چالش‌های مهم در وضعیت جهانی آب که عمدتاً ناشی از رشد جمعیت در سراسر جهان و تغییرات آب و هوایی است، به فناوری‌های نوین تصفیه آب نیاز دارد تا از تامین آب آشامیدنی سالم اطمینان حاصل شود و آلودگی‌های آب کاهش یابد. انطباق فناوری نانو در تصفیه آب با فرآیند تصفیه آب سنتی فرصت‌های جدیدی را در پیشرفت‌های فناوری برای فرآیندهای مورد استفاده در تصفیه آب و فاضلاب پیشرفته ارائه می‌دهد. در این مقاله مروری بر پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو برای فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب، از جمله مواد مبتنی بر نانو مانند نانوجاذب‌ها، نانوفلزات، نانوغشاها ارائه می‌شود. خواص مفید این مواد در تصفیه آب و فاضلاب بسیار چشمگیر است اما دارای محدودیت‌هایی در مقایسه با روش‌های سنتی می‌باشند.
توسعه بلندمدت وضعیت جهانی آب ارتباط نزدیکی با رشد جمعیت جهان و تغییرات آب و هوایی جهانی دارد. رشد دائمی جمعیت جهان که پیش‌بینی می‌شود از 3.4 میلیارد نفر در سال 2009 به 6.3 میلیارد نفر در سال 2050 افزایش یابد (تقریباً دو برابر شود). طبق این پیش بینی آب مورد نیاز در بخش کشاورزی نیز با رشد 70 درصدی تا سال 2050 همراه خواهد بود. بنابراین، تقاضا برای آب شیرین رشد چشمگیری، به ویژه برای تولید مواد غذایی خواهد داشت. در حال حاضر 70 درصد از برداشت های آب شیرین جهان توسط بخش کشاورزی مصرف می‌شود. در حال حاضر سالانه 64 میلیارد متر مکعب آب شیرین مورد استفاده قرار می‌گیرد که با توجه محدودیت منابع آب شیرین رقم قابل توجهی می‌باشد.
مناطق خشک شمال آفریقا و تقریباً نیمی از کشورهای اروپایی (تقریباً 70 درصد جمعیت) با کمبود آب مواجه هستند. حتی کشورهای صنعتی مانند ایالات متحده آمریکا با استفاده از فناوری‌های بسیار نوآورانه مانند دستگاه های آب شیرین کن صنعتی برای صرفه‌جویی و تصفیه آب، در تامین آب آشامیدنی با دشواری هایی مواجه هستند زیرا میزان آب مصرفی بیشتر از میزان آب تصفیه شده تولیدی می‌باشد. در کشور چین، 550 شهر از 600 شهر بزرگ از کمبود آب رنج می‌برند، زیرا بزرگترین رودخانه‌ها به قدری آلوده شده اند که حتی برای استفاده جهت آبیاری گیاهان نیز مناسب نیست و باید تصفیه شود.
نانومواد و فیلتراسیون آب
فرآیندهای غشایی جزء کلیدی فن‌آوری‌های پیشرفته تصفیه و نمک‌زدایی آب در نظر گرفته می‌شوند و نانومواد مانند نانولوله‌های کربنی، نانوذرات و دندریمرها به توسعه فرآیندهای تصفیه آب کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کمک می‌کنند.
دو نوع غشای فناوری نانو وجود دارد که عبارتند از:
- فیلترهای نانوساختار، که در آنها نانولوله‌های کربنی یا آرایه‌های نانومورگ پایه‌ای را برای نانوفیلتراسیون فراهم می‌کنند.
- غشاهای نانو واکنشگر، که در آن نانوذرات دارای عملکرد تعیین شده به فرآیند فیلتراسیون کمک می کنند.
محققان همچنین خاطرنشان کردند که پیشرفت‌های شیمی ماکرومولکولی مانند سنتز پلیمرهای دندریتیک فرصت‌هایی برای پالایش و همچنین توسعه فرآیندهای فیلتراسیون مؤثر برای تصفیه آب آلوده به املاح آلی مختلف و آنیون‌های معدنی فراهم کرده است.
