روش های پاکسازی و اصلاح محیط زیست

دنیای علم مهندسی محیط زیست و مهندسی شیمی در حال حاضر شاهد چالش های عظیمی است. گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوا و کمبود آب، اثرات مخربی در تمام نقاط جهان دارد. این مقاله به بررسی روش های علمی قابل استفاده در زمینه اصلاح محیط زیست می پردازد.

پنجشنبه، 9 دی 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : زهرا حاجی احمدی

موارد بیشتر برای شما

چشم انداز و چالش های علمی در زمینه اصلاح و حفاظت از محیط زیست گسترده است. تصفیه آب و فاضلاب صنعتی به ثمره پیشرفت علمی بشر نیاز زیادی دارد. آلودگی آرسنیک و فلزات سنگین آب آشامیدنی و آب‌های زیرزمینی برای چشم‌انداز و پیشرفت علمی بسیار چالش برانگیز است. کمبود آب جهانی و تغییرات آب و هوایی در این قرن چشم انداز علمی جهانی را ویران کرده است. دنیای مهندسی محیط زیست، تصفیه آب آشامیدنی و تصفیه فاضلاب صنعتی در حال نوسازی علمی جدید است. اهداف تمدن بشری و تحقیقات علمی بشری باید به سمت کاربرد نانومواد در حوزه‌های مختلف علم باشد. فناوری و علم مهندسی در حال حاضر پاسخ کمی به آلودگی آرسنیک و فلزات سنگین در آب آشامیدنی رایج در بسیاری از کشورهای در حال توسعه و توسعه یافته در سراسر جهان دارد. نیاز فعلی جهان کاهش کمبود آب و تغییرات آب و هوایی است. از این رو تمدن بشری باید از نظر حفاظت از محیط زیست و نیازهای چندگانه اصلاح محیط زیست سازماندهی و بازسازی شود.

چشم انداز علمی و اصلاح آب های زیرزمینی آلوده به آرسنیک

تلاش های علمی عمده در پاکسازی آب های زیرزمینی از آرسنیک به طور گسترده در حال انجام است. آلودگی آب های زیرزمینی و آب آشامیدنی توسط آرسنیک و فلزات سنگین امروزه طیف گسترده ای از تخصص های علمی را به چالش می کشد. اصلاح آب‌های زیرزمینی آلوده از بالاترین اولویت برخوردار است زیرا میلیاردها نفر در سراسر جهان برای استفاده به عنوان آب آشامیدنی به آب‌های زیرزمینی وابسته هستند. "فلزات سنگین" یک اصطلاح عمومی است که به گروهی از فلزات با چگالی بیشتر از 4000 کیلوگرم بر مترمکعب یا پنج برابر بیشتر از آب اطلاق می شود. فناوری های پاکسازی آب های زیر زمینی شامل تصفیه شیمیایی، تیمار آب در محل با استفاده از احیاکننده‌ها، احیا با استفاده از دیتیونیت، کاهش با استفاده از فناوری‌های مبتنی بر آهن، شستشوی خاک در محل، شستشوی کلات در مکان هدف و شستشوی شیمیایی در محل مورد نظر هستند.

تلاش های علمی اخیر در زمینه فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOP)

فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته امروزه در حال بازسازی علمی جدید هستند. تصفیه آب آشامیدنی و فاضلاب صنعتی شاهد چالش های علمی بزرگ و موانع علمی پیچیده است. دانشمندان تصفیه فاضلاب با فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته را بررسی کردند. فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته برای ارائه فناوری جایگزین برای حفاظت بهتر از محیط زیست، نوید زیادی را می دهد. فاضلاب نساجی شامل طیف وسیعی از مواد شیمیایی است که نه تنها به عنوان زباله مایع بلکه در ترکیب شیمیایی آن نیز چالش زیست محیطی در صنعت نساجی ایجاد می کند. در انتخاب روش موثر بر پاکسازی این آلودگی ها چند نکته باید مد نظر قرار گیرد که شامل 1) مطالعه کارایی فرآیندهای مختلف کاندید تحت شرایط کنترل شده مختلف، (2) شناسایی واسطه ها و محصولات جانبی و سمیت آن ها، (3) مطالعه اثر معرف های مورد استفاده در فرایندهای اکسایشی پیشرفته (AOP) و (4) شناسایی پارامترهای افزایش مقیاس و معیارهای مقرون‌به‌صرفه بودن. فرآیندهای اکسیداسیون متعارف در اکسید کردن مواد رنگزا و ساختارهای پیچیده ترکیبات آلی در غلظت کم یا در صورتی که به خصوص نسبت به ترکیبات خاصی نسوز و مقاوم باشند، بسیار دشوار است. برای رفع این مشکل، AOPها برای تولید رادیکال های هیدروکسیل با تکنیک های مختلف توسعه یافته اند. AOPها (شامل ترکیبی از ازن، پراکسید هیدروژن و تابش فرابنفش) بیشترین امید را برای تخریب پساب صنعت نساجی نشان دادند. فاضلاب صنعت نساجی کامپوزیت با اندازه گیری نیاز شیمیایی اکسیژن، مواد جامد معلق و جامدات محلول مشخص می شود. از رادیکال‌های آزاد هیدروکسیل به عنوان یک اکسیدان قوی برای از بین بردن ترکیباتی که توسط اکسیدان‌های معمولی اکسید نمی‌شوند، استفاده می کنندکه نشان‌دهنده اهمیت زیاد AOPs است. دانشمندان AOP های مختلف و فرآیندهای ترکیبی را به طور عمیق بررسی کردند و تصویر واضحی از فرآیندهای اکسیداسیون رایج و غیر متعارف ارائه نمودند. در زمان‌های اخیر، با توجه به حضور روزافزون مولکول‌های معدنی و آلی که در برابر میکروارگانیسم‌های موجود در جریان‌های فاضلاب مقاوم هستند، روش‌های بیولوژیکی مرسوم غیرضروری هستند، از این رو فناوری‌های جدیدی برای تجزیه این مولکول‌های نسوز به مولکول‌های کوچک‌تر معرفی شدند. اکسید شدن بیشتر توسط روش های بیولوژیکی بسیار مهم شده است. در مطالعه ای پنج فرآیند اکسیداسیون مختلف را که تحت شرایط محیطی عمل می‌کنند شامل اکسیداسیون کاتالیزوری، اکسیداسیون فوتوکاتالیستی، شیمی فنتون، استفاده از ارن و استفاده از پراکسید هیدروژن را بررسی نمودند. نویسندگان شرایط عملیاتی بهینه و جنبه‌های طراحی راکتور را با مروری جامع از کاربردهای مختلف برای تصفیه فاضلاب و مدیریت یکپارچه فاضلاب در سال‌های اخیر مورد بحث قرار داده اند. AOPها به عنوان فرآیندهایی تعریف می شوند که رادیکال های هیدروکسیل را در مقادیر زیاد تولید می کنند که می توانند اکثر مواد شیمیایی پیچیده موجود در فاضلاب صنعتی را اکسید کنند. این فرآیندها به طور موفقیت آمیزی برای حذف و تخریب آلاینده های سمی در فاضلاب صنعتی به کار گرفته شده اند. این فرآیندها را برای حذف انواع مختلف آلاینده‌های سمی از فاضلاب، از جمله ترکیبات معطر، رنگ‌ها، ترکیبات دارویی و آفت‌کش‌ها، با تأکید بر پارامترهای ارزیابی‌شده، اثربخشی حذف و مکانیسم تخریب پیچیده آلاینده‌ها بررسی شده اند. علم AOPs در سال های اخیر با سرعتی سریع در حال پیشرفت است. امروزه شش نوع AOPs، یعنی تشعشع، فوتولیز و فوتوکاتالیز، سونولیز، اکسیداسیون الکتروشیمیایی، واکنش‌های مبتنی بر فنتون و فرآیندهای مبتنی بر ازن برای تصفیه فاضلاب بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. پسماندهای آلی خطرناک ناشی از عملیات صنعتی، نظامی و تجاری یکی از بزرگترین چالش ها برای مهندسان محیط زیست است. بنابراین، AOP ها جایگزین های مناسبی برای سوزاندن زباله ها هستند. سوزاندن رایج به دلیل معایب فراوان زیست محیطی باید با پیشرفت کنار گذاشته شود. سوزاندن ترکیبات سمی مانند دی بنزودیوکسین های پلی کلره و فوران ها را از طریق انتشار گازها و خاکستر بادی وارد محیط زیست می کند.

تحقیقات اخیر در علم غشاء

علم غشاء و فرآیندهای جداسازی جدید چالش اصلی علم امروز است. تلاش‌های پژوهشی کنونی در علم غشاء شاهد چالش‌های علمی بزرگی است. ابتکارات تحقیق و توسعه در مورد غشاهای نمک زدایی آب دریا با سرعتی سریع در حال پیشرفت است و دستاوردهای قابل توجهی در عملکرد غشاها نشان داده شده است. اولین کشف تاریخی و قابل توجه غشای اسمز معکوس نامتقارن Loeb-Sourirajan اجازه نمک‌زدایی آب دریا را در مقیاس بزرگ داد. شار غشاهای تجاری موجود در حال حاضر مرتبه ای بالاتر از غشاهای اسمز معکوس دهه 1960 با دفع نمک تا 99/8 درصد است. علاوه بر این، ساخت غشاهایی که می‌توانند بور، آرسنیک و ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین را تا حد زیادی دفع کنند، چشم‌انداز طرح‌های تحقیقاتی است. گزارش شده است که در سطح جهان 96/5 درصد از آب کره زمین در دریاها و اقیانوس ها و 1/7 درصد در کلاهک های یخی قرار دارد و تنها 0/8 درصد آن را آب شیرین و مابقی را آب های شور تشکیل می دهند. بنابراین، بدست آوردن غشاهایی که می‌توانند فشارهای فوق‌العاده‌ای را برای نمک‌زدایی آب دریا تحمل کنند ضروری است. کمبود جهانی آب و موضوع پایان ناپذیر تغییرات آب و هوایی جهانی در حال حاضر از مشکلات عمده جامعه علمی است. بیش از 1 میلیارد نفر بدون آب آشامیدنی سالم هستند و تقریباً 2/3 میلیارد نفر در مناطقی که دارای تنش آبی هستند در سراسر جهان زندگی می کنند. فناوری و مهندسی کنونی پاسخ های کمی برای نگرانی روزافزون در مورد آب های زیرزمینی حاوی آرسنیک دارد. ونتن فرآیندهای غشایی را با توجه به صنعت غشاء و پتانسیل بازار مورد بحث قرار داد و غشاهای نوظهور مانند غشاهای اسمز معکوس با کارایی بالا، غشاهای مایع پشتیبانی شده، غشاهای معدنی، غشاهای فیبر توخالی مرکب، کنتاکتورهای غشایی و راکتورهای غشایی را تشریح نمود. فیلتراسیون به عنوان جداسازی دو یا چند جزء از یک جریان سیال تعریف می شود، مانند جداسازی ذرات جامد غیر قابل امتزاج از جریان های مایع و گاز. نقش اصلی غشاء این است که به عنوان یک مانع انتخابی عمل کند و غشاء به عنوان مانعی در برابر حرکت ذرات جامد عمل می نماید. غشاها را می توان بر اساس ماهیت غشاء، ساختار غشا، کاربرد غشاء و مکانیسم غشاء طبقه بندی نمود.

