چگونه از فناوری نانو برای تصفیه آب استفاده می‌شود؟

جمعیت جهان با نرخ تصاعدی ۸۳ میلیون نفر در سال در حال افزایش است و اخیراً از مرز ۸ میلیارد نفر گذشته است.

چالش جمعیت رو به رشد و آب‌وهوای غیرقابل پیش‌بینی پژوهشگران را به سمت ایجاد فناوری‌های نوآورانه‌ای سوق داده است که تضمین می‌کنند انسان‌ها و حیوانات به آب آشامیدنی سالم دسترسی دارند. در تلاشی برای اطمینان از اینکه جمعیت انسانی از آب پاک محروم نمی‌ماند، روش‌های مختلف فناوری نانو برای حذف آلاینده‌های خطرناک از منابع آب آشامیدنی توسعه پیدا کرده است.

احتمالاً تا‌به‌حال درمورد فناوری نانو یا نانوتکنولوژی شنیده‌اید. این موضوع در اواسط دهه ۲۰۰۰ به بحث داغی در صنعت فناوری تبدیل شد. برای مثال، نانوربات‌ها یا ربات‌های میکروسکوپی به یکی از موضوعات اصلی رمان‌های علمی‌تخیلی، مجموعه‌های تلویزیونی و کتاب‌ها تبدیل شده‌اند.

نانوتکنولوژی کاربرد ماشین‌های کوچکی است که در تمام حوزه‌های علمی استفاده می‌شود. ریچارد فاینمن، فیزیکدان مشهور این مفهوم را در سال ۱۹۵۹ ارائه کرد. به‌نوشته‌ی وب‌سایت Alliance Water، درحالی‌که اصطلاح «نانوتکنولوژی» تا دهه ۱۹۸۰ اختراع نشده بود، فاینمن قبلاً ایده کنترل مواد در سطح مولکولی را ارائه کرده بود.

در علوم نانو، پدیده‌ها در مقیاس نانومتر بررسی می‌شوند. نانوتکنولوژی شامل موادی با حداقل یک جزء می‌شود که ابعاد آن کمتر از ۱۰۰ نانومتر است. این مواد به دلیل اندازه نانومقیاسی که دارند، ازنظر خواص مکانیکی، الکتریکی، نوری و مغناطیسی تفاوت زیادی با مواد مرسوم دارند. اندازه کوچک و سطح بزرگ نانومواد آن‌ها را بسیار جاذب و واکنش‌پذیر می‌کند. علاوه بر این نانومواد در محلول تحرک بسیار بالایی دارند.

شرکت‌های مدیریت آب و فاضلاب همیشه به دنبال راه‌های جدیدتر و کارآمدتر تصفیه آب هستند. یکی از جذاب‌ترین پیشرفت‌ها در تصفیه آب و فاضلاب در طول ۲۰ سال گذشته فناوری نانو بوده است. درحالی‌که بیشتر عملیات‌های بزرگ مدیریت آب و فاضلاب از فناوری نانو استفاده نکرده‌اند، این فناوری در سطح کوچک‌تر امیدوارکننده ظاهر شده است و می‌تواند کارآمدتر از همیشه آب پاک را به دست مردم برساند.

آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) آلاینده‌های آب را به‌عنوان هر چیزی تعریف می‌کند که مولکول آب نباشد. این آلاینده‌ها می‌توانند مواد شیمیایی آلی یا غیرآلی، مواد زیستی، رادیولوژیکی یا فیزیکی باشند که می‌توانند اثرات نامطلوبی بر مصرف‌کننده داشته باشند. جدول زیر نمونه‌هایی از این نوع آلاینده‌ها را که می‌تواند در هر منبع آبی وجود داشته باشد، ارائه می‌دهد (از وب‌سایت AZoNano):

برخی از متداول‌ترین روش‌های تصفیه آب عبارت‌اند از آشغال‌گیری، فیلتراسیون، ته‌نشینی، جداسازی گرانشی، اسمز معکوس، تبادل یونی، خنثی‌سازی، معدنی‌سازی مجدد، میکرو و اولترافیلتراسیون و چندین روش دیگر. اگرچه این روش‌ها سودمند می‌باشند، اغلب روش‌های پرهزینه‌ای هستند که به مقدار زیادی انرژی و آب نیاز دارند.

فرایندهای تصفیه آب مبتنی‌بر نانوفناوری درمقایسه‌با روش‌های سنتی بسیار کارآمدتر هستند، زیرا این محلول‌ها می‌توانند با ویژگی‌هایی ساخته شوند که می‌توانند میزان جذب مواد را از آب افزایش دهند. برای مثال، خواصی مانند واکنش‌پذیری و حجم منافذ و همچنین برهم‌کنش‌های آب‌دوست و آب‌گریز را می‌توان در محلول‌های تصفیه آب در سطح نانو دستکاری کرد تا کارآیی آن‌ها افزایش پیدا کند.

جدول دو مروری بر انواع نانوموادی ارائه می‌دهد که با موفقیت در سیستم‌های تصفیه آب به کار رفته‌اند.

در ادامه به چندین نمونه از نحوه تلاش پژوهشگران برای حذف آلاینده‌ها از آب به کمک فناوری نانو اشاره می‌شود.

یکی از اشکال معروف نانوتکنولوژی تصفیه آب، نانولوله کربنی (CNT) است. سومیو ایجیما، دانشمند ژاپنی در سال ۱۹۹۱ حین بررسی مواد استخراج‌شده از جامداتی که روی نوک الکترودهای کربنی تشکیل می‌شدند، نانولوله کربنی را کشف کرد.

ساختار نانولوله کربنی به مولکول‌های آب اجازه عبور از منافذ را می‌دهد، درحالی‌که میکروب‌ها جذب سطح کربن می‌شوند. تولیدکنندگان می‌توانند نانولوله‌های کربنی را به شکل ورقه یا مارپیچ بسازند که آب را درون ساختارهای لانه زنبور شکل می‌کشند تا آلاینده‌های آن را حذف کنند. این ساختار مانع از ورود مواد شیمیایی و زیستی خطرناک به جریان آب می‌شود.

رسانایی نانولوله به الکتریسیته اجازه عبور از ساختار آن را می‌دهد. الکتریسیته می‌تواند میکروارگانیسم‌های مضر را روی سطح نانولوله‌ها از بین ببرد. پژوهشگران دانشگاه ناگویا در ژاپن از نانولوله‌های کربنی برای حذف فلزات سنگین سمی از آب استفاده کرده‌اند.

نوع متداول دیگری از فناوری نانو که برای فیلتراسیون استفاده می‌شود، نانوسلولز است. این ماده معمولاً از تجزیه‌ی پلیمرهای طبیعی یا درنتیجه‌ی فعالیت باکتری‌ها به دست می‌آید. نانوسلولز از نظر شکل و عملکرد شبیه نانولوله‌های کربنی است اما فرایند ساخت متفاوتی دارد.

نانوفیبریل‌ها و نانوکریستال‌های سلولز نانوذرات میله‌ای‌شکل هستند که به‌طور انتخابی آلاینده‌ها را از جریان‌های آب حذف می‌کنند. شکل فیبریل‌ها و ساختار نانوسلولز که انعطاف‌پذیری بالاتری دارد، آن را به فیلتری عالی تبدیل می‌کند که می‌تواند در سیستم‌های تصفیه آب بزرگ و کوچک کارایی داشته باشد.

دانشمندان دریافته‌اند که نانوذرات طلا در تصفیه آب مفید هستند. این نانومیله‌ها می‌توانند گرما را به شکل منطقه‌ای هدایت کنند و آلاینده‌هایی نظیر داروها و آفت‌کش‌ها را به روشی کارآمدتر از حرارت دادن کل آب از بین ببرند. پژوهشگران متوجه شدند که اگر این ذرات به‌طور یکنواخت توزیع شوند، می‌توانند کارآمدتر باشند. آن‌ها بخشی از نانومیله‌ها را با پوشش سیلیسی پوشاندند که از تجمع آن‌ها جلوگیری کرد و موجب پراکندگی یکنواخت آن‌ها شد.

روش‌های مرسوم تصفیه آب همیشه در حذف آلاینده‌هایی مانند فلزات و میکروارگانیسم‌ها چندان کارآمد نیستند.

یکی از مشکلات موجود تشکیل محصولات جانبی گندزدایی (DPBs) است که می‌تواند به سلامت انسان آسیب بزند. این مواد زمانی تشکیل می‌شوند که مواد گندزدای شیمیایی با مواد آلی و یون‌های معدنی موجود در آب واکنش می‌دهند.

در برخی از مطالعات حذف فلزات، میکروب‌ها و روغن از آب آلوده با استفاده از نانومواد مورد مطالعه قرار گرفته است. در مطالعات مختلف، فلزات سنگین، آلاینده‌های آلی، آنیون‌های غیرآلی و باکتری‌ها همگی با استفاده از انواع مختلف نانومواد حذف شده‌اند. بسیاری از نانومواد ازجمله نانوذرات فلزی صفر ظرفیتی، نانوذرات اکسید فلزی، نانولوله‌های کربنی و نانوکامپوزیت‌ها در تصفیه آب و فاضلاب مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

با وجود تمامی پتانسیل‌های مثبت فناوری نانو، این سؤال پیش می‌آید که چرا هنوز به‌طور گسترده از نانوتکنولوژی در تصفیه آب استفاده نشده است؟

در اواسط دهه ۲۰۰۰، فناوری نانو شاهد افزایش علاقه برای تمام کاربردهای آن بود. دولت ایالات متحده میلیاردها دلار روی آنچه فکر می‌کرد فناوری انقلابی بعدی خواهد بود، سرمایه‌گذاری کرد. اما با گذشت سال‌ها بودجه پروژه‌های نانو ته کشید، زیرا نتایج مورد انتظار به دست نیامد.

تجربه‌ی یک شرکت تصفیه آب مبتنی‌بر فناوری نانو نشان داد که چرا حفظ جایگاه در بازار بسیار دشوار است. آن‌ها چندین دستگاه را ساختند که می‌توانستند آب را از منابع آب با کیفیت پایین تصفیه کنند. این دستگاه‌ها با استفاده از نانولوله‌های کربنی در کمترین زمان آب را تصفیه می‌کردند. اختراع این دستگاه‌ها اختراعی انقلابی بود که آب پاک را تقریباً در دسترس همه قرار می‌داد. مشکل این نبود که آن‌ها محصولی ناکارآمد داشتند، بلکه این بود که نتوانستند بازاری پایدار پیدا کنند و محصول آن‌ها مقرون‌به‌صرفه نبود. استفاده از نانوتکنولوژی برای تصفیه آب خصوصاً برای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب بزرگ، گران درمی‌آید.

درحالی‌که نانوتکنولوژی روش جایگزین مؤثری برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها از منابع آب است، نانومواد خصوصاً از نظر تأثیر احتمالی بر محیط زیست با محدودیت‌های خاصی همراه هستند. برای مثال، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم و نانوذرات نقره که از شایع‌ترین نانوذرات مورد استفاده هستند، می‌توانند اثرات مضری بر موجودات آبزی ازجمله باکتری‌ها، جلبک‌ها، بی‌مهرگان، ماهی‌ها و گیاهان داشته باشند. بنابراین، به‌منظور مقابله با اثرات نامطلوب احتمالی مرتبط با استفاده از برخی سیستم‌های تصفیه آب مبتنی‌بر نانو ضروری است که تلاش‌های ملی و بین‌المللی در راستای ایجاد سیستم‌های بسیار کارآمد نظارت بر سطوح نانومواد مهندسی‌شده در منابع آب انجام شود.