نانو محک بهبود
نمکزدایی, نانو الیاف, نانو غشاها ,نانو ذرات, تصفیه آب،نانو،محك،بهبود

راه کارهای جدید در فرآیند نمک زدایی و تصفیه آب

چکیده

آب شیرین کن، در مفهوم، اشاره به روند حذف نمک از آب دریا یا آب شور دارد. در یک مفهوم گسترده­تر ، نمک زدایی به حذف یون­های گوناگون معدنی از محلول با هدف نهایی تولید آب سالم و قابل شرب اشاره دارد. لزوم به كارگيری فن­آوری­های جديد بيش از هر زمان ديگری آشكار است. پیشرفت در علم و مهندسی ابعاد نانو نشان می دهد که بسیاری از مشکلات مربوط به کیفیت آب می تواند حل و فصل شود و یا تا حد زیادی با استفاده از جاذب های نانو، نانو کاتالیزگر­ها، نانو­ذرات فعال زیستی، غشاهای کاتالیزگری نانوساختار و نانوذرات بهبود یابد.

کلمات کلیدی: نمک­زدایی،  تصفیه آب، نانو الیاف، نانو ذرات، نانو غشاها

 

1-    مقدمه

در زمين آب آشاميدنی و كشاورزی به اندازه­ی كافی برای همه وجود دارد، اما به دليل سوء مديريت‌ها و محدوديت منابع و تغييرات زيست محيطی، حدود يك پنجم جمعيت جهان هم­چنان از كمبود آب و دسترسی نداشتن به منابع قابل اطمينان آب آشاميدني رنج می‌برند.  با توجه به ذخایر عظیم آب شور در دنیا (آب دریاها و اقیانوس‌ها) یک راه تولید آب شیرین و برطرف کردن نیاز روز افزون بشر به آب آشامیدنی، شیرین‌کردن آب‌های شور می‌باشد. به این فرآیند «نمک‌زدایی» نیز گفته می‌شود. فرآیند نمک‌زدایی از اوایل دهه­ی 80 میلادی رونق پیدا کرد. در این فرایند از اسمز معکوس استفاده می‌شود. شيرين‌سازی نمی­تواند مشكل كم‌آبی را حل كند اما می­تواند به عنوان كمكی در اين زمينه به شمار آيد. پیشرفت در علم و مهندسی ابعاد نانو فرصت­های بی سابقه­ای را برای توسعه­ی مؤثر و سازگار با محیط زیست در فرآیندهای تصفیه­ی آب فراهم کرده است.

2-   مشکلات آب شور

مردم و بیش­تر گیاهان و حیوانات نمی­توانند آب شور استفاده کنند. آب دریا بسیار شورتر از مایعات بدن خود و یا سلول است. وقتی  که آب شور وارد معده می شود، آب از سلول­ها در آن منطقه برای برابرکردن غلظت بیرون می­آید. سلول­های بسیاری ممکن است به دلیل کم آبی بدن به طور ناگهانی بمیرند. پر شدن معده با آب سلول­ها باعث قی کردن می­شود، بنابراین بدن شما تقریبا دو برابرمقدار آبی که نوشیده­اید آب از دست می­دهد.

3-  روش­های شیرین سازی

3-1- روش تقطیر             

روش تقطیر توسعه یافته­ترین روش است. در این روش از گرما برای تبخیر آب نمک استفاده می­کنند و سپس با متراکم کردن بخار آب و گرفتن حرارت از آن ، بخار به صورت مایع در می­آید. برای اجرای این روش نیاز به انرژی حرارتی است که این انرژی از خورشید یا مواد سوختنی فسیلی به دست می آید. مواد سوختنی فسیلی همیشگی نیستند و دیر یا زود تمام می­شوند. از این رو سعی بر این است که از انرژی مجانی و پایدار خورشیدی استفاده شود. علاوه بر گران بودن روش تقطیر مشکلات دیگری هم وجود دارد. برخی از آفت کش­ها و کودهای شیمیایی نقاط جوش پایین­تر از آب دارند و حذف نمی­شوند. برخی از نمک­ها ممکن است در امتداد دیواره­ها به محصول تقطیر مهاجرت کنند.

3-2- فن­آوری اسمز معكوس

كارخانه‌­های آب شيرين‌كن جدید از فن­آوری اسمز معكوس استفاده می­كنند. اسمز معکوس روشی است که نیاز به یک غشای نیمه تراوا دارد. در اين روش آب شور را تحت فشار از يك غشای پلاستيكی نيمه‌ تراوای فوق‌ العاده نازك عبور می‌دهند و از آنجايی كه مولكول‌ها يا يون ‌های بزرگ هم چون انواع نمك محلول در آب قادر به عبور از اين غشا نخواهند بود، آب به اصطلاح صاف شده و شيرين و آماده مصرف می‌شود. نتيجه اين فرآيند به ظاهر ساده، آب شيرينی است كه از سمت ديگر خارج مي‌شود. اين روش نسبت به روش­های پيشين نمك‌زدايی نظير تقطير آب دريا، انرژی كمتری را مصرف می كند، اما به هر حال يك كارخانه­ی معمولی كه از روش اسمز معكوس استفاده می­كند، بيش­تر از 40 درصد هزينه‌ هايش را صرف خريد برقی می­كند كه برای گردش كل سامانه ضروری است. اين يك دليل عمده است كه مهندسان درصدد يافتن راهي هستند تا از هزينه ‌ها بكاهند و كارخانه‌هايی كارآمدتر بسازند كه انرژی كمتری مصرف كنند. از زمان ابداع غشاهای اسمز معكوس يعنی حدود 50 سال پيش تاكنون، اين غشاها تكامل يافته‌تر شده­اند. به عنوان مثال، غشاهاي امروزی كار خود را برای عبور آب و نگه داشتن نمك در پشت آن  بهتر و دقيق­تر انجام می­دهند. هم­چنين غشا­هاي امروزي مقاومت بيش­تری نسبت به آلودگي‌های باكتريايی پيدا كرده‌اند، اما اين به آن معنا نيست كه مشكل آن­ها به طور کامل برطرف شده است.

3-3- نانو مواد و تصفیه­ی آب :  فرصت­ها برای بهبود و حفاظت از منابع آب

پیشرفت­های نهایی نشان می­دهد که بسیاری از مسایل مربوط به کیفیت آب می­تواند با استفاده از نانوذرات، نانو صافی­ها و یا سایر محصول­های حاصل از توسعه فن­آوری نانو حل و فصل شود و یا تا حد زیادی بهبود یابد. استفاده از نانو ذرات خاص که در غشاها تعبیه شده اند می تواند به طور مؤثر، ارزان و به سرعت از آب غیر قابل استفاده آب شرب تحویل دهد. استفاده خلاقانه از نانو ذرات برای تصفیه­ی فاضلاب صنعتی کاربرد مفید دیگری است. بسیاری از کارخانه­ها مقادیر زیادی فاضلاب تولید می­کنند. حذف آلاینده­ها و ارائه آب خالص کاهش قابل توجهی در هزینه، زمان و نیروی کار به صنعت و در نتیجه بهبود در ملاحظات زیست محیطی است. در ادامه نتایج مطالعات استفاده از نانو مواد برای تصفیه­ی آب نشان خواهیم داد.

3-3-1- دستگاه‌های آب شيرين كن مبتنی بر نانوالياف

این روش همانند جداسازی غشايی است كه حدود 20 سال قدمت دارد. در اين روش آب شور داغ را روی ورقه نازكی از ماده‌ای به نام غشاء كه سوراخ‌­های ريزی به نام نانو حفره دارد می‌ريزند. اين حفره­‌ها آنقدر كوچك­‌اند كه تنها بخار مي‌تواند از آن­ها عبور كند و آب،  مايع، نمك‌ها و موارد معدني ديگر در پشت اين غشاء می‌مانند. در طرف ديگر اين غشاء محفظه‌ای از آب سرد قرار دارد كه بخار با عبور از اين محفظه آب سرد، متراکم شده و دوباره به مايع تبديل مي‌شود. محصولی كه به اين ترتيب به دست می‌آيد آب خالصی است كه با اطمينان خاطر می‌توان نوشيد. ابزاری كه در اين روش به كار برده شده است، دستگاهی مستطيل شكل است که مجموعه‌ای از غشاء‌های الياف مانند توخالي دارد و مايع به طور عرضی در آن جريان می‌يابد. اين غشاءها به صورت هزاران لوله به شكل تار مو در آمده، سپس آن­ها را به صورت بسته‌هايی داخل يك جعبه قرار می‌دهند. البته اصول اوليه­ی طرز كار اين دستگاه همانند جداسازی­های غشايی معمولی است كه بخار آب داغ با عبور از محفظه‌های آب سرد دوباره به صورت آب خالص در مي‌آيد. در قسمت وسط دستگاه، دسته‌ای از هزاران لوله توخالی شبيه تار مو قرار دارد. جداره اين لوله‌ها را هم غشاء­هايی با نانوحفره‌­های كوچك تشكيل می‌دهد.

3-1-2-جاذب­های نانو

جذب کننده­ ها به طور گسترده  به عنوان بستر جداسازی برای حذف آلاینده­ های  معدنی و آلی از آب آلوده استفاده می­شوند. نانوذرات دارای دو خصوصیت کلیدی هستند که باعث می­شود آن­ها به عنوان جاذب مورد توجه قرار بگیرند. بر اساس جرم، نانو ذرات سطح وسیع تری نسبت به ذرات توده­ای دارند. نانوذرات نیز می توانند با گروه­های شیمیایی گوناگونی برای افزایش تمایل خود نسبت به ترکیب­های هدف عمل کنند. گروه­های پژوهشی متعددی در حال بهره برداری از خواص منحصر به فرد نانو ذرات به منظور توسعه­ ی جاذب­ هایی با ظرفیت بالا و انتخابی برای یون ­های فلزی و آنیون­ها هستند. در سال 2003 دانشمندان جذب سطحی سرب، مس، کادمیوم را بر نانو لوله­های کربنی چند جداره بررسی کرده­اند. آن­ها کشف کردند که ظرفیت جذب یون­های فلزی نانو لوله­های کربنی 3-4 برابر پودر کربن فعال است. دانشمندان به تازگی جاذبی با سطح بسیار زیاد شامل سریم اکسید (CeO2) با پایه­ی نانو لوله­های کربنی ایجاد کرده­اند. آن­ها نشان دادند که این نانو لوله­های کربنی با ذرات اکسید سریم جاذب­های خوبی برای آرسنیک هستند. سپس دریافتند که با اضافه کردن دو کاتیون دو ظرفیتی (کلسیم و منیزیم) افزایش قابل توجهی در جذب آرسنیک رخ خواهد داد. زئولیت­ها جاذب­های مؤثری برای یون­های فلزی­اند. زئولیت­های NaPl[1] به عنوان بستر تبادل یون برای حذف فلز­های سنگین از آب ارزیابی شده­اند.

3-3-3-نانو کاتالیزگر­ها و نانوذرات فعال اکسایش و کاهش

نانو ذرات توان بسیار زیادی به عنوان کاتالیزگر­های تصفیه آب دارند. در طی دهه­ی گذشته نانو ذرات تیتانیوم اکسید (TiO2) به عنوان کاتالیزگر­های نوری برای تصفیه ­ی آب ظاهر شده­اند.  نانو ذرات تیتانیوم اکسید چند بعدی­اند؛ آن­ها می­توانند هم به عنوان کاتالیزگر اکسایشی و هم کاهشی برای آلودگی­های معدنی و آلی عمل کنند. حذف کربن آلی از آب­های آلوده به طور چشمگیر توسط افزودن نانو ذرات تیتانیوم اکسید در حضور نور فرابنفش تسهیل شده است. دانشمندان به تازگی کاربرد کاتالیزگر­های نوری در پاک سازی آب­های آلوده با مواد معدنی و آلی را بررسی کرده اند. طبق مدارک استفاده از نانو ذرات تیتانیوم اکسید برای کاهش ترکیب­های آلی و یون­های فلزی سمی مثل کروم، نقره، پلاتین در محلول­های آبی در حضور نور فرا بنفش موفقیت آمیز بوده است.

3-3-4- غشاهای نانو ساختاری

فرآیندهای غشایی مانند نانو غشاها و اسمز معکوس به عنوان فن­آوری های پیشرفته  برای تصفیه­ی آب پدیدار شدند. دانشمندان استفاده از نانو غشاها برای حذف کاتیون­ها، مواد آلی، آلودگی­های زیستی، نیترات­ها و آرسنیک از آب­های سطحی و زیر زمینی را مورد بررسی قرار داده­اند. هم­چنین تصفیه با نانو غشاها افزایش کیفیت آب را نشان می­دهد. به تازگی غشاهای نانو لوله کربنی جدید ساخته شده­اند که شامل استوانه توخالی با دیوارهای نانو لوله­ای كربن شعاعي هستند که در حذف باکتری­ها و ویروس­ها بسیار مؤثرند. نانولوله‌های کربنی شدت جریان بالایی دارند بنابراین شار مورد نیاز برای انتقال آب کاهش می­یابد.

4-    موارد استفاده از نمک زدایی

توليدآب شيرين براي آشاميدن
توليد آب شيرين براي آبياري مزارع
 توليد نمك خوراكي (اين فرآورده در بسياري از كشتي‌ها و زير دريايي‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد .)

5-     نتیجه گیری

به طور خلاصه، با توجه به نیاز شدید به آب شیرین در دنیا، توسعه روش‌های جدید برای تولید آب شیرین ضروری است. یکی از این روش‌ها، شیرین کردن آب دریا با روش اسمز معکوس می‌باشد. اگرچه این روش در نواحی که به دریا نزدیک است و دارای کمبود آب زیاد باشند، ارزشمند می‌باشد اما برای مکان‌های دور از دریا اقتصادی نمی‌باشد به این دلیل استفاده از نانو فن­آوری برای ایجاد روش‌های جدید و اقتصادی­تر از اهمیت زیادی برخوردار است. با استفاده از فن­آوری­های جدید و نانو غشاها می­توان هزینه­های نمک زدایی را در مقایسه با اسمز معکوس 75 درصد کاهش داد. بنابراین می­توان راه حلی برای کمبود آب ارائه داد.

6-  منابع:

  1. X. Lu, X. Bian and L. Shi, Preparation and characterization of NF composite membrane, J. Membr. Sci., 210 (2002) 3-11
  2. Adesina A.A., 2004. Industrial exploitation of photocatalysis progress, perspectives and prospects. Catal. Surv. Asia 8(4), 265–273.
  3. Bianco A., K. Kostarelos, C.D. Partidos & M. Prato, 2005. Biomedical applications of functionalized carbon nanotubes. Chem. Commun. 5, 571–577.
  4. Cheng X., A.T. Kan & M.B. Tomson, 2004. Naphthalene Adsorption and Desorption from Aqueous C60 Fullerene. J. Chem. Eng. Data. 49, 675–683.
  5. Srivastava A., O.N. Srivastava, S. Talapatra, R. Vajtai & P.M. Ajayan, 2004. Nature Mater. 3(9): 610–614.
  6. Sondi I. & B. Salopek-Sondi, 2004. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: A case study on E-coli as a model for Gram-negative bacteria. J. Coll. Interf. Sci. 275(1), 177–182.
Alvarez-Ayuso E., A. Garcia-Sanchez & X. Querol, 2003. Purification of metal electroplating waste waters using zeolites. Water Res. 37, 4855–4862.
 

[1] Na6Al6 Si10O32, 12H2O


PDF مقاله

دیدگاه خود را ارسال نمایید

ما را دنبال کنید