کاربرد فناوری‌نانو در پاکسازی محیط زیست‎

کاربرد فناوری‌نانو در پاکسازی محیط زیست‎

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری‌نانو در محیط زیست، تصفیه آلاینده‌های آب‌های زیرزمینی با نانوذرات nZVI (zero-valent iron) است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد، اما نامشخص بودن خصوصیات اساسی این فناوری مشکلاتی در رابطه با استفاده بهینه و یا ارزیابی خطرات آن از لحاظ انسانی و اکولوژیکی به وجود آورده است.
در این مقاله به سه مورد اساسی که باعث سوء تفاهم در مورد این فناوری می‌شود اشاره می شود:
nZVI هایی که در تصفیه آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شوند بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که تأثیرات حقیقی در اندازه نانو را نشان می‌دهند.
واکنش‌پذیری بالای این ذرات عمدتاً نتیجه سطح ویژه بالای آنها است.
تحرک nZVI تقریباً در تمامی شرایط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفیه به حداقل می‌رسد.
به هر حال هنوز سئوالات زیادی در مورد این فناوری وجود دارد: مثلاً این که چگونه nZVI به سرعت جابه‌جا خواهد شد؟ این جابه‌جایی به سمت چه محصولاتی است؟ آیا این مواد در محیط زیست قابل تشخیص هستند؟ و اینکه چگونه تغییرات سطح nZVI باعث تغییر طول عمر و تأثیر آن روی تصفیه خواهد شد؟
کاربردهای نویدبخش فناوری‌نانو در محیط زیست بسیار زیاد است؛ این مطلب در ”پیشرفت محیط‌زیستی“ به عنوان یکی از هشت زمینه پیشرو فناوری‌نانو که از جانب NNI تعیین شده منعکس شده است. در حقیقت، تقریباً تمام برنامه‌های NNI (پدیده‌های بنیادی، مواد، روش‌ها، اندازه‌گیری و غیره) جنبه‌های محیطی دارند. نگرانی‌های زیست محیطی تقریباً در تمام 11 سازمان حاضر در برنامه NNI قابل مشاهده است.
بیشتر کاربردهای زیست محیطی فناوری‌نانو در سه مقوله جای می‌گیرند:
محصولات بی‌خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز؛
تصفیه موادی که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند؛
حسگرهایی برای ذرات محیطی.
با اینکه معمولاً این سه مقوله در زمره موادشیمیایی یا مواد نانوبیولوژیکی تلقی می‌شود باید توجه کرد که این موارد می‌تواند در مورد عوامل میکروبی و مواد زیست‌محیطی نیز کاربرد داشته باشد. فناوری‌نانو‌ نقش مهمی در بهبود روش‌های کشف و پاک‌سازی عوامل زیست‌محیطی مضر دارد.
دو فناوری متعارف تصفیه که در فناوری‌ ‌نانو نیز از آنها استفاده می‌شود عبارتند از: جاذبه و واکنش درجا و غیردرجا. در فناوری‌ تصفیه جاذبه‌ای به کمک فرآیند جداسازی، آلاینده‌ها (به خصوص فلزات) را جدا می‌کنند؛ در حالی که فناوری‌ واکنشی باعث تجزیه آلاینده‌های می‌شود. گاهی اوقات تمام روش‌ها به سمت تولید محصولات کم ضررتر است مثلاً در مواردی که آلاینده‌ها آلی باشند محصولاتی مثل CO2 و H2O تولید می‌شود.
در فناوری‌‌ درجا، پاک‌سازی آلودگی در همان محل آلودگی صورت می‌گیرد در حالی که در فناوری‌ غیر درجا، عملیات پاک‌سازی پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان‌ مطمئن انجام می‌شود؛ به عنوان مثال آب‌های زیرزمینی آلوده به سطح زمین پمپ شده و پاک‌سازی آنها در راکتورهای واقع در سطح زمین انجام می‌شود.