مهمترین کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب آشامیدنی
حذف آرسنیک
آرسنیک ماده ای بسیار سمی و سرطان‌زا می‌باشد که بدون بو و مزه می‌باشد. استفاده طولانی مدت از آب آلوده به آرسنیک می‌تواند موجب ایجاد سرطان‌های پوستی، ریوی، کلیوی و لنفاوی شود. طبق استانداردهای سازمان جهانی بهداشت مقدار مجاز برای آرسنیک در آب برابر با 10 میلی گرم در لیتر می‌باشد. بنابراین حذف این ماده خطرناک از آب آشامیدنی جزو ضروریات به شمار می‌رود که برای حذف آن می‌توان از فناوری‌های نوین موجود استفاده نمود. در ادامه به توضیح دو نمونه از روش‌های مورد استفاده برای این منظور می پردازیم :
طبق آخرین تحقیقات دانشمندان جهت حذف آرسنیک از آب، از نانو ذرات اکسید روی برای این منظور استفاده نموده اند. این در حالی است که اکسید روی به صورت توده ای قادر به حذف آرسنیک نیست اما نانو ذرات آن خاصیت کاتالیستی و جذبی خوبی از خود نمایش داده اند. استفاده از این نانو ذرات به صورت صنعتی با مشکلاتی همراه بوده است به گونه ای که این نانو مواد به راحتی در آب معلق می‌شوند و باعث گرفتگی و مسدود شدن فیلترها می‌شوند. برای حل این مشکل محققان رزین های تبادل کاتیون را با یون‌های روی پرکرده و آنها را سوزاندند. در نتیجه گوی هایی از جنس دی اکسید روی به دست آوردند که در حذف آرسنیک بسیار موثر عمل می‌نمایند.
یک رزین مبادله یونی به نام ArsenXnp در جهت تصفیه آب‌های زیرزمینی ساخته شده که از یون‌های نیترات، پرکلرات و کروم شش ظرفیتی تشکیل یافته است. ArsenXnp در حذف آرسنیک از آب راندمان بالایی نشان داده است. از مهمترین مزایای این رزین مبادله یونی می‌توان به انتخابگری بسیار بالای آن برای یون آرسنیک اشاره کرد که نیاز به شستشو نیز ندارند. در واقع استفاده از این محصول بسیار ساده بوده و از عمر طولانی نیز بهره می‌برند. با استفاده از این فن آوری علاوه بر حذف آرسنیک از آب‌های آشامیدنی، امکان حذف آرسنیک از آب‌های استفاده شده در برج خنک کننده نیز فراهم می‌باشد.
نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون به عنوان یکی از مهمترین استفاده‌های فن آوری نانو محسوب می‌شود که امکان فیلتر ذرات از آب در مقیاس نانو را فراهم می‌سازد و در نتیجه می‌توان از آن در تصفیه حجم انبوهی از آب مورد استفاده قرار داد. در روش نانوفیلتراسیون غشای موجود با جلوگیری از عبور ناخالصی‌ها سبب جداسازی مواد آلاینده از آب می‌شود. برای دستیابی به این منظور نیازمند استفاده از نیروی جلوبرنده هستیم که این نیرو می‌تواند اختلاف دما، اختلاف غلظت، اختلاف فشار و یا اختلاف پتانسیل باشد.
با استفاده از نانوفیلترها مواد و املاح مورد نیاز بدن از آب حذف نمی‌شود و فقط مواد مضر و سمی از آب حذف می‌شود. با اینکه درصد بالایی از آب‌های زیرزمینی و آب رودخانه‌ها دارای آلودگی‌هایی می‌باشند که آنها را غیر قابل شرب و استفاده می‌نمایند لذا با استفاده از روش نانوفیلتراسیون می‌توان این آب‌ها را تصفیه و مورد استفاده قرار داد. طبق تحقیقات انجام شده در این باره، استفاده از آب تصفیه شده توسط روش نانوفیلتراسیون می‌تواند در طولانی مدت به میزان قابل توجهی از شیوع بیماری‌های قلبی و عروقی و حتی سرطان جلوگیری نماید.