نانوتکنولوژی در اصلاح آب های زیرزمینی

مهندسی نانو و فناوری نانو در تصفیه آب های زیرزمینی امروزه زمینه های اصلی تحقیقات علمی هستند. نانوتکنولوژی یک حوزه چند رشته ای از علم مهندسی است که در چند سال اخیر اهمیت زیادی پیدا کرده است. نانوذرات یک حوزه کلیدی را نشان می‌دهند و از طریق کاربردهای نانویی در بخش‌های مختلف و عرصه‌های وسیع، مزایای بسیاری را نوید می‌دهند. راجان استفاده از نانومواد مانند آهن صفر ظرفیتی و نانولوله‌های کربنی را در برنامه‌های پاکسازی محیطی مانند تصفیه آب‌های زیرزمینی، استفاده مجدد از آب و نمک‌زدایی مورد بحث قرار داده است. در حال حاضر نگرانی های عمده ای در رابطه با مسائل مربوط به استفاده از نانومواد با توجه به محیط زیست و سلامت انسان وجود دارد. یک نیاز علمی مهم، نیاز به روشن کردن رابطه بین خواص نانوذرات و ارائه یک استراتژی موثر برای مقابله با اثرات مضر است. نانوپالایش پتانسیل زیادی در پاکسازی مکان‌های آلوده بزرگ در محل اجرا را دارد و زمان پاکسازی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و غلظت آلاینده‌ها را به صفر می‌رساند. میلیون‌ها نفر در سراسر جهان به آب‌های زیرزمینی وابسته هستند که منبع اصلی آب آشامیدنی شهری و روستایی است که اهمیت مدیریت یکپارچه منابع آب و نوآوری‌ها را در اصلاح محیط‌زیست نشان می‌دهد. به دلیل شهرنشینی و صنعتی شدن، این منبع آب آشامیدنی آلوده شده است. تکنیک‌های اصلاح آب در محل، تکنیک‌های نانوتصفیه، تکنیک‌های استخراج بخار خاک در محل، تکنیک‌های تصفیه شیمیایی در مکان، تکنیک‌های سد واکنشی نفوذپذیر و تکنیک‌های تصفیه زیستی بررسی شده اند. کاربردهای زیست محیطی نانوتکنولوژی به توسعه راه‌حل‌هایی برای مشکلات زیست‌محیطی امروزی و اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با مشکلات آینده می‌پردازد. جزئیات دسته‌بندی نانوذرات مورد مطالعه شامل آن هایی است که بر پایه دی اکسید تیتانیوم، آهن دو ظرفیتی، ذرات کاتالیزوری، رس، نانولوله‌های کربنی، فولرن‌ها، دندریمرها و نانوذرات مغناطیسی هستند. در میان بسیاری از کاربردهای نانوتکنولوژی که پیامدهای زیست محیطی دارند، اصلاح آب های زیرزمینی آلوده با استفاده از نانوذرات حاوی یون صفر ظرفیتی یکی از برجسته ترین نمونه های یک فناوری به سرعت در حال ظهور با مزایای بالقوه گسترده است. یکی از کاربردهای اصلی نانوتکنولوژی در بخش آب است. استفاده از غشاهای نانولوله کربنی در نمک زدایی یک نوآوری امیدوارکننده در علم مهندسی محیط زیست و فناوری آب است. آلودگی هوا یکی دیگر از حوزه های وسیعی است که فناوری نانو در آن کاربردهای برجسته و مهمی دارد. ابزارهای فیلتراسیون مشابه روش های تصفیه آب، کاربردهای گسترده ای در فناوری نانو دارند.برای مثال، نانوفیلترها می‌توانند به طور مؤثری در لوله‌های اگزوز خودروها و دودکش های کارخانه‌ها برای جداسازی آلاینده‌ها و جلوگیری از ورود آن ها به جو استفاده شوند. همچنین، در سال های اخیر، فناوری تخریب فراصوت به طور مفصل مورد مطالعه قرار گرفته و به طور گسترده در تصفیه آلاینده های محیطی استفاده شده است گزارش آژانس حفاظت از محیط‌زیست ایالات متحده، فناوری‌های تصفیه در مکان آلودگی را برای خاک‌های آلوده در نظر گرفته و طیف گسترده‌ای از روش‌ها را برای تصفیه خاک‌های آلوده مورد بحث قرار داده است. فناوری‌های درجا که در این گزارش بیان شده‌اند شامل استفاده از فرآیندهای شیمیایی، بیولوژیکی یا فیزیکی در سطح زیرزمینی برای تخریب آلاینده‌ها بدون از بین بردن خاک عمده است. در مقایسه با حفاری و تصفیه خارج از محل، استفاده از این نوآوری ها مزایای متعددی مانند حذف آلودگی های عمیق و هزینه کمتری دارد. همچنین، ذرات آهن در مقیاس نانو دارای سطح بزرگ و واکنش پذیری بالایی هستند و انعطاف پذیری زیادی را در کاربردهای تصفیه آلودگی در مکان هدف را ارائه می کنند. ابتکارات تحقیقاتی علمی باید در رابطه با نانومواد و کاربردهای نانوتکنولوژی باید مجددا سازماندهی شود.

تحولات اخیر در زمینه تصفیه آب آشامیدنی

امروزه تصفیه آب آشامیدنی و استفاده از نانوتکنولوژی دو روی مقابل این سکه هستند. دانشمندان نگرانی روزافزون در مورد آلودگی جهانی آب آشامیدنی با فلزات سنگین را تکرار می کنند. تصفیه آب آشامیدنی و تصفیه فاضلاب صنعتی از نیازهای حتمی تمدن بشری است. حدود 1/2 میلیارد نفر در سراسر جهان به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند، 2/6 میلیارد نفر از امکانات بهداشتی کمی برخوردار هستند یا اصلاً بهداشتی ندارند و میلیون ها نفر سالانه جان خود را از دست می دهند. به عنوان مثال، 3900 کودک در روز، از بیماری های منتقل شده از آب آلوده یا فضولات انسانی از بین می روند. فناوری و مهندسی عملاً هیچ پاسخی برای آلودگی آرسنیک و فلزات سنگین در بسیاری از کشورهای در حال توسعه و توسعه یافته در سراسر جهان ندارند. پاتوژن های منتقل شده از طریق آب تأثیر مخربی بر سلامت عمومی دارند، به ویژه در کشورهای در حال توسعه و محروم (کشورهای جنوب صحرای آفریقا و جنوب شرقی آسیا). عوامل عفونی منتقله از آب مسئول بیماری های جدی شامل انواع کرم ها، تک یاخته ها، قارچ ها، باکتری ها و ویروس ها هستند. بنابراین، کنترل موثر پاتوژن های منتقله از آب در آب آشامیدنی نیازمند استراتژی های جدید ضدعفونی و نوآوری های جدید است. وضعیت در کشورهای در حال توسعه نیز مشابه است. آژانس های بین المللی و سازمان های غیر دولتی استفاده از تابش نور خورشید را برای از بین بردن عوامل بیماری زا معرفی کرده اند. توسعه جایگزین‌هایی برای ضدعفونی کلر و UV برای کنترل ویروس‌های منتقله از آب نیازمند پیشرفت‌های مهمی در درک چگونگی غیرفعال شدن ویروس‌هاست. مواد سمی که به طور گسترده در آب ها توزیع می شوند مانند آرسنیک، فلزات سنگین، آروماتیک هالوژنه، نیتروزامین ها، نیترات ها، فسفات ها و غیره به عنوان مضرات بسیار زیادی برای انسان و محیط زیست شناخته شده اند. مشکلات تشخیص و اندازه گیری دقیق ترکیبات سمی در آب و حذف انتخابی آن ترکیبات به یکدیگر مرتبط است. هدف اصلی برای آینده شیرین سازی، افزایش عرضه آب شیرین از طریق شیرین سازی آب دریا است. 97/5 درصد از کل آب روی زمین را آب شور تشکیل می دهد. از طریق پیشرفت‌های مستمر، به‌ویژه در دهه گذشته، فناوری‌های نمک‌زدایی اکنون می‌توانند به طور موثر برای نمک‌زدایی آب دریا و تامین آب شیرین برای انسان‌ها به کار گرفته شوند.

چشم انداز تحقیقات آینده

آینده علم مهندسی محیط زیست و مهندسی شیمی گسترده است. روندهای تحقیقاتی آینده باید به سمت استفاده علمی بیشتر در زمینه کاربردهای نانوتکنولوژی در اصلاح زیست محیطی باشد. نانومواد و نانومواد مهندسی شده امروزه به طور گسترده در پیشرفت علمی بشر نقش دارند. چشم انداز پایداری زیست محیطی نیاز به سازماندهی و بررسی مجدد دارد. به همین ترتیب، آلودگی آب های زیرزمینی با آرسنیک و فلزات سنگین باید به کمک یک پایه علمی قوی کاهش یابد. نانوتکنولوژی تقریباً در همه حوزه‌های مختلف علم و مهندسی کاربرد دارد. نانوفیلتراسیون و علم غشاء در ابتکارات تحقیق و توسعه جهانی در تصفیه آب مورد نیاز است، از سوی دیگر، نمک زدایی، وضعیت تصفیه آب را متحول خواهد نمود. تحقیقات نمک زدایی باید در خط مقدم ابتکارات تحقیق و توسعه باشد. از طرفی، فرآیندهای جداسازی غشایی و مهندسی فرآیندهای شیمیایی باید با پیشرفت علم و فناوری سازماندهی مجدد شوند.

منبع: ساکانچان پالیت، University of Petroleum and Energy Studies, India