مروری بر تصفیه‌ی آب و فاضلاب به کمک نانومواد

  پیش‌بینی شده است که تا سال ۲۰۲۵ ، ۵۰% از جمعیت جهان در مناطقی زندگی کنند که تحت فشار کمبود شدید آب قرار دارد. تا سال ۲۰۱۵ تنها حدود ۲۰% از فاضلاب‌های جهان تصفیه می‌شد. در کشورهای در حال توسعه تقریبا ۷۰% از فاضلاب‌های صنعتی بدون کمک مناسب سازمان ملل به هدر خواهد رفت. براورده کردن نیازهای آبی روزافزون، چه در کشورهای صنعتی و چه درحال توسعه، بسیار سخت است و رشد زیرساخت‌ها و روش‌های جدید تصفیه‌ی آب، سرعت کمتری نسبت به رشد نیاز به آب دارد. به همین دلیل، روش‌های جدید تصفیه‌ی آب با کارایی بالا و هزینه‌ی کم در اولویت قرار دارد.

پیشرفت‌های اخیر در نانومواد منجر به تسهیل در استفاده از فناوری نانو در فرایند تصفیه‌ی آب شده است. تاکنون مطالعات مختلف نشان داده است که نانومواد قابلیت‌های فراوانی در تصفیه‌ی آب به ویژه در جذب فیزیکی، فرایند غشائی، اکسیداسیون کاتالیستی و عفونت‌زدایی دارد. متاسفانه بیشتر گزارش‌ها در مورد نانومواد تنها در آزمایشگاه‌ها انجام شده و یا فقط نشان می‌دهد که این روش به طور کلی خوب است. یکی از فناوری‌های نانو که در بازار در دسترس است استفاده از نانوذرات تک ظرفیتی با استفاده از تزریق است. این روش به طور گسترده در امریکا برای بهینه‌سازی آب‌های زیرزمینی به‌کار رفته است. از زمانی که قیمت نانومواد کاهش یافته، استفاده از آنها در تصفیه‌ی آب آسان‌تر شده است. اما در هر صورت هنوز ضعف‌های ذاتی زیادی در زمینه‌ی استفاده مستقیم از نانوذرات در تصفیه‌ی آب وجود دارد. اولا، نانوذرات در سیستم‌های سیال، تمایل دارند تا در یک منطقه تجمع کنند که این منجر به افت شدید فشار می‌شود. دوم اینکه جداکردن نانوذراتی که کارایی خود را از دست داده‌اند (بجز نانوذرات مغناطیسی)، از آب تصفیه شده بسیار دشوار است. این مسئله از منظر اقتصادی دلخواه نیست. سوم اینکه رفتار و سرنوشت نانومواد  مصرف شده در تصفیه‌ی آب و فاضلاب به‌خوبی درک نشده است و تاثیر نانومواد در محیط‌های آبی و سلامتی انسان، می‌تواند پیشرفت‌ها در این زمینه را به تعویق بیاندازد.

برای جلوگیری از اثرات مخرب نیاز به ساخت دستگاهی احساس می‌شود که بتواند زمانی‌که فعالیت‌ها زیاد است رهایی نانومواد را کم کند و یا نانومواد را جابه‌جا کند. نانوکامپوزیت‌ها گزینه‌ای مناسب در این مسیر به نظر می‌رسند. نانوکامپوزیت‌ها معمولا با ساخت نانوذرات دلخواه روی مواد پایه، مانند پلیمرها یا غشاءها ساخته می‌شوند. نانوکامپوزیت می‌تواند به‌صورت مواد چندفازی که یک بعد آن کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر است تعریف شود. بعضی از نانوکامپوزیت‌ها در تصفیه‌ی آب بسیار کارا بوده‌اند؛ قابل استفاده‌ی مجدد، مقرون به صرفه و قابل رقابت با زیرساخت‌های کنونی.

نانوذرات و نانوکامپوزیت‌ها، هر دو در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرند و عملکرد و مکانیزم گندزدایی توسط این نانومواد به طور ویژه مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در انتها نمود این نانومواد در تصفیه‌ی آب به اختصار توضیح داده خواهد شد.

۲ توضیح مختصری درباره‌ی فناوری نانو در بخش آب

ابتدا توضیحی مختصر در زمینه‌های مانند جذب فیزیکی، جداسازی، اکسیداسیون کاتالیستی، گندزدایی و آشکارسازی خواهیم داد.

۲-۱ جذب فیزیکی و جداسازی

جذب فیزیکی یا فرایند جداسازی بر پایه‌ی غشاء‌ها، دو فناوری سرآمد برای تصفیه‌ی آب و فاضلاب به‌شمار می‌آیند. جذب‌کننده‌های سنتی غالبا با مشکلاتی مانند گنجایش و انتخاب‌پذیری کم و همچنین کوتاه بودن چرخه‌ی جذب-باززایی همراه بوده‌اند که به همین علت، این جذب‌کننده‌ها مقرون به صرفه نبوده‌اند.

جذب‌کننده‌های بر پایه‌ی نانومواد، مثلا فلزها یا اکسیدهای فلزی نانومقیاس، نانولوله‌های کربنی، گرافن و نانوکامپوزیت‌ها معمولا دارای سطح ویژه‌ی بزرگ، واکنش‌پذیری بالا، سرعت واکنش سریع و میل ترکیبی خاص با آلاینده‌های گوناگون هستند. کارائی جذب این مواد به مراتب بالاتر از جذب‌کننده‌های سنتی است.

در کنار جذب، جداسازی غشائی، مرحله‌ای مهم در تصفیه‌ی آب محسوب می‌شود که امکان احیاء آب از منابع غیرمعمول مانند فاضلاب‌های شهری را فراهم می‌آورد. حذف آلودگی‌ها با جداسازهای غشائی عمدتا مبتنی بر اندازه است. در‌هر‌صورت، هنوز موانع زیادی برای پیشبرد فناوری غشاء‌ها وجود دارد، مثلا متضاد بودن ذاتی انتخاب‌پذیری و تراوایی، مصرف انرژی زیاد و پیچیدگی‌های اجرائی. برای رفع این موانع، غشاء‌های نانوکامپوزیتی پیشرفته با معرفی نانوذرات کاربردی به درون غشاء‌ها گسترش داده شده‌اند. این طبقه‌ی جدید غشاء‌ها ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی بهبودیافته‌ای از خود نشان می‌دهد که از این بین می‌توان به پایداری گرمایی یا مکانیکی بهینه شده و تخلخل و آب‌دوستی بهتر اشاره کرد. بعضی از این غشاء‌ها ویژگی‌های یگانه‌ای مانند تراویی بهینه شده یا  ویژگی‌های ضدرسوبی، ضدمیکروبی و قابلیت‌های فوتوکاتالیستی از خود نشان داده‌اند. جذبکنندگی و جداسازی در فناوری نانو بسیار به بازار نزدیک هستند. بحث‌های بیشتری پیرامون کاربرد نانومواد در جداسازی و جذب در مواجهه با آلودگی‌های گوناگون در ادامه خواهد آمد.

۲-۲ کاتالیز

اکسیداسیون کاتالیستی یا فوتوکاتالیستی، یک فرایند اکسیداسیون پیشرفته برای از بین بردن اثرات آلودگی‌ها و میکروب‌های بیماری‌زا از آب است.

نانوکاتالیست‌ها با نسبت سطح به حجم بالا در مقایسه با مواد بالک متناظر خود، کارایی کاتالیستی بسیار بهبود یافته‌تری از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، بند گپ و ساختار کریستالی نیمه‌هادی‌های نانومقیاس، موجب بروز رفتارهای مرتبط با اندازه می‌شود. همچنین با به حرکت درآوردن نانوذرات در زیرلایه‌های مختلف، پایداری نانوکاتالیست‌ها بهبود یافته و نانوکامپوزیت‌های حاصل با فوتوراکتورهای موجود قابل مقایسه است.

۲-۳ گندزدایی

گندزدایی، آخرین اما حیاتی‌ترین مرحله در تصفیه‌ی آب است. یک گندزدایی ایده‌ال باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد: (۱) طیف ضدمیکروبی گسترده در زمان کوتاه؛ (۲) تولید نکردن محصولات جانبی خطرناک؛ (۳) سمیت کم برای زیست‌بوم و سلامتی انسان‌ها؛ (۴) هزینه‌ی انرژی کم و عملیاتی شدن آسان؛ (۵) قابلیت نگهداری آسان و زنگ نزدن؛ و (۶) قابلیت دفع به صورت امن.

به‌تازگی، نانومواد  زیادی با ویژگی‌های ضدمیکروبی قوی تهیه شده است که شامل نانوذرات کیتوسان، نقره، TiO2های نانوکاتالیست و نانومواد بر پایه‌ی کربن می‌شوند. این نانومواد میکروارگانیزم‌ها را با رهاسازی یون‌های فلزی سمی، آسیب زدن به سلول‌های غشائی با تماس مستقیم و یا تولید گونه‌های اکسیژن واکنشی از بین می‌برند. برخلاف گندزدایی‌های سنتی این مواد جدید فرایند ناکار کردن میکروارگانیزم‌ها را با رهیافتی پایدارتر انجام می‌دهند، که با توجه به این مسئله انتظار می‌رود تولید مواد جانبی مضر بسیار کمتر شود. علاوه بر این، زمانی که با استراتژی‌های مناسب جداسازی تلفیق می‌شود بعضی از گندزداهای نانو می‌توانند به صورت پیوسته با بهره‌ی بالا و مصرف انرژی پائین بکار بروند که این مسئله برای تمرکززدائی از فرایند تصفیه‌ی آب بسیار با اهمیت است.

۲-۴ سنجش

امروزه روش‌های سنجش و نظارت سنتی، از آشکارسازی میکرو آلودگی‌های با غلضت بسیار کم در آب عاجزند. آشکارسازی “در محل” و سریع بیماری‌زاها و آلاینده‌های بسیار خطرناک در شرایط اضطراری بسیار با اهمیت است. نانوموادی مثل نانولوله‌های کربنی، گرافن، نقاط کوانتومی و فلزهای نجیب، خواص اپتیکی مغناطیسی و الکتروشیمیایی ویژه‌ای دارند. بعضی از نانومواد می‌توانند پاسخ‌های اسپکتروسکوپیک را به مراتب بهبود ببخشند (جابه‌جایی رامان یا تشدید سطح پلاسمون). همچنین، نسل بعدی آشکارسازهای نانوکامپوزیتی به علت پتانسیل بالایی که در نظارت محیطی و سنجشی دارند بطور گسترده بررسی شده است.

 

۳ نانومواد مورد استفاده در تصفیه‌ی آب

در این بخش، شماری از نانوموادی که می‌توانند در تصفیه‌ی آب و فاضلاب بکار روند معرفی شده است. سنتز این مواد، از بین بردن آلودگی‌ها و مکانیزم این فرایندها توضیح داده خواهد شد.

۳-۱ نانومواد  بر پایه‌ی کربن

اکسید گرافن (GO) یک گرافن تک لایه‌ با حالتی بسیار اکسید شونده است که شامل گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار زیادی مثل هیدروکسیل، کربوکسیل، کربونیل و گروه‌های اپوکسی است. اکسید گرافن کاهش‌یافته (RGO) نقص‌های بیشتر و رسانایی کمتری نسبت به گرافن دارد اما نسبتا اصلاح آنها با گروه‌های عاملی آسان‌تر است. به طور کلی مواد بر پایه‌ی گرافن جذب‌کننده‌های پرطرفدار برای جذب آلودگی‌های مختلف از آب به شمار می‌آیند.

GO و GO/RGOهای اصلاح شده به علت توانایی نابود کردن فلزهای سنگین مثل روی، سرب، کادمیوم، مس، جیوه و آرسنیک[۱] به طور گسترده مورد کاوش قرار گرفته‌اند. در کنار آنیون‌های فلزی، مواد بر پایه‌ی گرافن برای جذب آلودگی‌های آنیونی که نگرانی‌های جدی بوجود آورده‌اند بکار گرفته شدند. گرافن یک جذب‌کننده‌ی عالی برای فلوراید محسوب می‌شود. همچنین یک هیبرید گرافن-پلی‌پرول (Ppy) نانوساختار سه بعدی برای تصفیه‌ی پرکلرات (ClO4 −) پیشنهاد شده است، که گنجایش جذب بسیار بالاتری نسبت به فیلم‌های Ppy تکی از خود نشان داده‌است.  پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که اکسید گرافن گنجایش جذب اسید هومیک بسیار بیشتری نسبت به گرافیت و کربن فعال دارد. جذب برخی از آنتی بیوتیک‌ها (پادزیست‌ها)، تتراسایکلین، اکسایت تری سیکلین و داکسی سایکلین توسط GO نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

GO و کامپوزیت‌هایش همچنین پتانسیل زیادی برای از بین بردن رنگ از خود نشان داده‌اند. جذب برای رنگ‌های یونی اساسا وابسته به اندرکنش‌های الکترواستاتیک و پیوندهای کووالانسی است. GO قابلیت جذب بالایی برای رنگ‌های کاتیونی دارد اما جذب رنگ‌های آنیونی به علت دافعه‌ی قوی الکترواستاتیکی، ضعیف است. از سویی دیگر، گرافن و کامپوزیت‌های بر پایه‌ی گرافن به علت تبادلات یونی و ظرفیت پیوند کووالانسی، برای جذب رنگ‌های آنیونی خوب هستند.

در بسیاری از موارد، اصلاح سطح و هیبریداسیون دو راه تاثیرگذار برای بهبود قابلیت مصرف دوباره، جداسازی و کارایی مواد بر پایه‌ی گرافن به شمار می‌آید، که این مسئله آنها را تبدیل به یک گزینه‌ی جذاب برای جداسازی آب از آلودگی‌های گوناگون می‌سازد. در هر صورت، قیمت بالا یک عامل اساسی در این مسیر محسوب می‌شود. همچنین هنوز چالش‌هایی درمسیر اجرا وجود دارد مثل بازمصرفی بودن، ایمنی محیط زیستی و تطبیق پذیری با اجزای دیگر.

نانولوله‌های کربنی هم توانایی بالایی برای حذف بسیاری از ترکیبات ارگانیک شامل هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs)، ترکیبات فنلی، ترکیبات غشایی اندوکرین و آنتی‌بیوتیک‌ها دارند. نانولوله‌ها معمولا به صورت مخلوطی از جامدات معلق بکار می‌روند و جداسازی آنها از آب سخت است. پژوهشگران یک کامپوزیت جدید گرانولی CNTs/AL2O3 که ویژگی‌های خوب مکانیکی، آبدوستی، مقاومت گرمایی و جذب سطحی خوب برای دو دارو (دیکلوفناک سدیم و کاربامازپین) را دارد گسترش داده‌اند. داروهای جذب شده می‌توانند وارد فرایند باززایی شوند.

۳-۲ نانوذرات فلزی و اکسید فلزی

فلزات و اکسیدهای فلزی نانومقیاس عموما دارای آهن‌های نانومقیاس صفرظرفیتی، اکسیدهای فریک، اکسیدهای آلومینیوم، اکسیدهای مگنت، اکسیدهای تیتانیوم، اکسیدهای مگنزیوم و اکسیدهای سریم هستند. جذب‌کننده‌های مغناطیسی نانومقیاس در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. شماری از مطالعات نشان می‌دهد که فلزها و اکسیدهای فلزی نانومقیاس، دارای جذب سطحی بسیار خوبی از نظر ظرفیت و انتخاب‌پذیری نسبت به آلودگی‌های فلزی مانند آرسنیک، کادمیوم، کروم، اورانیوم و سایر آلودگی‌های معمول مانند فسفات هستند.

۳-۲-۱ آهن صفرظرفیتی نانومقیاس

آهن صفرظرفیتی نانومقیاس (nZVI) دارای واکنش‌پذیری بالا نسبت به طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها است و به صورت گسترده به عنوان نابودکننده‌ی آلودگی‌ها استفاده می‌شود. لایه‌ی آهن (اکسی)هیدروکسید که با Fe0 محاصره شده جذب‌کننده‌‌ی قدرتمندی است.

برخی از آلاینده‌ها مانند As(III/V)، U(VI)، Se(VI) پس از جابه‌جایی به سطح nZVI می‌توانند به حالت‌های اکسیداسیون پایین‌تر کاهش یابند. nZVI همچنین می‌تواند آلودگی‌های دیگر مثل نیترات، رنگ، آلاینده‌های سمی محیط زیستی و آنتی‌بیوتیک‌ها را به وسیله‌ی جذب، اکسیداسیون، کاهش و هم-رسوبی از بین ببرد. در مجموع ثابت شده که nZVI  بسیار واکنشی، مقرون به صرفه، ماده‌ی دوستدار محیط زیست است و راه‌های نابودی چند منظوره برای تصفیه‌ی فاضلاب در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد.

۳-۲-۲ اکسیدهای آهن نانومقیاس

علاقه‌ی روزافزون برای استفاده از اکسیدهای آهن نانومقیاس برای تصفیه‌ی فاضلاب، ناشی از توانایی زیاد آنها در جذب، سادگی اجرا و فراوانی آنها است. بررسی جذب یون‌های فلزی (Pb (II)، Cd (II)، Cu (II)، Zn (II)) حاکی از قابلیت جذب ۱۰۰٪ Pb، ۹۴٪ Cd، ۸۹٪ Cu و ۱۰۰٪ Zn روی هماتیت نانوساختار با غلظت ۰٫۵ گرم در لیتر است.

جداسازی و بازیابی نانومواد بعد از پایان عملیات همواره به عنوان مشکلی تکنیکی وجود داشته که نیاز به برطرف کردن این مشکل احساس می‌شود. استفاده از میدان مغناطیسی خارجی برای هدایت  جذب‌کننده‌های اکسید آهن نانومقیاس مغناطیسی، راه حل‌های عملی و مناسب در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد. گزارش‌های فراوانی درباره‌ی استفاده از مگنت‌ها و مگمایت‌های نانومقیاس برای جذب آرسنیک، کروم، سلنیوم، مس، سرب و نیکل از محلول‌ها و سیستم‌های آب طبیعی گزارش شده است.

مگنت نانومقیاس هم یک جذب‌کننده‌ی مغناطیسی مهم با قیمت پایین، تغییرات ساده و دوستدار محیط زیست است. مگنت نانومقیاس برای از بین بردن آلاینده‌های فراوانی مثل فلزهای سنگین Cr(VI)، Cu(II)، Zn(II) و As(III/V)، Se(IV)، متیل بلو و دی کلروپنول از محلول‌های آبی مناسب است.

مگنت‌ها و مگمایت‌های نانومقیاس با استفاده از روش سل-ژل می‌توانند در مقیاس زیاد ساخته شوند. فرایند جذب آلاینده‌ها عمدتا توسط جذب خارجی صورت می‌گیرد که منجر به زمان جذب کوتاه می‌شود. علاوه بر این، جداسازی جذب‌کننده‌های مغناطیسی از آب تصفیه شده به وسیله‌ی مگنت‌ها به سادگی انجام می‌گیرد.

۳-۲-۳ اکسیدهای تیتانیوم نانومقیاس

خواص فوتوکاتالیستی TiO2 به عنوان یک نیمه‌هادی سنتی، بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. فوتوکاتالیست TiO2 شامل ترکیباتی به شدت واکنشی مانند رادیکال‌های هیدروکسیل (OH)، آنیون‌های سوپراکسید (  و پروکسید (  است که می‌توانند ترکیبات ارگانیک را در حضور UV، نور مرئی یا نور خورشید تجزیه کنند. TiO2های نانومقیاس همچنین به طور گسترده‌ای در حذف آلودگی‌های میکروبی مانند ترکیبات غشایی اندوکرین، سیانوتوکسین‌ها و آنتی بیوتیک‌ها استفاده می‌شود. علاوه بر این، فوتوکاتالیست‌هایی که از TiO2های نانومقیاس در آنها استفاده شده و زیر نور مصنوعی و طبیعی بکار گرفته می‌شوند، به‌طور گسترده برای تجزیه کردن آلاینده‌های ارگانیک گوناگون مثل آفت‌کش‌ها، رنگ‌ها، پلیمرها، آلاینده‌های فنولیک در فاضلاب، آلاینده‌های ارگانیک ماندگار و همینطور تصفیه‌ی آب‌های عادی بکار گرفته می‌شوند.

۳-۲-۴ اکسیدهای فلزی دیگر

در کنار مطالعات فراوان و استفاده‌ی گسترده از nZVI و جذب‌کننده‌های اکسید آهن نانومقیاس، بعضی از اکسیدهای فلزی دیگر دارای سطح ویژۀ بالا، ساختار میکرومتخلخل و کشش کافی برای دیگر آلاینده‌ها هستند. اکسیدهای فلزی نانومقیاس که به‌طور گسترده استفاده می‌شوند شامل اکسید آلومینیوم، اکسید زینک، اکسید منگنز و اکسید سریم هستند.

آلومینا یک جاذب کلاسیک است و شکل گاما آلومینا قدرت جذب بیشتری نسبت به آلفا آلومینا دارد. گاما آلومینای نانومقیاس به علت سطح ویژه‌ی بالا، ظرفیت جذب بالا یک جذب‌کننده‌ی امیدوار کننده به‌شمار می‌آید. نابودکنندگی بیشینه ۹۶٫۶% در ۲۵ میلی‌گرم بر لیتر  نشان می‌دهد است که آلومنیای نانومقیاس یک جذب‌کننده‌ی موثر برای TI(III) از محلول‌های آبی به‌حساب می‌آید که در PH برابر با ۴٫۵ توانایی جذب ۱۰۰% دارد.

گاهی‌اوقات آلومنیا‌های نانومقیاس کشش ضعیفی به بعضی فلزهای سنگین نشان می‌دهند. برای غلبه بر این مشکل، اصلاحات شیمیایی و فیزیکی بر سطح نانوذرات گاماآلومینا توسط گروه‌های عاملی دارای اتم‌های دهنده مثل اکسیژن، نیتروژن، سولفور و فسفات باید انجام گیرد.

اکسیدهای منگنز نانومقیاس (NMnOs) عملکرد جذب بهتری برای بعضی آلاینده‌های ویژه از خود نشان می‌دهند زیرا سطح ویژه‌ی گسترده‌تر و ساختار آمورف آنها مناسب‌تر است. در دهه‌های گذشته، NMnOs برای جذب آلاینده‌های کاتیونی و آنیونی مورد بررسی قرار گرفته است که این موارد شامل یونهای فلزی سنگین، نمک آرسنیک و فسفات می‌شود. این ماده مقرون به صرفه بوده و در طبیعت در دسترس است. محققان متوجه شدند که اکسید منگاس آبدار (HMO)  برای از بین بردن Hg(II) موثر است و با افزایش غلظت، PH و دمای محلول جاذب، میزان جذب Hg(II) افزایش می‌یابد.

