هوالحنان
فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب
افزایش جمعیت جهان
کاهش منابع آب آشامیدنی
آلودگی منابع آب ناشی ازافزایش آلودگی های زیست محیطی
مقدمه:
کمبود آب آشامیدنی
چه باید کرد؟
استفاده از فناوری های نوین از قبیل :
زیست فناوری
نانو فناوری
امکان بازیافت آب
– دسترسی به یک منبع مناسب برای
مصارف گوناگون
علم نانو
– عبارت است از مطالعه و پژوهش وسایل و ساختار هایی که در کوچکترین واحد دیمانسیون (200 )نانومتر یا کوچکتر وجود دارند
-واژه نانو از یک کلمه یونانی به معنای" کوچک یا ریز" مشتق شده است
– نانو به اندازه بین 1تا 100 نانو متر می گویند
– اندازه ی سلول زنده معادل یک میکرون (1000 نانومتر ) است.
تفاوت فناوری نانو باسایر فناوریها
– تفاوت درمقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند
کوچک بودن اندازه مد نظرنیست
زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرند، خصوصیات ذاتی آنها از قبیل رنگ، استحکام، مقاومت و خوردگی و… تغییر می کند
– تفاوت به عناصر پایه آن بر می گردد این عناصر همان عناصر نانومقیاسی هستند که دارای خواصی متفاوت با مقیاس ماکروشان می باشند
عناصر پایه در فناوری نانو
نانو ذرات:اولین و مهمترین عنصر پایه در هر سه بعد مانند نانوذرات فلزی،سرامیکی
نانو لوله کربنی: لوله هایی ازصفحات گرافیتی تک یا چنددیواره
نانو کپسول: کپسولهایی با قطر نانو متری( فسفولیپیدها نانوکپسول طبیعی با یکسرآب گریز ویک سرآبدوست)
زیست فناوری
نانوفناوری
نانوحسگرهای زیستی
تشخیص سریع و کامل آلودگی آب
فناوری های نوین درتصفیه آب وفاضلاب
نانو سنسورها
نانو فیلترها
نانو فتوکاتالیست ها
مواد نانو حفره ای
نانو ذرات
ویژگی نانوسنسورها
شناسایی سریع مواد خارجی و ویروس
دارای عکس العمل سریع در مقدار کم
کوچک و قابل حمل
دقیق وقابل اطمینان
مقاوم و مستحکم
نانوسنسوربیوآناتیکال bioanalytical biosensor) ):
نانو سنسوری است که قادر به شناسایی پاتوژن، آلودگی، فلزات سنگین ، مواد آلرژی زاو ویژگی های
محیطی (روشنی، تاریکی، گرمی، سردی، خشکی و تری) می باشد.
-یک ذره کوچک ویروس را قبل از تکثیر ویروس و قبل از بروز علایم، در گیاه و حیوان شناسایی کند.
– امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می کند.
-آب تصفیه شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب معدنی تصفیه شده ارزش دارد.
با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می شود.
-نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روش های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون است.
– اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدارآلاینده های معدنی و قلیایی نسبت به حد مجاز دارای نقایصی است.
– روش اسمز معکوس به دلیل تولید خلوص بیش از حد محصول و بالا بودن قیمت کاربرد کمتری دارد .
نانوفیلتراسیون
غشاهای نانوفیلتراسیون
لایه نازک و متراکم
عمل جداسازی
لایه محافظ
حفاظت در برابر فشار سیستم
2نوع اند:
باردار: حذف به دلیل بر هم کنش های الکتروستاتیک بین سطح غشا
و گونه های باردارمثال: ترکیبات یونی
غیرباردار: حذف مولکولهای بدون بار بر پایه غربالسازی مثال:
مولکولهای آلی
2لایه اند:
هزینه حمل و نقل و دفع آن کمتر است
به کمک تجهیزات خاص،غشاء ها به طور خودکار تمیز می شود.