حذف نیترات
با استفاده از نانو ذرات آهن امکان حذف نیترات از آب با راندمان بالا فراهم می‌باشد اما با محدودیت‌هایی نیز همراه است. در شرایط ایده آل و زمانیکه غلظت نیترات در آب بین 50 تا 300 میلی گرم بر لیتر باشد در طول مدت 3 ساعت و با استفاده از نانو ذرات آهن می‌توان غلظت نیترات را به 4 تا 5 میلی گرم بر لیتر کاهش داد. در طی این فرآیند PH آب به عنوان عاملی تعیین کننده در میزان تاثیر نانو ذرات آهن در حذف نیترات به حساب می‌آید بطوریکه در طی یک آزمایش در آب با PH کمتر از 4 و در طول مدت 3 ساعت هیچ تغییری در غلظت نیترات آب مشاهده نشده است. با تزریق اسید به آب و کاهش PH به محدوده 2 تا 4 راندمان فرآیند به میزان زیادی افزایش می‌یابد.
حذف فلزات سنگین
نانوذرات TiO2 برای اکسید نمودن آلودگی‌های ناشی از مواد آلی و همچنین حذف فلزات سنگین از آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نانو ذرات در هنگام واکنش به عنوان عامل اکساینده عمل می‌نمایند و تولید آب یا دی اکسید کربن می‌نمایند. طبق مطالعات اخیر پژوهشگران از نانو ذرات TiO2 می‌توان جهت حذف عوامل آلاینده مانند ویروس ها، باکتری ها و مواد شیمیایی آلی خطرناک استفاده نمود. ذرات نانو با سطوح مناسب می‌توانند در جداسازی فلزات سنگین و همچنین پاکسازی سطوح آلوده مورد استفاده قرار گیرند.
حذف رنگ
رنگ‌های محلول در آب آشامیدنی می‌توانند منشاء تولید تری هالومتآن‌ها باشند که بسیارخطرناک به حساب می آیند. این مواد در ترکیب با کلر باعث تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات مضر سرطان‌زا می‌شوند. رنگ‌هایی که احتمالا در آب‌های طبیعی مشاهده می‌شوند ناشی از اسیدهای معدنی می‌باشند. این اسیدها معمولا در اثر تجزیه مواد آلی موجود در آب تولید می‌شوند. بیشتر روش‌های تصفیه آب متداول قادر به حذف رنگ آب نیستند اما با استفاده از غشاهای نانو می‌توان به راحتی این رنگ‌ها را از آب جداسازی نمود.
محدودیت فناوری نانو در تصفیه آب
نانوتکنولوژی یک روش جایگزین بسیار موثر برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها از هر نوع منبع آب است. علیرغم توانایی بالای آنها در حذف آلاینده‌های خاص، نانومواد دارای محدودیت‌های خاصی در این زمینه می‌باشند، به ویژه زمانی که جذب بالقوه این مواد در طبیعت را در نظر می‌گیریم. به عنوان مثال، نانوذرات TiO2 و نقره، برخی از رایج‌ترین گونه‌های نانوذرات مورد استفاده، می‌توانند اثرات مضر خاصی بر موجودات آبزی از جمله باکتری‌ها، جلبک‌ها، بی مهرگان، ماهی‌ها و گیاهان داشته باشند. برای مبارزه با اثرات نامطلوب احتمالی مرتبط با استفاده از برخی از سیستم‌های تصفیه آب نانو، ضروری است که تلاش‌های گسترده ای برای توسعه سیستم‌های بسیار کارآمدی که قادر به نظارت بر سطوح مواد نانو مهندسی شده در منابع آب هستند، انجام شود.