فناوری‌نانو غیردرجا

یک مثال برجسته از فناوری‌نانو برای تصفیه آلاینده‌ها از طریق جذب سطحی، تک لایه‌های خودآرا روی پایه میان حفره‌ای یا SAMMS است. SAMMS از طریق خود آرایی‌ یک لایه از عوامل سطحی فعال شده بر روی پایه‌های سرامیکی میان حفره‌ای به وجود می‌آید که سبب ایجاد موادی با سطح ویژه بسیار بالا (تقریباً1000 m2/g) می‌شود. خصوصیات جذبی این مواد را به گونه‌ای می‌توان تنظیم کرد که آلاینده‌های خاص مثل جیوه، کرومات، آرسنات، پرتکنتات، و سلنیت را جذب کند.
پلیمرهای درخت‌سانی، نوع دیگری از مواد نانوساختار هستند که پتانسیل تصفیه آلاینده‌ها را دارند. نمونه‌های جدید این روش شامل اولترافیلتراسیون بهبود یافته با درخت‌سان‌ها به منظور حذف Cu+2 از آب و حذف آلاینده‌های Pb+2 از خاک است.
این دو نوع نانوساختار جاذب که در فرایندهای غیردرجا استفاده می‌شوند، می‌توانند مواد پرخطر را در غلظت بالایی در سطح خود جمع کنند.
تجزیه آلاینده‌ها به کمک فناوری نانو بر خلاف تصفیه از طریق جذب مختص آلاینده‌های آلی است. روش رایج تصفیه آلاینده‌های آلی فوتواکسیداسیون (photooxidation) به وسیله کاتالیزورهای نیمه‌رسانا (مثلTiO2 ) است. قابلیت فوتوکاتالیست‌های کوانتومی (اندازه ذره تقریباً 10 nm) مدت‌هاست که در تجزیه آلاینده‌ها شناخته شده‌ است.
به هر حال همان‌طور که در توضیح فناوری‌های جاذب گفته شد فوتواکسیداسیون به وسیله نیمه‌هادی‌های نانوساختار یک روش غیردرجا است؛ چون به نور نیاز دارد و باید در یک راکتور که برای این کار طراحی شده است؛ انجام شود.

فناوری‌نانو‌ درجا

سه روش کاربرد ذرات Fe برای تصفیه آب‌های زیرزمینی:
(a) یک سر واکنشی نفوذپذیر مرسوم که از Fe گرانولی با اندازه میلی‌متری ساخته شده است؛
(b) یک ناحیه پاک‌سازی واکنشی که به وسیله تزریق پی‌درپی نانوذرات Fe شکل گرفته است؛
(C) پاک‌سازی آلاینده‌های فاز مایع بدون آب (DNAPL) به وسیله تزریق نانوذرات متحرک.
در شکل‌های b و c نانوذرات با نقاط سیاه، و نواحی تحت تأثیر آنان با رنگ روشن معین شده‌اند.
در شکل b فرض بر این است که نانوذرات در محیط‌های متخلخل تحرک اندکی دارند؛ درحالی که در شکل C نانوذرات به منظور تحرک بیشتر تغییر و بهبود یافته‌اند.
توجه کنید که واکنش تنها زمانی رخ می‌دهد که آلاینده‌ها به صورت محلول در آب‌های زیرزمینی باشند و یا مثل DNAPL به سطوح Fe متصل باشند.
تجزیه درجای آلاینده‌ها، بر سایر روش‌ها ارجحیت دارد؛ زیرا این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر است. البته تصفیه درجا مستلزم تداخل آلاینده‌ها با عملیات پاک‌سازی است و این خود مانع اصلی در توسعه و بسط این نوع فناوری‌ها است. امکان تزریق نانوذرات (واکنشی و جذبی)، در محیط‌های متخلخل آلوده‌ مثل خاک‌ها، رسوبات و محیط‌های آبی، سبب شده است تا این روش از پتانسیل بالایی برخوردار باشد. در این روش یکی از دو امکان زیر باید وجود داشته باشد:
ایجاد نواحی واکنشی درجا با نانوذراتی که تقریباً بی‌حرکت هستند؛
ایجاد توده نانوذرات واکنشی که به سمت مناطق آلوده حرکت می‌کنند؛ البته اگر این نانوذرات به اندازه کافی متحرک باشند.
در زیر بیشتر به تحرک درجای نانوذرات می‌پردازیم، زیرا تحرک درجای نانوذرات معمولاً باعث ایجاد سوء تفاهم در فهم مطلب می‌شود.
با وجود اینکه نانوذرات گوناگونی (مثل دو قطبی غیریونی، پلی‌یورتان و یا فلزات نجیبی روی پایه آلومینا) در تصفیه درجا قابل استفاده‌اند؛ اما تا به حال بیشترین توجه به نانوذرات حاوی nZVI شده است. تمایل به استفاده از nZVI برای تصفیه باعث بهبود شیمی تصفیه و یا گزینه‌های توسعه آن شده است.
این امر منجر به انتقال بسیار سریع این فناوری از مرحله آزمایشگاهی به مرحله نیمه‌صنعتی شده است. کاربردهای تجاری nZVI در تصفیه به سرعت رایج و بازارهای رقابتی شدیدی در زمینه مواد حاوی nZVI و تأمین کنندگان خدمات آن به وجود آورده است.
برخی تصورات غلط راجع به اصول اساسی فناوری تصفیه مبتنی بر nZVL کاربردهای آن در محیط زیست وجود دارد. با اینکه این مطالب بسیار به هم وابسته‌اند ولی ما می‌توانیم آنها ر ا در سه گروه تقسیم کنیم: ریخت‌شناسی ذره، واکنش‌پذیری و تحرک.
در ادامه، نکات کلیدی سه دسته بالا را توضیح می‌دهیم تا بتوانیم به یک جمع‌بندی راجع به این فناوری‌ دست یابیم و از این طریق به پیشرفت‌های زیست محیطی فناوری کمک کنیم.