هزینه انرژی به مراتب از اسمز معکوس کمتر می باشد
دارای قدرت انتخاب گری در حذف یون می باشد
مزایای نانوفیلترها
کاربرد نانو فیلترها
حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
حذف آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
حذف کاتیون ها و سختی
حذف کروم (VI)، اورانیم، آرسنیک
حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن وتتراکلرواتیلن
حذف آنیون ها
حذف پاتوژن ها
حذف ویروس هایی به اندازه 25 نانومتربخوبی عوامل بیماری زای بزرگتر مانند باکتری ای – کولای
نانوفتوکاتالیست
– ماده ای است که در اثر تابش نور بتواند منجر به بروز یک واکنش شیمیایی شود
خود ماده،دست خوش هیچ تغییری نمیشود.
– مستقیماً در واکنش های اکسایش و کاهش دخالت ندارند و فقط شرایط موردنیاز برای انجام واکنش ها را فراهم می کنند
TIO2 (تیتانیم دی اکسید) نانوفتوکاتالیست ایده ال
استفاده بصورت زیرلایه های مناسب در شیشه و یا ترکیبات سیلیسی
قرار گرفتن در حوضچه های مخصوص تحت تابش نور ماوراء بنفش
استثناء :نور مرِیی را جذب نمی کند
نحوه حذف آلاینده ها توسط :Tio2
آلکان ها، آلکن ها، آلکین ها، اترها، آلدئیدها، الکل ها،
ترکیبات آمینی، ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی
تبدیل به آب و دی اکسید کربن
دارای سطوح بسیار وسیع تری در مقایسه با مواد در ابعاد بزرگ
قادر به بر هم کنش با گروه های شیمیایی مختلف به منظور افزایش میل ترکیبی آنها با ترکیبات ویژه
به عنوان لیگندهای قابل بازیافت با ظرفیت و عملکرد انتخابی بسیار بالا برای یون های فلزی ، حلال های آلی و معدنی
ویژگی نانومواد
نانو مواد حفره ای
– زیر مجموعه مواد نانو ساختار می باشد
– دارای شکل ساختمانی، خواص حجمی و سطح منحصر به فرد بوده در زمینه های مختلف کاربرد دارد
فرایندهای تعویض یونی
جداسازی
کاربردهای کاتالیستی
ساخت حسگرها
ایزولاسیون ملکول های زیستی
خالص سازی
کاربرد نانوموادحفره ای
تقسیم بندی مواد نانو حفره ای
میکروپور:
مزوپور:
ماکروپور:
دارای حفره های به قطر بین 2 تا 50 نانومتر
دارای حفره هایی با قطر بیشتر از 50 نانومتر
دارای حفره هایی به قطر کمتر از 2 نانومتر
براساس اندازه قطر منافذ به سه دسته تقسیم میشوند:
جنس ماده (آلی یا معدنی،سرامیک یا فلز)
شکل حفره ها
اندازه حفره ها
توزیع حفره ها
ترکیب حفره ها
فاکتورهای تعیین کننده نوع کاربرد ماده نانوحفره ای
انواع مواد نانو حفره ای
کربن های نانوحفره ای
زئولیت های نانوحفره ای
پلیمرهای نانوحفره ای(نانوپروس پلیمر)
جذب گازهای آلاینده
بصورت بسته های کاتالیستی
فیلترهای تصفیه آب
مخزن نگهداری گاز
کاربردکربن های نانوحفره ای
کاربرد زئولیت های نانوحفره ای
تصفیه آب شرب و پساب های صنعتی
حذف یون های فلزات سنگین
کاربرد پلیمرهای نانوحفره ای
جاذب(کاربرد عمده)
جداسازی ملکول های آلی خاص از سیستم های بیولوژیکی
حذف آلودگی های ناشی از ترکیبات آلی نظیر فنل ها
نانو ذرات
اولین و مهمترین عنصر پایه در هر سه بعد میباشند مانند نانوذرات فلزی وسرامیکی
کاربرد نانو ذرات
حذف آرسنیک با نانو ذرات سریم
حذف آرسنیک با نانو ذرات اکسید آهن
حذف کروم با نانو ذرات آهن
حذف مس، کبالت و نیکل با نانو ذرات آهن
حذف ترکیبات آلی با نانو ذرات آهن
