نانو محک بهبود
تصفیه ی آب , نانوذرات آهن اکسید,فن آوری نانو, نانو ذرات آهن, آب و فاضلاب،نانو،محك،بهبود

نگاهی نو در تصفیه‌ی آب و فاضلاب با ذره‌بین نانو

فاطمه عزیزی -جواد صفری

چکیده

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.] 1[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.دراین مقاله تعریف فاضلاب، کاربرد فن‌آوری‌ نانو و نقش نانو‌ذرات در تصفیه‌ی آب مورد بررسی قرار می‌گیرند.

کلیدواژه : تصفیه‌ی آب، نانو ذرات آهن‌اکسید، فن‌آوری نانو، نانوذرات آهن ، آب و فاضلاب

1- مقدمه 

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؛

الف) آلودگی با منبع مشخصب) 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.[ 1]

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.

فاضلاببر 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.[2]

2- تعریف فن‌آوری نانو

تفاوت اصلي فن‌آوري نانو با فن‌آوري‌هاي ديگر، در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فن‌آوري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. البته تنها كوچك بودن اندازه مدنظر نيست؛ زماني كه اندازه مواد دراين مقياس قرار مي‌گيرد، خصوصيات ذاتي آن‌ها از جمله: رنگ، استحكام، مقاومت خوردگي و ... تغيير مي‌يابد. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فن‌آوري را با فن‌آوري‌هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي‌توانيم وجود عناصر پايه را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آن‌ها در حالت نانومقياس با خواص‌شان در مقياس بزرگتر فرق مي‌كند.اولين و مهم‌ترين عنصر پايه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همان‌گونه که از نام آن مشخص است، ذراتي با ابعاد نانومتري در هر سه بعد مي‌باشد. نانوذرات مي‌توانند از مواد متفاوتی تشکيل شوند، مانند نانوذرات فلزي، سراميکي،...[3]

3- ماهیت مغناطیسی نانوذرات

نانوذرات مغناطیسی به ذراتی کم‌تر از صد‌نانومتر گفته ‌می‌شود که در حضور یک میدان خارجی دارای ویژگی‌های مغناطیسی هستند. طبقه بندی مواد مغناطیسی بر اساس قابلیت مغناطیسی شدن[1] انجام می‌شود. بر این اساس ماده را به سه گروه فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس دسته بندی می‌کنند.خاصیت مغناطیسی به مقدار بسیار زیادی به اندازه‌ی ذره وابسته است. هر ماده‌ی مغناطیس در حالت توده، از حوزه‌های مغناطیسی تشکیل شده است. هر حوزه دارای هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترون‌ها یکسان و گشتاورهای مغناطیسی به صورت موازی جهت یافته‌اند. اما جهت چرخش الکترون‌ هر حوزه با حوزه‌های دیگر متفاوت است. هرگاه، یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه‌های مغناطیسی را هم‌جهت کند، تغییر فاز مغناطیسی رخ داده و مغناطیسی شدن به حد اشباع می‌رسد. هر ذره‌ای که تنها شامل یک حوزه باشد،می‌تواند نانوذره به‌شمار رود.‌ نانوذرات مغناطیسی دارای تعداد حوزه‌های کمی هستندو مغناطیسی شدن آن‌ها ساده‌تر است و خیلی با مغناطیسی شدن از حالت طبیعی فاصله نمی‌گیرد و پس از مغناطیسی شدن تمایل چندانی برای از دست دادت خاصیت مغناطیسی و بازگشت به وضعیت اولیه را ندارند.[ 4-6]

4-کاربرد فن‌آوری‌نانو 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.[7]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. بيش‌تر کاربردهایزيست‌محيطي فن‌آوري‌نانو در سه مقوله جای می‌گيرند:

الف) محصول‌های بی‌خطر برای محيط زيست يا محصول‌‌های با قابليت تحمل بالا،برای مثال  شيمی سبز.

ب) تصفيه‌ی موادی که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند.پ) حسگرهايی برای ذرات محيطی.