ویژگی‌های نانوذرات

ریخت‌شناسی

تعریف‌های گوناگونی در مورد اندازه نانو ارائه شده است؛ اما باید به این نظریه اشاره کرد که اندازه نانو محدوده‌ای از اندازه مولکول‌ها و مواد است که ذرات در این محدوده، خواص بی‌همانند یا به طور کیفی، متفاوت با ذرات بزرگ‌تر از خود دارند.
سطح ویژه با فرض این که ذرات به صورت کرومی با ذره برآوردی از قطر زیاد دایره‌ای هندسی و چگالی 7.6 g/Cm3 هستند. (بر پایه میانگین چگالی‌های FeO و Fe3O4 خالص)
بیشتر نمونه‌هایی که این خواص را دارند، دارای اندازه‌ای در محدوده کوچک‌تر از 10 نانومتر هستند؛ زیرا در این محدوده، اندازه ذرات به اندازه آنها در شرایط مولکولی پایدار نزدیک‌تر است.
یکی از این مثال‌ها محدوده کوانتومی است که به این علت به وجود می‌آید که با کاهش اندازه ذرات، باند گپ (bandgap) افزایش یافته، باعث به وجود آمدن برخی ویژگی‌های مفید در فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی می‌شود که در بخش فناوری‌های غیردرجا توضیح داده شد.
خصوصیات دیگری که در اندازه‌های زیر 10 نانومتر تغییر می‌کند سطح ویژه است .
از نظر کیفی فاکتورهای دیگری نیز وجود دارند که در تعیین این خصوصیات دخالت دارند، مثل نسبت اتم‌های سطحی به اتم‌های توده و قسمتی از حجم ذره که شامل ضخامت محدود لایه سطحی است (حجم سطحی).
آماده‌سازی nZVI برای استفاده در کاربردهای تصفیه‌ای، به طور معمول در این محدوده- بین چند ده تا چند صد نانومتر- انجام می‌شود. علاوه بر این، ذرات nZVI حتی تحت شرایط آزمایشگاهی هم تمایل دارند که به هم بپیوندند و متراکم شوند و در نتیجه مجموعه‌هایی تولید می‌شود که اندازه آنها ممکن است نزدیک چند میکرون شود. این بدان معنی است که nZVI و مواد مرتبط با آن که در کاربردهای تصفیه محیط‌زیست استفاده می‌‌شوند، خصوصیات فوق‌العاده مورد انتظار برای نانوذرات حقیقی را از خود نشان نخواهند داد و اغلب همانند کلوئید‌های محیط زیست رفتار خواهند کرد.