حذف آلاینده ها با نانو ذرات آهن در محل
کاهش نیترات با نانوذرات دوفلزی پالادیم- مس
گندزدایی آب با نانو ذرات نقره
تصفیه آب به کمک نانوذرات
نانوذرات لانتانیوم
نانوپودرها
نانوذرات آهن
نانوبلورهای مغناطیسی
جذب فسفات وجلوگیری از رشد جلبکها(کاربرد در حوضچه ها و استخرهای شنا)
پاکسازی خاک های آلوده و آب های زیرزمینی
اکسید کردن ودرهم شکستن ترکیبات آلوده(تری کلرواتیلن، تتراکلرید کربن، دیوکسین ها)
وتبدیل آنها به ترکیبات کربنی بادرجه سمیت پایین
جاذب ارسنیک (آلاینده بسیارسمی که مصرف آن سبب ایجاد سرطان مثانه وروده میشود)
خصوصاً در pH پایین بوده وخاصیت جذبی غیر قابل بازگشت این ذرات مخزن مناسبی
برای جمع آوری آلاینده ها فراهم می کند
تصفیه پساب های صنعتی
مواد موجود در پسابهای صنعتی:
مواد نامحلول روغنی شامل روغن ها و گریس ها حذف توسط میکروفیلتراسیون
اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی(درپساب های صنعتی صنایع شوینده) حذف توسط نانوفیلتراسیون
1- آشغالگیری 2- ته نشینی 3- شناورسازی 4- خنثی سازی و متعادلسازی
تصفیه ثانویه
1- روش لجن فعال 2- هوادهی ممتد 3- لاگونهای هوادهی 4- استخرهای متعادلسازی 5- تصفیه بی هوازی
تصفیه نهایی
تصفیه اولیه
1- گندزدایی
2- کاهش BOD 3- حذف یا کاهش رنگ و بوی پساب 4- اکسایش یونهای فلزی 5- اکسایش سیانیدها به مواد بی ضرر
تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال
استفاده از کلر درتصفیه فاضلاب
در آخرین مرحله تصفیه به عنوان ماده ضدعفونی کننده استفاده میشود
قادر به حذف موجودات زنده بسیار ریزمیباشد
معایب استفاده ازکلر درتصفیه فاضلاب
واکنش با آلاینده های ارگانیک وایجاد محصولات جانبی تجزیه ناپذیر و سمی
انتقال این مواد به محیط زیست و استفاده از آنها در کشاورزی و دیگر صنایع وایجاد مشکلات بهداشتی
بجا ماندن ترکیبات ارگانیک زیادی در آب حتی پس ازکلریناسیون
هدف ازتصفیه فاضلاب بااستفاده ازفناوری نانو
تصفیه فاضلاب ها بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت
حذف سومین مرحله تصفیه یعنی ضدعفونی با کلرواستفاده ازنانوکاتالیزورنوری
حذف همزمان موجودات زنده و ترکیبات آلی
تبدیل فاضلاب به یک منبع آب مناسب
– پراکنده شدن ذرات کاتالیزوری به صورت همگن در محلول
– یا رسوب روی ساختارهای غشایی
– واکنش سلول کاتالیزوری نوری با اشعه فرابنفش نور خورشید وتولید انرژی
– ازبین بردن موجودات زنده ریزتوسط انرژی حاصل از واکنش بالا
– تجزیه ترکیبات تجزیه ناپذیر
مزیت: به دلیل امکان استفاده مجدد بسیار مقرون به صرفه است
نحوه تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزورنوری
نانوکاتالیزورهای نوری
کاتالیست پالادیم :
کاتالیست آهن :
نانوبلورهای تیتانیوم :
C60:
تبدیل تری کلرو اتیلن به ماده غیرسمی اتان
روشی پرهزینه
تبدیل تری کلرو اتیلن به مواد واسطه سمی مانند وینیل کلراید
معایب
باسطح ویژه بالا (بیش از 250 m²/g ) برای حذف آروماتیک های آلی بکار میرود
با تولید رادیکال آزاد امکان تجزیه آلاینده ها فراهم میشود
نکته : TCE بعنوان حلال رایج در روغن زدایی ازفلزات وقطعات الکترونیکی بکار میرود
ماده سمی رایج در منابع آب است
دراثر تماس با بدن باعث بروزسرطان وصدمه دیدن کبد میشود
باتشکر