با اين‌که به‌طور معمول اين سه مقولهمربوط به موادشيميايی يا مواد نانوزیست فن‌آوری تلقي می‌شود، بايد توجه کرد که اين موارد می‌تواند در مورد عوامل ميکروبی و مواد زيست‌محيطی نيز کاربرد داشته باشد. فن‌آوری ‌نانو‌ نقش مهمی در بهبود روش‌های کشف و پاک‌سازی عوامل زيست‌محيطی مضر دارد.[8]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.

4-1- 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.[9و10]

4-2-معرفی نانوذراتآهن‌اکسید  

نانوذرات آهن‌اکسید کاربرد زیست‌محیطی گسترده‌ای دارند. برای تولید این نانوذرات از روش‌های گوناگونی استفاده ‌می‌شود؛مانند محلول شیمیایی مرطوب،[2] تفت‌کافت لیزری،[3] 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.[4-6]از ویژگی‌های نانوذرات آهن اکسید خاصیت سوپرپارا‌مغناطیسی آن‌‌ها است، که باعث می‌شود با به‌کاربردن میدان مغناطیسی، ازآب تصفیه شده جداسازی شوند. [11]

4-3- 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 حذفآرسنیک را تا 99 درصدداشتهو 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.[11]

4-4- 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 وpH  اثر قابل توجه‌ای در فرایند حذف یون نقره دارند. بازده حذف توسط نانوذرات در pHاسیدی بیش‌تر است که نشان می‌دهد حذف به صورت جذب و سپس احیا انجام می‌شود. در pHبازی بازده حذف به میزان قابل توجه‌ای کاهش می‌یابد؛ زیرا یون نقره با فرایند جذب بر روی سطح نانوذرات اکسیدی حذف می‌شود.[3]

4-5-معرفی 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.[12-14]

4-6- نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی در مقابله با آرسنیک

نانوذرات آهنصفر 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.[3]

4-7-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 10 میلی گرم بر لیتر است.در سامانه‌های تصفیه‌ی کنونی نظیر تعویض یونی، اسمزمعکوسو الکترودیالیز، هزینه‌های بهره‌برداری بالایی دارند و نیز تولید لجن می‌نمایند. کاهش شیمیایی  نیتراتبه کمکنانوذرات آهن صفر ظرفیتی،روشیمفید برای پاک‌سازی آب‌های آلوده به نیترات است.[15]

 

منابع:

1. sabz.persianblog.ir

2. http://water-research.persianblog.ir

3. http:// www.nano.ir

4. http://krcom.blogfa.com/post-402.aspx

5. J.H Lee, et al., Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultrasensitive molecular imaging, Natural Medicines, Vol 13, 2007, pp 95–99.

6.S Conroy, S.H.L Jerry, Z Miqin, Magnetic nanoparticles in MR imaging and Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery, Advanced Drug Delivery Reviews, Vol60,2008, pp 1252–1265.

7.مجله آب و فاضلاب شماره 1 سال 1390.

8. http://nanomohit.blogfa.com

9.مجله پزشکی کوثر دوره 14، شماره 3، پاییز 1388

10. فصلنامه‌ی طلوع بهداشت، سال دهم، شماره‌ی1

11. J.T. Mayo, C.T. Yavuz, S. Yeav, L. Cong, H. Shipley, W.W.Yu, et al., 8, 71-75, 2007

12. O.M. Vatutsina, V.S. Soldatov, V.I. Sokolova, J. Johann, M. Bissen, and A.Weissenbacher, Reactive & Functional Polymers , 67 , 184-201, 2007

13. J. Xu and D. Bhattacharyya, Industrial and Engineering Chemistry Research , 46, 2348-2359, 2007

14. Z. Yue and J. Economy, Journal of Nanoparticle Research, 7, 477-487 , 2005

15. سلامت و محیط، دوره سوم، شماره دوم، تابستان 1389

 

 



[1]Magnetic  susceptibility

[2]Wet  chemistry  solution

[3] Laser pyrolysis


PDF مقاله

دیدگاه خود را ارسال نمایید

ما را دنبال کنید