تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 4030
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
4030
filereader.php?p1=main_bc1e1db923366e12a

موضوع: کاربردهای فناوری نانو

فصل: نانوفیلترها


بخش‌ اول: تصفیه آب به کمک فناوری نانو


بخش‌ اول: تصفیه آب به کمک فناوری نانو


نویسنده: محسن افسری ولایتی



مقدمه

فقدان دسترسی به آب تمیز و بهداشتی در کشورهای در حال توسعه، اولویت توسعه و استفاده از فناوری¬های جدید را بیش از پیش مطرح می‌کند. استفاده از فناوری¬های نوین به خصوص فناوری نانو جهت کاهش اثرات سوء آلودگی¬های زیست محیطی، از موضوعات مهم و مورد تحقیق است. فناوری نانو با راهکارهای جدید خود اظهار می‌دارد که مواد با پایه نانو می‌توانند به فناوری‌های تصفیه آب ارزان قیمت‌تر، بادوام‌تر و مؤثرتری منجر شوند و بخشی از نیازهای کشورهای در حال توسعه را برآورده ‌سازند. در این بخش به مروری بر فرآیندهای غشایی و دیگر حوزه¬های نوین استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب می-پردازیم.


1- فرآیندهای غشایی

امروزه فناوری¬های غشایی از جایگاه و کاربرد وسیعی در صنایع مختلف برخوردار هستند. از دهه 1960 این علم از آزمایشگاه به صنعت و پزشکی راه یافت و با پیشرفت‌های چشمگیری مواجهه شد، به گونه¬ای که انتظار می¬رود غشاها در آینده نقش مهمی را در علوم مختلف به ویژه علم پزشکی ایفا کنند.


بیشتر بدانید:
غشاء به معنای پوسته است و در واقع می¬توان غشاء را یک فیلتر در نظر گرفت که دارای نفوذپذیری انتخابی است و مانند سد عمل می¬کند.

از فناوری¬های غشایی اولین بار برای فیلتراسیون آب آشامیدنی ارتش آلمان استفاده شد. تحقیقات برای استفاده‌ی گسترده از این فناوری توسط کشور آمریکا مورد حمایت قرار گرفت و نهایتاً توسط شرکت میلی پور، اولین و بزرگ‌ترین تولیدکننده میکروفیلتر، مورد بهره¬برداری قرار گرفت. در گذشته بیش‌ترین کاربرد میکروفیلتراسیون در صنایع نوشیدنی، استریلیزاسیون تجاری سرد برای مصارف دارویی و تأمین آب خالص در فرآیندهای نیمه¬رسانا بود. تا سال 1960 با وجود درک اصول اساسی غشاهای مدرن صنایع مهمی در این زمینه وجود نداشت تا اینکه به تدریج با رفع برخی از معایب آنها نظیر قیمت بالا، فرآیندهای کند و زمان¬بر، غیرانتخابی بودن و... غشاها از آزمایشگاه به صنعت راه یافتند. اساس فرآیندهای غشایی عبور مواد از میان صافی است، که این امر توسط یک نیروی رانشی صورت می¬گیرد. این رانش در فرآیندهای غشایی مختلف متفاوت است. در فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس که مورد بحث در اینجا است، اختلاف فشار نیروی رانشی عبور سیال است.


بیشتر بدانید:
نیروی رانشی در فرآیندهای غشایی به چهار دسته تقسیم می¬شود که شامل موارد زیر است:
• اختلاف فشار: در فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس
• اختلاف پتانسیل الکتریکی : نظیر الکترودیالیز و الکترولیز غشایی
• اختلاف دما: مانند membrane distillation
• اختلاف غلظت: نظیر gas separation


1-1- تعریف فیلتر

فیلترها مواد متخلخلی هستند که در فرآیند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می¬گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها داشتن خلل و فرج¬هایی با اندازه و ابعاد مشخص است، به همین دلیل فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. سوراخ¬ها درصد بسیار زیادی از حجم فیلتر را در بر می¬گیرند و شبکه پیچیده¬ای از حفره¬ها را می¬سازند. فیلترها می¬توانند از جنس پلیمر و یا سرامیک باشند.


1-2- تعریف فیلتراسیون

فیلتر کردن یا فیلتراسیون فرآیندی است که در آن یک سیال (مایع و یا گاز) به دلیل اختلاف فشار یا اختلاف پتانسیل الکتریکی و یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می¬کند. با انجام عمل فیلتراسیون ذراتی که از اندازه حفره‌های فیلتر کوچک¬تر هستند از آن عبور کرده و ذرات بزرگ‌تر، از سیال جدا می¬شوند.


filereader.php?p1=main_06ca655e1cff36fe0

شکل 1: شمای کلی فرآیند فیلتراسیون


1-3- عوامل مؤثر در فیلتراسیون:

دو عامل در انتخاب نوع فیلتر و کارکرد آن مؤثر هستند که عبارتند از:

1- اندازه حفره‌های فیلتر
همان طور که گفته شد موادی با اندازه بزرگ¬تر از حفره-های فیلتر در پشت آن باقی می¬مانند و عبور نمی¬کنند، در نتیجه برای جداسازی ذرات با اندازه مشخص باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد.
2- مقدار ذراتی که در پشت فیلتر باقی می¬مانند
ذراتی که در پشت فیلتر باقی می¬مانند به مرور زمان و با استفاده مداوم از فیلتر بیشتر می¬شوند. این مسئله می-تواند باعث مسدود شدن
روزنه¬های فیلتر شود. با این دلیل باید بعد از مدت زمان مشخصی، فیلتر را تعویض و یا آن را پاکسازی نمود. این مسئله که به گرفتگی فیلتر معروف می¬باشد از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا تعویض و یا حتی تمیز کردن فیلتر هزینه¬بر است.


2- فیلتراسیون غشایی
همان طور که گفته شد میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس (هایپرفیلتراسیون) از انواع فیلتراسیون غشایی هستند. فنون فیلتراسیون پیشرفته می¬توانند ذرات را تا 1 آنگستروم جدا کنند. حدود 25 سال است که از تجاری شدن این محصولات می¬گذرد. انواع غشاهای پلیمری، لیفی و سرامیکی در فرآیندهای فیلتراسیون استفاده می¬شوند. شکل 2 قابلیت انواع فیلتر غشایی در عبور ذرات را نشان می¬دهد.



filereader.php?p1=main_25cf634a77c7909b8

شکل 2: انواع غشاء و خواص آنها


2-1- اسمز معکوس:

اسمز معکوس فرآیند غشایی پر فشاری است که آب را به سمت یک غشای نازک می¬راند تا محتویات و مواد معدنی شامل نمک‌ها، ویروس¬ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیرآلی را جدا کند و اتم¬ها و مولکول¬هایی در مقیاس کوچک‌تر از 1 نانومتر را در محدوده یونی جدا می¬کند. با اعمال فشاری بالاتر از فشار اسمز به محلول نمکی آب از غشا عبور می¬کند و یون¬ها پشت غشاء می-مانند. پربازده¬ترین روش از نظر کیفی برای پاکسازی آب، اسمز معکوس است. فرآیند اسمز معکوس با اختلاف فشار بین 30 تا 60 بار صورت می¬گیرد. در فیلترهای مربوط به اسمز معکوس، ابعاد حفرات نزدیک به ا آنگستروم است و عبور محتویات از فضاهای بین مولکولی صورت می¬پذیرد. شکل 3 فرآیند اسمز معکوس را نمایش می¬دهد.


بیشتر بدانید:
اسمز معکوس فرآیندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به گونه‌ی طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین-تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتیکه فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید.



filereader.php?p1=main_6dfbf6d5a36d5a8cb

شکل 3: فرآیند اسمز معکوس


2-2- نانوفیلتراسیون:

نانوفیلتراسیون برای جداسازی مواد آلی طبیعی استفاده می¬شود و ابعاد بزرگ‌تر از 1 نانومتر را جدا می¬کند. ابعاد حفره¬های نانوفیلتر بین 1 تا 5 نانومتراست. نانوفیلتراسیون از نظر هزینه انرژی و دفع یون و ابعاد سوراخ در بین روش¬های دیگر شرایط بهینه¬ای را ایجاد کرده است. این فرآیند با اختلاف فشار بین 20 تا 40 بار صورت می‌گیرد.


2-3- الترافیلتراسیون:

الترافیلتراسیون جهت جداسازی پروتئین¬ها و مواد آلی استفاده می¬شود و مولکول¬هایی بزرگ‌تر از 5 نانومتر را جدا می¬کند. ابعاد حفره¬های فیلتر 5 تا 100 نانومتر است. فرآیند دیالیز در این محدوده قرار می¬گیرد. این فرآیند با اختلاف فشار بین 1 تا 10 بار صورت می¬گیرد.


2-4- میکروفیلتراسیون:

میکروفیلتراسیون فرآیند غشایی کم فشاری است که برای جداسازی ذرات، جامدات معلق کوچک و موادی دیگر مثل باکتری¬ها و کیست¬ها از آب استفاده می¬شود و مولکول¬ها و ذراتی بزرگ‌تر از 100 نانومتر را جدا می¬کند. این فرآیند با اختلاف فشار پایین¬تر 1 بار صورت می¬گیرد.
عبور سیال از یک محیط متخلخل، مطلوب خیلی از فرآیندها است.چنین فرآیندی در جذب سطحی، کروماتوگرافی، تبادل یون و کاربردهای مختلف مهندسی استفاده می¬شود. در مهندسی نفت برای جابجایی نفت و گاز، آب و محلول¬های امتزاج¬پذیر (شامل محلول-های فعال سطحی) کاربرد دارد. در علم آب برای بازیابی آب شـرب و آبیاری و تبدیل آب شور به آب شیرین مورد استفاده قرار می¬گیرد. در بیوفیزیک، موضوع عبور سیال از محیطی متخلخل با فرآیندهای داخل بدن مثل عبور سیال از ریه و کلیه ارتباط دارد. ذراتی که فیلتر می¬شوند، می¬توانند نمک¬های محلول، یون-های فلزی، شکر، پروتئین، آلبومین، ذرات کلوئیدی (ذراتی که به واسطه اندازه کوچکشان برای مدت¬ها در آب معلق می¬مانند)، ویروس¬ها، دوده تنباکو، ذرات مخرب کبد، رنگدانه‌ها، باکتری، خون، آرد آسیاب شده و مواردی دیگر باشند.



filereader.php?p1=main_f828edc2005167993

شکل 4: مقایسه فشار کاری، اندازه حفرات غشاء و قابلیت عبوردهی در فرآیندهای فیلتر غشایی


3- حوزه‌های نو در فیلتراسیون:

فناوری نانو با کوچک‌تر کردن ابعاد، خواصی مانند خواص سطحی را به شدت تحت تأثیر می¬گذارد. این خصوصیات در برخی زمینه-های کاربردی مانند فیلتراسیون به قدری مهم هستند که تأثیر بالایی در کیفیت و کمیت کار آنها می¬گذارند. مهم‌ترین عامل اهمیت تأثیر فناوری نانو در فیلتراسیون افزایش نسبت سطح به حجم و میزان تخلخل ماده و در نهایت مساحت سطحی است. برای مثال مواد بسیار متخلخل از جمله آئروژل¬ها با 97 درصد فضای خالی از مواد پیشرفته¬ای هستند که پیش¬بینی می¬شود از سودمندترین مواد در آینده باشند. با توجه به کاربردها لازم است محققین حوزه فیلتراسیون با کارایی¬های جدید آشنا باشند.


3-1- نانورس:

رس یک ماده نانوساختار شامل ذراتی با ابعاد نانومتری است که همه¬جا یافت می¬شود و در بسیاری از فرآیندهای ساخت از آنها استفاده می¬شود. این ساختارهای معدنی بلورهای نانومتری دوبعدی هستند. آنها مساحت سطحی و خواص تبادل یون مثبت بالایی دارند که آنها را برای محدوده وسیعی از کاربردهای جذب مانند جمع آوری نفت، فلزات سنگین و ترکیبات آلی از آب و تصفیه آب آلوده استفاده می¬کنند. این رس به راحتی جدا و بدون هیچ هزینه بالایی خالص می¬شود. روی این رس می¬توان فرآیندهایی انجام داد که کارایی بیش‌تری پیدا کند. از محصولاتی که در این زمینه تولید شده است، رسی به نام هیدروتالکیت است. با این محصول می¬توان فلوریدها و آرسنیک را از آب جدا کرد.



filereader.php?p1=main_137ec9c555d8ff1fb

شکل 5: ساختار یک نوع رس که می¬تواند به عنوان فیلتر برای آب استفاده شود.


3-2- نانوکاتالیست:

یک کاتالیست ماده¬ای است که به عنوان بستر و یا افزایش دهنده سرعت در واکنش¬های شیمیایی شرکت می‌کند و خود وارد واکنش نمی¬شود. نانوکاتالیست¬ها شامل آنزیم¬ها، فلزات و مواد دیگر هستند که به خاطر افزایش خواص کاتالیستی‌شان در ابعاد نانومتری اهمیت دارند. کنترل ابعاد و ساختار نانومتری مواد می¬تواند در تأثیرگذاری، قابلیت گزینش مواد و عمر بیشتر فیلترها مؤثر باشد. با استفاده از فعالیت کاتالیستی نانوذرات و سطح بالای آن عوامل شیمیایی آلوده به مواد غیر مضر شکسته می¬شوند.



filereader.php?p1=main_45280de359eb485c9

شکل 6: نانوذرات فوتوکاتالیستی اکسید تیتانیم که منجر به تجزیه آلودگی¬های آب می¬شود.


فوتوکاتالیست:
کاتالیزگری است که توسط نور فعال می¬شود، یعنی تابش نور نیروی محرکه فعالیت کاتالیستی آن ماده است.

3-3- نانوذرات مغناطیسی:

استفاده از نانوذرات مغناطیسی به عنوان جاذب در آب منجر به جداسازی و حذف آلودگی¬ها با استفاده از نیروی مغناطیسی خارجی می¬شود. یکی از مزایای مهم در استفاده از نانوذرات مغناطیسی قابلیت اصلاح سطحی با انواع پوشش¬های آلی و غیر آلی برای حذف محدوده وسیعی از فلزات سنگین از آب می¬باشد. شکل 7 نمونه¬ای از عملکرد نانوذرات مغناطیسی پوشش داده شده با کیتوسان و اکسید گرافن به منظور حرف رنگدانه بنفش از آب را به صورت شماتیک نشان می¬دهد.
آرسنیک در آب‌های زیرزمینی در بسیاری از کشورها از ‌جمله بنگلادش به سطحی بالاتر از حدود تعیین شده توسط سازمان بهداشت جهانی رسیده است. هیچ روشی وجود ندارد که بتواند سطح آلودگی را تا زیر مرز استاندارد کاهش دهد. سیستم پیشرفته¬ای طراحی شده که در آن با استفاده از نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن، آرسنیک موجود در آب را تا 99% به دام انداخته و سپس آنها را با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج می‌کنند.



filereader.php?p1=main_8ec9622626267a95f

شکل 7: جدایش رنگدانه بنفش از آب توسط نانوذرات مغناطیسی عامل-دار


نتیجه‌گیری

در این بخش انواع مختلف روش¬های تصفیه آب از جمله فیلتراسیون غشایی شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس و همچنین روش¬های جدید بر پایه فناوری نانو معرفی شد. به صورت مختصر قابلیت¬های هر کدام از روش¬ها از از بین بردن انواع آلودگی¬ها بیان شد. ملاحظه می¬شود با پیشرفت فناوری نانو و اعمال این فناوری در تصفیه آب به یقین می¬توان از صحت و سلامت آب آشامیدنی مصرفی اطمینان حاصل نمود چرا که محدوده گسترده¬ای از آلودگی از نظر نوع و اندازه با روش¬های مذکور قابل حذف است.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • 1- سیستم جامع آموزشی فناوری نانو،edu.nano.ir
  • 2- مرکز یادگیری سایت تبیان
  • 3- تصفیه آب با استفاده از فناوری نانو، مصطفی محراب، سید محسن میرشجاع، مجله بهداشت، ایمنی و محیط زیست شماره 47
4- Principles of TiO2 Photocatalysis, Marta Castellote and Nicklas Bengtsson, Photocatalysis to Construction Materials
5- Applications of Magnetite Nanoparticles for Heavy Metal Removal from Wastewater, intech open science.
6- Study of fuchsine adsorption on magnetic chitosan/graphene oxide, Leilei Li, Lulu Fan, Chuannan Luo, Huimin Duan and Xiaojiao Wang RSC Adv., 2014,4, 24679-24685