تصفیه آب آشامیدنی آلوده به آرسنیک با نانوذرات آهن

[محمــد 4415]

کشف برهم‌کنش‌های مغناطیسی غیرمنتظره بین نقاط بسیار کوچک زنگ (rust)، دانشمندان مرکز فناوری نانو (CBEN) در دانشگاه رایس را به سمت توسعه یک فناوری کم هزینه و جالب برای پاکسازی آرسنیک از آب آشامیدنی هدایت کرده است. این فناوری میلیون‌ها نفر در هند، بنگلادش و دیگر کشورهای در حال توسعه که در آنها هزاران مورد آلاینده‌های آرسنیکی به چاه‌های آب وارد می‌شود، را امیدوار کرده است.

Vicki Colvin مدیر این پروژه معتقد است که آلودگی آرسنیک در آب آشامیدنی یک معضل جهانی است، راه‌های مختلفی برای زدودن آن وجود دارد ولی برای این کار دستگاه‌های وسیع و پمپ‌های فشار بالا که با انرژی برق کار می‌کنند، مورد نیاز است. راه‌حل پیشنهادی این گروه ساده و بی‌نیاز از الکتریسیته است. هرچند نانوذرات استفاده شده در این روش گران‌ قیمت هستند، اما آنها در حال کار بر روی روشی برای تولید آنها هستند که در آن از زنگ (rust) و روغن زیتون استفاده می‌شود و هیچ امکانات بیشتری جز یک اجاق گاز نیاز ندارد.

فناوری CBEN مبتنی بر یک برهم‌کنش مغناطیسی جدید کشف شده‌ای است که بین ذرات بسیار ریز زنگ که از ویروس کوچکتر هستند، اتفاق می‌افتد. Colvin می‌گوید: در ابتدا تصور می‌شد این ذرات مغناطیسی کوچک با یک میدان مغناطیسی قوی برهم‌کنش نشان دهند. به دلیل این که قبلا چگونگی ساخت این ذرات در اندازه‌های مختلف را یافته بودیم، ما تصمیم گرفتیم بر روی بزرگی میدان مغناطیسی مورد نیاز جهت بیرون کشیدن این ذرات از سوسپانسیون تحقیق کنیم. نتیجه کار شگفت‌انگیز بود زیرا نیروی الکترومغناطیسی بزرگی برای به حرکت درآوردن نانوذرات لازم نبود و در بسیاری از موارد یک آهن‌ربای دستی هم مشکل را حل می‌کرد.

آزمایشات با استفاده از نمونه‌های خالص از ذرات اکسید آهن هم اندازه در آب به شکل سوسپانسیون انجام شد. یک میدان مغناطیسی جهت وارد کردن فشار به ذرات برای خارج شدن از محلول مورد استفاده قرار گرفت که در نهایت آب خالص باقی ماند. تیم Colvin ذرات ریز را بعد از زدودن از آب مورد اندازه‌گیری قرار دادند و توضیح شفافی را ارائه دادند: ذرات بعد از اعمال میدان مغناطیسی به هم دیگر نچسبیده بودند. Colvin، معتقد است شواهد آزمایشگاهی بیانگر برهم‌کنش مغناطیسی بین خود نانوذرات است.

 

Doug Natelson یکی از این محققان معتقد است که با کاهش اندازه ذره، نیروی مورد نیاز برای به حرکت درآوردن آن به شدت کاهش می‌یابد و مدل‌های قدیمی که پیش‌بینی می‌کردند میدان مغناطیسی بزرگی برای خارج کردن این ذرات مورد نیاز است، باید تصحیح گردد.

Natelson، معتقد است که در این جا نانوذرات بر هم نیرو وارد می‌کنند. در این حالت یک آهن‌ربای دستی فشار بر نانوذرات را به آرامی آغاز می‌کند و حرکت آنها را موجب می‌شود این نانوذرات به طور مؤثری روی هم تأثیر گذاشته و یکدیگر را به بیرون آب هل می‌دهند. Colvin می‌گوید: این ویژگی‌ مثالی دیگر از برهم‌کنش‌های منحصر به فردی است که ما در مقیاس نانو شاهد هستیم.

 

به دلیل خاصیت معروف آهن در متصل شدن به آرسنیک، گروه Colvin آزمایشات روی آب آلوده به آرسنیک را تکرار کردند و دریافتند که ذرات آهن، مقدار آرسنیک در آب آلوده را تا زیر سطح EPA برای آب آشامیدنی آمریکا، کاهش می‌دهد.

 

گروه Colvin همکاری با محققانی از گروه Mason Tomson از دانشگاه رایس در بخش مهندسی شهری و محیط زیست، را آغاز کردند تا فناوری زدایش آرسنیک را توسعه دهند. محاسبات اولیه Tomson و Colvin نشان داد که این روش می‌تواند در جاهایی که فناوری تصفیه آب به شکل‌های متداول امکان‌پذیر نیست، انجام شود. با توجه به این که مواد شروع کننده برای تولید نانوزنگ ارزان هستند، هزینه این مواد در صورت تولید صنعتی آنها کم است. مواد خام اولیه زنگ و اسیدهای چرب هستند که اسیدهای چرب را می‌توان از روغن زیتون یا نارگیل تهیه کرد.

 

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 میکرو*****اسیون-نانو*****اسیون است. در این سیستم‌ها از میکرو*****اسیون برای زدودن ذرات معلق مانند روغن‌ها و گریس‌ها و از نانو*****اسیون برای حذف پاک‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

تصفیه فاضلاب‌ها

 

محققان دانشگاهUniSA 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 آلودگی‌TCE 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 TCEو 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 250 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.

منبع:

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام