نانوتکنولوژی می‌تواند چه کاری برای محیط زیست انجام دهد؟

در جوامع صنعتی، هوا پر از آلودگی های مختلفی است که به وسیله ی فعالیت های انسانی و فرایندهای صنعتی تولید شده اند. از جمله ی این آلودگی ها می توان به مونوکسید کربن (CO)، کلروفلئوروکربن ها (CFC)، فلزات سنگین (آرسنیک، کروم، سرب، کادمیم، جیوه، روی)، هیدروکربن ها، اکسیدهای نیتروژن، مواد شیمیایی آلی (مواد آلی فرار که به آنها VOCs می گویند)، اکسید گوگرد و ریزگردها، اشاره کرد. وجود اکسیدهای نیتروژن و اکسید گوگرد در هوا، منجر به تولید بارهای اسیدی می شود که موجب آلودگی خاک می شود. میزان بالای اکسیدهای نیتروژن و گوگرد در اتمسفر عمدتاً به دلیل فعالیت های انسانی و به طور خاص سوختن نفت، گاز و زغال سنگ، ایجاد می شود. تنها یک بخش کوچک از این نوع از آلودگی از فرایندهای طبیعی مانند فعالیت های آتشفشانی و فرایندهای باکتری های موجود در خاک، ایجاد می شود. آلودگی آب نیز بوسیله ی فاکتورهای مختلفی مانند فاضلاب ها، لکه های روغنی، نفوذ کودها، علف کش ها و آفت کش ها از سطح زمین و محصولات فرعی تولید شده از سوختن سوخت های فصیلی، تحت تأثیر قرار می گیرد.
آلودگی ها اغلب به صورت قسمت در میلیون (ppm) و یا به صورت قسمت در میلیارد (ppb) اندازه گیری می شوند و در حقیقت برای هر آلودگی، یک سطح سمیت تعریف می شود. برای مثال، سطح سمیت آرسنیک در خاک 10 ppm است در حالی که برای جیوه حد سمیت در آب، ppm 0.002 است. بنابراین، غلظت های بسیار اندک از برخی از آلودگی های خاص می تواند سمیت ایجاد کند. علاوه بر این، آلودگی ها عمدتاً به صورت مخلوط وجود دارند. در نتیجه، نیاز به تکنولوژی هایی وجود دارد که بتواند این آلودگی ها را مانیتورینگ و تشخیص دهند و به صورت ایده آل، میزان آنها را کاهش دهد. در این زمینه، نانوتکنولوژی فرصت های خوبی را به منظور جلوگیری، کاهش، تشخیص و تصفیه ی آلودگی های محیطی، ایجاد می کند. نانوتکنولوژی می تواند موجب بهبود تکنولوژی های کنونی و توسعه ی تکنولوژی های جدید شود.

نانوتکنولوژی چه کار می تواند انجام دهد؟

نانوتکنولوژی قابلیت کنترل مواد در سطح نانومتری را ایجاد می کند و بدین صورت توانایی ایجاد موادی با خواص خاص ایجاد می شود. این مواد دارای عملکردهای خاصی هستند. این مسئله به طور خاص برای موضوعات محیط زیستی مهم می باشد. در این بخش ها، آلودگی ها اغلب از وجود گونه های خاص ایجاد می شود. این گونه های می تواند به شکل جامد، مایع و یا گاز باشند. اندازه ی کوچک نانو مواد به همراه نسبت سطح به حجم بالا، می تواند منجر به تشخیص با حساسیت بالا شود. این خواص اجازه ی توسعه ی وسایل اندازه گیری آلودگی بسیار ریز و با حساسیت بالا را مقدور می سازد. نانومواد همچنین به گونه ای مهندسی می شوند که می توانند به صورت فعال با آلودگی ها ترکیب شوند و موجب تجزیه ی گونه های سمی به گونه های خنثی تر، شوند. بنابراین، در آینده، نانوتکنولوژی می تواند نه تنها برای تشخیص سایت های آلودگی مورد استفاده قرار گیرد، بلکه همچنین می تواند برای تصفیه ی این آلودگی ها نیز استفاده شود. در نهایت، این تکنولوژی ها می تواند برای کاهش میزان ضایعات آلوده برای محیط زیست نیز استفاده شوند. این کار در حقیقت با کاهش میزان مواد مورد نیاز و یا استفاده از ترکیبات با سمیت کمتر، انجام شود.
یکی دیگر از زمینه های کاری، در واقع مهندسی پوشش هاست به نحوی که با ایجاد نانوساختارها در این پوشش ها، مقاومت آنها در برابر آلودگی ها افزایش یابد و همچنین خواص خود تمیز شونده در آنها ایجاد شود، به نحوی که به سهولت و با آب باران تمیز شوند. در حقیقت با این کار، میزان شوینده ی مورد نیاز برای تمیزکاری کاهش می یابد.
نقطه ی شروع برای هر بحثی در زمینه ی کاربردهای نانوتکنولوژی در محیط زیست، قابلیت علم نانو در ایجاد مواد نانوساختار جدید می باشد که دارای خواص خاص می باشند. این مسئله موجب می شود تا این مواد عملکردهای خاصی پیدا کنند.

اصلاح و تعدیل

آلودگی های خاک و آب های زیرزمینی از فرایندد های تولید ایجاد می شوند. این مسئله یکی از بخش های پر دغدغه می باشد. سایت های آلوده مانند سایت های صنعتی آلوده (شامل دریاچه ها و رودخانه هایی که در مجاورت کارخانه های آلوده، قرار دارند)، آب های زیر زمینی، معادن زیر زمینی و دورافتاده، می باشد. آلودگی ها در این نواحی شامل فلزات سنگین (جیوه، سرب و کادمیم) و ترکیبات آلی (مانند بنزن، حلال های کلردار، کریوزوت) می باشند. نانوتکنولوژی می تواند روش هایی توسعه دهد که اجازه می دهند ابزارهایی ارزان قیمت تر و با اثربخشی بیشتر برای حذف این آلودگی ها، ایجاد شود. هم اکنون، بسیاری از روش های مورد استفاده برای زدودن آلودگی های سمی، هزینه بر، زمان گیر و نیازمند نیروی کار زیادی می باشد. یک فرایند پیش آماده سازی و حذف نواحی آلوده، نیز اغلب ضروری است. بعد از این کار، باید اکوسیستم اصلاح شود. نانوتکنولوژی روش هایی را توسعه می دهد که می توانند به صورت آزمایشگاهی به حذف و رسیدن به نواحی عاری از آلودگی، کمک کنند. علاوه بر این، به عنوان نتیجه ای از قابلیت دستکاری ماده در سطح نانومتری، علم نانو می تواند برای توسعه ی ابزارهای حدفی مورد استفاده قرار گیرد که خاص یک آلودگی مشخص (مانند آلودگی های فلزی) هستند. بنابراین، با این کار میزان گزینش پذیری روش ها و همچنین حساسیت روش بهبود می یابد.
کیفیت آب شرب و آلودگی های آن، یکی دیگر از دغدغه های موجود می باشد. جیوه و آرسنیک به طور خاص دو فلز سمی هستند که دارای ریسک سلامت بالایی هستند. روش های حذفی که اجازه ی تصفیه ی سریع، اقتصادی و مؤثر این ماده از آب آلوده شده را بدهد، در اینجا، ضروری به نظر می رسد. نانوتکنولوژی می تواند روش های جدیدی برای تصفیه و خالص سازی آب از وجود آلودگی ها ارائه دهد و یا تکنولوژی های جدیدی برای مدیریت فاضلاب و نمک گیری از آب، ایجاد کند.

حذف آلودگی ها با استفاده از نانوذرات

استفاده از نانوذرات آهن با ظرفیت صفر برای حذف آب های زیرزمینی آلوده و خاک، یک مثال خوب از حذف آلودگی با تکنولوژی نانویی می باشد. وقتی این ماده در برابر هوا قرار می گیرد، اکسیدهای آهن به سهولت ایجاد می شوند. به هر حال، وقتی این ماده در اطراف آلودگی هایی مانند تری کلواتیلن (TCE)، کربن تتراکلرید، دیوکسین و یا PCBs، اکسید می شود، این مولکول های آلی به ترکیبات ساده تر شکسته می شوند که سمیت کمتری دارند. از آنجایی که آهن یک ماده ی غیر سمی و فراوان در سطح زمین است، برخی از صنایع از پودر آهن برای تمیزکاری ضایعات صنعتی خود، استفاده می کنند. به هر حال، پودر آهن (یعنی گرانول های آهن با ظرفیت صفر و ابعاد میکرونی)، برای تمیزکاری آلودگی های قدیمی ایجاد شده در خاک و آب، مفید نیستند. علاوه بر این، حذف با استفاده از پودر گرانول آهن، اغلب ناقص است و برخی از ترکیبات کلردار مانند PCE و TCE به طور جزئی تجزیه می شوند و محصولات حاصله نیز موادی سمی هستند. این اثر به دلیل واکنش پذیری پایین پودر آهن، رخ می دهد.
یکی دیگر از دغدغه ها، در واقع کاهش فعالیت پودر آهن در طی زمان است. این مسئله به دلیل تشکیل لایه ی پسیو اکسید آهن، بر روی سطح ذرات، ایجاد می شود.
نانوتکنولوژی راه حل هایی را برای تکنولوژی های حذف آلودگی ایجاد می کند. در این زمینه، نانوتکنولوژی با تولید نانوذرات آهن، یاری رسان است. این نانوذرات 10 تا 1000 مرتبه کوچکتر از پودر آهن مورد استفاده می باشد. این مواد با مساحت سطحی بالا با ترکیبات آلی واکنش می دهند و اندازه ی کوچک آنها اجازه ی تحرک بیشتری را برای آنها مقدور می سازد. بنابراین، این مواد به صورت مؤثری بوسیله ی جریان آب زیر زمینی، جابجا می شوند. یک دوغاب آبی حاوی نانوذره می تواند به داخل بخش آلوده تزریق شود (شکل 1). نانوذرات بوسیله ی اسیدی بودن خاک، دما یا مواد مغذی، تغییر نمی کنند. بنابراین، آنها در سوسپانسیون باقی می مانند و خواص خود را برای یک دوره ی طولانی تر حفظ می کنند. نتایج تجربی آزمایشگاهی و عملیاتی، نشان داده است که ذرات آهن نانومتری برای تکامل تبدیل و افت سمیت انواع مختلفی از آلودگی های صنعتی، مفید می باشند. وقتی پودر نانوسایز مورد استفاده قرار می گیرد، محصول فرعی سمی تشکیل نمی شود. در حقیقت این مسئله نتیجه ای از فعالیت کاهش یافته و افت پایداری نانوذرات در مقایسه با پودر گرانولی آهن است. میزان آلودگی ها در بخش تزریق به صورت قابل توجهی کاهش می یابد و در طی چند روز، این آلودگی ها حذف می شوند. به عنوان نتیجه ای از پایداری آنها، نانوذرات آهن تا 6 الی 8 هفته در محل فعال باقی می مانند (پیش از آنکه به طور کامل در داخل آب زیرزمینی، حل شوند و غلظت آنها از غلت آهن طبیعی، کمتر شود). محققین در حال ارزیابی این مسئله هستند که آیا این روش می تواند برای حذف مایع های فازی غیر آبی (DNAPL) مناسب هستند یا نه؟ همچنین ارزیابی ها برای بررسی قابلیت این مواد برای بی تحرک کردن فلزات سنگین و رادیونوکلئیدها نیز در حال انجام می باشد.

حذف با استفاده از نانوذرات نیمه رسانا

نانوذرت نیمه رسانا تولید شده از دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در حذف فوتوکاتالیستی، مورد استفاده قرار می گیرند. به خاطر داشتن خاصیت نیمه رسانایی، این مواد یک جفت الکترون- حفره در زمان تابش نور ایجاد می کنند که در حقیقت انرژی این جفت متناسب با گاف انرژی این مواد می باشد. دی اکسید تیتانیم دارای گاف انرژی 3.2 eV است (در زمان تابش نور UV) هم دی اکسید تیتانیم و اکسید روی قادر به تغییر در ویژگی های مواد آلاینده ی آلی هستند و موجب می شود تا آنها به محصولات فرعی غیر سمی، تبدیل شوند. از آنجایی که دی اکسید تیتانیم و اکسید روی به سهولت در دسترس بوده و ارزان قیمت هستند، استفاده از آنها در حذف آلودگی ها، برای سال های زیادی است که مورد بررسی قرار گرفته است. اخیراً اکسید تیتانیم و اکسید روی نانوسایز نیز مورد استفاده قرار گرفته اند زیر این مواد دارای واکنش پذیری بالایی هستند. در حقیقت هدف ایجاد سیستم های حذف فوتوکاتالیستی است که در آنها اکسید تیتانیم و اکسید روی برای تبدیل آلاینده های سمی مانند شوینده های کلردار، مورد استفاده قرار می گیرند. شواهدی وجود دارد که طبق آن، این نیمه رساناها می توانند ترکیبات سمی متعددی را از طریق تخریب نوری، حذف کنند اما تکنولوژی آن نیازمند بهبود و افزایش بازده می باشد زیرا دی اکسید تیتانیم و اکسید روی نور UV را جذب می کنند که این طیف تنها 5 % از طیف نور خورشیدی است. در این زمینه، نانوتکنولوژی می تواند بهبودهایی را در دو زمینه، ایجاد کند:
1. وقتی مواد ارزشمندی همچون طلا و پلاتین به صورت شیمیایی بر روی سطح نانوذرات دی اکسید تیتانیم و اکسید روی جذب می شوند، فعالیت فوتوکاتالیستی آنها افزایش می یابد. دلیل این مسئله وجود فلزی است که کمک می کند تا حفره و الکترون، حفظ شوند و از ترکیب شدن آنها جلوگیری می کند. در این حالت، بازده فوتوکاتالیستی، افزایش می یابد.
2. برای افزایش پنجره ی پاسخ نوری مربوط به دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در برابر نور مرئی تا UV، نانوذرات می توانند با رنگ های آلی و غیر آلی اصلاح شوند. این مسئله یکی از جنبه های تحقیقاتی قابل توجه می باشد.
نانومواد همچنین قابلیت حذف آلودگی های فلزی را از هوا، مقدور می سازند. برای مثال، نانوکامپوزیت های تیتانیا برای استفاده در حذف عنصر جیوه از بخار برخی از منابع احتراقی، مورد استفاده قرار می گیرد. در این نانوکامپوزیت ها، سیلیس به عنوان یک ماده ی حمایت کننده عمل می کند و جیوه را به شکل با فراریت کمتر (یعنی اکسید جیوه)، تبدیل می کند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff