چگونه می توانید یک تصفیه خانه بسازید؟ - جلسه ششم

اهداف
· آشنایی با تاثیرات نانوفناوری در تصفیه آب

وسایل موردنیاز
· دسترسی به اینترنت

مقدمه
گرم شدن کره زمین، خشکسالی ها و کاهش منابع آب آشامیدنی ، نگرانی هایی را در باره تامین آب آشامیدنی مورد نیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب باعث می شودکه افزایش آلودگی های زیست محیطی شدت پیدا می کند ، باعث شده است تامین آب بهداشتی مورد نیاز مردم به یکی از مشکلات اساسی  جهان امروز تبدیل شود امراض ناشی از آلودگی منابع آب ، روزانه سبب کشته شدن اکثر مردم جهان می شود . حال آنکه اگر دقیق تر نگاه کنیم مسئله مهم تر این است که امکان بازیافت آب دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد .
در سال های اخیر با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی می شوند. استفاده از فیلترهای نانومتری ، تحول عظیمی را در بازیافت و استفاده مجدد از منابع آب ایجاد کرده است کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از : نانو سنسورها ، نانو فیلترها، نانو فتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات، توانایی های این فناوری در تصفیه آب و با توجه به انواع آلودگی های نقاط مختلف ایران مورد ارزیابی قرار گرفته است.
نانوفیلتراسیون یک روش مبتنی بر فیلتراسیون غشائی است که از طریق کانال های نانومتری که از طریق غشا عبور می کند، استفاده می شود. غشاهای نانوفیلتراسیون دارای اندازه منافذی از 1 تا 10 نانومتر هستند، کوچکتر از آنهایی که در میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون استفاده می شوند، اما فقط بزرگتر از اسمز معکوس است. غشاهای استفاده شده عمدتا از پلیمرهای نازک تشکیل شده است. مواد مورد استفاده معمولا عبارتند از: پلی اتیلن ترفتالات یا فلزات مانند آلومینیوم. ابعاد غشا با pH، دما و زمان در طول توسعه با تراکم های منفذ در محدوده 1 تا 106 سانتی متر مکعب کنترل می شود. غشاء ساخته شده از پلی اتیلن ترفتالات و سایر مواد مشابه، به عنوان "غشاهای سنسور" نامیده می شوند، که به این ترتیب منافذ در غشا ساخته می شوند. "سنسور" شامل بمباران فیلم نازک پلیمری با ذرات انرژی بالا است. این امر موجب می شود که مواد شیمیایی به غشا تبدیل شوند و حای منافذ باشند. غشاء های ساخته شده از فلز مانند غشای آلومینا توسط الکتروشیمیایی یک لایه نازک از اکسید آلومینیوم از فلز آلومینیوم در یک محیط اسیدی ایجاد می شود.
فیلترهای فیزیکی با منافذی درحد نانومتر می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحدهای کوچک پروتئینی را به صورت کامل و صد درصد غربال کنند؛ همچنین با استفاده از جداکننده های الکتریکی که به وسیله صفحات ابرخازن یون ها را جذب می کنند ، می توان نمک و مواد سنگین را نیز از آب جدا کرد.
بررسی فعالیت های پژوهشی در سطح دنیا نشان می دهد که تصفیه آب یکی از مهم ترین زمینه های کاربرد فناوری نانو در صنعت آب است و با بهره گیری از آن ، هزینه های تصفیه آب به میزان قابل توجهی کاهش می یابد . استفاده از فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم های موجود و کاربرد نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع و کامل آلودگی آب از مهم ترین موارد کاربرد نانو فناوری در صنعت آب و فاضلاب است.
نانوفیلتراسیون:
نانوفیلتراسیون برای جداسازی مواد آلی طبیعی استفاده می‌شود و ابعاد بزرگ‌تر از 1 نانومتر را جدا می‌کند. ابعاد حفره‌های نانوفیلتر بین 1 تا 5 نانومتراست. نانوفیلتراسیون از نظر هزینه انرژی و دفع یون و ابعاد سوراخ در بین روش‌های دیگر شرایط بهینه‌ای را ایجاد کرده است. این فرآیند با اختلاف فشار بین 20 تا 40 بار صورت می‌گیرد. 
الترافیلتراسیون:
اولترا فیلتراسیون از انواع فیلتراسیون غشایی است که در آن نیروهایی مانند فشار یا گرادیان غلظت منجر به جدا شدن از طریق غشای نیمه رسانا می شوند. جامدات و حلال های معلق با وزن مولکولی بالا حفظ می شوند، در حالی که آب و مقادیر کم مولکولی از طریق غشاء عبور می کنند. این فرایند جداسازی در صنعت و تحقیقات برای تصفیه و تمرکز مواد محلول ماکرومولکول، به ویژه مواد پروتئینی مورد استفاده قرار می گیرد. اولترا فیلتراسیون اساسا از نوع میکرو فیلتر کردن می باشد. هر دو این دو روش به صورت جداگانه دارای اندازه ذرات متفاوتی هستند. این اساسا متفاوت از جداسازی گازی غشایی است که بر مبنای مقادیر مختلف جذب و نرخ های مختلف انتشار متفاوت است. غشاء فوق العاده تصفیه شده توسط محدودیت وزن مولکولی (MWCO) استفاده می شود.
میکروفیلتراسیون:
میکروفیلتراسیون معمولا به عنوان یک پیش تصفیه برای سایر فرآیندهای جداسازی و پس از تصفیه برای فیلتر کردن مواد دانه ای عمل می کند. اندازه ذرات معمولی مورد استفاده برای میکروفیلتراسیون از حدود 0.1 تا 10 میکرومتر است. با توجه به وزن تقریبی مولکولی، این غشاها می توانند ماکرومولکول های وزن مولکولی را به طور کلی کمتر از 100000 گرم بر مول تقسیم کنند. از این فیلترها در فرآیند میکروفیلتراسیون به ویژه برای جلوگیری از ذرات مانند رسوب، جلبک تک یاخته ها یا باکتری های بزرگ استفاده می کنند. بیشتر مواد میکروسکوپی، اتمی یا یونی مانند آب، گونه های یکنواخت مانند یون های سدیم یا کلرید ، مواد آلی محلول یا طبیعی و کلوئید های کوچک و ویروس ها نیز قادر به عبور از فیلتر می باشند .
مایع معلق با سرعت نسبتا بالا حدود 1-3 متر بر ثانیه و در فشارهای کم و متوسط (حدود 100-400 کیلو پاسکال) به صورت موازی یا مماسی به غشاء نیمه نفوذ پذیر در یک ورق یا لوله شکل عبور می شود. یک پمپ معمولا بر روی تجهیزات نصب شده است تا مایع بتواند از طریق فیلتر غشا عبور کند. همچنین دو پمپ وجود دارد، یا فشاری یا از نوع خلاء. فشار سنج به صورت منظم معمولا برای اندازه گیری افت فشار بین جریان خروجی و جریان ورودی متصل می شود.
 استفاده فراوان از غشاهای میکروفیلتراسیون در صنایع آب، نوشیدنی و زیست شناسی است. جریان فرایند خروج پس از فیلتر با استفاده از یک میکرو فیلتر دارای میزان بهبودی معمولا حدود 90 تا 98٪ است.
 حوزه‌های نو در فیلتراسیون
 فناوری نانو با کوچک‌تر کردن ابعاد، خواصی مانند خواص سطحی را به شدت تحت تأثیر می‌گذارد. این خصوصیات در برخی زمینه‌های کاربردی مانند فیلتراسیون به قدری مهم هستند که تأثیر بالایی در کیفیت و کمیت کار آنها می‌گذارند. 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 آئروژل‌ها با 97 درصد فضای خالی از مواد پیشرفته‌ای هستند که پیش‌بینی می‌شود از سودمندترین مواد در آینده باشند. با توجه به کاربردها لازم است. 
رس یک ماده نانوساختار شامل ذراتی با ابعاد نانومتری است که همه جا یافت می‌شود و در بسیاری از فرآیندهای ساخت از آنها استفاده می‌شود. 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 می‌کنند. این رس به راحتی جدا و بدون هیچ هزینه بالایی خالص می‌شود. روی این رس می‌توان 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 می‌توان فلوریدها و آرسنیک را از آب جدا کرد.
نانوکاتالیست
یک کاتالیست ماده‌ای است که به عنوان بستر و یا افزایش دهنده سرعت در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کند و خود وارد واکنش نمی‌شود. نانوکاتالیست‌ها شامل آنزیم‌ها، فلزات و مواد دیگر هستند که به خاطر افزایش خواص کاتالیستی‌شان در ابعاد نانومتری اهمیت دارند. کنترل ابعاد و ساختار نانومتری مواد می‌تواند 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 می‌شوند.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت