در نتیجه تولید فاضلاب به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. عدم وجود اقدامات تصفیه مناسب برای مدیریت فاضلاب در بسیاری از کشورها باعث افزایش آلودگی در ذخایر محدود آب شیرین شده است. اکنون دولت ها به خطر افزایش مداوم آلودگی پی برده اند و استانداردهای دقیق کیفیت و تصفیه آب را تنظیم کرده اند. این امر توجه محققان را به خود جلب کرده و منجر به بهبود تکنیک‌های تصفیه آب موجود در کشورهای در حال توسعه و همچنین توسعه یافته شده است.
تکنیک‌های مختلفی مانند تبادل آنیون، تقطیر مایع، جذب از طریق کربن فعال، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس، فیلتراسیون با اشعه ماوراء بنفش (UV) و دیونیزاسیون وجود دارد که برای تصفیه آب آلوده به‌کار گرفته شده‌اند، اما به دلیل عملکرد پیچیده مکانیسم‌ها، هزینه‌ی بالا و نسبت خروجی/ ورودی پایین، قابلیت به کارگیری آن ها کم است. نانوتکنولوژی یک علم پیشرو است که پتانسیل غلبه بر چالش‌های موجود در بحران فعلی تصفیه آب را دارد. این می تواند ابعاد جدیدی را برای ارائه تکنیک های تصفیه آب با امکان استفاده بهینه از منابع آب غیرعادی ارائه دهد. برخلاف روش‌های سنتی خالص‌سازی، فرآیندهای مبتنی بر نانوشیمی جایگزین‌های بسیار کارآمد و مقرون به صرفه‌ای هستند.
نانو مواد برای تصفیه آب
نانومواد مورد استفاده برای تصفیه آب آلوده به عواملی مانند فلزات سنگین سمی، رادیونوکلئیدها، مواد شیمیایی آلی سمی، پاتوژن ها (به عنوان مثال، باکتری ها و ویروس ها) شامل نانوذرات فلزی، اکسیدهای فلزی در مقیاس نانو، نانوکاتالیست ها، نانو غشاها، نانوذرات مغناطیسی، دندریمرها و بیوپلیمرهای نانو مقیاس است.نانو ذرات فلزی
نانوذرات فلزی به عنوان فلزات در ابعاد نانو با ابعاد 1 تا 100 نانومتر تعریف می شوند. نانوذرات فلزی سطح وسیعی از خود نشان می دهند و بنابراین می توانند مولکول های آلی کوچک را روی سطح خود جذب کنند. نانوذرات فلزی به دلیل خواص استثنایی خود مانند خواص کاتالیزوری افزایش یافته، ویژگی های جذب سطحی و واکنش پذیری بسیار بالاتر، ماده تحقیقات و توسعه پویا در سراسر جهان در زمان های اخیر تبدیل شده اند. چندین مطالعه علمی نشان می دهد که نانومواد به طور بالقوه می توانند طیف وسیعی از آلاینده ها را از آب حذف کنند و بنابراین می توانند با موفقیت در تصفیه فاضلاب استفاده شوند. نانوذرات فلزی که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، نانو ذرات نقره، طلا و آهن هستند. نانو ذرات نقره دارای اثرات ضد باکتریایی ثابتی در برابر طیف وسیعی از پاتوژن‌های بالقوه مضر مانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و قارچ‌ها است. نانو ذرات طلا به عنوان عوامل بالقوه برای مقابله با مشکل آب آلوده چشم اندازهای جذابی دارند.