 به عنوان یک ماده‌ی دوستدار محیط زیست، ZnO یک کاندیدای امیدوارکننده برای کاتالیست‌ها، سنسورهای گازی و سلول‌های خورشیدی است. ZnO عمدتا برای جذب H2S بکار می‌رود. به‌تازگی، مشخص شده است که ZnOهای نانومقیاس قادر به نابود کردن آلاینده‌های گوناگون با انتخاب‌پذیری و کارایی بالا هستند. این ماده با قدرت جذب بالا و گزینش‌گری در مقابل آلاینده‌های کاتیونی مثل فلزات سمی گوناگون، ظرفیت جذب غیراشباع بیش از ۱۶۰۰ میلی‌گرم بر گرم برای Cu(II) از خود نشان داده است. چنین جذب ساختاری بهبودیافته‌ای، نتیجه‌ی شمار زیادی از مکان‌های قطبی روی دیوارهای متخلخل درون نانوپلیت‌ها است. هیدرید Cu (II) جذب شده می‌تواند تا حدی هیدرولیز شود، که این امر منجر به تشکیل Cu\O\Cu در دیواره‌های تخلخل‌ها شده و در نتیجه ظرفیت جذب  را افزایش می‌دهد. ZnOهای نانومقیاس می‌توانند با موفقیت آلاینده‌های دیگر را نابود کند. بیشینه‌ی ظرفیت ZnOها در دمای ۳۰۳ کلوین برای Cd(II) و Hg(II) به ترتیب ۳۷۸ و ۷۱۴ میلی‌گرم بر گرم است. گروه‌های هیدروکسیل سطحی ZnOهای نانومقیاس در جذب فلزهای سنگین گوناگون نقش اساسی بازی می‌کنند. نانوذرات MnOx و ZnO هم می‌توانند به عنوان کاتالیست برای فرایند پیشرفته‌ی اکسیداسیون مورد استفاده قرار بگیرند. نانوسیم‌های β-MnO2 برای کاتالیست ازوناسیون با استفاده از فرایند هیدروترمال ساده بکار می‌روند. یک مطالعه‌ی دیگر نشان داد که نانوذرات طبیعی حساس به رنگ ZnO می‌توانند از نور خورشید برای تخریب باکتری‌ها و محتویات ارگانیک آنها استفاده کنند. علاوه بر این، بعضی مطالعات نشان داده‌اند که با دوپ کردن N، Cu، Zr یا Ce به اکسیدهای فلزی نانومقیاس، فعالیت‌های فوتوکاتالیستی و پایداری نانوذرات اکسید فلزی مشابه می‌تواند بسیار بهبود پیدا کند.

۳-۳ نانوذرات فلزی نجیب

فلزهای نجیب ازجمله طلا، نقره، پلاتینوم و پالادیوم، به علت اندازه‌ی اتم کوچک آنها معمولا انرژی یونیزاسیون زیاد و پتانسیل اکسیداسیون کوچک دارند. روش سنتز نانوذرات فلزات نجیب معمولا از راه کاهش نمک‌های فلزی متناظر و هسته‌زایی کنترل شده‌‌ی نانوکریستال و رشد با عامل پایدار کننده است. در بیشتر مواقع، پلیمرها و سورفکتانت‌ها برای بهبود پایداری نانوذرات فلزی نجیب بکار برده می‌شوند.

نانوذرات طلا و نقره به علت ویژگی‌های اپتیکی ویژه، برای شناسائی ردپای آلاینده‌های ارگانیک مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در کنار نظارت بر آلودگی، نانوذرات فلزی نجیب همچنین می‌توانند برای جذب آلاینده‌ها و غیرفعال کردن باکتری‌ها بکار برده شوند. نانوذرات طلا به خوبی می‌تواند Hg را با تشکیل AuHg، Au3Hg و AuHg3 جذب کند و ظرفیت جذب آن ۴٫۰۶۵ g/g Au است. فعالیت‌های ضد میکروبی نانوذرات نقره برای ضدعفونی کردن آب بکار گرفته شده است، میکرو ارگانیزم‌های موجود در آب مانند E.coli ممکن است در برخورد با نانوذرات نقره غیر فعال شوند. پیشنهاد شده است که نانوذرات نقره توانایی آسیب رساندن به غشاء‌های سلولی را در صورت تماس مستقیم دارند، و فعالیت‌های ضدمیکروبی آنها وابسته به اندازه‌ی ذرات و شکل کریستالی است. چگالی اتمی بیشتر، باعث فعالیت‌های ضد میکروبی بیشتر می‌شود. نانوذرات نقره هم‌اکنون برای ضدعفونی کردن ماسک‌های جراحی، فیبرهای پارچه و حتی ماسک‌های تنفسی بکار برده می‌شوند.

نانوذرات نجیب فلزی برای تخریب فوتوکاتالیستی ویروس‌های موجود در آب مانند آفت‌کش‌ها، رنگ و ارگانیک‌های هالوژنی نیز بکار می‌روند.

 

۴ نانوکامپوزیت‌ها در تصفیه‌ی آب

بیشتر نانوموادی که در بالا به آنها اشاره شد به‌صورت نانوذرات  استفاده شده‌اند. زمانی که به فعالیت‌های بزرگ مقیاس در تصفیه‌ی آب می‌پردازیم باید بعضی از مشکلات ذاتی مثل جمع‌شدگی، سختی جداسازی، نشت به آب‌های تماسی و اثرات مخربی که به انسان و طبیعت وارد می‌شود، مورد بررسی قرار بگیرد. یک رهیافت امیدوارکننده در استفاده از فناوری‌نانو، گسترش مواد نانوکامپوزیتی است که از ویژگی‌های میزبان و هم نانوذرات موجود استفاده ببرد. به‌علاوه، نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند رها کردن نانوذرات به طبیعت را آسان‌تر کنند و سازگاری فناوری‌نانو با زیرساخت‌ها کنونی را بهبود ببخشند. انتخاب پایه برای نانوکامپوزیت‌ها بسیار حیاتی است و عامل اصلی در موفقیت نانوکامپوزیت نهایی است. در قیاس با نانومواد  آزاد، عملکرد و قابلیت استفاده‌ی نانوکامپوزیت‌ها در مواردی مانند پخش نانوذرات، پایداری و بازیافت بسیار بهبود پیدا کرد. بنابراین مواد نانوکامپوزیت می‌توانند فاصله‌ی بین مقیاس نانو و مقیاس مزو را کاهش دهند. تاکنون، نانوکامپوزیت‌ها بهترین راه‌ ممکن برای انتقال فناوری‌های تصفیه‌ی آب از آزمایشگاه به صنعت به‌شمار می‌روند. در جدول شماره‌ی ۱ برتری‌ها و کاربردهای ممکن نانوکامپوزیت‌های مختلف بررسی می‌شود.

۴-۱ نانوکامپوزیت‌هایی با محافظت‌کننده‌های ارگانیک

پلیمرها یک پایۀ ویژه برای نانومواد به‌شمار می‌روند زیرا آنها معمولا دارای تخلخل‌های قابل تنظیم، خواص مکانیکی عالی و گروه‌های عاملی  هستند. نانوکامپوزیت‌های برپایه‌ی پلیمر (PNCs) به علت فعالیت‌های صوتی در آب و تصفیه‌ی آب، مواد آینده‌داری به‌شمار می‌آیند. PNCs معمولا برتری‌های ذاتی نانوذرات و پایه‌های پلیمری را دارد.  ترکیب‌کردن مستقیم و سنتز درون-آزمایشگاهی، دو استراتژی اساسی برای تولید PNCهای مختلف است. خصوصا در ترکیب کردن مستقیم، نانوذرات مستقیما به پلیمرها پیوند زده می‌شوند. یا پیش‌ماده‌های نانوذرات ابتدا درون تخلخل‌های پلیمر اشباع می‌شوند و سپس با فرایندهای رسوب‌زایی و هسته‌زایی درمحل به‌وسیله‌ی آغازگرهای خاص، سنتز می‌شوند. یک روش دیگر سنتز درمحل، اضافه کردن نانوذرات در طول قطبی کردن مونومرها است (شکل ۲).

آلژینات، ماکرومولکول، رزین‌های متخلخل و یون‌های مبدل، بعضی از میزبان‌های پلیمری هستند، که  تبادل کننده‌های یونی پلی‌استایرن، یکی از پایه‌های معمول به شمار می روند. این پایه دارای ساختار سه‌بعدی متخلخل است و سطحش متمایل به اصلاح با گروه‌های عاملی است.

نانوکامپوزیت‌هایی که به آنها اشاره شد پتانسیل فراوانی در نابودی آلاینده‌ها دارند. نانوذرات اشباع شده از قبیل HFO، ZrP، ZrO2، PEI و La(OH)n اغلب باعث اتصال خاص به آلاینده‌های هدف   از جمله فلزات سنگین  Cu)، Pb، Cr (III)، (Ni As، F و P می‌شوند. این آلاینده‌ها معمولا از راه مکانیزم‌های چندگانه مثل کمپلکسیون سطحی، جذب الکترواستاتیک و هم-رسوبی نابود می‌شوند. همچنین، جذب‌کننده‌ی باردار می‌تواند پیش-متمرکزشدن و نفوذ آلاینده‌های خاص را درون تخلخل‌های نانوکامپوزیت تسهیل کند. پیشنهاد شده است که پلیمرهای عرضی طی مکانیزمی به نام اثر سپری می‌توانند از نانوذرات احاطه شده محافظت کنند. به علت سایز بزرگ PNCها، آنها را می‌توان به راحتی از آب‌های تصفیه شده جدا کرد یا در ستون‌هایی بدون افت فشار ذخیره کرد. در هر صورت، تا الان تنها تعدادی مطالعه در دسترس است تا عملی بودن استفاده از نانوکامپوزیت‌ها در آب توسط آنها فهمیده شود. محصولات تجاری مانند ArsenXnp و HFO-201 به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. اخیرا استفاده از نانوکامپوزیت‌های HFO-201 برای نابودی فسفات فراگیر شده است. عملکرد HFO-201 پایدار بوده است و توانسته ۱۵۰۰BV  فاضلاب واقعی حاوی فسفر را تصفیه کند.

گونه‌های دیگر میزبان‌های پلیمری عمدتا بیوپلیمرهایی مانند کیتوزان و سلولز هستند. سلولز در طبیعت بسیار یافت می‌شود. بیوپلیمرها به علت زیست‌تخریب‌پذیر بودن، می‌توانند مشکلات مهمی در طولانی مدت بوجود بیاورند. در هر صورت، سلولزها، پایداری شیمیایی و مکانیکی خوبی دارند زیرا پیوندهای مولکول‌های هیدروژن آنها چگال هستند و به خوبی همتراز شده‌اند. آنها مشخصه‌هایی مثل آب‌دوستی و کایرالیتی از خود نشان می‌دهند. NCهای برپایه‌ی سلولز قابلیت تبادل یونی یا جذب خوبی دارند. آنها معمولا به حملات میکروبیولوژیکی مقاومند و پایداری گرمایی صوتی از خود نشان می‌دهند. بعضی رهیافت‌ها برای تولید NCهای برپایه‌‌ی سلولز توسعه داده شده است. یک روش کاملا مشابه با نانوکامپوزیت‌های پلیمری است. نانوکامپوزیت‌های سلولزی نانوذره‌/باکتریایی طلا با استفاده از سیترات کاهش دهنده محلول Au3+ در حضور هیدروژل BC در ۳۰۳ کلوین سنتز شدند. محققان متوجه شدند که جذب نه تنها روی صفحه‌ی نانوکامپوزیت AuNP/BC بلکه درون پایه نانوکامپوزیت هم اتفاق می‌افتد. به‌علاوه، درهم‌آمیختگی می‌تواند پاسخ‌های طیف‌سنجی بهبود یافته‌ی رامان سطح (SERS)، را تا ۴ برابر تشدید کند.

کیتوسان، دومین پلی‌ساکارید فراوان بعد از سلولز است. کیتوسان دارای مشخصه‌های ویژه‌ای مثل واکنش‌پذیری بالا، رفتار چنگاله (کی‌لیت) سازی عالی و پایداری شیمیایی است. گروه‌های آمینو و هیدروکسیل کیتوسان به عنوان مکان‌های فعال برای آلاینده‌های آب عمل می‌کنند. به‌صورت‌کلی، کیتوسان‌های عرضی حتی در PHهای کم، غیرمحلول هستند بنابراین در دامنه‌ی وسیعی از PHها عمل می‌کنند. جذب بهبودیافته‌ی آلاینده‌ها توسط NCهای برپایه‌ی کیتوسان به‌خوبی مطالعه شده است. کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن/اکسید (CSGO) با سه مقدار متفاوت GO (5 wt%, 10 wt%، ۱۵ wt%) سنتز شده‌اند و شرایط بهینه برای جذب Au(III) و Pd(II) در PH 3-4 بررسی شده است. کیتوسان با %wt 5 کامپوزیت گرافن اکساید (CSGO5) دارای بیشترین ظرفیت جذب ۱۰۷۷mg/g برای Au(III) و ۲۱۷mg/g برای Pd(II) است. کلوئیدهای پایدار CS-AgNPs با پراکنده کردن سل‌های AgNP در محلول کیتوسان تهیه شد و در ادامه برای ساخت فیلمی با پایداری بالا و مقاومت مکانیکی خوب مورد استفاده قرار گرفت. اینچنین جداسازی بهینه و استخراج Al(III), Cd(II), Cu(II), Co(II), Fe(III), Ni(II), Pb(II) و Zn(II) صورت گرفت. تقریبا ۹۵% نابودی برای بیشتر عناصر مطالعه شده و ۱۶% نابودی برای Mn(II) بدست آمد. دانه‌های کامپوزیتی CNT-کیتوسان کروی با روش فریز-کستینگ سنتز شد. با چکاندن محلول مرکب در محلول نیتروژن، کامپوزیت‌های دانه‌ای بسیار متخلخل حاصل می‌شود که دارای کانال‌های جهت‌دار شده در دیواره‌های کانال هیبرید کیتوسان-نانولوله هستند. دانه‌های کامپوزیت ساختار متخلخل مرتبه‌ای و مزوپور از خود نشان می‌دهند و جاذب خوب (۴۳٫۶mg/g) بیلی‌روبین (در طول ۲ ساعت) قلمداد می‌شوند. نانوکامپوزیت‌های کیتوسان پوشش داده شده با مس (CuCH) برای نابودی مالاتیون یا آفت‌کش‌های ارگانوفسفات از آب‌های کشاورزی استفاده شده است. بیشترین ظرفیت در PH نزدیک به ۲ به ۳۲۲٫۶±۳٫۵ mg/g رسید. همچنین نانوکامپوزیت‌های نقطه‌کوانتومی/کیتوسان ZnS برای اجرای فعالیت‌های فوتوکاتالیستی سطح بالا سنتز شده است. این مواد بر اساس روش شیمیایی کلوئیدی در دمای اتاق سنتز شد. در معرض نور UV، رنگ‌های متلین آبی و متلین نارنجی به‌خوبی در ۱۲۰ دقیقه اکسیداسیون تخریب می‌شوند.

۴-۲ نانوکامپوزیت‌هایی با پایه‌های غیرارگانیک

پایه‌های غیرارگانیک نانوکامپوزیت‌ها عمدتا شامل کربن‌های فعال، CNTها و معدنی‌هایی طبیعی مثل زئولیت، بیوچار و رس هستند. کربن‌های فعال (AC) جاذب‌های سنتی‌ای هستند که به صورت گسترده در تسهیل تصفیه‌‌ی فاضلاب‌ها بکار برده می‌شوند. AC یک جاذب بسیار متخلخل است که به اندازه‌‌ی کافی میکروتخلخل و سطح آب‌گریز دارد و می‌تواند یک پایه‌ی عالی برای نانوذرات باشد. نانوذرات آهن (III) اکسید-هیدروکسید روی گرانول‌های AC توسط هیدرولیز اجباری FeCl3 ثابت می‌شوند و اندازه‌ی نانوذرات آهن با اضافه کردن فسفات بسیار کاهش میابد. نانوکامپوزیت‌های AC-آهن باعث افزایش ۴۰ درصدی ظرفیت جذب As(V) در نمونه‌های اولیه شدند. نانو-ZnOها بر کربن‌های فعال گرانولی اضافه شد تا توانایی نابودی Pb(II) را بهبود ببخشد. گروه‌های هیدروکسیلی تشکیل شده بر روی اکسیدها، گروه‌های عاملی سطحی مسئول جذب Pb(II) به‌حساب می‌آیند. نانوکامپوزیت‌های AC که با مگنتیت احاطه شده‌اند عملکرد فوق‌العاده‌ای در حذف آلاینده‌های آروماتیک از خود نشان دادند. جاذب‌های اشباع شده با استفاده از اتانول به عنوان عامل شستشو می‌توانند بازیافت شوند. به‌علاوه، توسط لایه‌نشانی کاهشی با استفاده از NaBH4، نانوذرات دوفلزی Fe/Pb که از AC اشباع شده است توسعه داده شد. ۹۰ درصد از ۲-کلروبوفنیل توسط نانوکامپوزیت AC سنتز شده در ۴۸ ساعت کاهش یافت و محصولات کاهنده کلرورفینیل باقیمانده به طور همزمان جذب شدند. نانوکامپوزیت‌های نانولوله‌ی کربنی (CNT-NCs) به موادی اشاره دارد که شامل دو یا تعداد بیشتری عنصر هستند که برای تشکیل کامپوزیتی که در آن نانولوله‌های کربنی به عنوان میزبان هستند از آنها استفاده می‌شود.

مواد هیبریدی ۱٬۸-دی‌آمینونفتالن-MWCNT- COOHمی‌تواند به عنوان جاذب‌های تاثیرگذار برای جداسازی Cd(II) و Pd(II) باشد. مکان‌های محدود قابل استخراج روی پلیمر/MWCNTs-COOH نشان‌دهنده‌‌ی تمایل زیاد به فلزهای سنگین است. ظرفیت بیشینه برای Cd(II) و Pd(II) حدود ۱۰۱٫۲ و ۱۷۵٫۲ mg/g بود و محدوده‌ی شناسایی این روش برای دو فلز سنگین به ترتیب ۰٫۰۹ و ۰٫۷ng/ml بوده است. جذب ۴,۴′-DCB با استفاده از نانولوله‌های کربنی چند دیواره‌ی پیوند زده شده با متیل متاکریلیت (MMA) مورد آزمایش قرار گرفت. از نانوکامپوزیت M-MWCNT–Fe3C برای نابودی “قرمز ۲۳” از محلول آبی با ظرفیت بیشینه‌ی ۸۵٫۵ mg/g استفاده شد.

زئولیت عموما از تتراهدرون سیلیکون-اکسیژن و تتراهدرون آلومینیوم-اکسیژن تشکیل می‌شود. زئولیت به علت مقرون به صرفه بودن و ساختار داخلی منحصر به فرد، به‌طور گسترده به عنوان جاذب، ماده‌ی تبادل کننده‌ی یونی و کاتالیست مورد استفاده قرار می‌گیرد که در نتیجه مکان‌های پیوندی زیادی را بوجود می‌آورد. رفتار جذبی Cu(II),Pb(II) و Co(II) روی نانوکامپوزیت‌های اتیلن وینل استات-کلینوپتیلوتیت مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که نانوکامپوزیت‌هایی که از ذرات فعال شده‌ی-HCL پر می‌شوند از خود ظرفیت بالایی در برابر این سه فلز نشان می‌دهند. نانوکامپوزیت‌های ZnO/HZSM-5 برای جذب ۴-نیتروفنول (۴-NPh) تهیه شدند. محققان متوجه شدند که در PH=5 در مدت ۹۰ دقیقه ۹۱% از ۴-نیتروفنول نابود می‌شود. برای تصفیه‌ی رنگ‌های صنعتی پیشرفته، نانوکامپوزیت‌های TiO2-زئولیت سنتز شده است. نتایج نشان می‌دهد که نانوکامپوزیت از تخریب فوتوکاتالیستی جذب-جهت‌دار که برای نابودی ترکیبات رنگی مفید است استفاده می‌کند.

بیوچار یک ماده‌ی پرکربن است که از راه پیرولیز زیست توده (Biomass) در محیط ناهوازی تولید می‌شود. بسیار دسترس‌پذیر و مقرون به صرفه است. گسترش نانوکامپوزیت‌های برپایه‌ی بیوچار می‌تواند در کنترل آلودگی آب، فاضلاب‌ها و جداسازی کربن بکار برده شود. نانوکامپوزیت‌های بیوچار از دو راه متفاوت بدست می‌آیند، پیش-غنی کردن زیست‌توده‌ها با استفاده از پیش‌ماده‌های نانوذرات یا اشباع مستقیم نانوذرات بعد از پیرولیز. نانوکامپوزیت‌های γ-Fe2O3/ بیوچار می‌توانند به‌طور مستقیم با پیرولیز گرمایی FeCl3 سنتز شوند که جاذب خوبی برای As(V) هستند. کامپوزیت‌های بیوچار پوشش داده شده با نانولوله‌های کربنی با مساحت سطحی ویژه‌ی ۳۵۹ m2/g سنتز شده و این ماده برای جذب آلودگی‌های رنگی بسیار خوب عمل می‌کند. نانوکامپوزیت‌های بیوچار/MgO فسفات را به خوبی ۸۳۵ mg/g جذب میکنند. جذب معمولا توسط مکانیزم‌های مختلفی مثل تبادل یونی، تبادل پای-کاتیون، کمپلکس سطحی و هم-رسوبی رخ می‌دهد. به علاوه، نانوکامپوزیت بیوچار گرافیتی جدید C3N4 برای نابودی رنگ‌ها از راه جذب و تخریب کاتالیستی همزمان بکار برده شد. بیشتر نانوکامپوزیت‌های برپایه‌ی معدنی‌ها به صورت پودری هستند و برای تصفیه‌های در-محل بکار می‌رود. در حال حاضر توجه ویژه‌ای به نانوکامپوزیت‌ها مغناطیسی (به علت راحتی جداسازی و جمع‌آوری آنها) شده است.

نانوکامپوزیت‌های پلیمری برپایه‌ی رس (CPNs) مخلوطی از پلیمر و معدنی‌های رس غیرارگانیک هستند که از ویژگی‌های ارگانیک و غیرارگانیک بهره‌مند هستند. CNPها پایداری مکانیکی و شیمیایی، مقاومت گرمایی، منطقه‌ی سطحی بالا و نفوذپذیری گازی کاهش‌یافته بسیار بهبودیافته‌تری از خود نشان دادند. CPNهای مختلف برای حذف آلاینده‌های معدنی غیر آلی و آلی مانند (Co(II)، Zn(II)، Se(IV) و آترازین به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. CPN پلی کربنات سدیم / پلی اتیلن / مونتموریلونیت مشاهده شد که در برابر E. coli فعالیت ضد میکروبی قوی نشان می‌دهند. CPNهای سپیولیت-PDAMAC (polydiallydiamethylammonium) برای پیش‌-تصفیه‌ی فاضلاب بکار برده شدند. به طور کلی، CPNها مواد پایدار آینده‌داری برای نابودی آلاینده‌ها به‌شمار می‌آیند.

۴-۳ غشاء‌های نانوکامپوزیت

غشاء‌های نانوکامپوزیت به سه دسته تقسیم می‌شوند: ۱) غشاء‌های نانوکامپوزیتی سنتی، ۲) نانوکامپوزیت‌های لایه‌ی نازک و ۳) غشاء‌هایی با سطح پوشش داده شده. غشاء‌های نوع اول عموما با روش فاز معکوس سنتز می‌شوند به‌صورتی که نانوذرات درون تخلخل‌ها و زیرلایه‌ی غشاءها وارد می‌شوند. برای نانوکامپوزیت‌های لایه‌ی نازک یک لایه‌ی بسیار نازک بر روی زیر لایه به عنوان لایه‌ی مانع کشیده شد که عموما در غشاءهای RO/NF بکار می‌رود. نانومواد در طول تغییرات فازی و فرایند پلیمراسیون بین‌وجهی به‌درون لایه‌های نازک وارد می‌شوند. سومین گونه؛ نانومواد با فرایندهایی مثل خودسامانی، لایه‌نشانی ، جذب یا پیوندزنی شیمیایی بر روی سطح غشاء‌ها لایه نشانی می‌شوند.

غشاء‌های نانوکامپوزیت که با نانوذرات کاری مثل نانو-TiO2 پوشش داده می‌شوند ویژگی‌های هایپر-کاتالیستی یا فوتو-واکنشی از خود نشان می‌دهند. در معرض تابش UV، TiO2های احاطه شده با غشاءهای PES از خود توانایی‌های ضدرسوبی نشان می‌دهند. گزارش جدیدی از غشای نانو کامپوزیت Anatase/Tetanate که می‌تواند به طور همزمان (Cr(VI و ۴-کلروفنل را از راه جذب و اکسیداسیون فوتوکاتالیستی حذف کند داده شده است. فوتوکاتالیست‌های خود-تمیزشونده توسط غشاء‌های نانو-ZnO/PVDF و نانوکامپوزیت‌های لایه‌ی نازک TiO2 بدست آمده است که شار آب در غشاءها را تسهیل می‌کند. ساکن‌سازی نانوذرات آلومینا در طول وارونگی فازی PVDF برای تهیه‌ی غشاء‌های مخلوط پایهی صورت گرفت. این فرایند آب‌دوستی، نفوذ آب، مقاومت به رسوب، بازیابی شار و پایداری مکانیکی را بهبود می‌بخشد در حالیکه چگالی و اندازه‌ی حفره‌ها ثابت می‌ماند. چنین غشاء‌هایی قدرت مکانیکی پلیمرهای غشاء‌های سلولی و واکنش‌پذیری بالای آنها را ترکیب می‌کند. نفوذ بهبود یافته‌ی آب در غشاء‌های احاطه شده با نانوذرات ZrO2 نیز مشاهده شد. اشباع نانوذرات نقره (AgNp) درون غشاء باعث آنتی‌باکتریال شدن آن می‌شود. به‌جای وارد کردن Ag به فاز ارگانیک در حین فرایند پلیمیراسیون، پژوهشگران AgNp را روی سطح لایه‌ی نازک غشاء نشاندند که منجر به جلوگیری از انحلال AgNp و Ag+ در محیط شد. نانوکامپوزیت‌های لایه‌ی نازک ساخته شده، نمایش آنتی‌بیوتیکی خوبی همراه با شار آبی بهبودیافته نشان دادند.

غشاء‌های احاطه شده با نانولوله‌ها نیز شامل حفره‌های سرامیک به همراه نانولوله‌های پر شده در آن است. غشاء نانولوله-سرامیک بهینه شده، روغن را به صورت ۱۰۰% پس‌می‌زند و شاری برابر با ۳۶ L/h m2/bar دارد. همچنین مقاومت خوبی به رسوب ارگانیک نشان می‌دهد. به علاوه، نانوکامپوزیت‌های بر پایه‌ی گرافن پتانسیل زیادی در تصفیه‌ی آب غشائی، کمینه کردن مقاومت انتقالی و بیشینه کردن شار عبوری از خود نشان دادند. با ترکیب سدیم ردیف‌شده و اکسید گرافن، یک نانو کامپوزیت بر پایه‌ی گرافن تولید شد. کامپوزیت حاصل انتخاب‌پذیری بالا و آهنگ انتقال مولکول‌های آب خوبی از خود نشان داد. این خصوصیت باید به حضور گروه‌های اکسیدی، نقص‌های ساختاری، نقص ساختاری، شکاف‌های لبه به لبه و مناطق غیر اکسیدی نانوساختارهای GO نسبت داده شود که می‌تواند کانال‌های آبی فراوانی ایجاد کند. زمانی که غلظت GO به ۱٫۶ wt% می‌رسد یک شار بهینه‌ی عبوری ۱۶۹۹ g/(m2h) بدست خواهد آمد. به علاوه، هرچه ابعاد نانوصفحات کوچکتر باشد نقص‌های ساختاری بیشتری و گروه‌های اکسیژن‌دار کمتری می‌توانند کانال‌های آبی بسازند. غشاء‌های نانوکامپوزیت‌ لایه‌ی نازک (TFN) با یکی کردن اکسید گرافن با کیفیت‌های مختلف با پلی‌سولفون تهیه می‌شوند. زمانی که شار آب خالص عبور می‌کند، غشاءهای TFN که از ۰٫۳ wt% اکسید گرافن تشکیل شده‌اند بیشترین عبور آب را دارا هستند و درصد پس‌زنی آنها برای Na2SO4 ,MgSO4 ,MgCl2 و NaCl به ترتیب برابر با ۹۵٫۲%, ۹۱٫۱%، ۶۲٫۱% و ۵۹٫۵% است. به غیر از انتقال مولکول‌ها از میان غشاء‌ها، غشاء‌های نانوکامپوزیت بر پایه‌ی گرافن دارای ویژگی‌های ضد رسوبی نیز هستند. چنین خواص رضایت بخشی می‌تواند به حضور گروه‌های اکسیژنی که منجر به سطح افزایش یافته‌ی ناحیه‌ی آب‌دوست و کاهش پتانسیل زتای منفی می‌شود نسبت داد. که این امر می‌تواند میکروارگانیزم‌ها را از طریق الکترو-دافعه دفع کند و مانع از پیوست سطحی میکروارگانیزم‌ها شود. در نتیجه گسترش غشاء‌های نانوکامپوزیت، کاربردهای فناوری غشاء‌ها را به شدت بهینه کرده است. با در نظر گرفتن پیشرفت‌های تجاری فناوری غشاء‌ها، غشاء‌هایی که توسط نانومواد بهبود یافته‌اند برای فعالیت‌های بزرگ مقیاس بسیار مناسب هستند.

۴-۴ نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی

نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی، نانومواد  منحصر به فردی به‌حساب می‌آیند. آنها معمولا دارای نانوساختارهای هسته-پوسته هستند که به راحتی و سرعت می‌توانند با یک میدان مغناطیسی خارجی جمع آوری شوند. نانوذرات کاربردی یا گروه‌های کاربردی می‌توانند روی نانوذرات Fe3O4 بوسیله‌ی پیوندهای شیمیایی یا لایه‌نشانی مستقیم، ساکن شده یا پیوند زده شوند. موادی که باید پوشش داده شوند شامل Ag, TiO2, CNTs, GO, Pd و SiO2 و غیره هستند. پوشش SiO2 می‌تواند ناحیه‌ی سطحی بالا و تخلخل خوبی تولید کند، درحالیکه از هسته‌ی مغناطیسی در برابر خوردگی محافظت می‌کند. بعد از پوشش دهی، نانوکامپوزیت‌های معناطیسی حاصل معمولا جذب بهبودیافته یا توانایی فوتوکاتالیستی با یک کینتیک سریع در مقابل آلاینده‌هایی مثل فلزهای سنگین، رنگ‌ها، فنول‌ها یا میکروب‌ها از خود نشان می‌دهند.

در سال‌های اخیر، مجموعه‌ای از نانوسیم‌های مغناطیسی برپایه‌ی Mn برای نابودی فلزهای سنگین سنتز شده است. یک روش ساده‌ی تک‌گام سلووترمال برای تولید کره‌ی خلاء کربن مغناطیسی که برای نابود کردن فلزهای سنگین مناسب است پیشنهاد شده است. به علاوه، نانوکامپوزیت‌های مگمایت/سیلیکا به عنوان کاتالیست‌های ناهمگون فنتون سنتز شده‌اند. این مسئله می‌تواند به خوبی آلاینده‌هایی مثل PNP و MB را تخریب کند. استفاده‌ی بلند مدت آبشویی قابل چشمپوشی Fe را نشان داد. پیشنهاد شده است که نانوذرات اصلاح شده با آمینواسیدها می‌توانند بیش از ۹۴% سلول‌های باکتری را در طول ۲۰ دقیقه در PH بین ۴-۱۰ جذب کنند. نانوکامپوزیت‌های Fe3O4@SiO2 پلی(۱-وینیلیمیدازول)-پیوندی می‌توانند به خوبی برای جذب Hg(II)  در PH=7 با ظرفیت ۳۴۶ mg/g بکار برده شوند. یک جاذب تحلیل‌رفته می‌تواند با ۰٫۵۰ M HCl در مدت تنها ۱۰ دقیقه تولید شود. یک نانوذره‌ی جالب چندکاره زمانی که کرُنای مشتق شده از پلی‌اتیلنمین، پیرامون هسته‌ی مرکزی مغناطیسی را پوشش می‌دهد بدست می‌آید. نانومواد حاصل‌شده می‌تواند از راه کی‌لیت و جذب آنیون‌ها توسط جاذبه‌ی الکترواستاتیکی فلزهای سنگین را گیر بیاندازد و باکتری‌های را از راه نفوذ به غشاء‌ها غیرفعال کند. نانوکامپوزیت توسط EDTA و NaOH باززایی و دوباره استفاده شود. به علاوه، نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی برای شتاب بخشیدن به انعقاد فاضلاب‌ها استفاده می‌شوند و بعضی از نانوذرات مغناطیسی پوشش داده شده با پلیمر برای تصفیه‌‌ی آلودگی‌های ناشی از نشت نفت به کار رفته‌اند.

به‌طور کلی، نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی مواد مختلفی هستند که پتانسیل زیادی برای تصفیه‌ی آب دارند. در هر صورت، هزینه‌‌ی تولید و نسبت آن با موادی که در حال حاضر به عنوان تصفیه کننده بکار می‌روند باید در مطالعه‌های بعدی مورد توجه قرار گیرد.

۴-۵ قابل مصرف مجدد بودن نانوکامپوزیت‌ها

باززایی نانوکامپوزیت‌های فرسوده برای بهبود پایداری آنها بسیار با اهمیت است. معمولا با در نظر گرفتن نوع آلودگی، ساختار آن و مکانیزم نابودی آلاینده‌ها، محلول‌های پایه و اسیدی برای شستشوی نانوکامپوزیت‌ها بکار می‌روند. واکنشگرهای معمول واجذبی NaCl, CH3COONa, NaOH, NaCO3 و NaHCO3 هستند. گزینه‌‌ی دیگر استخراج (ارگانیک) حلال است و کارایی و مقرون به صرفه بودن حلال باید مورد توجه قرار بگیرد. به‌علاوه، مخلوط حلال ارگانیک و محلول آبی شاید اثرات فوق‌العاده‌ای داشته باشد. رویکردهای پیشرفته‌ی اکسیداسیون با استفاده از واکنش‌گرهای فنتون، واکنشگرهای گرمایی یا رویکردهای فوتوکاتالیستی برای باززایی مواد و دفع شورآب‌ها امکان‌پذیر است. درهرصورت، آنها برای باززایی نانوکامپوزیت‌های ارگانیک مناسب نیستند چرا که اکسیداسیون احتمالا باعث شکسته شدن کامپوزیت خواهد شد. توسعه‌ی روش‌های نوین باززایی برای مواد نانوکامپوزیت آنها را برای استفاده در کاربردهای صنعتی جذاب‌تر خواهد کرد.

۵ جمع بندی پایانی

نانومواد به طور گسترده‌ به عنوان جاذب‌های بسیار کارآمد، فوتوکاتالیست‌ها و ضدعفونی کننده برای تصفیه آب مورد بررسی قرار گرفته است. آنها عموما شایستگی‌های زیادی مثل ظرفیت بالا، واکنش سریع، گرایش ویژه نسبت به آلاینده‌های هدف، پاسخ‌های بهبود یافته‌ی فوتوکاتالیستی در طیف گسترده‌تر و فعالیت‌های ضدمیکروبی قویتر از خود نشان می‌دهند. بدون شک آنها امیدوارکننده‌ترین کاندیداها برای گسترش نسل بعدی فناوری تصفیه‌ی آب به‌حساب می‌آیند. البته هنوز مشکلات زیادی در راه کاربردهای صنعتی نانومواد وجود دارد. اول آنکه، نانومواد معمولا ناپایدارند و به علت نیروی واندروالس بین آنها تمایل به انباشتگی و تجمع دارند. دوم آنکه، به غیر از نانومواد  مغناطیسی بازیافت نانومواد ی که در تصفیه‌ی آب شرکت کرده‌اند بسیار مشکل است و این مسئله باعث می‌شود که استفاده از نانومواد غیراقتصادی و غیرقابل استفاده باشد. و در انتها تغییرات و سمی بودن نانوذرات به وضوح فهمیده نشده است.

یک رویکرد امیدوار کننده برای پیشبرد کاربردهای نانومواد گسترش مواد نانوکامپوزیتی است که هم از ویژگی‌های ماده‌ی میزبان استفاده می‌کنند و هم از خصوصیات نانومواد اشباع شده بر روی میزبان استفاده می‌کند. میزبان‌هایی مثل پلیمرها، بیو-پلیمرها، معدنی‌ها، کربن‌های فعال یا غشاء‌ها می‌توانند پراکنندگی و پایداری نانوذرات موجود در خود را تسهیل کنند. آنها همچنین می‌توانند انتقال یا نفوذ آلاینده‌ها به میزبان را بهتر کنند و برهم‌کنش‌های بین‌وجهی را بهتر کنند. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند به‌خوبی رهایی نانوذرات در آب را بهتر کنند. به‌علاوه، نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند تطابق فناوری نانو با فناوری‌هایی که امروزه استفاده می‌شود را بهبود ببخشند. ما معتقدیم نانوکامپوزیت‌ها تغییرات زیادی در فناوری‌های تصفیه‌ی آب بوجود خواهند آورد. کارهای آینده باید فهم برهم‌کنش‌های بین نانوذرات ساکن و میزبان را عمیق‌تر کند، تکنیک‌هایی برای ساخت میزبان و دستکاری نانوذرات گسترش دهد و طراحی نانومواد  چندکاره را منطقی‌تر کند.

در این میان، خطرها و اثرات نانومواد در محیط زیست باید مورد بررسی قرار گیرد و سنتز آنها از راه شیمی سبز برای کم کردن اثرات مخرب زیست محیطی باید به صورت موازی پیگیری شود. پروتکل‌ها و رهنمودهایی برای کنترل استفاده از نانومواد برای کمینه کردن اثرات آنها برای سلامت انسان و محیط زیست باید تهیه شود. انتظار می‌رود که این پروتکل‌ها، استانداردها و رهنمودها بر اساس فهم عمیق ما از اثرات نانو تهیه شوند.

منبع:

سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو