی در مقیاس اندازه ای 2تا
222 نانومتر در راستای خلق واستفاده از ساختار ها وابزارها وسیستمهایی که به دلیل اندازه
کوچک یا حد متوسط آنها ، خواص وعملکرد نوینی را می دهد، یکی از جامع ترین تعاریف فناوری
نانو محسوب می شود .به بیانی دیگر ، نانو فناوری عبارت است از مهندسی هدفمند مواد در ابعاد
کوچکتر از 222 نانومتر جهت رسیدن به خواص وکاربرد های وابسته به اندازه ذره می باشد.
زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد ، خصوصیاتی ذاتی آنها از جمله رنگ ،
استحکام، مقاومت در برار خوردگی و...تغییر می کند ودر حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری
های دیگر به صورت قابل ارزیابی ، بیان نماییم، می توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک
معیار ذکر نماییم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در
حالت نانو مقیاس با خواصشان درمقیاس بزرگتر فرق می کند.
1 2 اصول پایه نانو تکنولوژی - -
نانو تکنولوژی، تکنولوژی سریع و نوینی است که امکان کار،دست کاری و تولید ابزار، مواد و
ساختار هایی در سطح مولکولی و حتی اتمی توسط اتم در ساختارهای عملکردی در بعد نانومتر
را می دهد . ما با روشهای نانو می توانیم ابزار های چند کاره، خود تنظیم،خود کنترل و خود ترمیم بسازیم
جدول 2 2 مقایسه اندازه ها از ماکرو تا مولکول را بیان می کند : -
نمونه
اندازه
واژگان
باندهای تک شیمیایی
- 2/1 2/2
مولکولی/اتمی
مولکولهای کوچک زئولیت
- 2/2 2/1
مولکولی
نانو مواد غیر آلی، DNA ، RNA
- 2222 2
نانو
( MEMs (کانالهای میکرو سیال، تراشه های
سیکلون در سلول زنده
- 221 229
میکرو
مواد طبیعی
بیش از 221
ماکرو
در دستهبندی مسایل نانویی همچنان مسائل حل نشده بسیاری وجود دارد. اما شاخه های زیر
اساس نانوتکنولوژی را تشکیل میدهند:
- نانو مواد، بیو مواد
- نانو لوله ها
- نانو کامپوزیت،نانوکپسول
- نانو سنسورها و بیوسنسورها
- نانو فیلتر، نانو ماشین
1 2 عناصر پایه در فناوری نانو - -
تفاوت اصلی فناوری نانوبا سایر فناوری ها درمقیاس مواد و ساختارهایی که در این فناوری مورد
استفاده قرار می گیرند ، می باشد.
البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می
گیرند، خصوصیات ذاتی آنها از قبیل رنگ، استحکام، مقاومت و خوردگی و... تغییر می کند در
حقیقت تفاوت این فناوری با سایر فناوریها به عناصر پایه آن بر می گردد این عناصر همان عناصر
نانو مقیاسی هستند که دارای خواصی متفاوت با مقیاس ماکروشان می باشند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذرات هستند.منظور از نانو ذرات، ذراتی در ابعاد نانومتری در هر
سه بعد می باشند . نانو ذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شده باشند مانند نانو ذرات
فلزی، سرامیکی...
عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی است این عنصر در سال 2332 کشف شد و در حقیقت لوله هایی
از گرافیت می باشند . اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در آوریم به نانو لوله های
کربنی می رسیم .این لوله ها در اندازه های متفاوت هستند و می توانند تک دیواره یا چند
دیواره باشند این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربرد های قابل توجهی از
آنها می شود .
سومین عنصر پایه نانو کپسول است .همان طوری که از اسم آن مشخص است کپسولهایی هستند
که قطر نانو متری دارند و میتوان مواد مورد نظر را در درون آن کپسوله کرد سالهاست که نانو
کپسول ها در طبیعت تولید میشوند مولکول هایی موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز
و سر دیگر آنها آب دوست است که وقتی در محیط آبی قرار میگیرند خود به خود کپسول هایی
را تشکیل می دهند، که قسمت های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می شود و از تماس با آب
ممانعت میشود، حالت برعکس این مورد قابل توجه است البته عناصر پایه گوناگون و متنوع
دیگری نیز وجود دارد.
8 3 کاربردهاو ایده پردازی های نانو تکنولوژی - -
3 8 3 پزشکی و بدن انسان - - -
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر سیستم های زنده را اداره می کند. نانو تکنولوژی می تواند
فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو تهیه کند، که توان درمانی داروها را افزایش دهد.
2 8 3 دوام پذیری منابع - - -
نانو تکنولوژی منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب شده و پساب و
آلودگی را کاهش می دهد. در فناوری روشنایی می توان نیمه هادی های مرد استفاده در
دیودهای نورانی را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. به عنوان مثال در امریکا 20 % برق
تولیدی صرف روشنایی می شود.
1 8 3 هوا و فضا - - -
محدودیت های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و علاقه به فرستادن فضا
پیما برای ماموریت های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مدام اندازه، وزن و توان مصرفی
را اجتناب ناپذیر می سازد.
4 8 3 صنعت الکترونیک - - -
با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد 300 برابر یا بیشتر
افزایش داد. ظرفیت نهایی به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد و این امر موجب ذخیره
سازی 50 عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می شود.
5 8 3 فناوری نانو شیمی - - -
با استفاده از فناوری نانو می توان کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالا تولید کرده و
راندمان را در واحدهای شیمیایی به میزان بسیار زیادی افزایش داد.
6 8 3 سنسور های جدید در خدمت بهبود استخراج نفت - - -
بر اساس اخرین اطلاعات از سازمان انرژی امریکا، استخراج نفت از دو سوم از چاه های امریکا
اقتصادی نمی باشد. با توجه به دما و فشار زیاد در محیط های سخت زیر زمینی، سنسورهای
قدیمی الکتریکی و سایر لوازم اندازه گیری قابل اعتماد نمی باشد.
1 8 2 پدیده خود ترمیمی - - -
دانشمندان دانشگاه ایلی نویز ) Illinois ( کامپوزیتی را طراحی وفرموله کردند که قابلیت خود
ترمیمی دارد.این کامپوزیت دارای میکرو کپسول ها قرار دارد، سبس پلیمریزه شدن وسخت
شدن این عامل می شود. حال درنگرشی به صتعت آب از این موضوع ، این ایده به ذهنمان خطور
می کند . تا لوله ای از پلیمر های حاوی میکروکپسول های احیاء شونده طراحی وفرموله کنیم به
گونه ای که این لوله در هنگام بروز حادثه ، خود را ترمیم کند. یعنی به محض بروز شکستویا
سوراخ شدن لوله ومیکروکپسول ها ، آب با کریستال های پلیمری )موجود در این کپسولها که از
جنس لوله ولی با مقاومت وانعطاف بیشتر( وارد واکنش پلیمریزاسیون شده ونقاط آسیب دیده را
ترمیم کرده ، به گونه ای که با افزایش ترک این پدیده ادامه می یابد.)ایده لوله های خود ترمیم(.
8 8 2 نانوسلول های خورشیدی - - -
شرکتی به نام کنارکا) Kenarka ( در حال ساخت سلول های خورشیدی از نانو کریستال های نیمه
هادی است که در داخل پلاستیک نهفته وقادر است تا انرژی نورخورشید را مانند صفحات
خورشیدی معمولی به انرژی الکتریکی با کمترین هزینه تبدیل نماید . به گونه ای که شانس فرار
الکنرون از نانو ذره وانتقال الکترون در درون پلاستیک فوق هادی می باشد ، افزایش می یابد.
3 8 2 ایده ساخت قالیچه پرنده - - -
دانشمندان علوم نانو ، دستیابی انسان به تکنولوژی ساخت قالیچه پرنده را دور از ذهن ندانسته
وطرح های متنوعی را در این راستا ارائه می دهند.از جالب ترین روش های ساخت الیاف های
کامپوزیتی هوشمند است که با غلبه بر جاذبه زمین وبه نقطه تعادل رساندن این نیروی
مغناطیسی ، به صورت پرنده ، قابلیت حرکت دارد که تئوری این کشف براساس طراحی نانو
اکسید های مغناطیسی مانند 𝐅𝐞𝟐𝐎𝟑 استوار است.
-2 فن آوری نانو و محیط زیست
امروزه پیشرفت تکنولوژی و دستیابی انسان به روش های نوین برای استفاده از منابع طبیعی
دستاوردهائی را به همراه دارد که علاوه بر تأثیرات فراوان در زندگی بشر ، تأثیرات منفی را نیز
برای طبیعت به ارمغان می آورد . به تازگی انسان متمدن به این تفکر رسیده است که شاید بتوان
با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیط زیست شتابد که از جمله
می توان به فن آوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست اشاره کرد . تأثیرات مستقیم و غیر
مستقیم فن آوری نانو بر محیط زیست ، از جنبه های مختلف قابل بررسی است .
در حال حاضر ، می توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیط زیست ، از
قبیل نانو فیلترها ) برای تصفیه پساب های صنعتی ( نانو پودرها ) برای تصفیه گازهای آلاینده
خروجی از خودروها و واحد صنعتی ( و نانو تیوب ها ) برای ذخیره سازی سوخت کاملاً تمیز
هیدروژن ( را بر شمرد ، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده تر از این گونه
کاربرهای جزئی و مقطعی است . برخی از مهمترین کاربردهای علمی شناخته شده فناوری نانو در
زمینه محیط زیست نانو حس گر ها ، نانو فیلترها و کاتا لیزورهای زیست محیطی هستند که به
ترتیب به آنها اشاره می شود .
- -3 2 کاربردهای فناوری نانو در محیط زیست
نانو حس گر وسیله ای است بسیار ریز که قادر به شناسائی و ارائه پاسخ به محرک های فیزیکی
در مقیاس یک نانومتر است نانو حس گرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف از جمله محیط
زیست یافته اند . مثل آلودگی هوا و انتشار گازهای سمی و ... .
یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست ، استفاده از نانو فیلترها در تصفیه آب
و پساب است . غشای مورد استفاده در فرآیند نانو فیلتراسیون معمولاً مولکول های بزرگ را دفع
می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی
را نیز به خوبی تصفیه کنند . این فرآیند قادر است انواع باکتری ها ، ویروس ها ، آفت کش ها ،
آلاینده هائی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند . نظر به این که در فرآیند
نانو فیلتراسیون از هیچ ماده شیمیائی برای سختی گیری ) Water Hardness ( آب استفاده
نمی شود ، بنا براین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیائی معمول
است . علاوه بر این ، ذرات نانو ساختار انعطاف پذیری زیادی در تصفیه آلاینده ها دارند .
درحقیقت کاربرد فناوری نانو از کاربرد عناصر پایه نشات می گیرد . هر کدام از این عناصر
پایه ، ویژگی های خاصی دارند که استفاده از آنها در زمینه های مختلف ، موجب ایجاد خواص
جالبی می گردد . مثلاً از جمله کاربردهای نانو ذرات می توان به دارورسانی هدفمند و ساده ،
بانداژهای بی نیاز از تجدید ، شناسایی زود هنگام و بی ضرر سلو های سرطانی ، و تجزیه آلاینده
های محیط زیست اشاره کرد . همچنین نانو لوله های کربنی دارای کاربردهای متنوعی می باشند
که موارد زیر را می توان ذکر کرد :
- تصویر برداری زیستی دقیق
- حسگرهای شیمیایی و زیستی قابل اطمینان و دارای عمر طولانی
- شناسایی و جداسازی کاملاً اختصاصی DNA
- ژن درمانی که از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانو لوله ها صورت می پذیرد .
- از بین بردن باکتری ها
بیشتر کاربردهای زیست محیطی فن آوری نانو در هفت مقوله جای می گیرند :
3 محصولات بی خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز -
2 تصفیه موادیکه با ذرات خطرناک آلوده شده اند -
1 حس گرهائی برای ذرات محیطی -
4 غشاهای فیلتراسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب -
5 روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی -
6 نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی -
4 نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب -
-3 دستاوردهای جمهوری اسلامی ایران در حوزهی فناوری نانو
مقدمه
گستردگی فناوری نانو در همهی حوزههای دانش و فناوری، همراه با کاربردهای جدید و
نوآوریهای فناورانه موجب شده است که برخی تحلیلگران، فناوری نانو را به عنوان فناوری عام
بعدی بشمارند. از این رو است که برخی دیگر از تحلیلگران، فناوری نانو را موتور رشد قرن 12
میدانند. جمهوری اسلامی ایران به عنوان کشوری که بر اساس سند چشمانداز بیست ساله، و
کشوری توسعه یافته با جایگاه اول اقتصادی، علمی و فناوری در سطح منطقه، دستاوردهای
چشمگیر و گستردهای در حوزهی فناوری نانو به ارمغان آورده است، در طول کمتر از یک دهه )از
سال 1222 تا 1223 ( از جایگاه شصتم جهان در تولید دانش نانو، به جایگاه پانزدهم جهان رسیده
است، و این نشان از عزم و ارادهی جدی و تلاش خستگیناپذیر دانشمندان ایران در این حوزه
دارد .
- -1 3 جایگاه جهانی فناوری نانو
فناوری نانو با در برگرفتن حوزههای جدید و گسترده در همهی زمینههای دانش و فناوری، از تمام
شاخههای علوم پزشکی، تغذیه و بهداشت گرفته، تا کشاورزی و محیط زیست تا صنایع ساخت و
ساز، حمل و نقل، ارتباطات، الکترونیک، صنایع نظامی و هوافضا، گسترهی وسیع و نوینی را پیش
روی سیاستگذاران حوزهی دانش و فناوری میگذارد. کشورهای گوناگون به منظور برنامهریزی،
پژوهش و توسعه و اجرای سیاستهای مد نظر خود، و نیز پیشگامی در این حوزه، تعاریف
گوناگونی را از فناوری نانو ارائه کردهاند. همهی این تعارف بر سه جنبهی مشترک فناوری نانو
تاکید میکنند : 2 فناوری نانو به کنترل، دستکاری یا بررسی هد فمند مواد در مقیاس بسیار کوچک مربوط -
میشود . -1 تاکید بر یک مقیاس اندازهگیری خاص که در آن مقیاس، تحقیقات و مهندسی از طریق
پدیدههای نانومقیاس و به خاطر افزایش چشمگیر در مساحت بیرونی یا سایر اثراتی که تنها در
مقیاس نانو بروز میکند، به حوزهی فناوری نانو ربط پیدا میکند . -9 فناوری نانو کاربردهای صنعتی جدید و نوین، یا نوآوریهای فناورانه را ممکن میسازد. این
ویژگی باعث شده که برخی تحلیلگران، فناوری نانو را به عنوان فناوری عام بعدی قلمدادکنند . در واقع چنین به نظر میرسد که فناوری نانو تحولی نوظهور است که پایههای آن در چند ده سال
اخیر شکل گرفته و هماکنون در حال شکوفایی است. فناوری نانو توانایی شگرف و زیادی در
متحول کردن ابزار و مواد مورد استفادهی بشر دارد. بر همین اساس است که بنیاد ملی علوم
آمریکا مطابق پیشبینی که در سال 1222 انجام داده است، بازار جهانی محصولات مبتنی بر
فناوری نانو را در سال 1221 قریب به 2222 میلیارد دلار برآورد میکند. پیشبینیهای
خوشبینانهتری نیز توسط موسسات دیگری انجام گرفته است. مثلا موسسه لوکس ریسرچ طی
پیشبینیهایی که بین سالهای 1221 تا 1228 انجام داده است، بازار جهانی محصولات مبتنی بر
فناوری نانو را در سال 1221 حدود 9222 میلیارد دلار برآورد میکند. این میزان حجم بازار برای
محصولات فناوری نانو، تا سال 1221 ، تقریبا 22 برابر حجم بازار پیشبینی شده برای محصولات
زیستفناوری تا سال 1221 ، و برابر با ارزش بازار محصولات فناوری اطلاعات و ارتباطات در این
سال است .
تحلیلگران بر این باورند که فناوری نانو به عنوان یک فناوری هدف عام ، موتور رشد قرن 12
شمرده میشود. یک فناوری هدف عام، موجب ارتقای سریع و گستردهی فناوریهای موجود شده
و در بخشهای مختلف کاربرد دارد. توسعهی این نوع فناوریها، نیازمند فناوریهای مکمل و
مشارکت سازمانها و نهادهای مختلف است. بر اساس تجارب قبلی، در صورتی که فناوری نانو
بتواند به عنوان یک فناوری هدف عام توسعه یابد، اثرات آن بر بهرهوری و رشد اقتصادی، بسیار
بیشتر از پیشبینیهای فعلی خواهد بود . اگرچه فهم بخشی از پدیدههای مقیاس نانو، از حدود نیم قرن پیش ممکن بوده است، اما شناخت
عمومی روندها، مفاهیم پایه و حوزههای تاثیرگذار فناوری نانو، در دههی پایانی قرن گذشته
صورت گرفت، و از سالهای ابتدایی هزارهی سوم میلادی به عنوان فناوری اساسی و کلیدی
آینده و محرک موج جدید نوآوریهای فناورانه، در مجامع فعال جهانی شناخته شد و از آن پس
مورد توجه دولتها قرار گرفت. کشورهای صنعتی به این رویکرد جدید، عمدتا به عنوان ابزار
پیشتازی جهانی و کسب منافع بزرگ اقتصادی توجه کردهاند . ماهیت گسترده، تعامل نزدیک با علوم و فناوریهای موجود و تاثیرات چشمگیر اقتصادی و
اجتماعی فناوری نانو یک برنامهریزی بلندمدت و چندبخشی را برای توسعهی آن میطلبد. اکثر
کشورهای فعال در زمینهی فناوری نانو نیز بر این مهم تاکید کردهاند. در کشور ما نیز ضرورت
داشتن برنامهی بلندمدت برای توسعهی فناوری نانو، مورد توجه مسئولان و متخصصان کشور
با همین هدف صورت گرفته است » ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو « بوده و تشکیل .
- -2 3 آغاز فعالیت ایران در فناوری نانو
اگر چه ایدهی فناوری نانو برای اولین بار در سال 2313 توسط ریچارد فاینمن مطرح شد، اما
سرمایهگذاری دولتها به منظور تحقیق و توسعهی فناوری نانو از سال 1222 به صورت
چشمگیری افزایش مییابد. این موضوع در نمودار 2 که میزان سرمایهگذاری دولتهای مختلف را
در تحقیق و توسعهی فناوری نانو نشان میدهد، ملاحظه میشود .
2میزان سرمایهگذاری دولتهای مختلف در تحقیق و توسعه فناوری نانو - نمودار 9
در این نمودار، میزان سرمایهگذاری اروپا (EU) ، ژاپن (Japan) ، ایالات متحده (USA) و سایر
کشورها (Others) را در تحقیق و توسعهی فناوری نانو بین سالهای 2331 تا 1221 بر حسب
میلیون دلار مشاهده میکنید . هم زمان با توجه ویژهی دولتها به فناوری نانو در سال 1222 میلادی ) 2913 خورشیدی(، با
فعالیتهای ترویجی در حوزهی فناوری نانو در ،» کمیته مطالعات سیاست فناوری نانو « تشکیل
به ریاست معاون رئیس » ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو « ایران آغاز میشود. در شهریور 2981
جمهور و عضویت تعدادی از وزارتخانهها و سازمانها، و نیز تعدادی از مدیران و محققان تشکیل
میشود و از همان ابتدای تشکیل ستاد، تدوین برنامهی ده ساله برای توسعهی فناوری نانو در
دستور کار قرار میگیرد و پس از قریب به 1 سال، در سال 2981 تدوین آن نهایی میشود . بخشی از سند راهبرد آینده به شرح ذیل است : -2 چشمانداز
برای تحقق چشمانداز بیست سالهی جمهوری اسلامی ایران، جنبش نرمافزاری و بهبود سطح
کیفیت و امنیت زندگی مردم، در افق ده ساله، جمهوری اسلامی ایران کشوری است توسعه یافته
در فناوری نانو : - با زیرساختهای بومی و پیشرفته و دارای سهم برتر منابع انسانی متخصص
- دارای تعاملات داخلی و بینالمللی مؤثر و سازنده
- مولد ارزش افزودهی اقتصادی حاصل از فناوری نانو
- دارای توان رقابت در سطح جهان
1 مأموریت -
دستیابی به جایگاه مناسب در بین 21 کشور برتر فناوری نانو و تلاش برای ارتقای مداوم این
جایگاه به منظور توسعهی اقتصادی جمهوری اسلامی ایران
-9 اهداف
- دستیابی به سهم مناسب از تجارت جهانی با استفاده از فناوری نانو
- ایجاد زمینهی مناسب برای بهرهمندی از مزایای فناوری نانو در جهت ارتقای کیفیت زندگی
مردم
- نهادینه شدن توسعهی پایدار و پویای علوم، فناوری و صنعت نانو
همچنین در سند راهبرد آینده برای تحقق اهداف فوق، 21 راهبرد و 19 برنامهی اجرایی مشخص
گردید .
- -3 3 حرکت ایران در مسیر سند راهبردی
پس از تصویب و ابلاغ سند راهبرد ده سالهی توسعهی فناوری نانو در جمهوری اسلامی ایران،
در مسیر این سند، بیش از پیش گسترده » ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو « فعالیتهای
میشود. مهمترین فعالیتها و دستاوردهای فناوری نانو به شرح ذیل است : الف- ترویج و فرهنگ سازی
یکی از سرفصلهای سند راهبردی توسعهی فناوری نانو، ترویج و فرهنگسازی است. این
سرفصل به ترویج و اطلاعرسانی عمومی در مورد دانش، فناوری و صنعت نانو توجه دارد . از این رو مخاطبان برنامههای این کارگروه را طیف وسیعی از مردم، چه به عنوان مصرفکننده و
چه به عنوان عضوی از چرخهی تولید دانش، فناوری و صنعت، تشکیل میدهند. به صورت کلی،
میتوان این مخاطبان را به چهار دسته تقسیم نمود : 2 دانشآموزان 1 دانشجویان 9 مدیران 1 عموم مردم - - - -
بر اساس سند راهبردی، موضوع برنامههای کارگروه به سه دسته تقسیم میشود :
2 آموزش پیش از دانشگاه 1 تشویق مروجین 9 اطلاعرسانی - - -
سپرده شده » باشگاه نانو « ترویج و فرهنگسازی فناوری نانو برای طیف سنی پیش از دانشگاه، به
در حوزهی ترویج و فرهنگسازی ملاحظه میشود » باشگاه نانو « است. در جدول 2 فعالیتهای .
جدول 2 9 فعالیتهای باشگاه نانو به منظور ترویج، فرهنگسازی - -
وآموزش پیش از دانشگاه
عنوان فعالیت
توضیحات
وبگاه باشگاه نانو
شامل تعدادی بسیار زیادی مقالات آموزشی
فناوری نانو به بیان ساده برای دانشآموزان مقاطع
راهنمایی و دبیرستان
برگزاری نمایشگاههای
آموزش عمومی
از جمله برگزاری چندین نمایشگاه در تهران،
کرج، خوزستان، مشهد، لرستان و بسیاری
شهرهای دیگر کشور
حمایت از تهیهی کتاب
و محتوای آموزشی
انتشار کتابهای نانو از نو، نانوفناورها و
نانودستاوردها، شبیهسازیهای ساده در مقیاس
نانو و غیره
حمایت از همایش و
کارگاههای آموزشی
برگزاری بیش از 112 دورهی آموزش فناوری نانو و
آشنایی بیش از 1222 دانشآموز و معلم با فناوری
نانو
برگزاری اولین و دومین
المپیاد نانو
برگزاری اولین و دومین المپیاد دانشآموزی
فناوری نانو در تابستان 2983 و 2932
یکی از وظایف کارگروه ترویج و آموزش عمومی در سند راهبرد آینده، آشنایی عموم مردم
جامعه با فناوری نانو و کاربردهای آن در زندگی مردم است . رسانهها میتوانند با اطلاعرسانی
صحیح و دقیق به مخاطبان بیشمار خود، نقشی مهم و مؤثر در دستیابی به این هدف ایفا کنند.
در جدول 1 9 ، بخشی از فعالیتهایی که در حوزهی اطلاعرسانی انجام شده، ملاحظه میشود - .
جدول 1 9 فعالیتهای حوزهی اطلاعرسانی فناوری نانو -
عنوان فعالیت
توضیحات
ماهنامه فناوری نانو
ماهنامه فناوری نانو با هدف ایجاد بستر مناسب برای
ترویج فناوری نانو از سال 2982 منتشر میشود .
مخاطبان آن استادان دانشگاه، دانشجویان، مدیران
صنایع و سیاستگذاران هستند .
وبگاه ستاد ویژهی
توسعهی فناوری نانو
وبگاه ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو از سال 2982
به دو زبان فارسی و انگلیسی راهاندازی شد. این وبگاه
همواره یکی از پر بازدیدترین وبگاههای فناوری نانو
درگسترهی جهانی میباشد .
راهاندازی مجلهی
فناوری نانو در
پیامنمای شبکهی 1
سیما
از ابتدای تیرماه 88 ، با همکاری مدیریت پیام نمای
شبکه دو سیما و کارگروه ترویج ستاد، مجلهای با نام
فناوری نانو در پیامنمای شبکه دو راهاندازی شده است .
آموزش کارشناسان و
ارزیابی رسانهها در
حوزهی فناوری نانو
انتخاب برگزیدگان رسانهها در حوزهی فناوری نانو و ...
ب- توسعهی منابع انسانی
نظر به این که توسعهی منابع انسانی یکی از مهمترین ارکان توسعهی کشور در حوزههای گوناگون
میباشد، افزایش کمی و کیفی نیروی انسانی متخصص در حوزهی نوین فناوری نانو، یکی از
برنامههای اصلی سند راهبرد ده سالهی توسعهی فناوری نانو در جمهوری اسلامی ایران است.
راهبرد 2 دربارهی هدف نهادینه شدن توسعهی پویا و پایدار علوم، فناوری و صنعت نانو چنین
است : « توسعهی منابع انسانی به منظور نهادینهسازی علوم، فناوری و صنعت نانو، و ارتقای
قابلیتهای مدیریتی، با تکیه بر روشهایی که متخصصان مورد نیاز در سطوح مختلف را در
کوتاهترین زمان ممکن تامین کند .» بر اساس مدل جامع توسعهی منابع انسانی، سه هدف راهبردی منابع انسانی عبارت است از: نظام
برنامهریزی و جذب، نظام نگهداری، و نظام توسعه و آموزش.
بر این اساس برنامههای اجرایی ذیل مورد اجرا قرار گرفت : - برگزاری مقاطع و گرایشهای مختلف آموزشی فناوری نانو با ساز و کارهای جدید و با در نظر
گرفتن نیازها
- برگزاری ماموریتها و دورههای کوتاهمدت آموزشی، دورههای تکمیلی نانو برای
فارغالتحصیلان رشتههای مرتبط و دروس جدید برای دانشجویان این رشتهها
- تربیت نیروهای دارای تخصصهای مدیریتی، بازرگانی و حقوقی در زمینهی نانو
- اعزام متخصص و کارشناس به مراکز علمی و صنعتی داخل و خارج جهت یادگیری فناوری و
مهارتهای مورد نیاز نانو
- فراهم کردن بسترهای مورد نیاز برای بهرهگیری از متخصصان خارج از کشور در آموزش نیروی
انسانی و نیز جذب دانشجویان خارجی
بر اساس آمار ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو، تعداد محققان ایرانی فناوری نانو در حال حاضر
1211 نفر است. همچنین، هماکنون 1291 عضو هیئت علمی ایرانی، 192 دانشجوی دکترا و
- 1212 دانشجوی کارشناسی ارشد در این حوزه مشغول به فعالیت میباشند. در نمودار 1 9
توزیع نیروی انسانی متخصص در حوزهی فناوری نانو ملاحظه میشود .
نمودار 1 9 توزیع نیروی انسانی متخصص فناوری نانو در ایران -
ج - فراهم کردن زیرساختهای بومی
نیل به اهداف سند راهبرد ده سالهی توسعهی فناوری نانو در جمهوری اسلامی ایران، همانگونه
که در این سند نیز بدان اشاره شده، مستلزم فراهم کردن زیرساختهای بومی و پیشرفته در
حوزهی فناوری نانو است. بدین منظور ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو به عنوان متولی اصلی
فناوری نانو، در سه حوزهی اصلی فعالیت میکند: شبکهی آزمایشگاهی فناوری نانو، کمیتهی
استاندارد، مالکیت فکری . ج 2 شبکهی آزمایشگاهی فناوری نانو - -
پس از اینکه اصول و کلیات شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو، در کشور در شورای هماهنگی ستاد
2981 مطرح، و مورد توافق قرار گرفت، برنامهی اجرایی /3/ ویژهی توسعهی فناوری نانو مورخ 3
آن در سال 2989 ، در کارگروه زیرساختهای توسعهی فناوری نانو تدوین گردید. شبکهی
آزمایشگاهی فناوری نانو در ابتدای سال 2989 با هدف ایجاد بستر مناسب برای ارایهی خدمات
آزمایشگاهی به محققین دانشگاهی و صنعتی، و استفادهی بهتر از ظرفیتهای آزمایشگاهی
کشور تشکیل شد. در دورهی فعالیت این شبکه تا کنون، بالغ بر 93 مجموعهی آزمایشگاهی به
عنوان عضو قطعی شبکه پذیرفته شدهاند .
برخی از خدمات شبکهی آزمایشگاهی فناوری نانو به شرح ذیل است : - راهاندازی وبگاه شبکهی آزمایشگاهی فناوری نانو
- برگزاری کارگاههای آموزشی
- حمایت از تعمیر، ارتقا و ساخت تجهیزات آزمایشگاهی
- حمایت از اخذ استاندارد ISO17025 - خدمات مشاورهای به آزمایشگاهها و مراکز
- ایجاد شبکهی آزمایشگاهها به منظور شناسایی آزمایشگاهها و معرفی امکانات و تجهیزات هر
یک از آنها به یکدیگر
- - ج 1 کمیتهی استاندارد
با توجه به اهمیت موضوع استانداردسازی فناوری نانو برای توسعه و تجاریسازی این فناوری،
کمیتهی فنی متناظر استاندارسازی فناوری نانو، با مشارکت « موسسهی استاندارد و تحقیقات
با عنوان کمیتهی فنی ،» ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو « و » صنعتی ایران ISIRI/TC229 در
کمیتهی بینالمللی استانداردسازی « تیرماه 81 تشکیل شد. این کمیته به صورت متناظر با
فناوری نانو « (ISO/TC229) فعالیت میکند. کمیتهی بینالمللی استانداردسازی فناوری نانو
(ISO/TC229) ، با هدف تهیه و تدوین استانداردهای مورد نیاز در حوزهی فناوری نانو توسط
مؤسسهی ISO در سال 1221 ایجاد شده است. در این کمیته 92 کشور به عنوان عضو اصلی، و
22 کشور به عنوان عضو ناظر حضور دارند. اعضای اصلی این کمیته حق رأی داشته و میتوانند
پیشنهادهای جدید استانداردسازی ارائه کنند. جمهوری اسلامی ایران یکی از اعضای اصلی این
کمیته است. کمیتهی استانداردسازی فناوری نانو ایران دارای سه کارگروه تخصصی میباشد که
به صورت متناظر با کمیته بینالمللی فعالیت میکنند. در این کارگروهها حدود 40 نفر از اساتید
دانشگاهها، پژوهشگران فعال در مؤسسات تحقیقاتی و شرکتهای فعال در حوزه نانو عضویت
دارند .
- - ج 9 مالکیت فکری
مالکیت فکری به عنوان یکی از زیرساختهای مهم توسعهی فناوری، بیش از یک قرن است که
در دنیا مورد توجه ویژه قرار گرفته است. فعالیتهای مربوط به مالکیت فکری در ستاد نانو از سال
2981 آغاز شده، و طی این مدت رویکرد ستاد به گونهای بوده است که ضمن توانمندسازی
نهادهای موجود مالکیت فکری در کشور، به یک سری اقدامات خاص در زمینهی مالکیت فکری
در حوزهی فناوری نانو بپردازد، که از آن جمله میتوان به کمک ستاد برای ایجاد و یا فعالسازی
دفاتر مالکیت فکری در 3 مرکز دانشگاهی و پژوهشی، و نیز کمک به تاسیس شرکتهای
خصوصی ارایه دهنده خدمات تخصصی مالکیت فکری در کشور اشاره کرد .
د- تجاریسازی فناوری نانو
ایجاد ارزش افزوده اقتصادی از توسعه فناورینانو، یکی از اهداف سند راهبرد ده ساله توسعه
فناورینانو در جمهوری اسلامی ایران است که کسب توان رقابتی در سطح جهانی و همچنین، به
دستآوردن بخشی از بازار جهانی فناورینانو ماحصل آن خواهد بود. کارگروه توسعهی فناوری و
تولید ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو در راستای نیل به این هدف گام بر میدارد. برنامههای
این مرکز به منظور تجاریسازی فناوری نانو بدین شرح است : - حمایت از مراکز رشد
- پایش فناوری و صنعت
- اشاعه در صنعت
- انتقال و جذب فناوری
- نهادهای انتقال و انتشار فناوری
- رفع نیاز و معضلات با فناوری نانو
- حمایت از سرمایهگذاران
- ترویج تخصصی فناوری نانو
- -4 3 جایگاه امروز ایران در فناوری نانو
بر اساس سند راهبرد ده سالهی توسعهی فناوری نانو در جمهوری اسلامی ایران، ایران باید تا
سال 2939 به جایگاه مناسبی در بین 21 کشور برتر دنیا در حوزهی فناوری نانو برسد. بر این
اساس، جایگاه ایران در سه زمینهی تولید دانش، تولید فناوری و صنعت و بازار به صورت مستمر
پیمایش میشود. رتبه در تولید دانش با شاخص تعداد و کیفیت مقالات معتبر علمی ISI ، رتبه در
تولید فناوری با شاخص تعداد اختراعات معتبر بینالمللی ، رتبه در صنعت و بازار با شاخص سهم
بازار و میزان تولیدات فناوری نانو سنجیده میشود .
2 1 9 رتبهی ایران در تولید دانش - - -
در سال 1222 ، ایران با انتشار 3 مقالهی ISI در جایگاه شصتم تولید دانش نانو در جهان قرار
داشت؛ و کشورهای ترکیه، مصر، عربستان، ازبکستان و ارمنستان در جایگاههایی مناسبتر از
ایران قرار داشتند. از این سال بود که ایران به صورت جدی فعالیت خود را در حوزهی فناوری نانو
آغاز کرد. در سال 2001 ، ایران با انتشار 21 مقالهی معتبر بینالمللی ISI به جایگاه پنجاه و دوم
جهان رسید. در این سال تنها دو کشور ترکیه و مصر در بین کشورهای منطقه دارای رتبهی
بهتری از ایران بودند و ایران سومین کشور منطقه در تولید دانش نانو بود. در سال 1221 و 1229
نیز با انتشار 92 مقالهی ISI ) هر سال 92 مقاله( به ترتیب، در جایگاه چهل و هشتم، و پنجاه و
یکم جهان قرار گرفتیم . در سال 1221 با یک جهش بزرگ، با انتشار 18 مقالهی ISI و با پشت
، سر گذاشتن مصر، به جایگاه دوم منطقه، و چهل و دوم جهان رسیدیم. در سالهای 1221 2006
182 و 111 مقاله ای ، و 1221 نیز به ترتیب با انتشار 291 ISI به ترتیب به جایگاه سی و ششم،
سی و یکم، و بیست و پنجم جهان رسیدیم و ترکیه را نیز پشت سر گذاشتیم و جایگاه اول منطقه
را در تولید دانش نانو کسب کردیم. در سال 1228 با انتشار 829 مقالهی ISI ایران به رتبهی
نوزدهم جهان رسید، و رژیم صهیونیستی را پشت سر گذاشت. و نهایتا، تا آگوست سال 1223
میلادی ایران با انتشار 891 مقالهی ISI به رتبه پانزدهم جهان در تولید دانش نانو دست یافت.
جدول 9 9 رتبهی ایران در تولید دانش نانو در بین کشورهای جهان و کشورهای منطقه -
بر اساس شاخص تعداد مقالات ISI
سال
تعداد مقالات ISI
رتبهی ایران در
جهان
رتبهی ایران در کشورهای
منطقه
2000
9
60
6
2001
17
52
3
2002
30
48
3
2003
30
51
3
2004
58
42
2
2005
132
36
2
2006
281
31
1
2007
465
25
1
2008
813
19
1
آگوست 1223
834
15
1
نمودار 9 9 تعداد مقالات - ISI ایران در فناوری نانو
نمودار 1 9 ارتقای جایگاه ایران در تولیدات علمی فناوری نانو در سطح جهان بر اساس شاخص -
تعداد مقالات ISI
- - -1 1 9 رتبهی ایران در توسعهی فناوری نانو
تعداد شرکتهای مستقر در مراکز « و » تعداد اختراعها « رتبه در توسعهی فناوری با دو شاخص
اندازهگیری میشود. تعداد اختارعات ایران در فناوری نانو در سالهای 1221 و 1228 به » رشد
ترتیب، 1 و 1 بوده است. که از این تعداد به ترتیب 1 و 9 اختراع مربوط به دفتر ثبت پتنت اروپا
است. رتبهی ایران در این سالها در دفتر ثبت پتنت اروپا به ترتیب بیست و دوم، و بیست و
هفتم است . بر اساس آمار وبگاه ستاد ویژهی توسعهی فناوری نانو، تعداد اختراعات ثبت شده، انتشار یافته و
فایل شدهی ایران در فناوری نانو 29 است . همچنین، تعداد 12 هستهی نانویی در مراکز رشد
کشور مورد حمایت ستاد قرار گرفتهاند .
1 9 تولیدات نانو فناوری ایران در صنعت و بازار - -
شرکتهای ایرانی با طراحی و ساخت محصولات مبتنی بر فناوری نانو، در حال ورود به بازارهای
داخلی و بینالمللی هستند که تعدادی از آنها از این قرار است . - ساخت چندین نوع از تجهیزات آزمایشگاهی ازجمله میکروسکوپ STM ، مغناطیسسنج و
دستگاه کروماتوگرافی گازی. میکروسکوپ STM علاوه بر مراکز تحقیقاتی داخلی، به کشور
مالزی نیز صادر میشود . - تصفیه آب با نانوفیلتراسیون. این سیستم ابتدا به صورت آزمایشی بر روی رودخانه کارون نصب
و راهاندازی شد، و هم اکنون در سطح وسیعتر در یکی از شهرهای خوزستان در حال پیاده شدن
است . - تولید انواع نانومواد از جمله فلزات و اکسیدهای فلزی . - تولید نانولولههای کربنی در مقیاس بالا. روش تولید این ماده به صورت چندین پتنت بینالمللی
ثبت شده است. این ساختار کربنی در مصارفی همچون پایهی کاتالیستهای نفتی، ذخیره و
هیدروژن و تولید کامپوزیتها بهکار میرود . - تولید انواع محصولات ضد باکتری با استفاده از نانومواد . - ساخت دستگاههای تولید کنندهی الیاف نانومتری در انواع آزمایشگاهی، صنعتی و قابل حمل . - تولید بتن مقاوم در برابر خوردگی با استفاده از افزودنیهای نانومتری .
- تولید نانوفیلترهای تصفیه کننده هوا، در چندین نوع خانگی، صنعتی و قابل استفاده در خودرو . - تولید لولههای پلیمری بدون صدا برای آب و فاضلاب
- تولید بستهبندیهای مواد غذایی و میوه با هدف افزایش عمر محصولات
- تولید قطعات نانوکامپوزیتی برای استفاده در خودرو . - تولید انواع لباسهای ضد آب و ضد لک . - تولید کاشی و سرامیکهای ضد لک . - تولید مواد تثبیت کننده شن و خاک
- شیشههای کنترل کننده انرژی برای استفاده در ساختمان . - روانکارهای مبتنی بر نانوذرات برای کاهش مصرف سوخت خودرو . به منظور ارائه خدمات مختلف توسعه فناوری و ورود محصولات ایران به بازار، گروهی از
شرکتهای ارائه دهندهی این خدمات در قالب کُریدور خدمات توسعه فناوری، به شرکتهای نوپا
و درحال رشد کمک میکنند .
نتیجهگیری
نظر به این که بر اساس سند راهبرد آینده، دستیابی به جایگاه مناسب در بین 15 کشور برتر
فناوری نانو و تلاش برای ارتقای مداوم این جایگاه به منظور توسعهی اقتصادی جمهوری اسلامی
ایران، به عنوان ماموریت مطرح گردیده، تلاش و کوشش جدی به منظور رسیدن به این هدف
امری ضروری است . قرار گرفتن ایران در جایگاه پانزدهم تولید دانش نانو، بر اساس شاخص تعداد مقالات منتشر
شدهی ISI ، در حالی که هنوز بیش از 1 سال تا پایان زمان مورد نظر در سند راهبردی باقی مانده
است، نشان دهندهی عزم جدی و توانایی شگرف ایرانیان است. چنین به نظر میرسد که بهبود
جایگاه ایران در سایر شاخصها نظیر توسعهی فناوری و کسب سهم درخوری از بازار، و رسیدن به
جایگاه مناسبی در بین پانزده کشور برتر جهان در حوزهی فناوری نانو، هرگز دور از دسترس
نیست . بدین منظور پیشنهادات ذیل، راهکارهای مناسبی به نظر میرسد : - گسترش زیرساختها و ایجاد زمینهی مناسب به منظور تبدیل دانش نانو به ایدههای کاربردی
- ایجاد زمینهی مناسب و ارائهی راهنماییهای لازم و آموزشهای مناسب به منظور تجاریسازی
محصولات مبتنی بر فناوری نانو
- حمایت از ایدههای کاربردی و کمک به منظور تجاریسازی آن
- حمایت از شرکتهای دانش بنیان، و مراکز رشد که دارای محصولات مبتنی بر فناوری نانو
میباشند
- ارائهی آموزشهای لازم به صاحبان ایدههای فناوری نانو به منظور تجاریسازی ایدهی خود، و
صادرات آن به کشورهای دیگر
- حمایت بیش از پیش از مقالات و پایاننامهها و کتابهای منتشر شده در حوزهی فناوری نانو
- ترویج و آموزش عمومی فناوری نانو به دانشآموزان
- فرهنگسازی و ایجاد بستر لازم به منظور آشنایی با مزایا و نوآوریهای فناوری نانو
- افزایش ظرفیت رشتهی فناوری نانو در مقاطع کارشناسی ارشد و دکترا
- حمایت از تاسیس شرکتهای فناوری نانو
- استفاده از تجربیات کشورهای پیشگام در حوزهی فناوری نانو
- ارزیابی مستمر و دقیق فعالیتهای کشور در حوزهی فناوری نانو
- حمایت از صنایعی که محصولات مبتنی بر فناوری نانو تولید و یا استفاده میکنند
- ایجاد شبکههای ارتباطی بین شرکتها و اتاقهای بازرگانی کشور
- حمایت از شرکتهای به منظور معرفی محصولات خود در بازارهای داخلی و خارجی
-4 فناوری نانو و تصفیه آب
جمعیت جهان در حال افزایش و منابع آب آشامیدنی رو به کاهش است؛ بنابراین ممکن است
جهان در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر
اثر آلودگی نیز تشدید میشود سبب شدهاست تا تأمین آب بهداشتی به یکی از دغدغههای
اساسی جامعه جهانی تبدیل شود. امراض ناشی از آلودگیهای آب هرروزه هزاران و شاید دهها
هزار نفر را میکشد توانایی بازیافت آب، امکان دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف
گوناگون را ایجاد میکند
با به کارگیری فناوریهای الکتریکی و مکانیکی به سادگی میتوان آب آلوده را برای استفاده در
کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود. بدینترتیب فیلترنمودن آب با فیلترهای
نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت و استفاده مجدد از آبهای صنعتی و کشاورزی ایجاد میکند.
فیلترهای فیزیکی با منافذی در حد نانومتر میتوانند باکتریها، ویروسها و حتی واحدهای
کوچک پروتئین را صددرصد غربال کنند. با جداسازهای الکتریکی که یونها را به وسیله صفحات
ابرخازن جذب میکند میتوان نمکها و مواد سنگین را جذب کرد. بررسی فعالیتهای مختلف
دنیا، شامل برنامههای در دست اجرا و برنامههای آتی مراکز صنعتی و پژوهشی، نشان میدهد که
حوزه تصفیه یکی از حوزههای کاربرد فناورینانو در صنعت آب است؛ و با بهرهگیری از آن،
هزینههای تصفیه آب به میزان زیادی کاهش خواهد یافت
دو زمینه اصلی در این عرصه عبارتند از
فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستمهای موجود
نانوحسگرهای زیستی به منظور تشخیص سریع و کامل آلودگیهای آب
نانوفیلتراسیون فناوریهای جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم
میکند. آب تصفیهشده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آبمعدنی تصفیهشده ارزش دارد. با
استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر،
از آن حذف میشود. نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روشهای اسمز معکوس و
اولترافیلتراسیون است. اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدار آلایندههای معدنی و قلیایی
نسبت به حد مجاز و روش اسمز معکوس به دلیل تولید خلوص بیش از حد محصول و بالا بودن
قیمت دارای نقایصی هستند دانشمندان دانشگاه باناراس Banaras روش سادهای برای تولید
فیلترها با استفاده از نانولولههای کربنی توسعه دادهاند که قادر به حذف مؤثر آلایندههای میکرو
و نانومقیاس از آب و نیز حذف هیدروکربنهای سنگین از نفت خام است. استفاده از نانولولههای
کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و
مقاومت آنها در برابر گرما میشود. این فیلترها دارای دقت بسیار مناسبی در کاربردهای مختلف
هستند، به عنوان مثال قادرند پولیوویروسهایی با اندازه نانومتر را به خوبی پاتوژنهای
بزرگتری مانند E. Coil و باکتریهای استافیلوکوک، از آب حذف نمایند. نانوفیلتراسیون دارای
مزایایی مانند قیمت پایین، و کنترل مقدار کاهش آلایندهها در آب تصفیه شده است شرکت
آرگوناید argonide در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه دو نانومتر برای
تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شدهاند، میتوانند ویروسها، باکتریها و
کیستها را از بین ببرند
شیرین سازی آب به وسیله نانوغشاها غشاء نانو لولهای ،محققان آزمایشگاه ملی Lawrence Livermore با همکاری دانشگاه برکلی کالیفرنیا غشاهایی با حفرههایی از جنس نانولولههای
کربنی ساختهاند که به کمک آن امکان جداسازی ارزانتر گاز و مایع فراهم میشود. در حال
حاضر اغلب غشاهای موجود از جنس مواد پلیمری هستند که برای کاربردهای دما بالا مناسب
نیست. استفاده از این نوع غشاها نمیتواند توازن قابل قبولی بین ورودی غشا و قابلیت انتخاب
آن برقرار نماید، یعنی ورودی بالا منجر به کاهش انتخابپذیری است و بالعکس؛ اما دانشمندان با
استفاده از نانولولههای کربنی توانستهاند این دو امر به ظاهر متضاد را با هم جمع و امکان
انتخابپذیری خوب همراه با ورودی بالا را فراهم کنند این محققان توانستهاند روشی برای
ساخت این غشاها بیابند که با سیستمهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) هم سازگار باشد. این
غشاهای جدید با حفرههای کوچکتر و با تراکم بسیار و امکان عبور شدت جریان زیاد از هر
حفره، از لحاظ گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای پلیکربناتی فعلی بسیار برترند. این غشاهای
بهبود یافته کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند کامالش سیکار Kamalesh Sirkar) در
مؤسسه فناوری نیوجرسی از روش جداسازی غشایی در شیرینسازی آب استفاده کرده است. در
روش جداسازی غشایی، آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشایی دارای سوراخهای ریز موسوم
به نانوحفره میریزند. این حفرهها آنقدر کوچکند که تنها بخار میتواند از آنها عبور کند و آب،
مایع، نمکها و مواد معدنی دیگر در پشت غشا میمانند. در طرف دیگر محفظهای از آب سرد قرار
دارد که بخار با عبور از آن، کندانس شده و دوباره به مایع تبدیل میشود. ابزاری که در این روش
به کار رفته است، عبارت است از دستگاهی مستطیل شکل با مجموعهای از غشاهای الیاف مانند
توخالی که مایع به طور عرضی در آن جریان مییابد. این غشاها به صورت هزاران لوله به شکل
تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بستههایی داخل یک جعبه قرار میدهند. در این شکل
نمونه آزمایشی از این دستگاه آب شیرینکن نشان داده شده است. در قسمت وسط، دستهای از
هزاران لوله توخالی شبیه تارمو قرار دارد. جداره این لولهها را هم غشاهایی با نانوحفرههای
کوچک تشکیل میدهد تصفیه آب به کمک نانوذراتنانوذرات لانتانیوم تولیدی شرکت آلتایرنانو
(Altairnano) فسفات را از محیطهای آبی جذب میکند. بهکارگیری این نانوذرات در حوضچهها
و استخرهای شنا میتواند به طور مؤثری فسفات موجود را از بین برده و در نتیجه از رشد
جلبکها جلوگیری نمایند. تحقیقات دانشگاه Lehigh آمریکا نشان میدهد که نانوپودرها
میتوانند به عنوان ابزاری مناسب برای پاکسازی خاکهای آلوده و آبهای زیرزمینی استفاده
شوند. نانوذرات آهن موجب اکسیده و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده مانند
تریکلرواتیلن، تتراکلرید کربن، دیوکسینها و PCB ها شده، آنها را به ترکیبات کربنی با درجه
سمیت بسیار پایین تبدیل میکند برای از بین بردن اغلب فلزات سنگین موجود در آب، روش
تصفیه کاتالیزوری گزینه مناسبی نیست، بنابراین محققان به جای آن از روشهای جذب روی
پلیمرها و یا ذرات افزودنی استفاده میکنند.
آرسنیک از آلایندههای بسیار سمی رایجی است که هم به طور طبیعی و هم به شکل پسابهای
بشری باعث آلودگی آب میشود. مصرف این ماده سبب افزایش سرطانهای مثانه و روده میشود.
در سطح جهان آمار مسمومیت با آرسنیک بسیار بالا است و در بسیاری از کشورهای در حال
توسعه مانند بنگلادش که بیش از تا درصد جمعیت آن دچار مسمومیت با آرسنیک
شدهاند، یک فاجعه بهداشتی تلقی میشود. اغلب آلایندگیهای ناشی از آرسنیک به کشورهای
جهان سوم اختصاص دارد. به این ترتیب نیاز شدیدی به فناوریهای نوین احساس میشود تا
بتوان آلایندههای فلزی سنگین مانند آرسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد. به همین منظور
محققان دانشگاه رایس، از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستمهای تصفیه
جدید استفاده کردهاند سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب آرسنیک دارند، بلکه
با انتخاب اندازه مناسب میتوان به راحتی این ذرات مغناطیسی را به واسطه جداسازی
مغناطیسی از آب جدا کرد. نانوذرات همان کارایی توده آهنی را در جذب آرسنیک دارند. در واقع
نه تنها ظرفیت جذب آرسنیک آنها بالاتر است، بلکه به محض قرار گرفتن این ماده در کنار
نانوذرات جدا کردن آنها سخت میشود. در نظر گرفتن تمام این نتایج، نشان میدهد که نانوذرات
مغناطیسی جاذبهای بسیار کارامدی برای آرسنیک خصوصاً در pH پایین هستند و خاصیت
جذبی غیرقابل برگشت آنها مخزن مناسبی را برای جمعآوری آلایندهها فراهم میکند تصفیه
پسابهای صنعتی پسابهای صنعتی صنایع شوینده، غنی از اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال
شیمیایی است که باید در فرایندهای تصفیه از آب زدوده شود. یکی دیگر از موادی که در
پسابهای صنعتی فراوان یافت میشود مواد نامحلول روغنی شامل روغنها و گریسهاست.
حضور این مواد فرایند پالایش آب را دچار مشکل میکند. یکی از روشهای اقتصادی برای تصفیه
این مواد، استفاده از سیستمهای ترکیبی میکروفیلتراسیون نانوفیلتراسیون است. در این -
سیستمها از میکروفیلتراسیون برای زدودن ذرات معلق مانند روغنها و گریسها و از
نانوفیلتراسیون برای حذف پاککنندهها استفاده میشود تصفیه فاضلابهامحققان
دانشگاه UniSA در استرالیا به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلابها
هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را بیشتر از روشهای موجود
بهبود میبخشد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف موجودات زنده بسیار ریز است. در حال حاضر
از کلر به عنوان ماده ضدعفونیکننده استفاده میشود، ولی در این حالت حتی بعد از تصفیه هم
ترکیبات ارگانیک زیادی در آب حضور دارند. کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف میکند، ولی
با آلایندههای ارگانیک واکنش داده، محصولات جانبی تجزیهناپذیر و سمی تولید میکند که
نمیتوان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیطزیست و استفاده از آنها در کشاورزی و
دیگر صنایع میتواند مشکلات بهداشتی جدی ایجاد کند تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزور
نوری میتواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضد عفونی با کلر شود تا موجودات زنده ریز
و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور
طبیعی موجودات زنده ریز، ترکیبات ارگانیک بزرگ را کوچکتر میکنند؛ اما از آنجا که این
ترکیبات به طور زیستی تجزیه ناپذیرند، ما مجبور به استفاده از نوعی انرژی برای تجزیه آنها
هستیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید گرفته میشود و به همراه کاتالیزورهای نوری
مورد استفاده قرار میگیرد انرژی تولید شده از واکنش سلول کاتالیزوری نوری میتواند
موجودات زنده ریز را کشته و ترکیبات تجزیهناپذیر را تجزیه کند. این فرایند به دلیل امکان
استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری، بسیار مقرون به صرفه است . ذرات کاتالیزوری چه به
صورت همگن در محلول پراکنده شده یا روی ساختارهای غشایی رسوب داده شده باشند،
میتوانند ما را از تجزیه شیمیایی آلایندهها مطمئن سازند اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود
فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تریکلرواتیلن (TCE) از
آبهای زیرزمینی استفاده کردهاند.
تحقیقات مرکز فناورینانوی زیستمحیطی (CBEN) دانشگاه رایس نشان میدهد نانوذرات طلا
و پالادیم، کاتالیستهایی بسیار مؤثر برای حذف آلودگی TCE از آب هستند مزیتهای
حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است. با به
کارگیری فناورینانو میتوان تعداد اتمهای در تماس با مولکولهای TCE و در نتیجه کارایی این
کاتالیست را چندین برابر کاتالیستهای رایج افزایش داد TCE حلال رایج در روغن زدایی از
فلزات و قطعات الکترونیکی، یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب است و در درصد
پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز
سرطان میشود. کاتالیستهای شیمیایی نسبت به کاتالیستهای زیستی بسیار سریعتر عمل
میکنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیتهای کاتالیستهای پالادیم برای تجزیه TCE این
است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل میکند. در حالی که
کاتالیستهای رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیلکلراید تبدیل
میکنند محققان دانشگاه رایس روش جدیدی را توسعه دادهاند که طی آن نانوبلورهای تیتانیوم
با سطح ویژه بالا )بیش از m2/g برای حذف آروماتیکهای آلی تولید میشوند. این مواد
تحت تابش اشعه فرابنفش، قابلیت اکسیداسیون نوری بسیاری از مولکولها را پیدا
میکنند همچنین C60 کاتالیزور نوری بسیار خوبی است که کارایی آن صدها برابر بیش از
تیتانیای موجود در بازار است. تولید رادیکال آزاد به وسیله C60 متراکم در آب، امکان تجزیه
آلایندهها را فراهم میکند
-5 بررسی کاربردهای فناوری نانو در صنعت آب
مقدمه :
آب یکی از نعمات بزرگ پروردگار، منشاء حیات و سرآغاز زندگی موجودات زنده است. اهمیت
آب به اندازه ای است که بیان و توجیه اثرات کامل آن در زندگی بشر به دشواری
میسر می گردد. متاسفانه بنابر بی توجهی های موجود امروزه تمدن جدید ، تغییراتی را در
کیفیت آب ها باعث گردیده ، چه از طریق شهرنشینی و رشد بی رویه جمعیت و چه از طریق
ایجاد آلودگی های ناشی از صنعت . این آبها ، دیگر به همان گونه که قبلا مورد استفاده قرار می
گرفته اند نمی توانند مورد بهره برداری قرار گیرند. و از طرفی امروزه نیازها و فشارهای موجود
برای تامین آب با کیفیت بالا، بیشتر و بیشتر از پیش احساس می شود. بر این اساس با توجه به
توانمندی های فراوان فناوری نانو نسبت به روشهای قدیمی و سنتی موجود ، در حذف و کنترل
آلودگی های محیطی و همچنین تصفیه و جلوگیری از انتشار آلودگی ها ، میتوان آنرا به عنوان
یک تکنولوژی سبز و ابزاری موثر برای دستیابی به توسعه ای پایدار ، چه از نظر اقتصادی و چه از
نظر بهره وری بیشتر در نظر گرفت . ورود این فناوری به عرصه مهندسی بهداشت محیط و
استفاده کاربردی از آن بالاخص در زمینه های تصفیه آب و فاضلاب و ایجاد شرایط لازم برای
استفاده مجدد از پساب های تصفیه شده ، با توجه به قرار گرفتن کشور در شرایط بحران آب
امری ضروری است . لذا در این مقاله کاربردهای ذرات نانو مقیاس در تصفیه آب برای حذف رنگ ،
آرسنیک ، نیترات ، مواد آلی و فلزات سنگین و هم چنین استفاده از نانو تیوپ ها برای ردیابی
آلودگی پساب ها مورد بررسی قرار گرفته است.
امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف خالص
سازی آب، به آبی بهداشتی دسترسی ندارند. بر طبق آمارهای موجود و به نقل از سازمان جهانی
بهداشت ؛ حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی سالم و بهداشتی دسترسی نداشته و این
میزان چیزی حدود یک ششم جمعیت کره زمین را در بر می گیرد . طی اعداد و ارقام
موجود دیگر، روزانه 1222 کودک به علت مبتلا شدن به امراض ناشی از مصرف آب غیر
بهداشتی میمیرند.امروزه تمام دغدغه و تلاش محققین و دانشمندان این عرصه آن است که با
کمک روشها و فناوری های جدید این مشکلات را کاهش دهند.که یکی از فناوریهای مورد
نظر , فناوری نوظهور نانو است.
آنچه در این مبحث ، بیش از بیش دنبال آن هستیم ، ایجاد بستری مناسب ، برای دستیابی به
آبی سالم ، با کیفیت و مقرون به صرفه است . به یمن استفاده از شیوه های جدید مخصوصاٌ
نانوتکنولوژی در تصفیه آب ، شرایط ذکر شده برای ما میسر گردیده است ، بطوریکه با توجه به
حذف موثر آلاینده ها و کاهش هزینه های تمام شده تولید آب سالم ، استفاده از این فناوری ها ،
نسبت به روشهای قدیمی بیشتر مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. البته از آنجا که هیچ یک
از تکنولوژی های موجود را نمیتوان بطور مطلق پاک و ایمن دانست ، در کنار اهداف تولید باید به
جنبه های زیست محیطی، و پتانسیل های بالقوه آسیب رسان آنها نیز توجه شود.بهره گیری از
فناوری نانو در فرآیند تصفیه آب، راه حل مناسبی است تا بتوان به سادگی آب آلوده را برای
استفاده در کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود.
کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب را میتوان در سه فرآیند زیر خلاصه کرد : الف فرآیند غربالی -
در فرآیند غربالی، تصفیه آب به وسیله غشاهایی با منافذ در حد نانومتر صورت میپذیرد. فناوری
تولید نانو غشاء یکی از فناوریهای پرکاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت
آب و فاضلاب تا صنایع غذایی، دارویی و همچنین صنایع نفت، گاز و انرژی گسترده شده است.
در این روش، بر حسب اندازه منافذ غشا، ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی، به راحتی از آب
جدا شده و در نهایت آبی تصفیه شده خواهیم داشت.
ب فرآیند جذبی -
از جاذبها میتوان به عنوان جداسازی محیطی، در تصفیه آب و حذف آلایندههای آلی بهره برد .
از جمله نانو جاذب های پرکاربرد در تصفیه آب میتوان به مزوپورهای نانو حفره ای اشاره کرد.
مزپورها مواد متخلخلیاند که در ابعاد میکرون بوده و تنها حفرات تشکیل دهنده آنها در
اندازههای نانومتری است . پوشش دادن این حفرات با نانوذراتی که قدرت پیوند با مواد آلاینده را
دارند باعث بهبود عملکرد نانو جاذبها خواهد شد .
ج فرآیند تجزیه -
استفاده از صفحات لایه نشانی شده با دی اکسید تیتانیوم در فرآیند تصفیه آب، این امکان را
فراهم میکند تا با تابش اشعه UV ، مواد آلاینده موجود در آب، به ترکیباتی غیرمضر تجزیه
شوند. در این روش، دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فتوکاتالیست عمل کرده و شرایط مورد نیاز
برای انجام واکنش تجزیه را فراهم خواهد کرد . از جمله آلایندههای موجود در آبهای صنعتی که دی اکسید تیتانیوم آنها را به آب و دی
اکسید کربن تبدیل میکند عبارتند از: آلکان ها، و آلکن ها، آلکین ها، اترها، آلدئیدها، الکل ها،
ترکیباتی آمینی، ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی .
- -1 5 فن آوری نانو وبرخی کاربردهای آن در صنعت آب
استفاده از فناوریهای نوین به خصوص فناوری نانو در راستای کاهش اثرات سوء آلودگیهای زیست
محیطی، بعنوان یکی از راهکارهای مدیریتی مطرح میباشد. یکی از مواردی که این فناوری
کاربرد خود را متبلور مینماید در ارتباط با منابع آب میباشد که در نظر گرفتن چالشهای پیش رو
ضرورت استفاده از آن را پر رنگ تر نموده است. در این مطلب برخی کاربردهای فناوری نانو در
صنعت آب اشاره شده است. آب یکی از ضروری ترین عناصر حیات بر روی زمین است و اگر چه
بیش از 70 درصد از سطح کرة زمین با آب پوشیده شده است اما کمتر از 9 درصد از آن آب
شیرین میباشد. از این مقدار 13 درصد به قلههای یخی تعلق دارد، 12 درصد آن آبهای زیر
زمینی است که به راحتی قابل دسترسی نمی باشد و فقط 2 درصد آن شامل دریاچه ها و رودخانه
ها و چاهها میباشد که به راحتی به دست می آید . در مجموع در هر زمان تنها یک ده هزارم از
کل آبهای کره زمین به سادگی در دسترس انسان قرار دارد. در دسترس بودن آب سالم و پاک
یکی از مهمترین مسائل پیش روی بشر میباشد و به تدریج که مقدار مصرف آب بیشتر میشود
مواد آلاینده نیز به طرق مختلف باعث آلوده کردن منابع آبی میگردند و این مسأله در آینده
بحرانی تر خواهد شد. مجمع عمومی سازمان ملل متحد به منظور افزایش آگاهی و ترغیب، جهت
اداره بهتر امور مربوط به آب و حراست بهتر از این منبع حیاتی، سال 1229 را سال بین المللی
آب شیرین اعلام نمود. پذیرش حق برخورداری از آب بعنوان یک حق برای بشر ممکن است
مهمترین گام در بر طرف کردن دشواری تأمین این بنیادی ترین عنصر زندگی مردم باشد. اهمیت
کاربرد فناوری نانو در صنعت آب فناوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می گذرد
کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. در نتیجه صنعت آب، بعنوان یکی از پایههای
حیات از این مسئله مستثنی نیست و در بخشهای مختلف آن، شامل ساخت سدها، حفاظت
خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب، شیرین سازی آب و غیره، فناوری نانو کاربرد یافته
است. امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف
خالص سازی آب، به آب بهداشتی دسترسی ندارند. حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی دسترسی
ندارند . روزانه 1222 کودک به علت مبتلا شدن به امراض ناشی از مصرف آب غیر بهداشتی
میمیرند. تمام تلاش محققین این است که با کمک روشها و فناوریهای جدید بتوانند این
مشکلات را کاهش دهند. یکی از این فناوریها، فناوری نانو است .
در مجموع کاربردهای متعددی را میتوان در زمینه استفاده از فناوری نانو متصور بود که اهم آنها
در ذیل آمده است:
-1 استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلاینده ها
-2 رنگ زدایی از آب آشامیدنی
-3 نمک زدایی از آب
-4 نانو پوشش ها
-5 نانو لولههای جاذب گازهای سمی
-6 نانو پلیمرهای متخلخل
-7 استفاده از نانو ذرات در تصفیه پسابها
-8 نانو فیلترها
-1 حذف آرسنیک موجود در آب
برخی کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب فناوری نانو با روشهای زیر میتواند در تهیه
آب تمیز کمک کند ؛
2 غشاهای فیلتر اسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب -
1 روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی -
9 نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی -
1 نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب -
بر اساس پیش بینی سازمان ملل در سال 1211 حدود 18 کشور )یعنی 91 درصد جمعیت جهان
( دچار کمبود آب آشامیدنی خواهند شد.
در ارائه راه حل برای این مسئله ، فناوری نانو در دوعرصه می تواند مفید باشد:
2 تولید نانو کامپوزیت ها و دخل و تصرف در ساختار آنها برای جداسازی بسیاری از -
منابع آلاینده آب که بعنوان نمونه پژوهشهای انجام شده در این عرصه حاکی از حذف فلزات
سنگین از جمله جیوه،سرب و آرسنیک می باشد.
1 تولید الکترودهای با مساحت سطحی بالا که از طریق کنار هم قرار دادن نانو لوله های کربنی -
و دیگر ابتکارات طراحی که رسانای الکتریکی شده اند و قادرند نسبت به تامین آب شرب از دریا
با مصرف انرژی کمتر ) به میزان حداقل 22 برابر کمتر از انرژی دستگاه اسمز معکوس و 222 برابر
کمتر از روش تقطیر ( آب دریا را نمک زدایی کنند.
- -2 5 مقایسه فناوری های تصفیه آب
کمبود آب چه از نظر کمی و چه از نظر کیفی در برخی از کشورها و بویژه در کشور ما ،
مردم را در معرض تهدیدی جدی قرار داده است, از این رو علم و تکنولوژی دست به دست
هم داده اند ، تا با توسعه روش ها این مشکلات را از پیش رو بردارند.
در ابتدای این قسمت برخی از روشهای قدیمی تصفیه آب را مطرح کرده و به ذکر معایب آنها می
پردازیم ، سپس در بخش بعد وارد بحث استفاده از فناوری نانو شده و مزایای آنرا مورد بررسی
قرار خواهیم داد.
مراحل تصفیه در روش سنتی :
پیش تصفیه منعقد شدن ذرات فلوکولاسیون رسوب گذاری گندزدایی هوادهی – – – – – –
صافی کردن
برخی از معایب شیوه سنتی در تصفیه آب :
-1 هر کدام از این فرایندهای مذکور به تنهایی قادر به از بین بردن تمامی آلاینده ها نیستند.
-2 این روش ها اساساً بر مبنای نصب تاسیسات فرایندی ) مثل حوضچه های ته نشینی، صافی ها
و... ( و استفاده از چندین فرایند متوالی بوده ، بنابراین امکان حمل و نقل سیستم هایی که از
این شیوه استفاده می کنند ، سخت و مشکل است، ) مشکلاتی از قبیل شکنندگی تجهیزاتی
چون فیلترهای سرامیکی ، نشست زمین در اثر نیروی وزن سیستم های تصفیه خانه ها و... (.
-3 کاهش بازدهی برخی از فرایندها با افزایش دبی شاره ها ) مثل فیلترهای کربن فعال که با
افزایش دبی ، سریعتر اشباع شده و این خود باعث وارد شدن برخی آلاینده ها ، به درون آب
تصفیه شده می گردد(
-4 برخی از این فرآیندها حساسیت زیادی نسبت به شرایط فیزیکی و شیمیایی آب از خود نشان
می دهند. بدین معنی که با تغییرات pH ، قلیائیت ، دما و مقدار ناخالصی های مختلف در آب
بازدهی فرآیندها تغییر پیدا می کند . )مثلا در گندزدایی ؛ کاهش دما و افزایش تیرگی ، تاثیر
منفی ، در از بین بردن میکروب ها خواهد داشت .(
-5 هزینه بهره برداری از این سیستم ها نسبت به روش های غشایی ) استفاده از نانو فیلترها (
بیشتر است.)با استفاده از مواد شیمیایی در فرآیندهایی مثل؛ منعقدسازی و گندزدایی هزینه
های نگه داری سیستم بالاتر می رود.(
-6 بعلت استفاده از مواد شیمیایی در برخی فرآیندها )مثل افزودن کلر در عملیات گندزدایی(
آب حاصل برای شرب مطبوع نیست.
- -1 5 حذف آلاینده های موجود در آب با استفاده از فناوری نانو
2 9 1 حذف آرسنیک - - -
آرسنیک در اثر انحلال مواد معدنی موجود در سنگها و خاکهایی که تحت تاثیر عوامل فرساینده
طبیعی قرار گرفته اند ؛ در لایه های زمین پخش می گردد. این ماده بی بو ، بی مزه و بسیار سمی
و سرطان زا می باشد که استفاده دراز مدت از آب آلوده به آن باعث ایجاد سرطان های پوستی ،
لنفاوی ، کلیوی ، صفرایی و ریوی می شود . حد مجاز آرسنیک مطابق استاندارد WHO برابر با
22 میلی گرم در لیتر می باشد .
بنابراین کاربرد فن آوریهای نوین برای حذف این عنصر از آبهای آشامیدنی حائز اهمیت است که
در زیر بطور مثال به دو نمونه اشاره می شود :
-1 اختراع جدید موسوم به ArsenXnp کارایی و راندومان بالایی در حذف آرسنیک نشان
داده است . این اختراع در حقیقت یک رزین مبادله یونی است که در راستای تکمیل
رزین های انتخابگر جهت تصفیه آبهای زیرزمینی از یون های نیترات ، پرکلرات و کروم شش
ظرفیتی ساخته شده است. از مهمترین امتیازات ArsenXnp ؛ انتخابگری بالای آن برای یون
آرسنیک است که پلیمرهای پایه آن برای دوام و بقا نیاز به شستشو ندارند. بعبارت دیگر این
محصول عمر طولانی و کاربرد بسیار ساده ای دارد. این فن اوری علاوه بر حذف ارسنیک ازآب
آشامیدنی ، جهت حذف آرسنیک از پساب های صنایع نیمه هادی و آب های استفاده
شده در برج های خنک کننده نیز کاربرد دارد.
1 در تحقیقات اخیر دانشمندان ، برای حذف آرسنیک درون آب، از نانو ذرات اکسید روی -
استفاده شده است زیرا اکسید روی توده ای نمی تواند آرسنیک را حذف نماید ، در حالیکه
نانو ذرات خواص کاتالیستی و جذبی مفیدی را از خود نشان داده اند. البته استفاده از آنها
بطور صنعتی با مشکلاتی همراه بوده است به نحوی که این مواد در ستون آب یا به سادگی معلق
می شوند و یا هر فیلتری را که در مسیر حرکت آنها قرار گرفته باشد مسدود می کنند. بنابراین
روش های جدید برای ساخت توده های نانو ذره ای هم اندازه و هم شکل رشته های رزینی را پیدا
کرده اند. محققین برای ایجاد این توده ها ، رزینهای تبادل کاتیون را با یون های روی پر کردند،
سپس آنها را سوزاندند ؛ در نتیجه گوی هایی از نانو ذرات کروی دی اکسید روی با قابلیت بالای
حذف آرسنیک بوجود آمدند. این فرآیند همچنین می تواند برای ایجاد توده های نانو ذرات
سولفید فلزی و اکسید فلزی به منظور استفاده در کاربردهای کاتالیستی ، تصفیه آب و رفع
آلودگی ها به کار رود.
1 9 1 حذف رنگ - - -
رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید زدوده شود ، بلکه چون این رنگ ها
می توانند منشاء تولید تری هالو متانها مانند )3(CHCl نیز باشند ، خطرناک محسوب میشوند .
این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان زا
می شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولا ناشی از وجود اسیدهای معدنی با جرم مولکولی 800 – 50000 gr/mol است . اسیدهای مذکور در اثر تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می
شوند. اغلب روشهای متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند ، لیکن با
استفاده از غشاهای نانو می توان تا 33 درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد.
9 9 1 حذف نیترات - - -
استفاده از 4 gr/lit نانوذرات آهن با قطر 10-100 nm ) متوسط 11 نانومتر ( و سطح
ویژه /gr 20/31 m در حذف نیترات از محیط های آبی ، راندومان حذف بسیار بالایی داشته
1 میلی گرم بر لیتر - - بطوریکه غلظت های اولیه 12 922 میلی گرم بر لیتر در طی 9 ساعت به 1
رسیده است. در این فرآیند pH بعنوان پارامتری اساسی ، احیاء نیترات را کنترل کرده بطوریکه
در pH<4/5 طی 9 ساعت تغییری در غلظت نیترات مشاهده نشده است . کنترل pH با تزریق
اسید در طی واکنش در محدوده 1 1 باعث افزایش سرعت و راندومان واکنش میشود. -
1 9 1 حذف فلزات سنگین و مواد آلی - - -
نانو ذرات 2TiO برای اکسید کردن آلاینده های آلی و به صورت دامهای نانو مقیاس برای جذب
فلزات سنگین در مکان های آلوده مورد استفاده قرار می گیرند. در حالات ذکر شده این ذرات
می توانند عامل اکساینده باشند و تولید آب یا دی اکسید کربن می کنند. مطالعات اخیر نشان
می دهد که از 2 TiO در مقیاس نانو می توان برای رفع آلاینده ها ؛ ویروس ها و
مواد شیمیایی آلی خطرناک استفاده کرد. ذرات نانو با سطوح مناسب ) لیگاندها و معرف ها ( می
توانند برای جداسازی فلزات سنگین و برای غیر فعال کردن سطوح آلوده استفاده شوند. بدیهی
است که فرآیندهای شیمیایی با کارایی بالاتر مواد آلاینده و ضایعات کمتری تولید می کنند.
1 9 1 جیوهزدایی از آب - - -
محققان آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورثوست آمریکا، از سرامیکهای نانوحفرهای که با
تکلایههای تیول ) SH (، عاملدار شده بودند، برای جیوهزدایی از آب استفاده کردند. تکلایههای
خودسامان تیول بر روی سیلیکای میانحفرهای ) Thiol-SAMMS ( میتوانند کاربردهایی در
تصفیه فاضلاب نیروگاههای زغالسنگی داشته باشند. این نیروگاهها از منابع اصلی آلودگی جیوه
به شمار میروند. محققان زیرلایهای از جنس سیلیکای میانحفرهای را با میانگین اندازه حفرات
5.6 نانومتر و سطح ویژه /g2900 m بهکار بردند. آنها با افزودن تکلایهای از تیولهای قلیایی به
حفرات این سرامیک، آن را فعال ساختند. دسترسی به یک فناوری برای حذف جیوه که علاوه بر
انتخابگری، ظرفیت جذب بالا و سینتیک جذب مناسب، منجر به تولید پسماندی پایدار گردد،
یکی از نیازهای فوری در زمینه تصفیه جیوه است. نهتنها کارایی روشهای متعارف حذف جیوه،
پایینتر از این روش است؛ بلکه این روشها منجر به تولید مقادیر زیادی پسماند میشوند. ماده
جدید علاوه بر پاکسازی فاضلاب نیروگاههای زغالسنگی میتواند در تصفیه پسماندهای
رادیواکتیو، تولید باتری و مصارف دندانپزشکی نیز بهکار رود.
تصاویر TEM کاتالیزورهای نوری نانوبلورهای تیتانیای تهیه شده تحت شرایط هیدروترمال به
ترتیب بدون عوامل سطحی، با غلظت پایین عوامل سطحی، و با غلظت بالای عوامل سطحی
6 1 5 حذف آلودگیها - - -
مطالعات آزمایشگاهی نشان میدهد که غشاهای نانولولهای میتوانند تقریباً همه انواع
آلودگیهای آب را حذف کنند؛ این آلودگی شامل باکتری، ویروس، ترکیبات آلی و تیرگی است.
همچنین این غشاها نویدی برای فرایند نمکزدایی و گزینهای برای غشاهای اسمز معکوس
هستند .
- -4 5 روش های تصفیه آب خانگی
متداول ترین روش های تصفیه آب خانگی بشرح زیر میباشد : رزین های تبادل یون برای کاهش
سختی آب رزین های تبادل یونی با تبدیل یون های کلسیم و منیزیم محلول در آب به یون های
نامحلول ، آنها را جذب و در نتیجه سختی آب را کاهش می دهد. متاسفانه، این رزین ها محیط
بسیار مساعدی برای رشد و تکثیر باکتریها میباشند بطوریکه تعداد باکتریها در داخل این
فیلترها در کمترین مدتی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. جدیدا برای مقابله با تکثیر
میکرواورگانیزم ها در محیط رزینی، فیلترهای رزینی نوع Bacteriostatic تولید گردیده است
که تا حدودی مانع تکثیر سریع میکروبها در داخل فیلتر می گردد. با این وجود، قبل وبعد از این
نوع فیلتر آب بایستی کاملا ضدعفونی گردد و چون راکد ماندن آب در داخل بستر رزین موجب
گندیدگی سریع آب می گردد، باید دقت نمود که آب در داخل این فیلترها همیشه جریان داشته
باشد. رزینهای داخل فیلتر پس از مدتی اشباع شده و بایستی تعویض شوند. استفاده از این
فیلترها برای آبهای مشکوک و یا آلوده به میکروب و انگل مجاز نمی باشد. کربن اکتیو )زغال
فعال( برای حذف کلر، رنگ، بو و تری هالومتانها فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و
بعضی فلزات سنگین محلول در آب را دارد و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر آب را حذف می نماید.
مشابه فیلترهای رزین، بستر کربن فعال محیط مساعدی برای تغذیه و تکثیر باکتری ها بشمارمی
آیند و پس از آن گندزدایی و تصفیه میکربی ضروری میباشد. زئولیت برای حذف فلزات سنگین
زئولیت ها رزین های طبیعی هستند که دارای خاصیت مبادله کاتیونی و حذف فلزات سنگین
میباشند. از جمله موارد مهم کاربری زئولیت ها حذف کاتیونهای ارسنیک، تیتان، آلومینیوم
کوبالت، کرم، آلومینیوم، سرب، روی و غیره میباشد. فیلترهای سرامیکی برای حذف مواد معلق،
2 میکرون، مانع عبور مواد / باکتری ها و انگلها فیلترهای سرامیکی با منفذهای عبور آب حدود 1
معلق و کلیه انگلها و میکربها گردیده و با اطمینان کامل آلاینده های بیماری زای آب را حذف می
نمایند. حتی آبهای آلوده و مشکوک پس از عبور از این صافی ها کاملا شفاف، بهداشتی و قابل
شرب می گردند. تصفیه با فیلترهای سرامیکی تنها روش غیرشیمیایی میباشد که بدون نیاز به
برق، آلودگی های میکربی آب را حذف می نماید. فیلترهای سرامیک مرغوب، در مواقع شیوع
بیماریهای اپیدمی نیز بهترین شیوه تامین آب شرب سالم در محل مصرف میباشند . دستگاه های
تصفیه آب خانگی بطوریکه مشاهده می شود، هیچ یک از روشهای فوق به تنهایی قادر به تامین
آب شرب سالم و گوارا نمی باشد. با در نظر گرفتن مواد زائد موجود در آب و با استفاده از روشهای
مختلف تصفیه بایستی مواد زائد را از آب خارج نمود
2 1 1 بررسی روش های تصفیه مواد زائد آب خانگی و کاربرد آنها - - -
دستگاههای تصفیه آب خانگی برای حذف یا کاهش مواد زائد آب آشامیدنی بکار میروند.
این مواد عمدتا عبارتند از :
-1 سختی آب
-2 کلر و ترکیبات بیماریزای کلر
-3 فلزات سنگین
-4 آلودگی های میکربی
در زیر به بررسی این پارامترها و روشهای تصفیه آن ها می پردازیم
2 2 1 1 سختی آب - - - -
سختی آب املاح موجود در آب موجب بالا رفتن سختی آب می شوند تماس آب با ترکیبات
آهکی موجود در زمین باعث ورود عوامل سختی در آب ها شده و معمولا آب های زیرزمینی از
سختی زیادتری نسبت به آب های سطحی برخوردارند. سختی آب، عملا شاخص میزان فعل و
انفعال آب با صابون است و برای شستشو با آب های سخت تر به صابون زیادتری نیاز است.
سختی آب به مجموعه املاح کلسیم و منیزیم موجود در آب بر حسب میلی گرم در لیتر کربنات
- کلسیم اطلاق میشود. طبقه بندی آب ها از نظر سختی بشرح زیر میباشد : آب های سبک 2 12
میلی گرم در لیتر آب های با سختی متوسط 120-60 - میلی گرم در لیتر آب های سخت 282
212 میلی گرم در لیتر آب های خیلی سخت بیشتر از 282 میلی گرم در لیتر آب های سخت در
درجه حرارت بالا در جداره کتری و دیگ های بخار رسوبات کربنات کلسیم ایجاد میکند. مطالعات
اخیر نشان داده که مصرف آب های سخت تر بعلت وجود منیزیم و کلسیم مرگ های ناگهانی
ناشی از امراض قلبی و عروقی را به شدت کاهش میدهد. در حال حاضر هیچگونه رابطه ای میان
پیدایش سنگ کلیه و سختی آب گزارش نشده است. علاوه بر این وجود کلسیم و منیزیم در
آبهای آشامیدنی سخت مانع جذب فلزات سنگین نظیر سرب، کادمیوم، روی و مس و رسوب آنها
در استخوانها می شود. در عین حال در نقاطی از روسیه که از آب های نسبتا سخت استفاده می
کنند به مواردی از پیدایش سنگ در مجاری ادرار برخورده اند. این موضوع تقریبا در آب های با
سختی 122 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم به اثبات رسیده است. از سوی دیگر در نقاطی که
از آب های نرم تر استفاده می شود، به فشار خون، وجود چربی و کلسترول در خون برخورده اند
که هر دوی این عوامل میتواند در مرگ های ناگهانی بسیار مؤثر باشد. به طور کلی میتوان گفت
که در نقاطی که آب سخت مصرف می شود امراض قلبی کمتر از نقاطی است که ساکنین آنها آب
های سبک تر مصرف می کنند. به علاوه بروز سکته های قلبی در نقاط با آب های سخت تر به
مراتب کم تر از نقاط با آب های سبک تر است .
1 2 1 1 کلر - - - -
برای میکرب زدایی، در تصفیه خانه های شهری کلر به آب افزوده میشود کلر و ترکیبات آن برای
ضدعفونی آب آشامیدنی در تصفیه خانه ها به آب اضافه میگردد. در سالهای اخیر تحقیقات بعمل
آمده نشان داده اند که مواد آلی موجود در آب با کلر ترکیب شده و ایجاد تری هالومتان ها،
کلرات و سایر ترکیبات جانبی مضر و سمی می نمایند که باعث بروز انواع بیماریهای صعب العلاج
در انسان میگردند.
9 2 1 1 فلزات سنگین - - - -
فلزات سنگین از طریق نفوذ پساب صنعتی در آب آشامیدنی به انسان منتقل میشود فلزات
سنگین با توجه به توسعه شهرنشینی و صنایع که منجر به افزایش میزان فاضلاب و پساب تولید
گردیده است، عمدتا از طریق دفع نادرست و غیربهداشتی فاضلاب شهری و پساب صنعتی وارد
محیط زیست می گردد. مرگ و میرهای آبزیان در اثر تخلیه پساب های محتوی فلزات سنگین در
دنیا و ایران بی سابقه نیست. سبزیجات اطراف تهران نیز که با فاضلاب آبیاری میشود از این
آلودگی ها بی بهره نمیباشد . فلزات سنگین شامل سرب، جیوه، روی، نیکل، کرم، کادمیوم و غیره
میباشد. وجود فلزات سنگین در غلظت بیش از استاندارد در آب شرب باعث عوارض مختلف نظیر
مسمومیت، حساسیت شدید، ضایعات کروموزومی، عقب افتادگی ذهنی، فراموشی، پارکینسن،
سنگ کلیه، نرمی استخوان و انواع سرطان منجمله سرطان پروستات میگردد. یکی از کارشناسان
محیط زیست، آلودگی محیط مخصوصا آب با فلزات سنگین را بعنوان بزرگترین گناهی که بشر در
طبیعت انجام میدهد ارزیابی نموده است.
1 2 1 1 میکرواورگانیزم های بیماری زا - - - -
میکربها از طریق نفوذ فاضلاب انسانی در آب آشامیدنی به انسان منتقل می شوند امراض مختلفی
بوسیله آب به انسان منتقل می شوند. از جمله این امراض می توان وبا، حصبه، اسهال میکربی و
خونی، هپاتیت، سل، دیفتری، انگلهای خونی و کبدی را نام برد. عوامل بروز این بیماریها که شامل
تک یاخته ها، ویروس ها، باکتری ها، کرم ها و انگلها می باشند، از طریق نفوذ فاضلاب در آب
آشامیدنی به انسان منتقل می شود. بیماری های ناشی از آب آلوده سالانه نزدیک به یک میلیارد
انسان را در روی کره زمین مبتلا می کند و باعث مرگ حدود 22 میلیون نفر می شود.
- -5 5 شیرین کننده هایی از جنس غشای نانومتری
محققان توانسته اند عشاهایی از نانولوله های کربی بسازند که به کمک آن جداسازی گاز و مایع
با کمترین هزینه امکان پذیر خواهد شد . امروزه بیشتر غشاها از مواد پلیمری ساخته می شوند
که در دمای بالا مشکلاتی را به وجود می آورند .در این نوع غشاها نمی توان توازن مناسبی را
میان ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار کرد. استفاده ازنانولوله های کربنی امکان انتخاب
پذیری مناسب در ورودی های بالا را فراهم می کند .غشاهای جدید باحفره های کوچک تر و
متراکم تر وهمچنین امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره ، از نظر گذردهی آب و هوا نسبت
به غشاهای دیگر بسیار موثرتر هستند و کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند .از روش
جداسازی غشایی ، در شیرین سازی آب استفاده می شود . در این روش آب شور داغ را روی
ورقه نازکی از غشای دارای حفرات ریز موسوم به نانو حفره می ریزند . این حفره ها آنقدر کوچک
هستندکه فقط بخار می تواند از میان آنها عبور کند و آب ، مایع ، نمک هاو مواد معدنی دیگر در
پشت غشا باقی می مانند. در طرف دیگر غشاء محفظه هایی از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور
از آن دوباره به مایع تبدیل می شود.
ابزاری که در این روش به کار رفته است، عبارت است از دستگاهی مستطیل شکل با مجموعهای
از غشاهای الیاف مانند توخالی که مایع به طور عرضی در آن جریان مییابد. این غشاها به صورت
هزاران لوله به شکل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بستههایی داخل یک جعبه قرار
میدهند. در این شکل نمونه آزمایشی از این دستگاه آب شیرینکن نشان داده شده است. در
قسمت وسط، دستهای از هزاران لوله توخالی شبیه تارمو قرار دارد. جداره این لول هها را هم
غشاهایی با نانوحفرههای کوچک تشکیل میدهد
1 5 5 معایب استفاده از سامانه آب شیرین کن ها - - -
-1 تغییر در اکوسیستم طبیعت به علت تخلیه پسآب های ناشی از تصفیه در طبیعت و .... 2 با توجه به اینکه این سامانه باید در درون آب قرار گیرد نحوه ی ساخت و اجرای تاسیسات آن -
بسیار دشوار است . - 3 مجاورت دستگاه ها و تاسیسات آب شیرین کن با آب شور باعث از بین رفتن دستگاه ها و به
کار بستن تمهیدات ویژه ای را می طلبد . -4 باعث افزایش درجه حرارت آب می شود . ) در اثر عبور آب درون دستگاه ها و بازگرداندن
پسآب آن به داخل آب )
-5 باعث افزایش PH آب شده و خاصیت اسیدی آب را زیاد می کند . -6 باعث از بین رفتن ماهی ها و موجودات کوچک و ذره بینی درون آب می شود . ) در اثر
برخورد با صافی ها و دستگاه های حرارتی )
-7 هزینه بسیاری را هم در زمینه ساخت ، نگه داری و همچنین انتفال آب تصفیه شده در بر دارد
. مطالب گفته شده در بالا و خصوصا هزینه زیاد و آلودگی شیمایی شدید منجر به این شد که
دانشمندان و محققان در فکر استفاده از روش تصفیه سبز مثل استفاده از فناوری نانو بیافتند .
-6 تصفیهی آب و فاضلاب با استفاده از فناوری نانو
مقدمه
بیشتر آلودگیهای محیطزیست وآبها از قرن بیستم شروع به افزایش نمود، که به دلیل
تولیدبالای فاضلابهای خانگی،صنعتی، استفادهی روزافزون کودها و سمهای کشاورزی بود.در
تعریف فاضلاب دیگر نباید گفت که ناپاک است،بوی بدی دارد؛فاضلاب را میتوان مادهی
ارزشمندی دانست که در صورت تصفیهی درستبهرههای فراوانی خواهد داشت.در فنآوریهای
نوین از قبیل زیست فنآوری و فنآورینانو راهکارها و مواد جدیدی برای تصفیه و بهرهبرداری
ازآب و فاضلاب به دست آمده است.
آلودگی آب زمانی رخ میدهد که ماهیت فیزیکی و شیمیایی آب تغییر کند و به آن موادی اضافه
شود که برای استفادهی انسان، حیوان و گیاه نامطلوب گردد.به طور کلی آب سالم بدون بو، طعم و
رنگ است، که تغییر در هر یک از این شاخصها به نوعی سبب آلودگی آب خواهد شد.
دو نوع آلودگی برای آب تعریف شده است؛
2 آلودگی با منبع مشخص -
1 آلودگی با منبع نامشخص -
آلودگی با منبع مشخص مربوط به زمانی است که آلایندهها به طور مستقیم وارد آب شوند و منشأ
آنها قابل تشخیص باشد. اما در مورد دوم، به طور نامشخص این آلودگیها در یک سطح وسیع
گسترش یافته و بسیار خطرناک بوده، جلوگیری وکنترل آن بسیار مشکلتر از آلودگی با منبع
مشخص است. برای مثال، روانآبهای کشاورزی که به هنگام بارندگی ویا آبیاری ایجاد میشوند.
فاضلاب همان آب مصرفی جامعه است که در نتیجهی کاربردهای گوناگون آلوده شده است.از نظر
منابع تولید، فاضلاب را میتوان ترکیبی ازمایع با فضولاتی دانست که توسط آب از مناطق
مسکونی، اداری ،تأسیسات بازرگانی وصنعتی حمل شده است .
فاضلاب بر اساس منشأ تشکیل به فاضلابهای شهری، صنعتی، کشاورزی و هرزآبهای سطحی
تقسیم میشود. مهمترین تفاوت فاضلاب صنعتی وپساب شهری، داشتن مواد وترکیبهای سمّی
با خاصیت خوردگی زیاد،خصلت قلیایی و اسیدی در فاضلابهای صنعتیاست.منظور از تصفیهی
فاضلاب، به دست آوردن آب پاکیزه از طریق جداسازی آلایندهها از آب آلوده است.اما در بسیاری
از کشورهای درحال توسعه، فاضلابها نه تنها به درستی تصفیه نشده، بلکه همانند گذشته، در
بیشتر موارد به درون نزدیکترین آبراهه،رودخانه و یا برکههای فاضلاب تخلیه میشوند .
تصفیهی فاضلاب درحالت کلی شامل سه مرحله است :
مرحلهی اول ؛ شامل جدا کردن مواد شناور و قابل تهنشینی موجود در فاضلاب میباشد.
در مرحلهی دوم؛ از فرایندهای شیمیایی و زیستشناختی استفاده میشود تا مواد آلی از
فاضلاب جدا شود.
در تصفیهی نهایی؛ با استفاده از واحدهای اضافی عملیات و فراوری، سایرآلایندهها مانند نیتروژن
و فسفر که درمرحلهی قبل به صورت کامل جدا نشدهاند،حذف میگردند.
- -3 6 تصفیه فاضلاب
محققان به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب هستند که بدون استفاده از
مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را در مقایسه با روش هایی که در حال حاضر مورد استفاده
قرار می گیرند به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف
موجودات زنده بسیار ریز است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی کننده استفاده می
شود، اما در این صورت حتی پس از تصفیه نیز ترکیبات ارگانیک زیادی در آب وجود خواهد
داشت. کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می کند، اما با آلاینده های ارگانیک واکنش می
دهد و محصولات جانبی تجزیه ناپذیر و سمی تولید می کند که نمی توان آنها را از آب حذف کرد.
انتقال این مواد به محیط زیست و استفاده از آنها در کشاورزی و صنایع دیگر می تواند مشکلات
بهداشتی خطرناکی ایجاد کند . تصفیه فاضلاب به کمک نانو کاتالیزور نوری می تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی
ضدعفونی با کلر شود تا موجودات زنده و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به
یک منبع آب مناسب تبدیل کند. موجودات زنده ریز به طور طبیعی ترکیبات ارگانیک بزرگ را به
ذرات کوچک تری تبدیل می کنند؛ اما از آنجایی که این ترکیبات از نظر زیستی تجزیه ناپذیرند،
برای تجزیه آنها باید از نوعی انرژی استفاده کنیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید تامین
شده و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد. انرژی آزاد شده از واکنش سلول
کاتالیزور نوری می تواند موجودات زنده ریز را از میان برده و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه
کند. این فرایند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزور های نوری از نظر اقتصادی مقرون به
صرفه است. ذرات کاتالیزوری یا به صورت همگن در محلول پراکنده می شوند، یا به صورت
ساختارهای غشایی رسوب داده شده هستند که تجزیه شیمیایی آلاینده ها را امکان پذیر می
کنند. با توجه به کاربردها و قابلیت های فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب بسیاری از شرکت ها
از این فناوری در تصفیه آب و فاضلاب استفاده می کنند و به همین دلیل امروزه استفاده از
محصولات و تولیدات بر پایه فناوری نانو افزایش یافته است. این محصولات اغلب شامل
نانوفیلترها و انواع حسگرهایی است که به منظور تشخیص مواد و ذرات موجود در آب مورد
استفاده قرار می گیرند . محققان دانشگاه UniSA در استرالیا به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه
فاضلابها هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را بیشتر از
روشهای موجود بهبود میبخشد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف موجودات زنده بسیار ریز
است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونیکننده استفاده میشود، ولی در این حالت
حتی بعد از تصفیه هم ترکیبات ارگانیک زیادی در آب حضور دارند. کلر موجودات زنده ریز را از
آب حذف میکند، ولی با آلایندههای ارگانیک واکنش داده، محصولات جانبی تجزیهناپذیر و سمی
تولید میکند که نمیتوان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیطزیست و استفاده از
آنها در کشاورزی و دیگر صنایع میتواند مشکلات بهداشتی جدی ایجاد کند . تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزور نوری میتواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضد
عفونی با کلر شود تا موجودات زنده ریز و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به
یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز، ترکیبات ارگانیک بزرگ را
کوچکتر میکنند؛ اما از آنجا که این ترکیبات به طور زیستی تجزیه ناپذیرند، ما مجبور به
استفاده از نوعی انرژی برای تجزیه آنها هستیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید گرفته
میشود و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار میگیرد . انرژی تولید شده از واکنش سلول کاتالیزوری نوری میتواند موجودات زنده ریز را کشته و
ترکیبات تجزیهناپذیر را تجزیه کند. این فرایند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای
نوری، بسیار مقرون به صرفه است . ذرات کاتالیزوری چه به صورت همگن در محلول پراکنده
شده یا روی ساختارهای غشایی رسوب داده شده باشند، میتوانند ما را از تجزیه شیمیایی
آلایندهها مطمئن سازند . اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در
حذف تریکلرواتیلن (TCE) از آبهای زیرزمینی استفاده کردهاند. تحقیقات مرکز فناورینانوی
زیستمحیطی (CBEN) دانشگاه رایس نشان میدهد نانوذرات طلا و پالادیم، کاتالیستهایی
بسیار مؤثر برای حذف آلودگی TCE از آب هستند . مزیتهای حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است.
با به کارگیری فناورینانو میتوان تعداد اتمهای در تماس با مولکولهای TCE و در نتیجه کارایی
این کاتالیست را چندین برابر کاتالیستهای رایج افزایش داد . TCE حلال رایج در روغن زدایی
از فلزات و قطعات الکترونیکی، یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب است و در 60 درصد
پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز
سرطان میشود. کاتالیستهای شیمیایی نسبت به کاتالیستهای زیستی بسیار سریعتر عمل
میکنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیتهای کاتالیستهای پالادیم برای تجزیه TCE این
است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل میکند. در حالی که
کاتالیستهای رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیلکلراید تبدیل
میکنند . محققان دانشگاه رایس روش جدیدی را توسعه دادهاند که طی آن نانوبلورهای تیتانیوم با سطح
ویژه بالا )بیش از /g2250 m برای حذف آروماتیکهای آلی تولید میشوند. این مواد تحت
تابش اشعه فرابنفش، قابلیت اکسیداسیون نوری بسیاری از مولکولها را پیدا میکنند . همچنین 60C کاتالیزور نوری بسیار خوبی است که کارایی آن صدها برابر بیش از تیتانیای موجود
در بازار است. تولید رادیکال آزاد به وسیله 60C متراکم در آب، امکان تجزیه آلایندهها را فراهم
میکند
2 6 تصفیه پساب های صنعتی - -
پساب های صنعتی شوینده، حاوی اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است که باید در
فرآیند های تصفیه از آب جدا شوند. یکی از دیگر موادی که در پساب های صنعتی یافت می شود
مواد نامحلول روغنی است. حضور این مواد فرآیند تصفیه آب را با مشکل مواجه می کند. یکی از
روش های اقتصادی برای تصفیه این مواد، استفاده از سیستم های ترکیبی حاوی میکروفیلترها و
نانوفیلترهاست. در این سیستم برای حذف ذرات معلق مانند روغن ها و گریس ها از
میکروفیلترها و برای حذف پاک کننده ها از نانوفیلترها استفاده می شود . 1 6 جیوه زدایی - -
محققان آزمایشگاه ملی Pacific Northwest آمریکا، از سرامیک های نانو حفره ای که با تک
لایه های تیول (SH) ، عامل دار شده بودند، برای جیوه زدایی از آب استفاده کردند. تک لایه های
خود سامان تیول بر روی سیلیکای میان حفره ای (Thiol-SAMMS) می توانند کاربردهایی در
تصفیه فاضلاب نیروگاه های زغال سنگی داشته باشند. این نیروگاه ها از منابع اصلی آلودگی
جیوه به شمار می روند. محققان زیرلایه ای از جنس سیلیکای میان حفره ای را با میانگین اندازه
حفرات 5،6 نانومتر و سطح ویژه g/m2 900 به کار بردند. آنها با افزودن تک لایه ای از تیول
های قلیایی به حفرات این سرامیک، آن را فعال ساختند. دسترسی به یک فناوری برای حذف
جیوه که علاوه بر انتخاب گری، ظرفیت جذب بالا و سینتیک جذب مناسب ، منجر به تولید
پسماندی پایدار گردد، یکی از نیازهای فوری در زمینه تصفیه جیوه است. نه تنها کارایی روش
های متعارف حذف جیوه، پایین تر از این روش است؛ بلکه این روش ها منجر به تولید مقادیر
زیادی پسماند می شون. ماده جدید علاوه بر پاکسازی فاضلاب نیروگاه های زغال سنگی می
تواند در تصفیه پسماندهای رادیواکتیو، تولید باتری و مصارف دندانپزشکی نیز به کار رود . -4 بررسی روش های خالص سازی آب با بکارگیری فناوری نانو
نانو، دلالت بر یک واحد بسیار کوچک در علم اندازه گیری دارد. یک نانومتر معادل 22 3 متر یا -
به عبارتی یک میلیاردم متر است. اخیراً با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو
فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی
معرفی شده و یا می شوند. کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از : نانو فیلترها، نانو
فتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات، نانو سنسورها، نانو لوله هاو ... توانایی های این
فناوری در تصفیه آب و با توجه به انواع آلودگی ها مورد ارزیابی قرار گرفته است . در گذشته نه چندان دور اهداف تصفیه خانه های آب آشامیدنی کاهش مواد معلق و زدودن
عوامل زنده بیماری زا در آب بود که با روشهای متداول فیلتراسیون و گندزدایی قابل حصول بوده
اند . لیکن با افزایش غلظت مواد ریزدانه، ترکیبات ازته، مواد آلی و معدنی و فلزات سنگین به
منابع آب روش های متعارف جوابگوی نیازتصفیه خانه ها نبوده و لازم است از فرآیندهای نسبتاً
جدید در تصفیه خانه ها استفاده شود . اخیراً نیز با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای
جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند . مفهوم نانوفناوری به حدی گسترده است که بخش های مختلف علوم و فناوری را تحت تأثیر خود
قرار داده و در عرصه های مختلف از جمله محیط زیست کاربردهای وسیعی یافته است.
که در فصل های بعد به انواعی از این نانو فناوری ها می پردازیم.
-8 نانو فیلترها
مقدمه
واژه نانوفیلتراسیون تا اواسط نیمه دوم دهه 80 هنوز به طور مشخص مورد استفاده قرار نگرفته
بود. در حقیقت این غشاها از اوایل دهه 60 وجود داشتند و با عناوین غشاهای اسمز معکوس
آزاد )(Loose Reverse Osmosis ، اسمز معکوس باز )(Open Reverse Osmosis ، حد واسط
غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون،غشاهای اسمز معکوس انتخابی Selective( Reverse Omosis) و یا غشاهای اولترافیلتراسیون فشرده (Tight Ultrafiltration) مورد
استفاده قرار می گرفت. بنابراین تولید نانوغشاها با تولید غشاهای اسمز معکوس و
اولترافیلتراسیون همزمان بوده و به اواخر دهه 50 تا اول دهه 3460 برمی گردد. طی مدت
زمان نزدیک به 35 سال، به موجب توسعه و پیشرفت فناوری در زمینه غشاهای اسمز معکوس و
اولترافلتراسیون و کشف پتانسیل های بالقوه کاربرد فرایندهای غشایی در صنایع مختلف، منجر
به ایجاد غشاهای جدید از نوع نانو شد . در همه روشهای پیشرفته تصفیه آب مهمترین هدف تصفیه، حذف املاح محلول در آب می باشد
ولی نکته مهمی که وجود دارد این است که برای کاربردهای مختلف، آب با درجه خلوص متفاوتی
مورد نیاز می باشد برای مثال در صنعت داروسازی و یا تولید سوخت هسته ای آب مورد نیاز، آب
فوق خالص (Ultra Pure) می باشد لذا طبیعی است برای تولید آب با درجه خلوص بیشتر باید
هزینه بیشتری صرف شود. ولی برای برخی دیگر از کاربردها آب با خلوص بسیار زیاد مورد نیاز
نمی باشد. برای مثال آب استفاده شده در برج های خنک کننده (Cooling Tower ) باید صرفاً
از لحاظ حذف سختی مورد تصفیه قرار گیرد. در چنین کاربردهایی می توان از سیستمهایی با
درصد حذف پایین تر و به تبعِ آن هزینه کمتر استفاده نمود. یکی از این روشهای تصفیه مرسوم
در دنیا، روش نانو فیلتراسیون (Nanofiltration) می باشد .یکی از کاربردهای فناوری نانو
استفاده از نانوفیلترهاست که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی نهاده
است. نانوفیلترها براساس منافذشان طبقه بندی شده اند .
نانوفیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون مزایای ویژهای دارد، از جمله آنکه
در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس
میزان خلوص آبِ حاصله بیشتر از حد محصول است که پیامدِ آن افزایش قیمت این روش است.
از دیگر مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و پساب عبارتند از:
حذف نمکهای چند ظرفیتی )از قبیل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کش ها(، امکان تولید
میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع، از بین بردن انواع باکتری، ویروس و میکروارگانیزم ها،
حذف آلاینده های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز سلامت انسان، از بین بردن اثرات مخرب
زیست محیطی، حذف کدورت، سختی و شوری آب، پایین بودن هزینه تصفیه و در مجموع
همانگونه که اشاره شد عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی زیان آور برای محیط زیست و انسان .
3 8 تعریف نانوفیلتراسیون - -
به طور معمول جداسازی نمک های تک ظرفیتی، دو ظرفیتی و حل شده های غیریونی با وزن
مولکولی کمتر از 2000 گرم بر مول، عامل اصلی در انتخاب غشاهای جدید با خواص و ویژگی
های فی مابین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد . محدوده ویژگی ها و مشخصات فرایند جداسازی غشاهایی که از طریق این تعریف پوشش داده
می شود به تازگی به عنوان غشاهای نانو مطرح شده است . این فرایند در سال های 3480 نیز تحت عنوان هیپرفیلتراسیون (Hyperfiltration) از آن
نام برده شده و همیشه همراه با فرایند اسمز معکوس و مشابه آن معرفی شده است. امروزه
نانوفیلتراسیون به صورت یک فرایند به طور کامل مجزا با خواص کاربردی ویژه به کار گرفته می
شود و با دو فرآیند اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون اختلاف های اساسی دارد. به عبارتی
غشاهای به کار رفته در فرایند نانوفیلتراسیون دارای ساختار متخلخل از نوع میکرو با قطر روزنه
های کمتر از 2 نانومتر بوده و از مواد پلیمری، که در بیشتر حالت ها دارای بار یونی می باشند،
ساخته شده اند . شهرت تجاری نانوفیلتراسیون از اوایل سال های 3480 آغاز شده و در سال 3488 اولین
نانوغشاها از جنس مواد سرامیکی به صورتتجاری و کاربردی مورد استفاده قرار گرفت. بعدها
نانوغشاهایی از جنس مواد پلیمری آلی جهت کاربردهای خاص به بازار عرضه شد . در حال حاضر غشاهای نانو در بخش های مختلف صنایعی چون بیوتکنولوژی، صنایع غذایی و
کشاورزی، تولید آب آشامیدنی و حفاظت محیط زیست به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می
گیرد. برای مثال، می توان به جداسازی مواد معدنی از لاکتوز در صنایع شیر، بازیابی و استفاده
مجدد از آب مصرفی در پساب های رنگی و تصفیه آب شرب در یک مقیاس بزرگ اشاره کرد . 2 8 کاربردهای ممکن فرایند نانوفیلتراسیون در صنایع مختلف - -
3 2 8 غذایی - - -
- نمک زدایی از محلول پنیر
- نمک زدایی از محلول شکر
- بازیابی مواد غذایی در فرایند تخمیر
- تصفیه پساب
- خالص سازی اسیدهای آلی
2 2 8 نساجی، چرم و کاغذ - - -
- جداسازی اسیدهای آمینه
- بازیابی رنگینه ها از پساب
- بازیابی آب و نمک از پساب
- بازیابی مواد آهاری از پساب آهارگیری
- بازیابی و استفاده مجدد از یون های کروم
- تصفیه پساب
1 2 8 شیمیایی - - -
- بازیابی محلول سفیدگری
- حذف گاز دی اکسیدکربن در فرایند گازی
- تهیه برومید
- بازیابی قلیا در فرایند تولید سلولز و ویسکوز
- رسوب سولفات کلسیم
4 2 8 الکترونیک و آبکاری - - -
- جداسازی فلزات سنگین از محلول اسیدها
- حذف سولفات های فلزی از پساب
- حذف نیکل
5 2 8 تولید آب - - -
- بازیابی هیدروکسید لیتیم در تصفیه پساب باتری سازی
- حذف مواد روغنی از آب
- حذف سختی از آب
- حذف مواد آلی طبیعی
- حذف سموم دفع آفات از آب
- حذف فلزات سنگین، آهن، مس، روی و سیلیکا
- تصفیه آب های شور
6 2 8 کشاورزی - - -
- حذف فسفات، سولفات، نیترات و فلوراید
- حذف سلنیوم از آب زهکشی
1 8 ویژگی ها و مشخصات اصلی و اساسی فرآیند نانوفیلتراسیون - -
- جرم مولکولی ذرات و مولکول های احتباس شده توسط این غشا بین 200 تا 2000 گرم بر
مول )دالتون( قرار می گیرد . - میزان احتباس ذرات باردار تابع بار یونی آن ها می باشد نه جرم مولکولی آن ها
- محدوده فشار اعمال شده در این فرایند در مقایسه با فرایند اسمز معکوس کمتر و بالعکس
دبی جریان عبوری از غشا به مراتب بیشتر از دبی به دست آمده از فرایند اسمز معکوس در یک
فشار ثابت می باشد . - دبی جریان خروجی و عبوری از غشاهای نانو براساس آنالیز تئوری های دو پدیده نفوذ و
جابجایی قابل توصیف است .
1 8 انواعنانوفیلتراسیون - -
2 1 8 نانو غشاهای مورد استفاده در نانوفیلتراسیون - - -
به دلیل استفاده از پلیمرهای یونی در ساخت غشاهای نانو، احتباس ذرات یونی از مکانیزم اثر
دافعه دونان Exclusion)(Donnan تبعیت می کند. بررسی جزییات مکانیزم های انتقال مواد
در غشا نشان می دهد که اين نوع مکانیزم از ویژگی های خاص غشاهای نانو در مقایسه با دو نوع
غشای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد . در نانوغشاها یک انتخاب در احتباس بین یون های تک ظرفیتی و دوظرفیتی وجود دارد. به
عبارت دیگر توسط فرایند نانوفیلتراسیون امکان جداسازی یون های یک ظرفیتی از دوظرفیتی
وجود دارد. در حالی که علی رغم احتباس خیلی زیاد فرایند اسمز معکوس، این نوع جداسازی به
وسیله غشاهای اسمز معکوس وجود ندارد . همچنین در غشاهای نوع نانو اختلاف بسیار مهمی در نفوذپذیری بین دو ذره ای که از نظر جرم
مولکولی یکسان ولیکن دارای بارهای یونی مخالف )مثل یک ذره یونی مثبت یا منفی، و یک ذره
خنثی( هستند، وجود دارد. در حالی که چنین اختلافی در دو نوع غشای اسمز معکوس و
اولترافیلتراسیون دیده نمی شود . 2 4 8 ساختار نانوغشاها - - -
غشاهای استفاده شده در فرآیند نانوفیلتراسیون، برحسب ماهیت آلی یا معدنی، از پلیمرها و یا
اکسیدهای فلزی ساخته شده اند و دارای یک ساختار اسیمتریک هستند.
یک نانوغشا از سه لایه، که هر یک نقش ویژه ای دارد تشکیل شده است : - یک لایه اولیه با قطر روزنه های بزرگتر از 50 نانومتر به منظور دادن مقاومت مکانیکی خوب به
غشا و امکان کسب دبی جریان عبوری بالا . - یک یا چندین لایه میانی با قطر منا فذ بین 2 و 50 نانومتر که ارتباط بین لایه حفاظتی و لایه
فعال را مطمئن می سازد .
- یک لایه فعال که توسط آن عمل جداسازی توسط فرآیند نانوفیلتراسیون انجام می شود.
ضخامت این لایه به نسبت کم بوده و اغلب در حدود کمتر از میکرون با قطر روزنه های در مقیاس
نانومتر می باشد. توزیع اندازه این روزنه ها خیلی باریک می باشد. این لایه ضمن داشتن دبی
جریان عبوری بالا، دارای ویژگی خاص در انتخاب فرآیند جداسازی بین ذرات یونی و غیریونی،
که جرم مولکولی آن ها کمتر از 2000 گرم بر مول است، می باشد . فراتر از این ساختار عمومی و کلی، غشاهای نانو از خصوصیت های فیزیکی و شیمیایی ویژه ای
در ارتباط با ماهیت آلی یا معدنی خود برخوردار هستند .
1 4 8 مشخصه های غشاهای پلیمری آلی - - -
غشاهای نانو ساخته شده از مواد پلیمری آلی، مشابه غشاهای اسمز معکوس، دارای یک ساختار
کمپوزیت بوده که طی یک فرآیند دو مرحله ای به شرح زیر ساخته می شوند : - ابتدا یک لایه پلیمری متخلخل با قطر روزنه های بزرگتر از 50 نانومتر به ضخامت بین 40 تا
300 میکرومتر به صورت لایه میانی روی یک منسوج بافته شده یا بی بافت قرار می گیرد . - سپس یک لایه فعال با ضخامت کم، بین 0.1 تا 1 میکرومتر توسط فرآیندهایی چون
پلیمریزاسیون روی لایه قبلی ایجاد می شود. این لایه فعال خواص انتقال و انتخاب در جداسازی
را برای نانوغشا ایجاد می کند . لایه میانی آن ایزوتروپ )Anisotrope( بوده که اغلب بر پایه پلی سولفون می باشد. این لایه
دارای نفوذپذیری بسیار بالایی است. بعضی از غشاها ممکن است دارای چندین لایه میانی باشند . لایه فعال باید علاوه بر داشتن احتباس ویژه در فرآیند جداسازی، از مقاومت مکانیکی و شیمیایی
خوبی برخوردار باشد. به عنوان مثال بعضی از لایه های فعال از طریق پلیمریزاسیون بین سطحی
توسط ترکیبات آروماتیک سه عاملی روی لایه میانی ایجاد می شوند .
در دیدگاه اول، توانایی جداسازی لایه فعال، تحت اثر یک سد فیزیکی ایجاد شده توسط غشا، در
نظر گرفته می شود که عبور از این غشا تابع اندازه مولکولی ذرات است. به عبارت دیگر ذراتی که
دارای قطر کمتر از قطر روزنه های لایه فعال هستند می توانند از این لایه عبور کرده و در نتیجه
ذرات بزرگ تر احتباس می شوند . توانایی جداسازی نانوغشا با اثر بار یونی که ناشی از ماهیت شیمیایی پلیمرهایی که در ساخت
این لایه فعال استفاده می شوند ارتباط دارد. در حقیقت در بین مواد سازنده ای که تشکیل
دهنده لایه فعال غشاهای نانو می باشند، گروههای فعال چون آمید، کربوکسیل و حتی سولفون
وجود دارد. این گروهها ممکن است یا به طور دائم و یا تابع محلولی که در تماس با این غشا
خواهد بود، به صورت یونی باردار شوند .
4 4 8 مشخصه های غشاهای معدنی - - -
نانوغشاهای معدنی یا سرامیکی دارای یک ساختاری مشابه غشاهای معدنی از نوع
میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون هستند. تنها اختلاف آن ها در لایه نهایی است. این لایه در
نانوغشاهای معدنی دارای ساختار متخلخل با اندازه حفره های میکرو یعنی قطر منافذ کمتر از 2
نانومتر می باشد . از نظر اصول اولیه، ساختار چند لایه ای غشاهای سرامیکی مشابه ساختار نانوغشاهای پلیمری
است. به طور عمومی این لایه های فعال در نانوغشاهای معدنی توسط فرآیند سل ژل به دست -
می آیند . فرآیند سل ژل یکی از فرآیندهای شیمیایی است که در دمای پایین برای تولید اشیاء، فیلم ها، -
فیبرها، ذرات یا کمپوزیت ها مناسب می باشد که می توانند بعد از یک مرحله فرآیند تکمیلی به
صورت تجاری مصرف شوند. به وسیله فرآیند سل ژل می توان ساختار میکرو محصولات را در -
محدوده 3 تا 300 نانومتر که ساختاری در مرتبه مولکولی می باشد به دست آورد. این مواد
اغلب مشخصه های فیزیکی و شیمیایی یکنواختی دارند. سل ها ذرات کلوئیدی پراکنده در
محلول به ابعاد 3 300 نانومتر هستند که به علت کوچکی بیش از حد به وسیله حرکت براونی -
در محلول به حالت معلق باقی می مانند. ژل ها نیز از یک شبکه جامد و به هم پیوسته با منافذی
به ابعاد زیر میکرومتر و زنجیرها پلیمری می باشند که طول متوسط آن ها بزرگتر از یک
میکرومتر است. در حقیقت فرآیند سل ژل سنتز شبکه معدنی توسط واکنش های شیمیایی در -
محلول و در دمای پایین است که به دلیل تشکیل شبکه بی شکل )در مراحل اولیه( در مقابل
فرآیند کریستاله شدن در محلول قرار دارد . در این فرآیند برای تهیه نانوغشا اغلب از اکسیدهای فلزی، که از محلول فلزات آلی یا نمک های
معدنی حاصل می شود، استفاده می گردد. سپس لایه های نازک با تخلخل قابل کنترل توسط
نانوذرات اکسیدهای مواد معدنی با قطر کمتر از 30 نانومتر تشکیل می شود . یکی از ویژگی های مهم اکسیدهای معدنی یاد شده، خاصیت آمفوتر بودن آن ها می
باشد،همچنین پدیده هیدراسیون در سطح غشا و روی دیواره حفره های غشا انجام می شود.
پدیده هیدراسیون علت تشکیل بارهای الکتریکی در سطح شده که تابعی از محتویات محلولی
است که با غشا در تماس می باشد . برای هر اکسید یک محدوده pH وجود دارد که در آن بارهای مثبت و منفی سطح غشا با هم
برابر است و در مجموع سطح از نظر بار الکتریکی خنثی است. این نقطه از pH را در اصطلاح
نقطه بار صفر گویند. این محدوده pH به نوع اکسید و همچنین درجه حرارتی که هنگام ساخت
غشا به مواد وارد شده است، بستگی دارد. شناخت این محدوده pH برای اکسیدهای فلزی یک
پارامتر مهم محسوب می شود و در واقع این پارامتر رفتار نانوغشاهای سرامیکی را در مقابل
محلول نشان می دهد. هنگامی که اکسید فلزی در تماس با محلول های یونی قرار می گیرد، یون
های با بار مخالف لایه فعال غشا جذب سطح شده و تولید یک لایه ثانویه می کند. این لایه را لایه
استرن (Stern layer) گویند. در محدوده ای از pH برآیند بارهای الکتریکی موجود در سطح
پس از جذب یون های مخالف و تشکیل لایه ثانویه تولید یک سطح در مجموع خنثی می کند.
این نقطه pH را نقطه ایزوالکتریک می گویند. پایین تر از نقطه pH ایزوالکتریک، سطح در
مجموع به صورت مثبت و بالاتر از آن به صورت منفی باردار خواهد بود. از نظر علمی برای توصیف
رفتار غشاها در تماس با محلول های واقعی، نقطه ایزوالکتریک ارجحیت بیشتری نسبت به نقطه
بار صفر دارد .
1 1 8 نانوالیاف جاذب جریان - - -
شرکت KX طرحی از فیلترهای جاذب جریان شامل نانوالیاف را با هدف استفاده در کشورهای در
حال توسعه بهرهبرداری کرده است. فیلتر شامل یک لایه پیش فیلتراسیون برای حذف چرکها،
یک لایه جاذب برای حذف آلودگیهای شیمیایی و یک لایه نانوالیاف برای حذف آلودگیها و
ذرات کلوئیدی است. نانوالیاف از چندین پلیمر آبدوست، رزینها، سرامیکها، سلولز، آلومینا و
دیگر مواد ساخته میشوند. این فناوری در مقیاسهای خانگی و شهری قابل دسترسی است .
2 1 1 8 حذف آلودگیها - - - -
طبق گزارشها، فیلترهای سطح فعال بیش از ۹۹ درصد از باکتریها، ویروسها، انگلها،
آلودگیهای آلی و دیگر آلودگیهای شیمیایی را حذف میکنند .
1 1 1 8 مقدار تصفیه آب - - - -
طبق اعلام شرکت سازنده، مقیاس خانگی فیلترهای سطح فعال میتواند به ازای هر فیلتر ۵۷۳
لیتر آب را با سرعت چهار تا شش لیتر بر ساعت تولید کند. در مقیاس روستایی بیش از ۷۳۷۷
۳ لیتر بر دقیقه تولید میکند. در مقیاس روستایی هر فیلتر برای بیش از / لیتر بر روز با سرعت ۶
۹۳ هزار لیتر آب مؤثر است .
9 1 1 8 هزینه - - - -
انتظار میرود فیلترهای خانگی شش تا ۱۱ دلار فروخته شوند و فیلترهای جایگزین برای آنها
۷ دلار به ازای هر لیتر آب. همچنین فیلترهای / ۷ دلار هزینه دربر خواهد داشت؛ یعنی ۷۷۰ / ۷تا ۹ /۸
۷ دلار به ازای هر لیتر است / روستایی بین ۱۷۷ تا ۱۳۷ دلار هزینه خواهند داشت که تقریباً ۷۷۷۵ .
1 1 1 8 روش مصرف - - - -
طراحی فیلترهای سطح فعال به گونهای است که بدون استفاده از تجهیزات وسیع، یا نگهدارنده
بهآسانی قابل استفاده باشند .
6 4 8 بررسی نانو فیلتراسیون در حذف فلزات سنگین از فاضلاب - - -
یکی از مهم ترین عوامل آلودگی محیط زیست، فاضلابهای صنعتی حاوی فلزات سنگین است که
در پساب بسیاری از صنایع از جمله صنعت آبکاری وجود دارند. این فلزات در صورت ورود به بدن
انسان باعث بروز انواع بیماری ها از جمله سرطان و همچنین آلودگی منابع آب و خاک و مرگ
آبزیان می گردند. در این تحقیق میزان کارایی فناوری نانو فیلتراسیون در حذف سه فلز نیکل،
روی و مس به عنوان شاخص فلزات سنگین در فاضلاب آبکاری مورد بررسی قرار گرفت. هدف از
انجام این تحقیق ارزیابی تاثیر سه عامل فشار، غلظت و زمان بر حذف فلزات سنگین مذکور با
استفاده از یک غشای نانو فیلتراسیون بود. در بررسی اثر غلظت بر میزان حذف از دو غلظت 11 و
12 میلی گرم در لیتر نمکهای سولفات مس، نیترات نیکل و سولفات روی استفاده شد و همچنین
1 و 1 بار مورد آزمایش قرار گرفت. همچنین عوامل ، اثر فشارهای 8 pH و دما در طول آزمایش ها
ثابت در نظر گرفته شدند . نتایج نشان داد که با افزایش فشار، میزان حذف افزایش یافت که تاثیر
آن در فشار 8 بار برای فلز مس بیشتر از بقیه بود و موجب حذف 222 درصد آن گردید . در
خصوص تاثیر غلظت، نتایج نشان دهنده کاهش میزان حذف با افزایش غلظت بود به طوری که در
مورد فلز روی از 33 درصد در غلظت 11 میلي گرم در لیتر به 97.7 درصد در غلظت?? میلی گرم
در لیتر رسید. همچنین فاکتور گذشت زمان نیز عامل مثبتی در افزایش میزان حذف ارزیابی شد .
-1 فناورینانولولههای کربنی
مقدمه
نانوتکنولوژی بعنوان یک فناوری کاربردی در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفته است.
نانولولههای کربنی میتوانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی
آلودگیها، به طور یکنواخت همراستا شوند. تخلخلهای نانومتری نانو لولهها، این فیلترها را از
دیگر فناوریهای فیلتراسیون بسیار انتخابپذیرتر نموده است. همچنین نانو لولههای کربنی
دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند، لذا
استفاده از فناوری نانولوله های کربنی در استفاده طولانی مدت، نسبتاً کم هزینه است؛ چرا که
آنها میتوانند بدون از دست دادن قابل توجه ظرفیت جذب، احیا شده، استفاده شوند. این غشاها
هزینههای مرتبط با خرید و ذخیرهسازی مواد شیمیایی احیاکننده و تعلیم کاربران را ندارند و
آلودگیهای ثانویه خطرناک تولید نمیکنند. علاوه بر این، انتظار میرود که هزینه نانولولههای
کربنی در پنج سال آینده بین ده تا صد برابر کاهش یابد. نانولولههای کربنی میتوانند برای
تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگیها، به طور یکنواخت
همراستا شوند. تخلخلهای نانومتری نانو لولهها این فیلترها را از دیگر فناوریهای فیلتراسیون
بسیار انتخابپذیرتر نموده است. همچنین نانو لولههای کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا،
نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند.
- -1 1 نانو تیوپهای کربنی
نانو لوله کربنی از صفحات کربن به ضخامت 3 اتم و به شکل استوانه تو خالی ساخته شده است.
برای ایجاد نانو لوله دو الکترود خالص کربنی را در فضایی از گاز هلیم به یک ژنراتور DC وصل
می کنند.
یکی از اکتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology ، کشف Nanotube است .نانو تیوبها
صفحاتی از اتمهای کربن هستند که درون قسمتی غلطک مانند حرکت می کنند ودر ظاهر شبیه
توریهای سیمی هستند که بر روی یک سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد . Carbon Nanotube لوله کربنی تو خالی است . نانو تیوب های کربنی از منابع کربنی مانند گرافیت یا
گازهای هیدروکربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الکتریکی ، TCVD و Laserr ablation - ساخته می شوند . این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد ) 2222 122 m2/gr) ، استحکام زیاد ( حدودا 12 برابر فولاد( و خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی استثنایی موارد
کاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیست ، تقویت مکانیکی پلیمرها و کمپوزیت ها و
ساخت قطعات الکترونیکی دارند .آنها 22 برابر از فولاد محکمتر ند در حالیکه وزنشان یک ششم
وزن فولاد است. این امتیاز باعث شده است که آنها اولین انتخاب برای ساختن پلها، هواپیماها
وحتی سفینه های فضایی باشند. تنها مشکل این است که بزرگترین نانو تیوبی که در آزمایشگاه
ساخته می شود تنها چند میلینتر است. اما این مسئله باعث شده که درمورد ماشینهای کوچک ،
نانو تیوب ها ی کربنی ایده آل باشند. یکی از مشکلاتی که بر کیفیت ابزار MEMS تاثیر منفی می
گذارد ساییدگی قسمتهای بسیار کوچک آنهاست که در هر ثانیه هزاران بار اتفاق می افتد. اما در
یاتاقانهای ساخته شده از نانو تیوبها تقریبا هیچ گونه اصطحکاکی وجود ندارد.وامتیازمهم این
است که نانو تیوبها در هر دو حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واین ویژگی موجب استفاده آنها در
وسایل مختلف الکتریکی شده است. نانو تیوبها دو نوع هستند : نانو تیوبهای چند دیواره ای و
تک دیواره ای که به ترتیب در سال 2332 و 1993 کشف شدند. نوع چند دیواره ای از الیاف
گرافیتی ساخته می شود در حالی که نانو تیوبهای تک دیواره ای از الیاف فولرن کشیده شده
تشکیل شده اند . از زمان کشف این مواد کاربرد های مختلفی پیشنهاد شده است که از آن جمله
می توان استفاده از نوع چند دیواره ای را در نوک ای . اف . ام حامل و در مورد نوع تک دیواره به
منظور استفاده در وسایل الکترونیکی یا به عنوان محیط مناسب جهت ذخیره هیدروژن اشاره
نمود . نانو تیوبهای تک دیواره از دیواره های استوانه ای گرافن به قطر 2 تا 1 نانومتر تشکیل شده است
. نوع چند دیواره ای ,دیواره های ضخیم تری دارد و از چندین استوانه هم محور گرافن که با
فاصله 91 نانومتر )در حد فاصله لایه های گرافیت( از هم جدا شده اند , تشکیل گردیده است .
قطر خارجی نانو تیوب چند دیواره ای 1 تا 11 نانومتر و سوراخ داخلی آن در محدوده 2 تا 8
نانومتر قرار دارد و ما بین لایه های منفرد گرافیت هیچگونه نظم سه بعدی وجود ندارد . طول
متوسط نانو تیوب می تواند چندین میکرون باشد .
و به صورت کاملا اتفاقی در هنگام » سومیو ایجیما « اولین بار نانو تیوبها در سال 2332 توسط
مطالعه سطوح الکترودهای کربن در هنگام تخلیه قوس الکتریکی کشف شد .
- -2 4 ویژگی های نانو لوله کربنی
3 اندازه بسیار کوچک -
2 حالت رسانایی و نیمه رسانایی آن بر حسب شکل مهندسی شان -
1 قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا -
4 گسیل جذب نور -
5 ذخیره سازی -
6 داشتن خاصیت ابر رسانایی -
- -1 4 کاربردهای نانو لوله کربنی
3 ترانزیستورها -
-2 حسگرها
ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص از خود واکنش های پیش بینی نشده نشان می دهند. دما
سنج اولین حسگری است که بشر ساخته است. نانو لوله ها می توانند مواد سازنده حسگرها
باشند.
-1 نمایشگرهای گسیل میدانی
بسیاری از متخصصان معتقدند که با استفاده از نمایشگرهایی که از نانو لوله های کربنی به عنوان
منبع انتشار استفاده می کنند می توانند از نظر هزینه ، کیفیت و اندازه صفحه مناسب باشند.
-4 حافظه های نانو لوله ها
به دلیل کوچکی بسیار زیاد نانو لوله های کربنی حافظه هایی که از این نانو لوله ها ساخته می
شوند می توانند اطلاعات زیادی را در خود ذخیره کنند.
-5 استحکام دهی کامپوزیت ها
توزیع یکنواخت نانو لوله ها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانو لوله ها در فناوری نانو
کامپوزیت ها از موضوعات مهم است.
از دیگر کاربردهای نانو لوله ها می توان به امکان ذخیره سازی هیدروژن در پیل های سوختی،
افزایش ظرفیت باتری ها، جلیقه های ضد گلوله سبک و مستحکم، کابل های ابر رسانا، پلیمرهای
رسانا، صنایع نساجی و ... اشاره کرد.
- -4 1 دامنه کاربرد
محاسبات اولیه نشان داده اند که نانو تیوبها بسته به هلیسیتی و قطرشان می توانند رسانا یا نیمه
رسانا باشد . دو سر تیوب حالت فلزی از خود نشان می دهند .نانو تیوب در عین استحکام بالا
بسیار انعطاف پذیر است . اکثر کاربرد ها بر اساس ساختار الکترونیکی ,استحکام مکانیکی ,انعطاف پذیری و ابعاد نانو تیوب
پیشنهاد شده است . کاربرد الکترونیکی بر پایه نانو تیوب تک دیواره ای است در حالی که در
مورد سایر کاربردها تفاوتی میان نوع چند دیواره ای و تک دیواره ای وجود ندارد . کاربرد نانو
تیوب به عنوان وسایل الکترونیکی کوچک مورد توجه بیشتری قرار گرفته است . به عنوان مثال
نوع تک دیواره ای که بین دو الکترود فلزی قرار داده شده , مشابه وسایل نیمه رسانای مرسوم
است و عملکرد آن در حد وسایل موجود برآورد شده است )عملکرد از لحاظ سوییچینگ(. نانو
تیوبها می توانند به دلیل استحکام و انعطاف پذیری در ساختمان مواد به کار روند و موادی با
خواص بهتر را ایجاد کنند .
- -5 1 مشخصات
2 و / ساختار تو خالی نانو تیوب سبک بودن آن را به دنبال دارد . چگالی نوع چند دیواره ای 8
2 است . استحکام ویژه آنها حداقل / نوع تک دیواره ای 8 100 برابر فولاد است . نانو تیوبها
مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالای برخوردارند . اکسایش نانو
تیوب از دو سر تیوب آغاز می شود . این عمل باعث باز شدن تیوب خواهد شد . انتقال الکترون
در نانو تیوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شدیدا رسانا هستند. رسانایی گرمایی آنها در
جهت محوری نیز بالا است . نانو تیوبها از لحاظ کاتالیزوری فعال می باشند. نانو تیوبها خاصیت
مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند . از نانو تیوبهای چند
دیواره ای به عنوان الکترود در واکنشهای بیوالکترو شیمیایی استفاده شده است . نانو تیوبها می
توانند واکنشهای احیای اکسیژن را کاتالیز کنند. سرعت انتقال الکترون در نانو تیوب بیشتر از
الکترودهای کربنی است . ذخیره هیدروژن در داخل حفره های نانو تیوبهای تک دیواره ای امکان
پذیر خواهد بود .
- -6 1 روشهای تولید نانو تیوب کربنی
در سال 2332 توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما که متخصص میکروسکوپ آزمایشگاه
NEC بود ،آزمایشی به وقوع پیوست که تا به حال سهم به سرتئی در توسعه نانو تکنولوژی داشته
است. وی که به دستکاری وتغییر روش های ارائه شده توسط محققین موسسه ی فیزیک هسته
ای ماکس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الکترد گرافیت را به جای اتصال در فاصله
کمی از یکدیگر قرار داد وبین آنها قوس الکتریکی برقرار کرد. این آزمایش سبب شد که وی به
طور کاملا اتفاقی نانو تیوب های کربنی را کشف کند . اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به
دلیل خواص مکانیکی والکتریکی جالب ومتنوع آنها ست .پیش بینی می شود که این مواد بتوانند
در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به کار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تیوب کربن
وجود دارد،که از بقیه اشکال آن تا حدودی متمایز است : 2 نانو لوله تک جداره - Single Wall - 1 نانو لوله چند جداره Multi Wall این دو مورد وخصوصا نوع تک جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به
خود جلب کرده است.نانو لوله تک جداره از یک ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به
وجود آمده که دو سر آن به حالت کروی مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده که
درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب کربنی تک جداره ،سه روش از
اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از :
-2 قوس الکتریکی Arc Discharge -1 رسوب گذاری بخار شیمیایی (Chemical Vapor Deposition or CVD) - 9 تبخیر لیزری (Laser Vaporization)
2 1 3 روش قوس الکتریکی - - -
روش قوس الکتریکی همان روشی است که توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به کار برده
شد،بااین وجود مقدار محصول به وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب
گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست آورد.و به همین دلیل پیش بینی
میشود که در آینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به کار رود.در روش قوس
الکتریکی از دو الکترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله کمی از یکدیگر قرار می دهند به
خاطر اینکه خلوص بدست آمده در روش ایجیمیا بسیار پایین بود Journet وهمکار انش در سال
2331 به دستکاری متد بکار رفته توسط ایجما پرداختند وبا بهینه کردن پارامتر های تولید
توانستند نانو لوله های تک دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند. آنها از آند گرافیتی با قطر
16 وطول 12 میلی متر وهمچنین الکترود دیگری با قطر 21 وطول 222 میل متر به عنوان کاتد
استفاده کردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله Single Wall میان اند کاتالیست Ni,Y پرگردید.
عمود بودن یا در امتداد هم قرار داشتن کاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد . برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا کرده وسپس در فشاری پایین
)معمولا بین 112 تا 360 torr) از هلیوم ویا آرگون که گازهای بی اثر هستند پر کنیم .یکی از
عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی پایداری قوس الکتریکی اعمال شده ونیز
مقدار شدت جریان وولتاژ است که می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.در صورتی
که محصول مورد نظر نانو تیوب های Multi Wall باشد دیگر اجباری در استفاده از کاتالیزگرها
نداریم با اینکه محصول به دست آمده توسط روس قوس الکتریکی به خاطر محدود بودن وسایل
آزمایش بسیار کم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شودف زیرا
مقدارمحصول برای یک کار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه آنچه مهم است
خلوص محصول وکامل بودن ساختار آن است .که روش قوس الکتریکی تا حد زیادی این مشکل
را بر طرف میکند واما مشکل دیگردر روش قوس الکتریکی تکنیک خلا است که در بسیاری از
آزمایشگاههای سطح پایین امکان آن وجود ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون که هر دو گازهای
گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده است ولی این مورد
تالثیر چندانی نداشته ومشکل بوجود آمده دیگر امکان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است . پایداری قوس الکتریکی عامل مهمی در سنتز به شمار می آید با این وجود استفاده از یک منبع
تغذیه ی DC میتواند تاثیر خوبی در سنتز داشته باشد وآزمایشات نشان داده است هر چند اندازه
ی شدت جریان نسبت به اختلاف پتانسیل بیشتر باشد شرائط بهتر است ولی رسیدن به چنین
جریان هائی بسیار مشکل است .
1 1 3 روش - - - Magnetic Field:
یکی از موضوعات وپارامترهای مهم برای پژوهشگرانی که می خواهند از نانو لوله ها استفاده کنند
خلوص محصول است وهمچنین اینکه در سطح مقدار بیشتری نانو لوله قرار گرفته باشد، تا
بتوانند آزمایشهای کیفی خود را با دقت بالاتری انجام دهند. در روش قوس الکتریکی هنگام
ایجاد قوس در اطراف کاتد وآند به دلیل اختلاف پتانسیل وجریان، دما تا حد قابل توجهی بالا می
رود ،این مقدار به اندازه ای است که گرافیت )در حالت کلی کربن ( رو ی آند بخار شده وسپس
روی کاتد می نشیند.از آنجا که در اطراف کاتد وآند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز
نیز اثر گذاشته ودمای آنرا افزایش می دهد . ودر نتیجه در اطراف محیطی نه به شکل گاز بلکه به
شکل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است . دلیل لیمکه پلاسما را حالت جدیدی از ماده می نامیم این است که از ترکیب ین های مثبت
ومنفی اتم های خنثی بوجود آمده است .با افزایش دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در
حقیقت میزان بارهای آزاد دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد
افزایش می یابد .اما نکته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست .به وسیله میدان
مغناطیسی می توان پلاسما را در یک منطقه محصور کرد.این جلوگیری از برخورد پلاسما با
دیواره طرف که در راکتور که در راکتور گداخت گرمائی از آن استفاده میشود می تواند در سنتز
نانو لوله ها بسیار موثر واقع شود. فرض کنید اطراف الکترود های گرافیتی را با یک میدان
مغناطیسی حاصل از چها رآهن ربا احاطه کنیم ،در این صورت وجود میدان سبب می شود پلاسما
ی وجود آمده به دیوارها برخورد نکند وفقط در محدوده ی گرافیتها دما افزایش می یابد که این
امر باعث کمک به تبخیر بهتر وسریعتر آند می شود ودر کل سنتز حالت بهتری به خود می
گیرد.در این مورد دیگر جنس طرف اهمیت خاصی ندارد .
9 1 3 روش - - - Under de-ionized Water:
برخی از محققان در جهت تلاش برای حذف تکنیک خلا وهم چنین گازهای گران قیمت هلیوم
وآرگون به روشهای جدیدی دست یافته اند، از این موارد می توان به قرار دادن الکترودها در
نیتروژن ما یع اشاره کرد، که خود پر خطر است. آب چون یکی از موادی است که به فور در
طبیعت یافت میشود ،می تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد. البته آبی که در ساخت نانو لوله
ها استفاده میشود،از نوع de- ionized یا یون زدوده است که از عبور جریان به مقدار زیادی
جلوگیری می کند .این آب که معمولا در صنعت میکرو الکترونیک کاربرد زیادی دارد را می توان
به راحتی با استفاده از دستگاههای )رزین(در آزمایشگاههای شیمی بدست آورد ومعمولا
نیروگاهها از این آب استفاده می کنند. خصوصیت جالب در مورد آب یون زدوده این است که
خاصیت عبور ندادن جریان در آن براحتی از دست نمی رود . سنتز در آب می تواند هزینه ی
آزمایش را تا حد قابل توجهی کاهش دهد، ولی مقدار ودرجه خلوص نانو تیوب های بوجود آمده د
راین آزمایش بسیار پایین است خصوصا اینکه مقداری از نانو لوله ها ممکن است در آب به صورت
مخلوط وارد شود، که البته می توان با یک روکش گرافیتی از آن جلوگیری کرد. شکل الکترود ها
وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الکتریکی بسیار انعطاف پذیر است .تا کنون با آزمایشهائی
که به وسیله این روش صورت گرفته حتی در زمانهایی که از کاتالیز گرها استفاده شده است ،
محصول از نوع چند جداره بوده واین خاصیت آب در تشکیل نانو لوله های MWNTs است .
- -7 1 غشاهای نانولولهای
نانولولههای کربنی میتوانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی
آلودگیها، به طور یکنواخت همراستا شوند. تخلخلهای نانومتری نانولولهها این فیلترها را از
دیگر فناوریهای فیلتراسیون بسیار انتخابپذیرتر نموده است. همچنین نانولولههای کربنی
دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند. اگر چه
چندین روش برای سنتز نانولولههای کربنی استفاده شده است، غشاهای نانولولهای میتوانند به
وسیله پوششدهی یک ویفر سیلیکونی با نانوذرات فلزی به عنوان کاتالیست، که موجب رشد
عمودی و فشردگی بسیار زیاد نانولولههای کربنی میشود، سنتز شوند و پس از آن برای افزایش
پایداری، فضای بین نانولولههای کربنی را با مواد سرامیکی پر نمود.
2 1 3 حذف آلودگیها - - -
مطالعات آزمایشگاهی نشان میدهد که غشاهای نانولولهای میتوانند تقریباً همه انواع
آلودگیهای آب را حذف کنند؛ این آلودگی شامل باکتری، ویروس، ترکیبات آلی و تیرگی است.
همچنین این غشاها نویدی برای فرایند نمکزدایی و گزینهای برای غشاهای اسمز معکوس
هستند.
1 1 3 مقدار تصفیه آب - - -
اگر چه تخلخل نانولولههای کربنی به طور قابل توجهی کوچک است، غشاهای نانولولهای نشان
دادهاند که به خاطر سطح داخلی صاف نانولولهها، شدت جریان بیشتر یا یکسانی نسبت به
تخلخلهای بسیار بزرگتر دارند.
9 1 3 هزینه - - -
با توسعه روشهای جدید و بسیار مؤثر برای تولید نانولولههای کربنی، هزینه تولید غشاهای
نانولولهای به طور پیوسته کاهش مییابد. بر اساس پیشبینی برخی منابع، به دلیل کاهش قیمت
نانولولههای کربنی، غشاهای نانولولهای بسیار ارزانتر از سایر غشاهای فیلتراسیون، غشاهای
اسمز معکسوس، سرامیک و غشاهای پلیمری خواهد شد. از آن جا که نانولولههای کربنی شدت
جریان بالایی را نشان میدهند، فشار مورد نیاز برای انتقال آب نسبت به فرایند نمکزدایی با
اسمز معکوس، کاهش مییابد و به دلیل این ذخیره انرژی، نمکزدایی با استفاده از فیلترهای
نانولولهای بسیار ارزانتر از اسمز معکوس خواهد بود. انتظار میرود غشاهای نانولولهای بسیار
بادوامتر از غشاهای متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهی فیلتراسیون را کاهش ندهد.
1 1 3 روش مصرف - - -
غشاهای نانولولهای میتوانند در گزینههای مشابهی به عنوان غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترا
فیلتراسیون استفاده شوند. مطالعات نشان میدهد که این مواد بادوام و در برابر گرما مقاومند و
تمیز کردن و استفاده مجدد از آنها ساده است و با استفاده از فرایند اولتراسونیک و اتوکلاو در C
212ْ در مدت 92 دقیقه تمیز میشوند.
انتظار میرود در پنج الی ده سال آینده، شاهد ورود غشاهای نانولولهای نمکزا به بازار باشیم.
اخیراً محققان برای غلبه بر چالشهای مرتبط با افزایش مقیاس فناوری، فعالیتهای تازهای را
مدنظر قرار دادهاند.
- -8 1 نانوغربالها
آزمایشگاههای سلدن ) Seldon (، چندین طرح مبتنی بر فیلترهای نانوغربال را توسعه دادهاند.
نانوغربال از نانولولههای کربنی جفت شده با یکدیگر تشکیل میشود که روی یک زیرلایه
متخلخل و منعطف قرار گرفتهاند. و میتوان برای تشکیل فیلترهای شبهکاغذی، آنها را روی یک
زیرلایه صاف و یا لولهای قرار داد، با این کار توانایی پیچیده شده شدن به اطراف هر ساختار
استوانهای متداول و یا هر ساختار دیگری را به دست میآورند، همچنین برای افزایش سطح فیلتر
میتوان نانوغربالهای مسطح را تا زد. اخیراً در آزمایشگاههای مذکور چندین نمونه فیلتر قابل
حمل مبتنی بر این فناوری، برای خالصسازی آب ساخته شدهاند؛ این فیلترها در اندازه قلم بوده
و تحت عنوان ابزارهای فیلتراسیون نیمانند به نام water stick معروف هستند.
2 8 3 حذف آلودگیها - - -
از نانوغربالها میتوان در حذف گستره وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی استفاده
کرد. این فیلتر میتواند از چندین لایه نانولوله کربنی ساخته شود که هر لایه قابلیت حذف نوع
متفاوتی از ترکیبات را دارد. نانوغربالهای مورد استفاده در Water stick توانایی حذف بیش از
33/33 درصد از باکتریها، ویروسها، کیستها، میکروبها، کپکها، انگلها، و همچنین کاهش
قابل توجه آرسنیک و سرب را دارند. نانوغربالهای چند عملکردی نیز مانند ترکیبات معدنی اعم
از فلزات سنگین، کودها، فاضلابهای صنعتی و دیگر مواد میتوانند ترکیبات آلی از قبیل
Pesticide ها و herbicide ها را حذف نمایند. همچنین میتوان فیلتر را با یک لایه ضدباکتری
برای جلوگیری از تشکیل فیلم بیولوژیکی پوشاند. در حال حاضر آزمایشگاههای سلدن مشغول
ارتقای این فناوری برای استفاده از آن در نمکزدایی از آب دریا هستند.
1 8 3 مقدار تصفیه آب - - -
نانوغربالها در مقایسه با دیگر ابزارهای فیلتراسیون که دارای همان اندازه تخلخل هستند، به
دلیل خواص انتقال جرم سریع نانولولهها، بدون استفاده از فشار، شدت جریان مناسبی را تأمین
میکنند. در یک فیلتر نمونه با قطر پنج سانتیمتر شدت جریان شش لیتر بر ساعت مشاهده شده
است. همچنین water stick برای تصفیه یک لیتر آب آلوده در 32 ثانیه طراحی شده است. این
فیلتر، در طول عمر مفیدش 122 تا 922 لیتر آب تولید میکند؛ اگر چه این مقدار میتواند با
تغییرات پیش از فیلتراسیون افزایش داده شود.
9 8 3 هزینه - - -
آزمایشگاه سازنده برای قیمتگذاری water stick یک طرح رقابتی را با دیگر فناوریهای مشابه
در نظر دارد، تا این فناوری برای مردم کشورهای در حال توسعه قابل استفاده باشد.
Water stick که شبیه نی نوشیدنی طراحی شده آب تمیز آشامیدنی تولید میکند. اخیراً
نمونهای از Water stick به گونهای طراحی شده است که میتوان وسیلهای با فیلتر قابل تعویض
را طراحی کرد. علاوه بر این هنگامی که عمر مفید این فیلتر به پایان میرسد، به طور اتوماتیک
جریان را متوقف میکند. نانوغربالها توان ترکیب با دیگر ابزارهای فیلتراسیون را دارند.
آزمایشگاههای سلدن، سیستم تولیدی را برای تولید نانوغربالها توسعه دادهاند؛ این سیستم
دارای صرفه اقتصادی، ظرفیت تولید 111 متر مربع بر ماه است که هر متر مربع برای 931 فیلتر
کافی است. در حال حاضر پزشکان آفریقایی نمونهای از Water stick را مورد استفاده قرار
دادهاند.
-11 نانو مواد حفره ای
مواد نانو حفره ای به عنوان یک زیر مجموعه مواد نانو ساختار با دارا بودن سطح منحصر به فرد،
شکل ساختمانی و خواص حجمی در زمینه های مختلف از جمله، فرایندهای تعویض یونی،
جداسازی، کاربردهای کاتالیستی، ساخت حسگرها، ایزولاسیون ملکولی های زیستی و خالص
سازی کاربرد دارند . به طور کلی مواد نانو حفره ای را می توان براساس دامنه قطر منافذ نانویی به سه دسته میکروپور،
مزوپور و کاروپور تقسیم نمود. براساس سیستم آیوپاک، حفره های مواد میکروپور دارای قطری
کمتر از 1 نانومتر
می باشند. مزوپورها دارای حفره های به قطر بین 1 تا 12 نانومتر و ماکروپورها دارای حفره هایی
با قطر بیشتر از 12 نانومتر هستند . مواد نانوحفره ای را می توان براساس جنس، از قبیل آلی یا معدنی، سرامیک یا فلز و یا خواص
آنها دسته بندی نمود. در سیستم های پلی مری، سرامیکی و یا کربنی نیز مشابه این چنین حفره
هایی دیده می شود که البته شکل حفره ها در آن متفاوت هست. در واقع جنس ماده، شکل حفره
ها، اندازه آنها و توزیع و ترکیب حفره ها است که در نهایت مشخص کننده نوع کاربرد ماده نانو
حفره ای می باشد . این مواد شامل
کربن های نانوحفره ای ترکیبات دارای کاربردهای متنوعی از جمله، جذب گازهای آلاینده، بسته
های کاتالیستی، فیلترهای تصفیه آب، مخزن نگهداری گاز و... باشند . زئولیت های نانوحفره ای عمده کاربرد زئولیت های در فرایندهای تصفیه ای آب )شامل تصفیه آب
شرب و پساب های صنعتی ( حذف یون های فلزات سنگین می باشد . پلیمرهای نانوحفره ای نانوپروس پلیمرها عمده کاربرد پلیمرهای نانوحفره ای براساس عملکرد
آنها به عنوان جاذب تعریف می گردد. از جداسازی ملکول های آلی خاص از سیستم های
بیولوژیکی تا کاربرد آن ها را در تصفیه آب به منظور حذف آلودگی های ناشی از ترکیبات آلی
نظیر فنل ها شامل می شود .
- -1 11 سرامیکهای نانوحفرهای
شرکت آلمانی AG Nanovation ، طرحی از فیلترهای سرامیکی نانوحفرهای را تحت عنوان
Nano pore و سیستمهای فیلتراسیون غشایی را با مقیاسهای متنوعی عرضه نموده است.
فیلترهای غشایی Nano pore از نانوپودرهای سرامیکی روی مواد پایه از قبیل آلومینا تشکیل
شدهاند و در اندازههای متفاوت و در دو شکل لولهای و مسطح موجود هستند. این محصولات با
استفاده از نانوپودرهای سرامیکی شرکت و تحت فرایندهای پیوسته تولید میشوند .
2 2 22 حذف آلودگیها - - -
طبق ادعای شرکت سازنده، فیلترهای غشایی Nanopore باکتریها، ویروسها و قارچها به طور
مؤثر از آب حذف میکنند. علاوه بر این آزمایشهای کیفی آب، Coliform ها، fecal coliform ها، Salmonella یا streptococci را در آب تصفیه شده نشان نمیدهند .
1 2 22 مقدار تصفیه آب - - -
مقدار آب تولیدی وابسته به اندازه و شکل فیلتر و کیفیت آب تصفیه شده است . یک واحد
فیلتراسیون با ابعاد 21 × ۶۷ × ۱۰۷ cm سطحی معادل با 𝟏𝟏𝒎𝟐 ایجاد کرده، میتواند ۸ هزار لیتر
آب آلوده را در روز تصفیه کند .
9 2 22 هزینه - - -
تولید سیستمهای فیلتراسیون غشایی بر مبنای pore Nano با فرایندهای پیوسته که همزمان
تمامی لایههای فیلتر مونتاژ میشوند، ارزان است؛ هنگامی که تمامی هزینههای فیلتراسیون که
شامل حفظ، جایگزینی فیلترها، تمیز کردن عوامل و هزینههای عملیاتی است، با مواردی از قبیل
عمر طولانیتر فیلتر، پایداری بیشتر و تمیز کردن کمتر همراه شوند، هزینه این فیلترها با
فیلترهای پلیمری قابل رقابت میگردد .
1 2 22 روش مصرف - - -
فیلترهای غشایی Nano pore با توجه به خواص ضدرسوبی بسیار شدید خود نیاز به تمیزسازی
مکرر ندارند. همچنین میتواند به جای پاکسازی شیمیایی با بخار استرلیزه شود. غشاهای Nano pore نسبت به آلودگیهای قارچی و باکتریایی، اصطکاک، اسید و بازهای غلیظ شده، دمای بالا و
اکسیداسیون مقاوم هستند .
- -2 11 فیلتر آلومینای نانولیفی
شرکت Argonide فناوری جاذبهای نانولیفی را به صورت کارتریج فیلترهای نانوسرام عرضه
کرده است. این جاذبها از نانوالیاف آلومینا با بار مثبت روی زیرلایه شیشهای تشکیل شدهاند.
نانوالیاف آلومینا سطح بیشتری نسبت به الیاف متداول داشته و بار مثبت بالایی دارند که باعث
جذب سریعتر آلودگیهای باردار منفی از قبیل ویروسها، باکتریها و کلوئیدهای آلی و غیرآلی
میشود .
2 1 22 حذف آلودگیها - - -
۹۹ درصد ویروسها، باکتریها، انگلها، ترکیبات آلی طبیعی، / فیلترهای نانوسرام بیش از ۹۹
DNA ۹۹/ و کدری را حذف میکند، همچنین دارای قابلیت جذب ۹ درصد از نمکها، مواد
رادیواکتیو و فلزات سنگین از قبیل کروم، آرسنیک و سرب را هستند، حتی اگر ذرات، نانومقیاس
و یا حل شده باشند. فیلترهای نانوسرام در PH بین پنج تا ۹ بهتر عمل میکنند .
1 1 22 مقدار تصفیه آب - - -
۱ لیتر بر ساعت، به ازای / شدت جریان فیلترهای نانوسرام بدون استفاده از فشار حدود یک تا ۳
هر سانتیمتر مربع از فیلتر است. حداکثر فشار چهار bar میتواند به فیلتر اعمال شود که منجر
به شدت جریان ۹ تا ده لیتر بر ساعت به ازای هر سانتیمتر مربع از فیلتر خواهد شد. کارتریج
فیلترهای نانوسرام دارای یک طراحی تاخورده است که سطح آنها را افزایش میدهد. همچنین
طبق گزارش فیلتر به طور متوسط مقاومت عملکردی بالایی نسبت به غشاهای بسیار متخلخل
دارد .
9 1 22 هزینه - - -
شرکت آرگوناید (Argonide) هزینه تولید فیلترهای نانوسرام را ارزان اعلام کرده است؛ چرا که
آنها میتوانند با استفاده از فناوری کاغذسازی تولید شوند. در حال حاضر هر متر مربع فیلتر ده
- دلار هزینه برمیدارد، که ممکن است این مقدار به سه دلار برسد. کار تریج فیلترها به ازای ۰۷
۰۷۷ فیلتر، وابسته به قطر آنها در حدود ۵۷ دلار هزینه دارند. صفحات فیلتر میتوانند با قرار
گرفتن در اطراف لولههای فلزی، بین دو فیلتر متداول و یا در یک نگهدارنده مجزا، هزینه نهایی
فیلتر را کاهش دهند. فیلترهای نانوسرام به جای جمعآوری ذرات بسیار ریز بر روی سطح، آنها را
جذب میکنند؛ بنابراین نسبتاً عمر مفید و طولانیتری دارند .
1 1 22 روش مصرف - - -
مطابق با توصیههای شرکت آرگوناید، فیلترهای نانوسرام به تصفیههای پیشین و یا پسین، تمیز
کردن، شارژ مجدد فیلتر و یا از بین بردن مواد زاید خطرناک نیاز ندارند. این فیلترها به طور
همزمان ترکیبات شیمیایی و بیولوژیکی را بدون استفاده از مواد گندزدای شیمیایی و یا مواد
منعقدکننده، حتی در آبهای شور بسیار کدر حذف میکنند . به گفته شرکت آرگوناید، فیلترهای نانوسرام میتوانند پودرهای بسیار ریز فلزی حذف شده را
برای کاربردهای صنعتی بازیافت کنند .
- -3 11 تکلایههای خودآرا روی پایههای مزوپروس (SAMMS)
آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث وست (PNNL) تکلایههای خود آرا روی پایههای مزوپروس را
توسعه داده است. این فناوری از مواد سرامیکی یا شیشهای با تخلخل نانومتری شکل گرفته
است؛ به طوری که تکلایهای از مولکولها میتوانند به یکدیگر متصل شوند. تکلایه و لایه
مزوپروس، قابلیت برنامهریزی شدن برای حذف آلودگیهای خاصی را دارند . SAMMS نسبت
به بسیاری از غشاها و فناوریهای جاذب دیگر، جذب سریعتر، ظرفیت بالاتر و انتخابپذیری
بهتری را از خود نشان داده است SAMMS. برای حذف آلودگیهای فلزی از آب آشامیدنی،
آبهای زیرزمینی و فاضلابهای صنعتی طراحی شده است .
2 9 22 حذف آلودگیها - - -
PNNL مدعی است که SAMMS 9/99 درصد از جیوه، سرب، کروم، آرسنیک، کادمیم،
فلزات پرتوزا و دیگر سموم فلزی را جذب میکند. همچنین طبق گزارشها، SAMMS میتواند
برای حذف فلزات خاصی برنامهریزی شود؛ ولی برخی فلزات از قبیل کلسیم، منیزیم و روی را
حذف نمیکند SAMMS. برای حذف آلودگیهای زیستی، یا آلی مؤثر نیست .
1 9 22 مقدار تصفیه آب - - -
از SAMMS میتوان در گستره وسیعی از کاربردها از تصفیه آب مصرفی گرفته تا تصفیه
فاضلابهای صنعتی، استفاده کرد. این فیلترها سطح ویژهای در حدود ۶۷۷ تا هزار متر مربع به
ازای هر گرم دارند. تولید هر کیلوگرم SAMMS ۱۳۷ ، دلار هزینه دارد که با نمونهای از رزین
۱ دلار به ازای هر کیلوگرم قابل مقایسه / تعویض یونی با هزینه ۲۰ دلار و کربن فعال با هزینه ۷۸
است. همچنین برای حذف یک کیلوگرم جیوه، ۱۵ کیلوگرم SAMMS مورد نیاز است و در
مقابل، ۱۳۲ کیلوگرم رزین تعویض یونی و ۲۷ هزار کیلوگرم کربن فعال مورد نیاز خواهد بود .
9 9 22 روش مصرف - - -
SAMMS به پودری شکل و اکسترود شده است که میتواند برای فیلترهای تعویض یونی
مناسب باشد. این فیلترها گاهی اوقات به منظور حذف آلودگیهای جذب شده با یک محلول
اسیدی احیا میشوند. آلودگیهای ایجاد شده از احیای SAMMS طبق استانداردهای سازمان
حفظ محیط زیست آمریکا غیرسمی بوده، میتوانند به عنوان یک آلودگی متداول تصفیه شوند .
- -4 11 Arsenx
Arsenx یک رزین جاذب متشکل از نانوذرات اکسید آهن آب دار روی یک زیرلایه پلیمری
است و برای حذف آرسنیک و دیگر آلودگیهای فلزی بهکار میرود . نانوذرات، سطح ویژه بالا،
ظرفیت بیشتر و سینتیک جذب سریعتری فراهم مینماید Arsenx. میتواند برای کاربردهای
مصرفی کوچک و یا استفادههای صنعتی و شهری بزرگ طراحی شود، همچنین در و نیز در
ابزارهای طراحی شده برای رزینهای تعویض یونی مورد استفاده قرار گیرد .
2 1 22 حذف آلودگیها - - -
Arsenx موادی از قبیل آرسینک، وانادیم، اورانیوم، کروم، آنتیموان و مولیبدن را حذف و
سولفاتها، کربناتها، فلوریدها، کلریدها، سدیم، منیزیم و یا آلودگیهای زیستی را حذف
نمیکند .
1 1 22 مقدار تصفیه آب - - -
شدت جریان عبوری آن بسیار وابسته به نوع ابزاری است که Arsenx استفاده میکند. بدون در
نظر گرفتن طراحی سیستم، برای تماس بین Arsenx ۰ تا سه دقیقه زمان نیاز است. هر / و آب ۳
گرم Arsenx حدوداً ۵۸ میلیگرم آرسنیک را نگه میدارد .
9 1 22 هزینه - - -
شرکت Solmetex اشاره میکند که با توجه به کم شدن ظرفیت Arsenx در طول احیاء،
میتواند نسبت به جاذبهای دیگر در طی حیاتش هزینه کمتری داشته باشد. هزینه اولیه
۷دلار به ازای هر / ۷ تا ۰ / سیستم وابسته به طراحیهای متفاوت آن است، اما به طور متداول از ۷۷
هزار لیتر گزارش شده است که شامل هزینههای استهلاک و هزینههای عملیاتی و حفظ و
نگهداری است .
1 1 22 روش مصرف - - -
Arsenx به گفته شرکت Sometex میتواند به عنوان رزینهای تعویض یونی در زمینههای
مشابه مورد استفاده قرار گیرد. این فیلتر نیاز به پیش یا پس تصفیه نداشته و گاهی اوقات با
محلول سود سوزآور احیا میشود و متناسب با سطح آلودگی، بعد از سه ماه تا یک سال خاصیت
خود را از دست خواهد داد . گزارشها حاکی از آن است که زیرلایه پلیمری Arsenx بادوام بوده و
میتواند در گسترده دمایی یک تا ۸۷ درجه سانتیگراد عمل کند .
- -5 11 پلیمر حفرهای سیکلودکسترین
سیلکودکسترین یک ترکیب پلیمری است که از ذراتی با حفرههای استوانهای تشکیل شده است؛
این ذرات میتوانند آلودگیهای آلی را جدا کنند . پلیمر سیکلودکسترین را میتوان به صورت پودر، دانهای و یا لایه نازک برای استفاده در ابزارها و
کاربردهای متفاوت تولید کرد. به هر حال پلیمر سیکلودکسترین برای تصفیه آب مصرفی استفاده
شده و همچنین میتواند برای تصفیه در جای آبهای زیرزمینی یا پاکسازی فاضلابهای
شیمیایی آلی و نفتی نیز مورد استفاده قرار گیرد .
2 1 22 حذف آلودگیها - - -
سیکلودکسترین گستره وسیعی از آلودگیهای آلی شامل بنزن، هیدروکربنهای پلیآروماتیک،
فلورینها، و آلودگیهای حاوی نیتروژن، استن، کودها، Pesticid ها و بسیاری دیگر را حذف
میکند. آزمایشها نشان میدهند که پلیمرسیکلودکسترین این آلودگیها را تا حد ppt کاهش
میدهد، در حالی که کربن فعال و زئولیت این آلودگیها را تا حد ppm کاهش میدهد. همچنین
پلیمر صدهزار مرتبه بیشتر از کربن فعال، ترکیبات آلی پیوند میدهد و بازدهی حذف یکسانی
برای آب با غلظت آلودگی پایین را نشان داده است. پلیمرسیکلودکسترین تحت تأثیر رطوبت هوا
قرار نگرفته، میتواند در نواحی مرطوب بدون اشباع یا غیرفعال شدن، مورد استفاده قرار گیرد.
همچنین آلودگیهای جذب شده را از خود عبور نمیدهد .
1 1 22 مقدار تصفیه آب - - -
پلیمرسیکلودکسترین ظرفیت بارگذاری ۰۰ میلیگرم از آلودگیهای آلی به ازای هر گرم از پلیمر
را دارد، که با ۳۸ میلیگرم به ازاری هر گرم کربن فعال قابل مقایسه است. این پلیمر برای تماس با
آب آلوده حدوداً به پنج ثانیه زمان نیاز دارد. و در حین احیا ظرفیت خود را از دست نداده،
میتواند به طور نامحدودی استفاده شود .
9 1 22 هزینه - - -
تولید پلیمرسیکلودکسترین، ارزان بوده است و میتوان آن را مستقیماً از نشاسته، با تبدیل ۱۷۷
درصد تولید شود. انتظار میرود که تولید انبوه، هزینه آن را پایینتر از قیمت کربن فعال و زئولیت
آورد. شرکت پژوهشی محصولات پلیمری اشاره میکند که روشی را جهت افزایش مقیاس این
فرایند برای تولید مواد توسعه داده است. اخیراً شرکت پژوهشی Manhattan یک فناوری را
برای کاربردهای مصرفی توسعه داده و اظهار میدارد که تولید انبوه موجب ارزانتر شدن پلیمر
نسبت به سایر روشهای حذف آلودگیهای آلی خواهد شد .
1 1 22 روش مصرف - - -
پودر سیکلودکسترین میتواند در ستون، کارتریج و یا فیلترهای بستری به گونهای متراک شود
که آب از آن بگذرد. سیکلودکسترین دانهای میتواند مستقیماً در منبع یا لولههای آب بهکار رود
و لایه نازک آن میتواند روی زیرلایهای از شیشه برای تشکیل غشاء قرار گیرد . از همه اشکال متفاوت سیکلودکسترین میتوان در ابزارهای طراحی شده برای فیلترها، غشاها و
یا جاذبها استفاده کرد . پلیمرسیلکودکسترین هم آبدوست و هم آبگریز است؛ لذا میتواند بدون استفاده از فشار برای
جذب آب از میان تخلخلها مورد استفاده قرار گیرد. پلیمر گاهی اوقات به احیا با استفاده از یک
الکل ساده از قبیل اتانول یا متانول نیاز خواهد داشت و ممکن است به خاطر به ظرفیت بارگذاری
پائین آن نسبت به کربن فعال و جاذبهای دیگر به عملیات بیشتری نیاز داشته باشد . آلودگیهایی که پلیمر سلیکودکسترین جذب میکند، میتواند بعد از احیا، برای کودها،
Pesticide ها و محصولات صنعتی دیگر بازیافت شود .
- -6 11 نانوکامپوزیتهای پلیپیرون نانولولهکربنی -
آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث وست یک غشای نانوکامپوزیتی شامل لایه نازکی از یک پلیمر
جاذب موسوم به پلیپیرون را روی ماتریسی از نانولولههای کربنی که سطح مخصوص و پایداری
غشا را افزایش میدهند، توسعه داده است. برخلاف جاذبهای دیگر که به احیای شیمیایی نیاز
دارند این غشاها میتوانند به طور الکتریکی احیا میشوند .
2 1 22 حذف آلودگیها - - -
غشاهای پلیپیرون دارای نانولوله کربنی با بار مثبت است و میتوان پرکلراتها، سزیم، کروم و
دیگر آلودگیهای باردار منفی را حذف کند. همچنین غشاهای نانوکامپوزیتی میتوانند برای
حذف نمک طراحی شوند. از آنجا که پلیپیرون میتواند به طور منفی باردار شود، بنابراین این
غشاء ذرات باردار مثبت از قبیل کلسیم و منیزیم را حذف میکند .
1 1 22 مقدار تصفیه آب - - -
غشاهای نانوکامپوزیتی پلیپیرون نانولولهکربنی قابل استفاهه مجدد هستند آزمایشها نشان -
میدهد که این غشاها بعد از صد دوره استفاده بسیار کم بازدهی خود را از دست میدهند.
همچنین به خاطر خواص انتقال جرم سریع نانولولههای کربنی شدت جریان بالایی دارند .
9 1 22 هزینه - - -
انتظار میرود که غشاهای پلیپیرون نانولوله کربنی در استفاده طولانی مدت، نسبتاً کم هزینه -
باشند؛ چرا که آنها میتوانند بدون از دست دادن قابل توجه ظرفیت جذب، احیا شده، استفاده
شوند. این غشاها هزینههای مرتبط با خرید و ذخیرهسازی مواد شیمیایی احیاکننده و تعلیم
کاربران را ندارند. علاوه بر این، انتظار میرود که هزینه نانولولههای کربنی در پنج سال آینده بین
ده تا صد برابر کاهش یابد .
1 1 22 روش مصرف - - -
این غشاها آلودگیهای ثانویه خطرناک تولید نمیکنند. با بکارگیری جریان الکتریکی، بار پلیمر
خنثی شده و آلودگیهای جذب شده، از غشا آزاد میشوند . با حذف آلودگیها، پلیمر میتواند
دوباره باردار شده و مجدداً استفاده شود .
- -7 11 تولید غشاهای سرامیکی برای حذف تمام ویروسها
پژوهشگران کشور با استفاده از مواد معدنی، جدا کنندههای سرامیکی را برای تصفیه آب و
پسابهای صنعتی تولید کردند که قادر به جداسازی میکروارگانیزمها و آلایندهها از پسابها در
اندازههای میکرون تا نانو متر است . غشاها به منظور حذف فیزیکی ذرات از گستره میکرون تا نانو در سیالات به کار میروند . از آنجایی که غشاها نیاز به فضای فیزیکی و انرژی کم و مقاومت بالا در برابر دما و محیطهای
اسیدی دارند غشاهای سرامیکی اخیرا با استقبال گسترده جهانی در صنایع مختلف مواجه
شدهاند . غشاهای تولید شده دارای حفرههای ریزی هستند که قادرند اجزای موجود در محلول را از سیال
جدا سازی کنند . در این طرح غشاهای میکرو فیلتراسیون یک، سه و هفت کاناله ساخته شد . غشاهای چندکاناله که قادر به جداسازی باکتریها و ویروسها از سیالات است
این نوع غشا قادر به جداسازی صد در صدی باکتریها و تقریبا تمامی ویروسها از 30 نانو متر
بیشتر را دارد .
با اشاره به تفاوت دونوع غشای میکرو فیلتر و اولترا فیلتر اضافه کرد: متوسط اندازه حفرههای
غشاهای میکرو فیلتر 200 تا 800 نانو متر و اندازه حفرههای اولترافیلتراسیون حدود 30 نانو
متر برحسب نیاز بخشهای صنعتی طراحی و تولید شده است . علاوه بر این غشاهای تولید شده یک تکه و یکدست با طولی بالاتر از یک متر و منطبق با
استانداردهای صنعتی بین المللی است . نمونه غشای تولید شده توسط محققان کشور که به صورت یک تکه است
غشای سرامیکی تولید شده که بر دستگاه تصفیه نصب شده و آب خروجی به دست آمده
غشاهای صنعتی تولید شده قادر به حذف 300 درصدی تمامی گستره میکروارگانیزمها و
باکتریها و حذف 300 درصدی ویروسهای بزرگتر از 30 نانومتر است .
نمونههای تصفیه آب آلوده با استفاده از غشاهای سرامیکی که پس از عبور از غشا به صورت آب
شفاف خارج میشود
مقاومت دمایی بالا تا بیش از یک هزار درجه سانتیگراد، کاربری در گستره PH ، از صفر تا 34
طول عمر و ماندگاری بالا، مقاومت بالا در برابر فشار، عملکرد کاملا فیزیکی بدون هرگونه اثر
شیمیایی جانبی بر سیال عبوری، گرفتگی بسیار کمتر نسبت به سایر غشاها و برتری از نقطه نظر
آثار زیست محیطی از جمله مزایای غشاهای سرامیکی تولیدی نسبت به غشاهای وارداتی است.
-11 زئولیت
زئولیتهای طبیعی، مصنوعی، زغالسنگ و ترکیبی هستند .زئولیتها مواد جاذب با ساختار
شبکهای جهت تشکیل تخلخلها هستند. آنها میتوانند از منابع طبیعی به دست آمده و یا سنتز
شوند. زئولیتهای مصنوعی معمولاً از محلولهای سیلیکون آلومینیوم یا زغالسنگ ساخته شده -
و به عنوان جاذب یا ابزار تعویض یونی در کارتریج بهکار میروند . شرکت فناوریهای AgION ترکیبی از زئولیتها و یونهای نقره طبیعی با خواص ضدباکتری تولید میکند .
- -1 11 حذف آلودگیها
زئولیتها به طور متداول برای حذف آلودگیهای فلزی بهکار میروند . زئولیتهای طبیعی مکزیک
و مجارستان، آرسنیک را از منابع آب آشامیدنی تا حد مورد پذیرش سازمان بهداشت جهانی
کاهش میدهند. زئولیتهای ساخته شده از زغالسنگ میتوانند گسترهای از فلزات سنگین
شامل سرب، مس، روی، کادمیم، نیکل و نقره را از آب آلوده جذب کنند. همچنین میتوانند تحت
شرایط خاصی کروم، آرسنیک و جیوه را جذب کنند. ظرفیت جذب زئولیتها متأثیر از چند
عامل؛ ترکیبشان، PH آب و غلظت انواع آلودگیهاست. به عنوان مثال تأثیرات PH آب بر روی
سطح باردار شده منفی و یا مثبت زئولیت قابل ذکر است. همچنین با توجه جذب آسان سرب و
مس در زغالسنگ، غلظت بالای این مواد، مقدار کادمیم و نیکل حذف شده را کاهش میدهد.
ترکیبات زئولیت نقره - AgIoN ، بازدهی را در مقابل میکروارگانیسمها که شامل باکتریها و
کپکهاست، ارتقا میدهند . زئولیت نمیتواند آلودگیهای آلی را به قدر کافی حذف کند،
همچنین رطوبت هوا در اشباع زئولیتها دخالت داشته، موجب کاهش بازدهی آنها میشود .
- -2 11 مقدار تصفیه آب
مقدار آبی که زئولیتها میتوانند تصفیه کنند، وابسته به منبع زئولیت و ابزاری است که آنها
استفاده میکنند. در مورد زئولیتهای زغالسنگ، محتوای کربن این ماده به طور قابل توجهی
سطح مخصوص و در نتیجه ظرفیت جذب زئولیت را تحت تأثیر قرار میدهند .
- -3 11 هزینه
زئولیتها را میتوان به طور ارزان تولید کرد زیرا منبع آنها به طور طبیعی و فراوان در دسترس
است. در امریکا زئولیتهای دانهای برای کاربردهای صنعتی و کشاورزی بین ۵۷ تا ۷۷ دلار به
۲ دلار به ازای هر کیلوگرم هزینه دارند / ۷ تا ۳ / ازاری هر تن و برای محصولات مصرفی بین ۳ .
- -4 11 روش مصرف
چگونگی مصرف زئولیتها بسیار وابسته به نوع ابزاری است که در آن استفاده میشوند. این ابزار
میتواند شامل رزینهای تعویض یونی، کارتریج و ابزارهای ستونی و غیره باشند. علاوه بر این
زئولیتها گاهی اوقات به احیا با یک محلول اسیدی نیاز دارند. مصرف زئولیتهای زغالسنگ
ممکن است مشکلساز باشد، چرا که مطالعات نشان میدهند مقادیری از آلودگیهای سرب،
کادمیم، کروم، مس، جیوه، روی و دیگر آلودگیها میتوانند از زغالسنگ گذشته و موجب
آلودگی خاک، آبهای زیرزمینی و آب شوند. همچنین مشخص شده است که مقادیر آرسنیک و
منیزیم عبور کرده از Fly ash بسیار بیشتر از مقادیر توصیه شده سازمان بهداشت جهانی است.
ترکیبات زئولیت نقره AgION نیاز به پاکسازی مکرر دارند، زیرا پوشش ضدباکتری نقره از
تشکیل آلودگیهای بیولوژیکی روی جلوگیری میکند و در این صورت نیاز به ذخیرهسازی و
مصرف احیاءکنندههای شیمیایی مرتفع میشود .
-32 نانوفتوکاتالیست
فتوکاتالیست مادهای است که در اثر تابش نور بتواند منجر به بروز یک واکنش شیمیایی شود، در
حالی که خود ماده، دست خوش هیچ تغییری نشود . فتوکاتالیستها مستقیماً در واکن شهای
اکسایش و کاهش دخالت ندارند و فقط شرایط موردنیاز برای انجام واکنشها را فراهم میکنند.
تیتانیم دی اکسید (TIO2 ) با گستره اندازه بین خوشهها تا کلوئیدها پودرها و تک بلوهای –
بزرگ(، نزدیک به یک فتوکاتالیست ایدهآل است و تقریباً تمامی این خصوصیات رادارد. تنها
استثناء آن این است که نور مرثی را جذب نمیکند. نانو ذرات دی اکسید تیتانیم، بر سطح
زیرلایهای مناسبی از جمله شیشه و یا ترکیبات سیلیسی، پوشش داده م یشون د و در
حوضچههای تحت تابش نور ماوراء بنفش، قرار میگیرند .
بسیاری از آلایندههای موجود در آبهای صنعتی که TIO2 آنها را با آب و د یاکسید کربن
تبدیل میکند عبارتند از: آلکانها، آلکنها، آلکینها، اترها، آلدئیدها، الکلها، ترکیبات آمینی،
ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی
فناوری های مبتنی بر نانوکاتالیست ها
- -3 32 نانو ذرات آهن خنثی
نانو ذرات آهن خنثی ) NZVI ( برای تصفیه درجا و غیردرجای آب های زیرزمینی استفاده می
شوند . این ماده همزمان یک جاذب و یک عامل احیا کننده است ، همچنین موجب می شود که
آلودگی های آلی به ترکیبات کربنی با درجه سمیت کمتری شکسته شوند و فلزات سنگین کلوخه
شده ، به سطح خاک بچسبند . NZVI را می توان برای تصفیه درحا مستقیماً به منابع آب های
زیرزمینی تزریق کرد ، یا می توان از آن درغشاها برای کاربردهای خارجی استفاده کرد . همچنین
NZVI دو فلزی که در آن نانوذرات آهن با یک فلز ثانویه از قبیل پالادیم برای افزایش فعالیت
آهن پوشیده می شوند ، موجود است . NZVI بسیار فعال بوده و سطح مخصوص بالایی نسبت به
ZVI دانه ای دارد .
2 2 21 حذف آلودگیها - - -
NZVI میتواند برای فرآوری گستره وسیعی از آلودگیهای متداول زیستمحیطی، مثل متان
کلردار، بنزن کلردار، Pesticide ها، رنگهای آلی، تریهالومتانها، PCB ها، آرسنیک، نیترات و
فلزات سنگین از قبیل جیوه، نیکل و نقره استفاده شود. همچنین ممکن است توانایی کاهش
پرتوهای رادیویی را داشته باشد. پالادیم پوشیدهشده با NZVI نشان داده است که همه
ترکیبات کلردار را در مدت هشت ساعت تا زیر مقادیر قابل رؤیت کاهش میدهد. این در حالی
است که NZVI معمولی برای حذف بیش از 33 درصد از این ترکیبات به 11 ساعت نیاز دارد.
نانوذرات نسبت به آلودگیها، برای یک دوره شش الی هشت هفتهای، فعال باقی میمانند. NZVI نشان داده است که در گستره وسیعی از PH ها و دماهای خاک و مقادیر Nutrient مؤثر است .
1 2 21 مقدار تصفیه آب - - -
مقدار آب زیرزمینی که NZVI میتواند فرآوری کند، وابسته به کیفیت آهن، شامل تعداد
دفعاتی که استفاده مجدد شده است؛ نوع زیرلایه مورد استفاده، کیفیت آب معدنی برای تولید
محلول قابل تزریق، شامل مقدار اکسیژن، مقدار و نوع ذرات ریز در محلول، است. دریک مطالعه
1 لیتراز محلول شامل / موردی، سطحی با مساحت صد مترمربع را 211 kg 2/11 از NZVI تحت
تأثیر قرار میدهد. مطالعه دیگری نشان میدهد که در یک منطقه، مقدار 291 کیلوگرم NZVI 22 میلیون کیلوگرم از خاک کافی است؛ اما در منطقه دیگر همین مقدار از / برای فراوردی 1
NZVI تنها برای فرآوری 221 میلیون کیلوگرم از خاک بهکار میرود. دلایل ذکر شده برای این
مطابقت نداشتن شامل حجم متفاوت آب مصرف شده در تهیه محلول، مقادیر متفاوت
کنشپذیری آهن بهدلیل تفاوت در مقدار اکسیژن آب و مقدار متفاوت فشار کاربردی در حین
تزریق است .
9 2 21 هزینه - - -
NZVI حدوداً 12 تا 12 دلار به ازای هر کیلوگرم و پلادیم پوششیافته با NZVI بین 18 تا
211 دلار به ازای هر کیلوگرم هزینه دارد. اگر چه NZVI به طور قابل توجهی نسبت به ZVI 9 دلار به ازای هر کیلوگرم هزینه دارند، / 1 و 11 / دانهای و میکرومقیاس که هر کدام به ترتیب 1
گران است، اما از آن جا که مقادیر کمی از NZVI به دلیل سطح ویژه و واکنشپذیری بسیار بالای
آن مورد نیاز است، از نظر اقتصادی بهصرفه است. در مقابلِ هر گرم پودر تجاری ZVI که سطحی
کمتر از یک متر مربع دارد، NZVI 99 مترمربع سطح واکنشپذیر داشته و / به ازای هر گرم 1
سرعت تصفیه آن ده تا صد مرتبه سریعتر است .
4 3 32 روش مصرف - - -
استفاده درجا و غیردرجای از NZVI نسبتاً آسان است . برای کاربردهای درجا ، پودر NZVI را
برای تشکیل محلول آهن با آب در یک منبع مخلوط کرده ، سپس با یک پمپ و چاه تزریق
مستقیماً به خاک آلوده تزریق می کنیم . از آنجا که تجهیزات مشابه مورد استفاده برای دیگر
موارد تزریقی موجود است ، تجهیزات چاهی خاص مورد نیاز نیست NZVI . به دلیل داشتن
ذرات کوچک تر نسبت به ZVI دانه ای ، راحت تر تزریق شده ، می تواند تا اعماق بیشتری نفوذ
کند . همچنین نانوذرات NZVI می توانند دریک ماتریس جامد از قبیل کربن فعال ، زئولیت ،
نانولوله های کربنی و دیگر مواد برای تولید غشاهایی با کاربرد غیر درجا ایمن شوند .
- -2 32 فتوکاتالیست های نانومقیاس دی اکسید تیتانیوم
دی اکسید تیتانیوم هم به عنوان عامل احیای فتوکاتالیستی و هم به صورت یک جاذب عمل می
کند و به صورت درجا و غیردرجا در تصفیه آب استفاده می شود . دی اکسید تیتانیوم درحضور
آب ، اکسیژن و تابش UV ، رادیکال های آزاد تولید می کند که این رادیکال ها آلودگی های
متفاوت را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت کمتری تجزیه می کنند . دی اکسید تیتانیوم
نانومقیاس ، سطح بیشتر و فرایند فتوکاتالیستی سریع تری را نسبت به ذرات بزرگ تر فراهم می
نماید . دی اکسید تیتانیوم یا به صورت نانوپودر ، برای استفاده در سوسپانیون ها و یا به شکل
فیلترهای دانه ای موجود است و در چندین شکل دیگر به عنوان پوشش برای غشاهای ثابت ،
میکروکره های نانوکریستالی و غشاهای ترکیبی با سیلیکا به کار می رود .
2 1 21 حذف آلودگیها - - -
دیاکسید تیتانیوم تقریباً همه آلودگیهای آلی را تجزیه میکند. این ماده بسیار آبدوست است؛
و بنابراین توانایی جذب آلودگیهای زیستی و فلزات سنگین از قبل آرسنیک را دارد. راندمان آن
تابع کیفیت دیاکسید تیتانیوم، شدت پرتو فرابنفش، PH آب، موجودی اکسیژن و غلظت
آلودگیها است .
1 1 21 مقدار تصفیه آب - - -
سیستمهای متفاوت دیاکسید تیتانیوم، شدت جریان و سرعتهای حذف متنوعی را فراهم
میکنند و ازهمه آنها میتوان محدوده استفاده کرد. نانوپودرهای سوسپانسیون شده دیاکسید
تیتانیوم فرایند فتوکاتالیستی پُربازدهی را از خود نشان میدهند؛ چرا که سطح داخلی آنها در
معرض تابش اشعه فرابنفش و آلودگیها قرار میگیرد. به دلیل ترکیب سطوح کنشپذیر با مواد
پایه و در نتیجه، کاهش سطح فعال، بازده نانوذرات دیاکسید تیتانیوم که به عنوان پوشش
استفاده شده یا روی زیرلایههایی از قبیل شیشه و سرامیک ثابت شدهاند، پنج برابر درصد بازده
فتوکاتالیستی نانوذرات سوسپانسیون شده است. همچنین تخلخل غشا یا زیرلایه، بر شدت
جریان و عمر مفید این سیستمها مؤثر است. میکروکرههای نانوکریستالی دیاکسید تیتانیوم،
سطحی قابل مقایسه با نانوپودرها دارند، اما فرایندهای فتوکاتالیستی آهستهتری انجام میدهند .
9 1 21 هزینه - - -
هزینه نانوپودرهای دیاکسید تیتانیوم برحسب کیفیت آن چند صد دلار بر کیلوگرم است. به
عنوان مثال اخیراً شرکت Altair یک سیستم تولیدی به ثبت رسانده است، که میتواند
نانوپودرهای دیاکسید تیتانیوم را در مقیاس انبوه و بسیار ارزان تولید کند. همچنین این شرکت
فروش محصولات کوچک مبتنی بر این فناوری را طراحی میکند. این محصولات در دو اندازه 12
کیلوگرم بر ساعت و یک تا دو کیلوگرم بر ساعت موجود خواهند بود. این واحد، دیاکسید
تیتانیوم را از تتراکلرید تیتانیوم تولید میکند که میتواند حدوداً هزاروصد دلار به ازای هر تن یا
صد و ده دلار به ازای هر کیلوگرم فروخته شود .
4 2 32 روش مصرف - - -
به دلیل سختی بازیافت و جداسازی ذرات بعد از تصفیه ، استفاده از نانوپودرهای دی اکسید
تیتانیوم سوسپانسیون شده مشکل است . ذرات سوسپانسیون معمولاً به وسیله اولترافیلتراسیون
یا میکرو فیلتراسیون جدا می شوند اما درحین این فرایند مقدار قابل توجهی از ذرات از بین می
روند . استفاده از میکرو کره های نانوکریستالی آسانتر است . آنها در آب از طریق حباب سازی
هوا سوسپانسیون شده و به طور طبیعی در ظرف آّب برای بازیافت آسان تر ته نشین می شوند .
- -1 32 اکسید آهن نانوساختار جاذب
شرکت فناوری های Adedge آمریکا ، اکسیدآهن نانوساختار دانه ای و خشکی به نام AD 33 ،
برای حذف آرسنیک عرضه نموده است AD 33. با ترکیبی خواص کاتالیستی و جذبی اکسیدآهن
با هم ، ضمن تبدیل آرسنیک به موادی با سمیت کمتر ، به طور همزمان آن را از آب جدا می نماید
، این شرکت همچنین طرحی از لوازم مصرفی شامل فیلترهای AD 33 را ارائه نموده است .
2 9 21 حذف آلودگیها - - -
AD33 میتواند بیش از 33 درصد آرسنیک را حذف کند، همچنین میتواند مقادیر سرب، روی،
کروم، مس و دیگر فلزات سنگین را کاهش دهد و آلودگیهای جذب شده را از خود عبور
نمیدهد .
1 9 21 مقدار تصفیه آب - - -
عمر مفید فیلترهای AD33 معمولاً دو تا چهار سال است. سیستمهای تصفیه خانگی سری
مدالیون شرکت Adedge 11 و 98 لیتر بر دقیقه موجود است، همچنین شرکت ، با سه دبی 23
Adedge کارتریجهای حاوی AD33 با دبی متوسط دو لیتر بر دقیقه را عرضه نموده است . عمر
مفید این کارتریجها بین سه هزار و 822 تا 22 هزار و 122 لیتر است و به طوری که تخمین زده
میشود چهار تا شش برابر بزرگتر از دیگر جاذبهای تجاری موجود است .
9 9 21 هزینه - - -
هزینه کارتریجهای AD33 برای هر مورد حدوداً 12 دلار است و هزینه هر فیلتر مجزا وابسته به
مقدار خریداری شده است؛ اما به طور نمونه بین هشت تا 29 دلار به ازای هر لیتر تغییر میکند .
4 1 32 روش مصرف - - -
طبق توصیه های شرکت Adedge ، فیلترها و محصولات AD 33 نیاز به جایگزینی مکرر داشته
و مواد شیمیایی یا احیاء کننده ها برای آنها استفاده نمی شود . با توجه به خشکی ابزارهای AD 33 ، نسبت به سایر ابزارهای فیلتراسیون مبتنی بر آهن مرطرب ، راحت تر استفاده می شوند ؛ به
طوری که درگسترده وسیعی از سیستم ها استفاده می شوند . علاوه بر این ، ابزارهای AD 33
مصرف شده خطرناک نیست می توان آنها را طبق استانداردهای سازمان حفاظت از محیط زیست
آمریکا در زمین دفع کرد .
- -4 32 نانوذرات مغناطیسی
نانوذرات مغناطیسی معمولاً به عنوان جاذب و نانوکاتالیست برای تصفیه آب بررسی شده اند .
شرکت انگلیسی Nano Magnetics ، نانوذرات مغناطیسی را تحت عنوان Magneto ferritin ارائه کرده و مشغول بررسی توانایی آن برای انجام اسمز پیش رونده ) forward osmosis (به عنوان گزینه ای با بازدهی انرژی برای اسمز معکوس است . در چنین سیستمی از
نانو ذرات مغناطیسی برای تولید فشار اسمزی مورد نیاز برای آب از میان یک غشای فیلتراسیون
استفاده شده اند . برخلاف اسمز معکوس که برای تولید فشار اسمزی نیازمند انرژی ورودی است .
3 4 32 روش مصرف - - -
هنوز برای Magneto ferritin هیچ سیستم قطعی ای طراحی نشده است ؛ اما برخی منابع
اشاره می کنند که نانوذرات مغناطیسی در یک طرف غشاء برای ایجاد غلظت ، به صورت
غیرتعادلی به منبع آب اضافه شده اند . این اختلاف غلظت فشار اسمزی مورد نیاز برای راندن آب
منبع از میان غشاء را ایجاد خواهد کرد . سپس نانوذرات می توانند با استفاده از میدان
مغناطیسی از آب خالص سازی شده ، بازیافت شوند .
1 1 21 حذف آلودگیها - - -
Magneto ferritin با توانایی اسمز پیشرونده، برای نمکزدایی در نظر گرفته شده است؛ اگر
چه با توجه به به نوع غشای مصرفی قادر به حذف آلودگیهای دیگر نیز هست . مقدار تصفیه آب شرکت Nano Magnetics اشاره میکند که Magneto ferritin را میتوان
از آب، بازیافت و بدون هیچ محدودیت ویژهای دوباره استفاده کرد .
9 1 21 هزینه - - -
اطلاعات خاصی نسبت به هزینههای Magneto ferritin در دسترس نیست؛ اما به گفته شرکت
Nano Magnetics عمر طولانی و استفاده مجدد این مواد آنها را نسبت به اسمز معکوس از
لحاظ هزینه بسیار مناسبتر نموده است. همچنین اسمز پیشرونده هزینههای مرتبط با انرژی را
تا 12 درصد هزینههای اسمز معکوس کاهش میدهد .
-31 نانوذرات
مقدمه
نانوذرات از ده ها یا صدها اتم یا مولکول و با اندازه ها و مورفولوژی های مختلف )آمورف،
کریستالی، کروی شکل، سوزنی شکل و ...( ساخته شده است. اغلب نانوذرات که به طور تجاری
مورد استفاده قرار می گیرند، به شکل پودر خشک و یا به صورت بخش مایع می باشند. البته
نانوذرات ترکیب شده )آمیخته شده( در یک محلول آلی یا آبی که به شکل سوسپانسیون یا
خمیری شکل است نیز مورد توجه می باشد. این ذرات در شکل ها و مورفولوژی های گوناگونی
یافت می شوند، ساختارهایی از کروی گرفته تا فلسی، ورقه ای، شاخه ای، لوله ای و میله
ای . نانوذرات از زمانهای بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است. شاید اولین استفاده آنها در
لعاب های چینی و سرامیک های تزئینی سلسله های ابتدایی چین بوده است)قرن 4 و 5(. در
یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگهای متفاوتی از
جام بر حسب نحوهء تابش نور )از جلو یا عقب( پدید آید، البته علت چنین اثراتی برای سازندگان
آنها ناشناخته بوده است . کربن سیاه یا کربن بلک مشهورترین مثال از نانوذراتی است که ده ها سال به طور انبوه تولید
شده است و در تایرهای اتومبیل به منظور افزایش طول عمر آنها به کار رفته است و علت رنگ
سیاه تایر هم، وجود این افزودنی سیاه رنگ است . گذشته از آن در دهه 3410 برای اولین بار روشهای فرآوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری
مورد استفاده قرار گرفته شد. در سال های اخیر پیشرفت های بسیار بزرگی در زمینه امکان
ساخت نانوذرات از مواد گوناگون وکنترل شدید بر روی اندازه، ترکیب و یکنواختی آنها صورت
گرفته است .
- -3 31 خواص نانوذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد
مهم از آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات
کوانتومی .
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث
غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود. این پدیده بر
خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد. افزایش سطح، واکنش
پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در
مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این
ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزی،
به محض قرار گیری در هوا، به سرعت اکسید می شوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب
نانوذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آنها اضافه کرد که
آنها را قادر می سازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند . البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد
کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت
می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیت
ها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده
و استحکام آن به شدت افزایش می یابد. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را
کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در
فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده
دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دهد. این امر در خواص
ترمودینامیکی ماده )مثل نقطه ذوب( تأثیر گذار است . به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند.
خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می
باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط این نقاط در تشخیص پزشکی کاربرد های
فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترونهای آزاد آنها مشابه
الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند .
علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می
نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و
روکش ها مناسب باشند . مواد در مقیاس نانو، رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با
کوچکتر شدن ذرات خواص نیز تغییر خواهد کرد. مثلاً فلزات، سخت تر و سرامیک نرم تر می
شود. بر خی از ویژگیهای نانوذرات در جدول 3 31 به طور خلاصه آمده است - :
خصوصیات
مثال
کاتالیستی
اثر کاتالیستی بهتر، به دلیل نسبت سطح به حجم بالاتر
جدول 3 31 بیان برخی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نانوذارت -
- -2 31 تصفیه آب به کمک نانوذرات
نانوذرات لانتانیوم ، فسفات را از محیط های آبی جذب می کند .کاربرد این نانوذرات درحوضچه
ها و استخرهای شنا می تواند به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد
جلبک ها جلوگیری کند .نانوپودرها نیز میتوانند به عنوان مواد مناسبی برای پاکسازی خاک های
آلوده و آب های زیرزمینی به کار روند ؛ همچنین نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم
شکستگی ترکیبات آلوده کننده می شود و آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین
تبدیل می کند .ارسنیک از آلاینده های بسیار سمی است که به طور طبیعی با پساب های انسانی
سبب آلودگی آب می شود .مصرف این ماده سبب افزایش شیوع سرطان مثانه و روده می شود
.آمار مسمومیت با ارسنیک در سطح جهان بسیار زیاد است و در بسیاری از کشورهای درحال
توسعه که بیش از 30 تا 20 درصد جمعیت آنها به مسمومیت ارسنیک مبتلا شده اند ، چنین
الکتریکی
افزایش هدایت الکتریکی در سرامیک ها
و نانو کامپوزیت های مغناطیسی،
افزایش مقاومت الکتریکی در فلزات
مغناطیسی
افزایش مغناطیسیته با اندازه بحرانی دانه ها،
رفتار سوپر پارامعناطیسیته ذرات
نوری
خصوصیات فلوئورسنتی، افزایش اثر کوانتومی
کریستال های نیمه هادی
بیولوژیکی
افزایش نفوذ پذیری از بین حصارهای بیولوژیکی
)غشاء و سد مغز خون و غیره(
و بهبود زیست سازگاری
اتفاقی یک فاجعه بهداشتی به شمار می آید . بیشتر آلایندگی ها ی ناشی از ارسنیک در
کشورهای جهان سوم گزارش شده است و به همین دلیل این کشورها بشدت نیازمند فناوری های
نوین هستند تا به کمک آن بتوان آلاینده های فلزی سنگین مانند ارسنیک را از آب آشامیدنی
حذف کرد . در روش های جدید از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیس تم های
تصفیه آب استفاده می شود سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب ارسنیک دارند.
بلکه با انتخاب اندازه متناسب می توان براحتی این ذرات مغناطیسی را که به کمک روش های
جداسازی مغناطیسی از آب جداکرد. درحقیقت نانوذرات درجذب ارسنیک همانندتوده آهنی
عمل می کنند. درواقع نه تنها ظرفیت جذب ارسنیک در نانوذرات بالاتر است بلکه به محض قرار
گرفتن ارسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن از این ذرات بسختی انجام خواهد شد. با توجه به
نتایج به دست آمده از بررسی ها و تحقیقات انجام شده در این زمینه میتوان گفت نانوذرات
مغناطیسی ، جاذب های بسیار خوبی برای آلاینده ارسنیک بویژه در آب های اسیدی هستند
وخاصیت جذبی غیر قابل بازگشت این ذرات ، مخزن مناسبی برای جمع آوری آلاینده ها فراهم
می کند .
- -3 13 کاربرد فنآورینانو ذرات در تصفیهی آب
در گذشته نه چندان دور هدفهای تصفیهخانههای آب آشامیدنی کاهش مواد معلق و از بین بردن
عوامل میکروبی و بیماریزا بود.اکنون با افزایش غلظت مواد آلی، معدنی و فلزات سنگین به منابع
آب، روشهای حاضر جوابگوی نیاز جامعه نبوده و باید از فرآیندهای بهروزتری در تصفیهخانهها
استفاده شود. بسیاری از ذراتی که در مقیاس نانو هستند، خواص کاتالیزگری وجذبی بهتری
نسبت به حالت تودهایاز خود نشان میدهند. نانوذرات خاصیتضدمیکروبی و جذب بینظیری
دارند و به همین خاطر استفاده از آنها درحذف باکتریها از آب وفاضلاب روبه گسترش است.
بیشتر کاربردهایزیستمحیطی فنآورینانو در سه مقوله جای میگیرند :
الف( محصولهای بیخطر برای محیط زیست یا محصولهای با قابلیت تحمل بالا، برای مثال
شیمی سبز .
ب( تصفیهی موادی که با ذرات خطرناک آلوده شدهاند.
پ( حسگرهایی برای ذرات محیطی .
با اینکه بهطور معمول این سه مقوله مربوط به موادشیمیایی یا مواد نانوزیست فنآوری تلقی
میشود، باید توجه کرد که این موارد میتواند در مورد عوامل میکروبی و مواد زیستمحیطی نیز
کاربرد داشته باشد. فنآوری نانو نقش مهمی در بهبود روشهای کشف و پاکسازی عوامل
زیستمحیطی مضر دارد. برخی از نانوذراتی که در تصفیهی آب و فاضلاب کاربرد دارند شامل:نانو
ذرات رویاکسید،آهناکسید، آهن صفر، تیتانیومدیاکسید میباشد . در اینجا به نقش هر کدام از
نانوذرات در تصفیهی آب پرداخته میشود . حذف آرسنیک با نانو ذرات سریم -
حذف آرسنیک با نانو ذرات اکسید آهن -
حذف کروم با نانو ذرات آهن -
حذف مس، کبالت و نیکل با نانو ذرات آهن -
حذف - ترکیبات آلی با نانو ذرات آهن
حذف آلاینده ها با نانو ذرات آهن در محل -
کاهش نیترات با نانوذرات دوفلزی پالادیم مس - -
گندزدایی آب با نانو ذرات نقره -
انواع نانوذرات
- -4 13 نانوذرات تیتانیومدیاکسید
این نانوذرات در حذف برخی آلایندهها از فاضلابهای صنعتی کاربرد دارند.پساب خروجی
بسیاری از کارخانههای صنعتی و معدنی دارای مقادیر بالایی از ترکیبهای سخت تجزیهپذیر و
سمی همچون سیانیدها و ترکیبات بنزنی است،روشهای متعارف تصفیه قادر به حذف این نوع
آلایندهها نیست و باید از روشهای پیشرفتهی تصفیه مانند تصفیهینورکاتالیزگری با نانوذرات
تیتانیمدیاکسید استفاده شود.
نانو ذرات تیتان Tio2 برای اکسید کردن آلاینده های آلی و همچنین جذب فلزات سنگین در
مکانهای آلوده مورد استفاده قرار می گیرند . این نانو ذره مواد آلاینده آلی را به آب (H2O ) و
دی اکسید کربن ( Co2 ) تبدیل می کند . با توجه به تحقیقات برداشت می شود که از این ماده
می توان برای رفع آلاینده ها ، ویروسها و مواد شیمیایی آلی خطرناک نیز استفاده کرد . همچنین
این نانو ذره مهمترین کاتالیستی است که برای حذف آلودگی های ناشی از مواد آلی موجود در
آبهای آلوده به مواد نفتی و نیز پسابهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد . نحوه به عمل آوردن ذرات نانو تیتان ( Tio2 ) بدین گونه است که : آنرا در زیر لایه های مناسبی
پوشش داده و در حوضچه هایی تحت تابش نور فرابنفش قرار می دهند . در اثر تابش این نور ماده
خاصیت اکسید کنندگی پیدا می کند و موادآلی را به آب ( H2O ) و دی اکسید کربن ( Co2 ) تبدیل می کند. و نیز بعضی از اسیدهای معدنی را تجزیه می کند . طبق آزمایشات به عمل آمده ، پساب آلوده به مواد نفتی پس از 7 روز توسط این نانو ماده تجزیه
می شود. برای بازدهی بیشتر این نانو ماده از آهن ( Fe ) هم استفاده می کنند که آهن عمل
اکسایش تحت تابشهایی با طول موج بلند تر و به طور ویژه در ناحیه نور مرئی را ممکن می سازد .
- -5 13 نانوذرات آهناکسید
نانوذرات آهناکسید کاربرد زیستمحیطی گستردهای دارند. برای تولید این نانوذرات از روشهای
گوناگونی استفاده میشود؛مانند محلول شیمیایی مرطوب، تفتکافت لیزری، رسوبگیری بخار
شیمیایی و همرسوبی. به تازگی از از تجزیهی ترکیبات آلی فلزی)دارای نانوذرات آهناکسید( در
دمای بالا استفاده میشود. کنترل اندازه ذرات با انواع واکنشهای دمایی و یا تغییر پیشمادهی
فلزی به دست میآید؛ویژگیهای مغناطیسی مواد، با کوچک شدن اندازهی ذرات در حد نانومتر،
تابع اندازهی ذرات میشود. از ویژگیهای نانوذرات آهن اکسید خاصیت سوپرپارامغناطیسی آنها
است، که باعث میشود با بهکاربردن میدان مغناطیسی، ازآب تصفیه شده جداسازی شوند.
- -6 13 نانوذرات آهناکسید در مقابله با آرسنیک
آرسنیک از آلایندههای بسیار سمی است که از تخلیهی فاضلاب صنایع فلزی وارد شده و سبب
آلودگی آب میشود.مصرف این ماده باعث شیوع سرطان مثانه و روده میگردد.نانو ذرات
مغناطیسی آهناکسید توانایی حذف آرسنیک را تا 33 درصدداشته و خود نیز به راحتی از آب
جدا میشوند. نهتنها ظرفیت جذب آرسنیک در نانوذرات بالا است، بلکه به محض قرار گرفتن
آرسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن ازاین ذرات به سختی صورت میگیرد. نانوذرات آهن
اکسید با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج میشود، که این روش جداسازی بسیار مورد
استقبال است.
- -7 13 نانوذرات آهن اکسید در مقابله با یون نقره
یون نقره از سطح داخلی لولهها و ژنراتورها در اثر فرآیندهای خوردگی وارد پسابهای صنعتی
میشود، که با فرایند جذب بر روی سطح ذرات اکسیدی حذف میگردد. با اعمال شرایط بهینه،
نانوذرات آهناکسید دارای توانایی بالایی در حذف یون نقره و کاهش آلودگی شیمیایی از محیط
فاضلاب صنعتی میباشند.غلظت نانوذرات آهن اکسید و pH اثر قابل توجهای در فرایند حذف
یون نقره دارند. بازده حذف توسط نانوذرات در pH اسیدی بیشتر است که نشان میدهد حذف به
صورت جذب و سپس احیا انجام میشود. در pH بازی بازده حذف به میزان قابل توجهای کاهش
مییابد؛ زیرا یون نقره با فرایند جذب بر روی سطح نانوذرات اکسیدی حذف میشود.
- -8 13 نانوذرات آهن صفر ظرفیتی در تصفیهی آب
آهن یکی از فراوانترین عناصر موجود در زمین است. نانوذرات آهن دارای مساحت سطح بیشتر
از پودرهای بزرگتر و یا آهن گرانولی میباشند، که منجر به افزایش واکنشپذیری فرآیند
اکسایش کاهش میشود.نانوذرات آهن به شدت برای تجزیهی هیدروکربنهای هالوژنه به -
هیدروکربنهای بیخطر وحذف بسیاری از آلودگیها مانند آنیونها وفلزات سنگین استفاده
میشوند.نانوذرات آهن صفرظرفیتی به شدت واکنشپذیر هستند و با محیط اطراف در سطح
زیرین خود به سرعت واکنش می دهند. ممکن است ذرات قبل از اینکه به آلودگی هدف
برسند،واکنشپذیری به میزان زیاذی افت کند.همچنین هنگامی که نانوذرات آهن صفر ظرفیتی
به آب اضافه میشوند، به سمت خوشه ای شدن میل میکنندکه سبب کاهش مساحت سطح فلز
میگردد. برای بر طرف کردن این مشکلها، روشی که به طور معمول استفاده میشود، جادادن
نانوذرات آهن درون مواد نگهدارنده مانند بسپارها، کربن متخلخل و پلیالکترولیتها میباشد.
- -1 13 نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی در مقابله با آرسنیک
نانوذرات آهن صفر ظرفیتی، آرسنیک را به طور مؤثری از آب حذفمیکند و میتواند به عنوان
روشی جدید برای تصفیه در منبع و در محل تصفیه خانهی آب استفاده شود.با افزایش زمان
تماس و غلظت نانوذرات، کارایی حذف آرسنیت و آرسنات افزایش مییابد. افزایش کارایی حذف
با گذشت زمان به این دلیل است که با گذشت زمان ایجاد حفره وخوردگی در سطح آهن بیشتر
شده، در نتیجه سطح مقطع جذب و کارایی حذفنیز افزایش می یابد.با گذشت زمان جایگاه های
فعال برای جذب آرسنیک تغییر میکند و تعداد محصولهایحاصل از واکنشهای آهن در محیط
آبی افزایش می یابد، که این موضوع نیز سبب افزایش کارایی حذف با گذشت زمان میشود،
همچنین علت افزایش کارایی حذف با افزایش غلظت نانوذرات، افزایش محلهای فعال سطحی
جذب و امکان برخورد بیشتر بین آرسنیک و نانوذرات و افزایش واکنشهای اکسایش و احیا
است.
- -11 13 نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی درمقابله با نیترات
تخلیهی فاضلابهای بهداشتی و برخی فاضلابهای صنعتی میتواند باعث افزایش غلظت نیترات
در آبهای زیر زمینی و دیگر منابع پذیرنده شود . بالاترین غلظت مجاز نیترات در آب بر حسب
ازت 22 میلی گرم بر لیتر است.در سامانههای تصفیهی کنونی نظیر تعویض یونی، اسمزمعکوس و
الکترودیالیز، هزینههای بهرهبرداری بالایی دارند و نیز تولید لجن مینمایند. کاهش شیمیایی
نیتراتبه کمک نانوذرات آهن صفر ظرفیتی،روشی مفید برای پاکسازی آبهای آلوده به نیترات
است.
-14 تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس ( RO )
- -1 14 اسمز معکوس چیست؟
اسمز معکوس، تکنولوژی مدرنی است که آب را برای مصارف متعددی از جمله نیمه رساناها،
خوراک پزی، تکنولوژی زیستی، داروها، تولید برق، نمک زدایی آب دریا و آب خوردنی شهری،
تصفیه می نماید . از اولین آزمایشاتی که در سال 2312 انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می شد،
2 میلیون گالن در هر / امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از 1
روز رسیده است . با افزایش روز افزون تقاضاها برای آب خالص )تصفیه شده( ، رشد صنعت اسمز معکوس در قرن
اینده با افزایش روبه رو خواهد شد . در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبرین حرکت می کند تا تعادل برقرار شود . به کارگیری
فشار خارجی برای همسان سازی قسمت محلول نمک با فشار اسمزی همچنین باعث برقراری
تعادل خواهد شد . فشار مضاعف باعث افزایش اختلاف سطح شیمیایی آب موجود در محلول نمک می شود و سبب
عبور حلال به سمت قسمت آب خالص می گردد. زیرا در آن حالت دارای اختلاف سطح شیمیایی
پائین تری می باشد . این پدیده اسمز معکوس نامیده می شود . نیروی محرک شیوه اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک
اسمزی مستقیماًً به میزان شوری حلال مربوط می شود. بنابراین، انرژی بیشتری برای تولید مقدار
یکسان آب از حلال با غلظت بالای نمک لازم است .
- -2 14 پیشینه تاریخی
تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال 2312 در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که
توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرین استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد . لوب و سوریرجان، گسترش تکنولوژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرین استات سلولز نا
متقارن ادامه دادند . تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکربندی بهتر و جدیدتر
اجزای اسمز معکوس شد، به طوریکه امروزه این صنعت اکثرا اجزای مارپیچ فنری و در برخی
موارد اجزای فیبر توخالی را تولید می کنند. دراوایل سال 2382 تحقیق و بررسی در لابراتوارهای
دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرین پلی آمیر مرکب شد. این ممبرین ها عمدتاً نسبت
به ممبرین های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند . امروزه با معرفی ESPA3 توسط هیدراناتیک ها، این صنعت با ترتیب کاهش بزرگی در مسیر
نمک، به افزایش 12 دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبرین های سلولزیک اصلی رسیده
است .
- -3 14 نیمه تراوا چیست ؟
نیمه تراوا به ممبرینی اشاره می کند که به طور انتخابی به اقسام خاصی اجازه عبور می دهد در
حالیکه الباقی گونه ها باقی می مانند . در واقع بیشتر گونه ها از ممبرین خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه .
در اسمز معکوس، محلول )آب( با سرعت بیشتری نسبت به ذرات نامحلول )نمکها ( از ممبرین ها
عبور می کنند، با توجه به اینکه آب خالص تولید می شود، پیامد نهایی این است که تفکیک
حلال حل شده روی می دهد. در برخی موارد عدم آبیاری باعث غلیظ شدن نمک می شود .
- -4 14 اسمز چیست ؟
اسمز یک روش و شیوه نرمال)طبیعی( شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبرین نیمه
تراوا می باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبرین نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور
کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبرین نیمه تراوا ایده آل در فشار و دما برابر از
میان ممبرین ها عبور نمی کند، زیرا اختلاف سطح شیمیایی دو قسمت برابر است . اگر نمک قابل حل به یک قسمت اضافه شود، اختلاف سطح شیمیایی این محلول نمک کاهش
پیدا می کند. استمراراً قسمت آب خالص از میان ممبرین به سمت قسمت محلول نمک حرکت می
کند تا تعادل اختلاف سطح شیمیایی احیاء گردد . در شرایط علمی، دو قسمت مخزن از لحاظ اختلاف سطح شیمیایی شان تفاوت دارند و محلول، از
طرف اسمز، اختلاف سطح شیمیایی اش را در کل سیستم همسان می سازد . تعادل زمانی برقرار
می شود که ناهمسانی و تفاوت فشار هیدرواستاتیک ناشی از تغییرات گنجایش حجم در قسمت،
با فشار اسمزی برابر می شود. فشار اسمزی، یک تناسب خاصیت محلول به غلظت نمک و
استقلال ممبرین است .
- -5 14 اسمز معکوس چگونه کار می کند؟
برای درک اسمز معکوس بهتر است با اسمز نرمال شروع کنیم. بر طبق دیکشنری وبستر هریام،
اسمز به معنای حرکت و جنبش حلال از ممبرین نیمه تراوا )مثل سلول زنده( به داخل محلول
بسیار غلیظ شده ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبرین
دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می شود . در سمت چپ، بشر پر از آب قرار دارد و مخزنی که در آب نیمه غوطه ور است . همانطور که انتظار
دارید سطح آب در مخزن به اندازه سطح آب در بشر است .
در آنجا، انتهای مخزن به ممبرین نیمه تراوا چسبیده است و مخزن با محلول نمکی نیمه پر است
و در آن غوطه ور است. در ابتدا سطح محلول نمک و آب برابر است اما با گذشت زمان، وقایع غیر
منتظره ای روی می دهد . آب داخل مخزن افزایش می یابد. این افزایش را به فشار اسمزی نسبت می دهند . ممبرین نیمه تراوا ممبرینی است که برخی از اتم ها یا مولکول ها را عبور می دهد، اما مانع عبور
بقیه می گردد . ممبرین است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولاً از آن عبور می دهیم، ناتراوا می باشد . مثال ممبرین نا تراوا، آستر روده های شما یا دیوار سلول است gore-tex از یک ممبرین نیمه
تراوا معمول دیگر است . ساختار gore-tex شامل لایه نسبتاً نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیون ها روزنه
کوچک ایجاد کرده اند. روزنه ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای
جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچکند . ممبرین به غیر از مولکول های نمک به مولکول های آب اجازه عبور میدهد . یک روش برای درک فشار اسمزی این است که مولکول های آب را بر روی دو طرف ممبرین تصور
کنید . این تصور در تضاد با Brownian motion است . بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه ها با اتم های نمک مسدود شده اند اما در قسمت آب خالص
چنین چیزی وجود ندارد . بنابراین آب بیشتری از قسمت آب خالص عبور می کند، چون روزنه های بیشتری برای عبور آب
خالص در قسمت آب خالص وجود دارد . آب موجود در قسمت نمکی افزایش می یابد تا یکی از این دو حالت روی دهد : -2 غلظت نمک در دو طرف ممبرین مساوی شود، البته در این مورد این حالت روی نمی دهد،
چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد . -1 همانطور که ارتفاع ستون آب شور افزایش می یابد فشار آب نیز افزایش پیدا می کند تا اینکه
فشار اسمزی برابر شود. در این نقطه اسمز متوقف خواهد شد . به هر حال، اسمز دلیل این مسئله است که نوشیدن آب شور )مثل آب اقیانوس(شما را خواهد
کشت. زمانی که آب شور وارد معده تان می شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت
می کند، تا نمک در داخل معده شما رقیق شود، بنابراین شما آب بدنتان را از دست می دهید
)آب بدنتان خشک می شود( و می میرید . در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبرین به گونه ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای
تولید آب قابل نوشیدنی آب شور )یا آب آلوده دیگر( عمل نماید . آب شور روی یک طرف ممبرین گذاشته می شود و فشار برای متوقف کردن اعمال می شود .
سپس وارونه می شود، یعنی جریان اسمزی روی می دهد، در مجموع این کار فشار زیادی می
گیرد و نسبتاً کند پیش می رود اما به هر حال این کار انجام می شود .
-15 نانو سنسورها در تصفیة آب و پساب
از آنجائی که بسیاری از خواصی که انتظار میرود توسط سنسورها اندازهگیری شود در سطح
مولکولی یا اتمی هستند از نانوتکنولوژی در کاربردهای حسگری یا شناسایی استفادة زیادی
میشود . سنسورهایی که در ابعاد نانومتری ساخته شدهاند از حساسیت فوقالعادهای برخوردارند، عملکرد
انتخابی دارند و پاسخدهنده میباشند. بنابراین تأثیر نانو تکنولوژی بر سنسورها فوقالعاده عمیق
و گسترده است . به طور کلی به منظور کنترل بوی ناخوشایند، لازم است تا اندازهگیریهایی مبنی بر میزان بوی
منتشر شده انجام شود. ترکیبات بسیاری در بوهای ناشی از تصفیة پساب شناسایی شدهاند. به
طور نمونه این ترکیبات عبارتند از: ترکیبات کاهش یافتة گوگرد یا نیتروژن، اسیدهای آلی،
آلدئیدها یا کتونها . در سالهای اخیر سنسورهای تجارتی مجموعهای که بینی الکترونیکی نامیده میشوند برای
شناسایی میکروارگانیسمها و فلزات سنگین در آب آشامیدنی )مانند کادمیوم، سرب و روی( و به
منظور شناسایی و تعیین مشخصات بوهای ناشی از مخلوط بخار جمع شده در بالای یک جامد یا
مایع موجود در یک محفظة دربسته، تولید شدهاند. این سنسورها روش سریعتر و نسبتاً سادهای
را برای پیگیری تغییرات در کیفیت آب و فاضلاب صنعتی فراهم میآورند . نانو سنسورها برای شناسایی آلودگی و پاتوژن و نانو ابزارهای مرتبط
امروزه سنسورها اطلاعات زیادی راجع به حرارت، دما، آب و هوا، موقعیت آب و هوایی، زمین،
حمل و نقل دریایی و آلوده کننده های شیمیایی فراهم میکنند.
ارگانیسم های بیولوژیکی قادر به شناسایی محیط زیست هستند. در زندگی ارگانیسم ها
سنسورها از ابعاد ماکرو تا میکرو و نانو فعالیت دارند.
در نانو تکنولوژی سنسورها حساسیت شان زیاد شده و زمان عکس العمل کاهش پیدا کرده است.
تصور کنید یک نانو سنسور بیو آنالیتیکال میتواند یک ذره کوچک ویروس را قبل از تکثیر
ویروس و قبل از بروز علایم، در گیاه و حیوان شناسایی کند.
(bioanalytical biosensor) : شناسایی پاتوژن، آلودگی، ویژگی محیطی )روشنی، تاریکی،
گرمی، سردی، خشکی و تری( فلزات سنگین و مواد آلرژیزا میباشد.
ازویژگی نانوسنسورها می توان به موارد زیر اشاره کرد که به سرعت میتواند مواد خارجی و
ویروس را شناسایی کنند، کوچک، قابل حمل، دارای عکس العمل سریع در مقدار کم، قابل
اطمینان، دقیق، مقاوم و مستحکم هستند.
برنامه تحقیقاتی در زمینه نانوسنسورها بر دو مبنا استوار است:
2( سیستم تشخیص گسترش پاتوژن، مواد مغذی، آلوده کننده
1( بهبود مکانیسم سنسورها در مقیاس نانو
سیستم شناسایی )پاتوژن، کمبود مواد مغذی و آلوده کننده( -
بازیافت )بازیابی( نمونه، بهبود بازیابی نانوسیستمها از ترکیبات خاص برای مثال )آب، خاک، گیاه،
حیوان و ...( است.
شناسایی پاتوژن: بهبود روشهای واقعی شناسایی پاتوژن، گزارش موقعیت، تلفیق نانوتکنولوژی و
سیستم های میکرو الکت رو مکانیکی (MEMs) ارتباطهای wireless ، طراحی تراش ههای
بیولوژیکی مولکولی برای امنیت سنسورها در مقیاس نانو می باشد. -
بهبود مکانیسم سنسورها در مقیاس نانو -
تحقیقات در زمینه نانو سنسورهایی که پاتوژن و مواد شیمیایی را گرفتار نمایند در حال انجام می
باشد .چنین روشهای مدرن تثبیت، بر اساس متدهای گرفتارکردن )گیرانداختن( شیمیایی،
بیولوژیکی و الکتریکی است تا روشهای نوینی برای تشخیص پاتوژن شناسایی شود وتحقیقاتی
در زمینه نانو بیو مواد، نانو لولههای کربنی، پلیمری مولکولی انجام گردد.
-16 تصفیه آب به روش نانو سیلور
در فناوری تصفیه آب به روش نانوسیلور (Nano Silver ) ، یونهای نقره به صورت کلوئیدی در
محلولی به حالت سوسپانسیون قرار دارند که خاصیت آنتی باکتریال )ضد باکتری( و آنتی
فونگاس )ضد قارچ( و آنتی ویروس دارند .
- -1 16 سوسپانسیون
به مخلوط کلوئیدی جامد در مایع سوسپانسیون گفته می شود. سوسپانسیون ها در حالت عادی
ناپایدارند و با گذشت زمان ذرات آنها ته نشین می شود و بر اثر این پدیده فاز مایع از جامد جدا
می شود. آب گل آلود نمونه ای از سوسپانسیونی طبیعی است . هرچند این فناوری بتازگی مورد
توجه زیادی قرار گرفته و رونق بسیاری پیدا کرده است، از آن در طب قدیم هم استفاده می شده،
بدون آنکه علت تأثیر آن شناخته شود و حتی در جنگ برای درمان عفونت زخم سربازان از سکه
های نقره استفاده می شد . محلولهای نانوسیلور از یونهای نقره در اندازه های ۱۷ تا ۱۷۷ نانومتر
تشکیل شده اند و در مقایسه با محلولهای دیگر پایداری بیشتری دارند. یونهای نقره به سبب
اندازه کمی که دارند سطح تماس بیشتری با فضای بیرون دارند و تأثیر بیشتری در محیط می
گذارند .
- -2 16 نانو ذرات نقره
این محلول را می توان به عنوان داروی خوراکی استفاده کرد که در آن صورت محلول باید از % ۸۷
نقره عادی )فلز( و % ۰۷ یون نقره تشکیل شود؛ زیرا یونها در معده با اسید هیدروکلریک واکنش
می دهد و نقره کلرید درست می شود که خاصیت خود را از دست می دهد . برای مصرف این دارو
به صورت خوراکی، بهتر است از محلولی با غلظت ppm 20 استفاده شود تا تأثیر بیشتری در
بدن داشته باشد. از نانوسیلور به عنوان دارو می توان در درمان بیماریهای پوستی و جوش و … ،
انواع جراحات و سوختگی و بیماریهای باکتریایی و قارچی ، بیماریهای گوارشی ، بیماریهای
جنسی، … استفاده کرد
نقره در ابعاد بزرگتر فلزی با خاصیت واکنش دهی کم است؛ ولی زمانی که به ابعاد کوچک در حد
نانومتر تبدیل می شود، خاصیت میکروب کشی آن بیش از % ۹۹ افزایش می یابد. به حدی که می
توان از آن برای بهبود جراحات و عفونتها استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو در سوخت و ساز تنفس
و تولید مثل ریز اندام واره اثر می گذارد. تاکنون، بیش از ۶۳۷ نوع باکتری شناخته شده را از بین
برده است .
- -3 16 فرآیند نانو نقره ها در تصفیه آب
- - - 2 9 21 فرآیندکاتالیستی
تولید اکسیژن فعال با نقره: این فرایند بیشتر در مورد کامپوزیت های نانو نقره ای صدق می کند
که روی پایه های نیمه هادی مانند ۰ TiO یا ۰ SiO قرار می گیرد. در این وضعیت، ذره مانند پیلی
الکتروشیمیایی عمل می کند و، با اکسید کردن اتم اکسیژن و یون اکسیژن با هیدرولیز کردن
آب، یون OH – را تولید می کند که هر دو از بنیانهای فعال و از عوامل ضد میکروبی قوی نیز به
شمار می رود .
1 9 21 فرآیند یونی - - -
دگرگون کردن ریز اندام واره با تبدیل پیوندهای SH – به Sag -: در این فرایند، ذرات نانونقره
فلزی به مرور زمان یونهای نقره از خود ساطع می کنند. این یونها در طول واکنش جانشینی،
باندهای SH- را در جداره ریز اندام واره به باندهای -SAg تبدیل می کنند که نتیجه واکنش تلف
شدن ریز اندام واره است .
- -4 16 خصوصیات نانوسیلور در تصفیه آب
۱ - تأثیر بسیار زیاد
۰ - تأثیر سریع
۵ - غیر سمی
۲ - غیر محرک برای بدن
۳ - غیر حساسیت زا
۶ - کارایی تحمل شرایط مختلف )پایداری زیاد(
۷ - آب دوست بودن
۸ - سازگاری با محیط زیست
۹ - مقاوم در برابر حرارت
۱۷ - ایجاد نکردن و افزایش ندادن مقاومت و سازگاری در ریز اندام واره
از دیگر کاراییهای نانوسیلور اضافه شدن به الیاف، پلیمر، سرامیک، سنگ، رنگ، … ، بدون تغییر
دادن خواص ماده است . این پلیمرها باید در محیط سرد و خشک و به دور از آفتاب نگهداری شود
که تحت این شرایط تا دو سال می توان آن را نگهداری کرد .
ذرات نانوسیلور را می توان به صورت پودر در آورد و در مواد و وسایل مختلف استفاده کرد
)مسواک ، خمیر دندان (. در آن صورت، به محض تماس ماده با آب، نقره فعال می شود و خاصیت
ضد باکتری پیدا می کند .
با آزمایشی که دانشمندان بتازگی برای درمان بیماران مبتلا به ایدز با نانوسیلور انجام داده اند،
متوجه شدند که ویروسهای HIV نوع ۱ به طور کامل از بین رفته اند و بدین ترتیب دانشمندان
امیدوار شده اند که شاید بتوان این ویروس را به طور کامل از بین برد. به عبارتی می توان گفت
کاربرد نانوسیلور محدود به تصفیه آب نمی شود .
-34 فیلترهای کارتیجی
مصرف عمده این دسته از فیلترها در تهیه آب آشامیدنی در مقیاس خانگی و صنعتی می باشد.در
تولید این کارتریجها از نانو الیاف بوهمایت که روی الیاف میکرونی شیشه نشانده شده اند
استفاده می شود.تکنولوژی تولید این فیلترها در حال حاضر تنها در اختیار دو کشور آمریکا و
روسیه بوده که شرکت پیام آوران نانو فناوری فردانگر ضمن برقراری ارتباط با تولیدکنندگان این
فیلترها آمادگی جهت بومی کردن این تکنولوژی را نیز دارا می باشد . این فیلترها بر خلاف فیلترهای موجود در بازار که مواد آلاینده را بر حسب اندازه آنها جدا می
کنند از مکانیزم دیگری جهت گرفتن مواد آلاینده استفاده می کنند.بدین ترتیب که نانو الیاف
بوهمایت با قطر ۰ نانومتر و طول حدود ۵۷۷ ۰۷۷ نانومتر دارای بار مثبت بسیار قوی بوده که دارای -
محدوده تاثیر یک میکرومتر می باشد . این نانو الیاف با توجه با این خاصیت قابلیت جذب تمام ذرات معلق در آب را که دارای بار سطحی
منفی می باشند، را دارند.
از جمله آلاینده های قابل جذب توسط این الیاف عبارتنداز : - فلزات سنگین
- باکتریها، ویروسها و انگلها
- کلیه ذرات معلق در آب در هر ابعادی
- نیترات و نیتریت
نوع دیگر این فیلترها از پارچه های حاوی نانو الیاف بوهمایت و ذرات کربن اکتیو تشکیل شده
اند که علاوه بر قابلیت جذب آلاینده های فوق توانایی جذب آلاینده های آلی،طعم، مزه و بو را
نیز دارند .
۳ کارتریج مختلف به شرح ذیل تشکیل شده است : 3 دو عدد کارتریج حاوی رزینهای سختی گیر کاتیونی ویژه با قابلیت جذب انتخابی یونهای -
کربنات در حالی که یونهای مفید کلسیم و منیزیم قابلیت عبور دارند . 2 کارتریج دو منظوره پلی پروپیلن و کربن با حفرات ۳ میکرون جهت جذب رسوبات و ذرات -
درشت و اصلاح طعم و بوی آب
1 کارتریج نانو الیاف کامپوزیت شده با ذرات کربن -
4 کارتریج آنتی باکتریال ید جهت تکمیل فرایند میکروب زدایی -
-38 اکسایش پیشرفته در تصفیهی آب
روشهای بسیاری برای تصفیهی آب و فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرد که هر یک معایب و
سودمندهای خاص خود را دارا میباشد. از مهمترین روشهای معمول تصفیهی آب، عدم امکان
تصفیهی مواد آلاینده در غلظتهای کم و همچنین خواص سمی برخی از آلایندهها است که به
سادگی تصفیه نشده و در مقابل عوامل بیولوژیکی از خود مقاومت نشان میدهند. برای حل این
مشکل در سالهای اخیر پژوهشهای فراوانی بر روی فرایندهای اکسایش پیشرفته ) AOPs )
صورت گرفته است. امروزه انواع نانوذرات مانند نانوذرات آهناکسید و تیتانیومدیاکسید از
مهمترین و کارامدترین روشهای تصفیهی این نوع آلایندهها هستند. در فرایند اکسایش
پیشرفته سرعت تجزیهی مواد آلودهکننده بهطور قابل توجهی افزایش یافته است.
فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته با این ویژگی قابل تشخیص میباشند که باعث تولید اکسندهی
قوی هیدروکسیل رادیکالی میشوند. این ترکیب رادیکالی توانایی از بین بردن کامل آلودگیها از
طریق تجزیه و اکسایش مواد آلاینده به ترکیبهای مولکولی سادهتر و کوچکتر و نیز غیر سمی
مانند کربندیاکسید، آب و یونهای معدنی از قبیل نیترات، کلرید، سولفات و فسفات میباشد.
برخی از فزایندهای اکسایش پیشرفته فقط شامل افزایش مواد شیمیایی از قبیل ازن یا هیدروژن
پراکسید برای حذف آلایندهها است. درحالی که در روشهای دیگر باید همراه با تابشهای نور
صورت گیرد.
در فرایند اکسایش پیشرفته که کاربرد گستردهای برای حذف مواد آلی در آبهای آلوده دارد،
رادیکال هیدروکسیل بهعنوان یک عامل اکسندهی قوی تولید میشود. هیدروژن پراکسید)
𝐇𝟐𝐎𝟐 ( یکی از اکسندههای سبز در تولید رادیکال هیدروکسیل میباشد. برخی از کاتالیزگرها
فرایند اکسایش پیشرفته را کاتالیست میکنند. یکی از مهمترین کاتالیزگرها پراکسیدازهای
تجاری مانند Horseradish Peroxidas )HRP ( میباشد که در فرایند کاتالیزوری اکسایشی
در حذف آلایندهها در آب کاربرد گستردهای دارد. اما این فرایند گران قیمت هست و از نظر
اقتصادی در تصفیهی آب مقرون به صرفه نیست. بهخصوص این روش فقط برای حذف
آلایندههای رنگزا کاربرد دارد. پژوهشگران به تازگی دریافتهاند که نانوذرات آهناکسید مگنتیت
(𝑭𝒆𝟑𝑶𝟒) جایگزین مناسب و ارزانی برای آنزیم پراکسیداز است. نانوذرات مگنتیت میتوانند
تولید رادیکال هیدروکسیل و حتی رادیکالهای مناسب دیگر را در حضور هیدروژن پراکسید
کاتالیست کنند و فرایند اکسایش پیشرفته به کمک فنآوری نانو پشرفت قابل چشمگیری نموده
است.

برای نظر دادن ابتدا باید به سیستم وارد شوید. برای ورود به سیستم اینجا کلیک کنید.