نانوذرات نقره
فلز نقره به دلیل ویژگیهای استثنایی خود از دوران روم به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خارق‌العاده (مانند رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا) و همچنین خواص بیولوژیکی (خواص ضد باکتری) شناخته شده است. افزایش استفاده از نانوذرات نقره در انواع روش های تصفیه آب به دلیل پتانسیل ظاهری آن برای عمل به عنوان یک ضد عفونی کننده است که هیچ محصول جانبی ضد عفونی (DBP) در آب تصفیه شده تولید نمی کند.پتانسیل نانوذرات نقره برای آب آشامیدنی به عنوان یک ضد عفونی کننده در ترکیب با تکنیک های فیلتراسیون به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. محیط یا ماتریس مورد استفاده برای نانوذرات به طور گسترده ای متفاوت است و دارای پوشش روی فوم های پلی اورتان، فایبرگلاس، دانه های کوپلیمر، دانه های رزین پلی استایرن، دانه های کامپوزیت آلژینات، سرامیک، تیتانیا، کامپوزیت کربن فعال با مگنتیت های خودرو و باکتریایی است.
بسیاری از فیلترهای سرامیکی با پوشش نقره یا آغشته به نقره (با استفاده از AgNP یا AgNO3) به عنوان دستگاه های نقطه استفاده (POU) معمولاً در کشورهای در حال توسعه برای تصفیه آب آشامیدنی خانگی استفاده شده است. در 20 سال گذشته، نانوذرات نقره بر روی مواد/غشاهای سرامیکی به دلیل خاصیت آن ها در کاهش آلودگی و رسوب زیستی مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان مثال، افزودن نانوذرات نقره به فیلترهای سرامیکی ساخته شده با خاک رس و خاک اره، برای افزایش کارایی حذف اشریشیا کلی آماده شده است.
مطالعات اخیر نشان داده است که فیلترهایی که دارای تخلخل بالا هستند در مقایسه با فیلترهایی که تخلخل کمتری دارند، سرعت حذف باکتری بالایی دارند. مشخص شد که نانوذرات نقره کلوئیدی کارایی فیلتر را افزایش داده و فیلترها می توانند اشریشیا کلی را در محدوده بین 97.8 تا 100 درصد حذف کنند.
خواص ضد میکروبی نانوذرات نقره به خوبی شناخته شده است و این می تواند طیف وسیعی از پاتوژن های بالقوه مضر (مانند ویروس و باکتری) را خنثی کند. یافته‌های قبلی سه مکانیسم احتمالی را برای فعالیت‌های ضد میکروبی نانوذرات نقره پیشنهاد کرده‌اند: (1) نانوذرات نقره احتمالاً به غشای سلولی متصل می‌شوند که نفوذپذیری و همچنین عملکردهای تنفسی سلول را مختل می‌کنند و در نتیجه منجر به مرگ سلولی می‌شوند. ؛ (2) گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) توسعه یافته در سطح نانوذرات، تنش اکسیداتیو را اعمال می‌کنند که در نهایت باعث آسیب گسترده به DNA می‌شود. (3) یون های نقره آزاد شده از نانوذرات نقره منجر به اختلال در تولید ATP و تکثیر DNA می شود.
تصویر: مکانیسم برهمکنش بین نانوذرات نقره و سلول های باکتریایی
نانو ذرات طلا (AuNP)
مطالعات اخیر نشان داده است که AuNP ها می توانند به عنوان حسگرهایی برای تشخیص انواع آلاینده ها از جمله فلزات سنگین، آفت کش ها و میکروب های بیماری زا بر اساس پدیده هایی مانند تجمع یا تغییر رنگ وابسته به اندازه عمل کنند.به عنوان مثال، AuNP ها می توانند سایر ترکیباتی را که می توانند از طریق جذب به طور شیمیایی به سطح نانوذرات متصل شوند، حذف کنند. AuNP ها همچنین می توانند به عنوان یک کاتالیزور کاهش در چارچوب اصلاح آب عمل کنند. علاوه بر این، آن ها حداقل سمیت را در غلظت‌های پایین‌تر ایجاد می‌کنند که منجر به کاهش سمیت سلولی می‌شود و استرس اکسیداتیو را تنها در مواردی می‌توان مشاهده کرد که قرار گرفتن در معرض غلظت‌های بالاتر برای مدت طولانی رخ می‌دهد. مطالعات انجام شده قبلی نشان داده است که وقتی نانوذرات طلا در سیستم‌های زنده تزریق می‌شود، در نهایت می‌تواند بدون ایجاد هیچ گونه اثرات بدی بر سلامت یا رفتار طبیعی ارگانیسم، از سیستم دفع شود.
کامپوزیت های مختلف طلا مانند کامپوزیت AuPDMS (Au- polydimethylsiloxane) مواد جذابی برای تصفیه آب های آلوده به طیف وسیعی از آلاینده های معدنی و آلی هستند. این کامپوزیت یک ماده تا حدی جدید در نوع خود است که دارای گزینش پذیری برای حذف مولکول های بدبو است و همچنین می تواند به عنوان یک جاذب برای آلاینده های آلی مانند بنزن، تولوئن، اتیل بنزن، زایلن و نشت نفت عمل کند. می توان آن را در حین یا پس از سنتز به شکل و اندازه دلخواه درآورد که آن را برای ورود به کانال های آب یا توده های آبی برای کاربردهای زیست محیطی مناسب می کند.
نانوذرات آهن
استفاده از نانوذرات آهن برای حذف فلزات سنگین به دلیل مزیت های مقرون به صرفه و طبیعت دوستدار محیط زیست، محققان را مجذوب خود کرده است. به دلیل واکنش‌پذیری شیمیایی غیرمعمول بالای آن در مقایسه با مواد معمولی، آهن با ظرفیت صفر در مقیاس نانو (nZVI) بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. معرفی nZVI یک رویکرد جدید برای اصلاح خاک های آلوده و همچنین آب های زیرزمینی ارائه کرده است.به دلیل اندازه بسیار کوچک و سطح بزرگ، نانوذرات منفرد در مقایسه با آهن دانه‌ای که معمولاً در موانع واکنشی و برای تصفیه آب در محل استفاده می‌شود، بسیار واکنش‌پذیر هستند. همچنین می تواند مقدار قابل توجهی از آلاینده های آلی پلی کلره، آنیون های معدنی و فلزات سنگین محلول را به روشی بسیار کارآمد از محلول حذف کند. این ویژگی ها به طور قابل توجهی به عملکرد غیرمنتظره آن برای حذف آلاینده ها کمک می کند.
با این حال، در شرایط بی هوازی، Fe0 توسط H2O یا H+ اکسید می‌شود و Fe2+ و H2 تولید می‌کند که در آن هر دو به عنوان عوامل کاهش‌دهنده ممکن برای آلاینده‌ها عمل می‌کنند. واکنش ردوکس بین nZVI و آلاینده‌ها اتفاق می‌افتد و Fe2+ به Fe3+ اکسید می‌شود و Fe(OH)3 با افزایش pH تشکیل می‌دهد، در حالیکه Fe(OH)3 حذف آلاینده‌هایی مانند Cr(VI) را تسهیل می‌کند. علاوه بر این، ZVI توانایی تجزیه و همچنین اکسید کردن طیف وسیعی از ترکیبات آلی را در حضور اکسیژن محلول دارد.
علاوه بر این، ترکیب H2O2 و Fe2+ می‌تواند باعث ایجاد رادیکال‌های هیدروکسیل (HO) با قابلیت اکسیداسیون بسیار قوی شود. در حضور اکسیژن محلول، واکنش‌هایی مانند جذب، کاهش، رسوب و اکسیداسیون nZVI برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها از جمله ترکیبات آلی هالوژنه، ترکیبات نیتروآروماتیک، رنگ‌های آلی، فنل‌ها، فلزات سنگین، آنیون‌های معدنی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
اکسیدهای فلزی نانومقیاس
این مواد پتانسیل حذف یون فلزات سنگین از آب آلوده را دارند. در میان جاذب‌های موجود، اکسیدهای فلزی با اندازه نانو (NMOs)، اکسیدهای آهن، اکسیدهای منگنز، اکسیدهای آلومینیوم، اکسیدهای تیتانیوم، اکسیدهای منیزیم و اکسیدهای سریم، آن هایی هستند که می‌توانند برای حذف فلزات سنگین از آب آلوده استفاده شوند. به طور کامل یا جزئی به دلیل نسبت سطح به جرم بسیار بزرگ و واکنش شیمیایی بسیار بالاست. مطالعات اخیر نشان داد که NMO های مختلف دارای قابلیت جذب بسیار امیدوارکننده ای نسبت به فلزات سنگین از نظر قابلیت و گزینش پذیری بالاتر هستند که منجر به حذف آلاینده های سمی فلزات سنگین می شود.نانوکاتالیزورها
نانوکاتالیست ها به دلیل نسبت سطح به جرم و خواص وابسته به شکل و همچنین توانایی آن ها در افزایش سطح، به طور گسترده در تصفیه آب استفاده می شوند. فعالیت کاتالیزوری آن ها تخریب آلاینده های محیطی مانند آفت کش ها، علف کش های هالوژنه، رنگ های آزو، بی فنیل های پلی کلره و نیترو آروماتیک ها را بهبود می بخشند. فعالیت های کاتالیزوری در مقیاس بزرگ برای آلاینده های متعدد ثابت شده است. مطالعات نشان داد کهNanoTiO2 فعالیت فوتوکاتالیستی استثنایی، رطوبت دوستی، و سمیت انسانی کمتر، مقرون به صرفه بودن و پایداری شیمیایی بالاتر را نشان می دهد.نانو غشاها
غشاهای متشکل از نانوالیاف که می توانند ذرات میکرونی را از فاز آبی با سرعت بسیار بالا حذف کنند، به عنوان یک رویکرد پیش تصفیه در هنگام اقدام به سمت اولترافیلتراسیون یا اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرند. مطالعات متعدد مرتبط با نانوتکنولوژی غشایی بر تولید غشاهای چند منظوره از طریق معرفی نانومواد به غشاهای پلیمری یا معدنی معروف به نانوغشاهای مرکب تاکید کرده‌اند. به نظر می رسد معرفی نانوذرات اکسید فلزی مانند آلومینا، سیلیس، زئولیت و TiO2 به غشاهای اولترافیلتراسیون پلیمری، آب دوستی سطح غشاء و نفوذپذیری آب را بهبود می بخشد. اثر نانوذرات بر نفوذپذیری غشاء و گزینش پذیری آنها بر اساس نوع، ابعاد و تعداد نانوذرات اضافه شده تعیین می شود. بسیاری از غشاهای تحریک شده بیولوژیکی بسیار انتخابی و نفوذپذیر هستند.نانوذرات مغناطیسی
نانوذرات مغناطیسی (MNPs) دسته‌ای از نانوذرات هستند که معمولاً حدود 70 عنصر مانند آهن، نیکل و کبالت را تشکیل می‌دهند. این عناصر را می توان با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی کنترل کرد و بر اساس زیست سازگاری، حساسیت مغناطیسی و حالت سنتز می‌توان آن ها را برای اهداف محیطی درگیر کرد. MNP ها نه تنها در تغییرات محیطی بلکه در زمینه زیست پزشکی شامل درمان سرطان، فعالیت های ضد میکروبی، درمان آلزایمر، دارورسانی هدفمند و کاربردهای تشخیصی نیز مفید بوده اند.در حوزه صنعتی سازی، MNP ها کاربردهای مختلفی را ارائه می دهند: نانوذرات اکسید روی می‌توانند در پوشش‌های صنعتی پراکنده شوند تا از مواد چوبی یا پلاستیکی و منسوجات در برابر اشعه ماوراء بنفش محافظت کنند. نانوذرات نقره در پارچه‌ها برای از بین بردن باکتری‌ها به منظور مقاوم‌سازی لباس‌ها در برابر بو ساخته می‌شوند. اکسیدهای آهن مغناطیسی معمولاً به عنوان رنگدانه های مصنوعی در سرامیک ها، رنگ ها و چینی ها استفاده می شوند و یک کاتالیزور با استفاده از نانوذرات پلاتین-کبالت برای سلول‌های سوختی که بیش از 10 برابر بیشتر از پلاتین خالص فعالیت کاتالیزوری تولید می‌کنند، فرموله می‌شود. نانوذرات مغناطیسی که پایداری فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند، هدف بزرگی در کاتالیز دارند و می‌توانند برای کمک به جداسازی مؤثر کاتالیزورها، زباله‌های هسته‌ای، محصولات بیوشیمیایی و سلول‌ها قابل بازیابی باشند.
MNP ها به عنوان یک ابزار همه کاره برای اصلاح انواع مختلف آلاینده ها در آب، خاک و هوا شناخته می شوند.
دندریمرها
دندریمرها نانوساختارهای کروی هستند که جایگاه لیگاندهای مناسبی برای به دام انداختن یون های فلزی روی سطح خود با کمپلکس شدن دارند. واکنش پذیری، شکل و اندازه آن ها به تولید و ترکیب شیمیایی هسته، شاخه های داخلی و گروه های عملکردی روی سطح بستگی دارد. دندریمرها به دلیل اندازه بزرگشان، آلاینده ها را می چسبانند و در ساختارهای شاخه دار خود نگه می دارند و در نتیجه از عبور آن ها از غشاها جلوگیری می کنند.آن ها همچنین می توانند برای اهداف زیست محیطی مانند فرآیندهای صنعتی سازگار با محیط زیست یا برای تصفیه آب استفاده شوند. نمونه‌هایی از دندریمرهایی که ممکن است برای تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرند عبارتند از: دندریمرهای اتصال به کاتیون، اتصال به آنیون، اتصال به ترکیب آلی، اتصال به ترکیب بیولوژیکی، دندریمرهای اتصال به ویروس، و ترکیبی از آن ها. اگرچه غشاهای اولترافیلتراسیون در مقایسه با نانوفیلتراسیون یا اسمز معکوس به انرژی کمتری نیاز دارند، اما این غشاها به دلیل اندازه کوچکشان در حذف املاح مختلف آلی و معدنی محلول موثر نیستند. ترکیبی از دندریمرها با غشاهای اولترافیلتراسیون می‌تواند حذف موثر یون‌های فلزات سنگین، رادیونوکلئیدها، املاح آلی و معدنی و پاتوژن‌های بالقوه مضر از آب را تسهیل کند.
دندریمرهای پلی آمیدوآمین دسته ای از دندریمرها هستند که به دلیل وجود لیگاندهای نیتروژن به راحتی می توانند بسیاری از آلاینده های آلی، فلزات و یون های فلزی را با کمپلکس یا کپسوله کردن حل کنند. دندریمرها می توانند به عنوان نوعی اسفنج یون اورانیل عمل کنند که می تواند به حذف یون های اورانیل از طریق جذب کمک کند. آن ها همچنین فرصت هایی را برای اصلاح خطرات مرتبط با تولید انرژی هسته ای، ذخیره مشتقات اورانیوم و زباله های هسته ای باز می کنند.
بیوپلیمرهای نانومقیاس
بیوپلیمرهای نانومقیاس در اصلاح فلزات سنگین خاک و آب مورد توجه قرار گرفته اند. بیوپلیمرهای سفارشی شده را می توان با انتقال فاز با ویژگی بالا و قابل تنظیم سنتز کرد. از اتصال واحدهای پلی هیستیدین به بیوپلیمرها برای مهار Cd2+ استفاده شده است. به طور مشابه، پروتئین های MeR و ArsR (دو پروتئین تنظیم کننده) در پلیمرهای زیستی برای کنترل بیان آنزیم های مسئول سم زدایی جیوه (Hg) و آرسنیک (As) استفاده می شود. سمیت کمتری دارند و به راحتی از مواد بی خطر برای محیط زیست تولید می شوند. آن ها همچنین یک مسیر سازگار با محیط زیست برای پاکسازی فلزات سنگین از خاک و آب ارائه می دهند.
منبع: پوجا پاتانجلی، University of Delhi