واکنش‌پذیری

واکنش‌پذیری زیاد نانوذرات می‌تواند نتیجه سطح ویژه بالای نانوذرات، چگالی بیشتر نواحی واکنش‌پذیر روی سطوح ذره و یا افزایش واکنش‌پذیری این نواحی بر روی سطح باشد.
این فاکتورها مجموع سه نتیجه واضح وکارا را در مورد nZVI در پی داشته است:
تجزیه آلاینده‌هایی که واکنش‌ چندانی با ذرات بزرگ‌تر نمی‌دهند. مانند پلی فنیل های کلرینه شده؛
تجزیه بسیار سریع‌تر آلاینده‌هایی که پیش از این با سرعت‌های مناسبی با ذرات بزرگ‌تر واکنش نشان می‌دادند، مانند اتیلن‌های کلرینه شده؛
دسترسی به محصولات مطلوب‌تر با تجزیه آلاینده‌هایی که به وسیله مواد بزرگ‌تر سریعاً تجزیه می‌شوند؛ اما باعث به وجود آمدن محصولات فرعی نامطلوبی مثل تتراکلریدکربن می‌شوند.
از این سه دسته تأثیرات واکنشی، دومین دسته (تجزیه سریع‌تر آلاینده‌های قابل تجزیه) بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. علت این تأثیر با اینکه یک مسئله بسیار کاربردی، بنیادی و با اهمیت است کمتر شناخته شده است.
مقایسه ثابت‌های سرعت احیایCL4 به وسیله nZVI و دو نوع Fe در اندازه‌های میلی‌متری. مناطق روی نمودار تقریباً بر مبنای 50 داده از منابع مختلف هستند.
ما برای تجزیه تتراکلرید کربن به وسیله nZVI ، نسبت ثابت سرعت‌های نرمال شده بر حسب سطح ویژه ksa را با ثابت سرعت‌های نرمال شده بر حسب جرم km مقایسه کردیم، نتایج نشان داد که ksa برای نانوذرات nZVI برابر این پارامتر در ذرات میلی‌متری nZVIاست؛ اما km آن بزرگ‌تر از ذرات میلی‌متری است. بنابراین تجزیه سریع‌تر تتراکلرید کربن به وسیله nZVI به خاطر سطح ویژه بالای آن است، نه به خاطر بیشتر بودن فراوانی نقاط واکنش‌پذیر روی سطح و یا واکنش‌پذیرتر بودن این نقاط. این نتیجه ممکن است در مورد سایر آلاینده‌هایی که با nZVI واکنش می‌دهند نیز صدق کند اما اطلاعات ما در این مورد ناکافی است.
باید توجه داشت که این تحلیل شامل ترکیبات دوفلزی nZVI با کاتالیزرهای فلزات نجیب مثل Pd، Ni و Cu نیست. این مواد دو فلزی معمولاً دارای مقادیر ksa بالایی هستند، ولی این افزایش در درجه اول نتیجه تأثیر خاصیت کاتالیستی فلزات نجیب است که در مورد ذرات بزرگ‌تر نیز مشاهده می‌شود.
اما مشکلی که هست این که افزایش واکنش‌پذیری معمولاً همراه با کاهش انتخاب‌پذیری است که موجب واکنش nZVI با مواد غیرهدف شامل اکسیژن غیرمحلول و آب‌ و در نتیجه پایین آمدن راندمان تصفیه با nZVI می‌شود.
منجر به پیدایش نیاز به تزریق ذرات به سیستم و درنتیجه بالا رفتن هزینه عملیات خواهد شد.
با محدود کردن مواد ناخواسته (مواد غیرهدف شامل اکسیژن و آب) به وسیله گیرنده‌های ارزان‌تر می‌توان طول عمر کوتاه nZVI را مفیدتر کرد؛ البته اگر ذرات تحرک قابل ملاحظه‌ای از خود نشان دهند.

تحرک

نانوذرات در محیط‌های متخلخل تحرک زیادی خواهند داشت، زیرا اندازه آنها از اندازه سوراخ‌های محیط‌های متخلخل بسیار کوچک‌تر است اما اینکه ما فرض کنیم علت تحرک نانوذرت تنها این مطلب است بسیار ساده انگاری است. معمولاً تحرک نانوذرات را در محیط‌های متخلخل اشباع، دو فاکتور تعیین می‌کند: تعداد برخوردهای نانوذرات با محیط متخلخل به ازای واحد جابه‌جایی؛ و ضریب چسبندگی (احتمال اینکه هر برخورد، منجر به حذف ذره از جریان شود). برخورد ممکن است در نتیجه سه عامل رخ دهد: حرکت براونی، بازدارنده‌ها (عواملی که مانعی از حرکت نانوذره می‌شوند) و رسوب‌گذاری گرانشی.
شکل 4- فاصله جابه‌جایی که در آن،‌ بیش از 99 درصد نانوذرات حذف می‌شوند در ضرایب چسبندگی شرایطی سطحی به شکل زیر است:
تخلخل = 36.0 ، سرعت=1.0 m/day،
اندازه ذرات خاک=3.0 میلی‌متر،
چگالی نانوذرات=7.6 g/Cm3
نانوذرات در محیط‌های متخلخل اغلب حرکت براونی دارند. برای ذرات بزرگتر از 400 نانومتر با چگالی بالا‌ (مثلاً 7.68 g/cm2 برای ذرات آهن خالص) تأثیر جاذبه می‌تواند بسیار مهم باشد. با استفاده از روش بازده single-Collector که به وسیله Tufenkji و Elimelech ارائه شده و تئوری فیلتراسیون deep-bed، این امکان وجود دارد که بتوان فاصله جابه‌جایی را که در آن، 99 درصد حذف نانوذرات به عنوان تابعی از خواص سطحی و ضریب چسبندگی صورت می‌گیرد، محاسبه کرد.
نشان می‌دهد که محدوده فاصله جابه‌جایی در شرایط سطحی متعارف، از چند میلی‌متر تا چند ده متر متناسب با ضریب چسبندگی است.
ضریب چسبندگی گزارش شده برای nZVI معمولی در انواع محیط‌های متخلخل، بین 0.14 تا یک است؛ این به معنی فاصله جابه‌جایی چند سانتی‌متر در محیط‌های متخلخل در شرایط آب‌های زیرزمینی است . این امر موجب ایجاد علاقه قابل ملاحظه‌ای برای تغییر سطح نانوذرات در جهت افزایش فاصله جابه‌جایی شده است.
بدین ترتیب ضرایب چسبندگی کوچک‌تری برای این گونه نانوذرات و سایر نانوذرات گزارش شده است (0.001 برای نانوذرات Fe که سطح آنها بهبود یافته است و 0.0001 برای نانوذراتی که پایه کربنی دارند). اما حتی این ضرایب چسبندگی کوچک هم به طور قطعی باعث تحرک بیشتر (بیش از چندمتر) نانوذرات در آب‌های زیرزمینی نمی‌شود، به جز در آب‌های زیرزمینی با سرعت حرکت خیلی زیاد.

خطرات

مباحث فوق در مورد ریخت‌شناسی، واکنش‌پذیری و تحرک نانوذرات در زمینه تصفیه ‌محیط زیست نشان می‌دهد که دانش ما در مورد فرآیندهای پایه در این فناوری هنوز ناکافی است. به علاوه، خطرات احتمالی این فناوری برای سلامت انسان و محیط‌زیست، انجام این روش در مقیاس انبوه را با مشکل مواجه کرده است. مخصوصاً با توجه به کاربردهای درجای nZVI (یا مواد وابسته) برای تصفیه محیط‌های متخلخل، هنوز تحقیقات مستقیم و قابل ملاحظه‌ای که خطرات آن را مورد توجه قرار دهد انجام نشده است. برخی گروه‌ها حالت احتیاطی (پیشگرانه) را پذیرفته‌اند و کاربردهای درجای نانوذرات برای تصفیه را ممنوع کرده‌اند در حالی که برخی گروه‌ها آن را توصیه کرده‌اند. در واقع تحقیقات در این زمینه باید به طور موازی صورت گیرد.
این معما که چگونه می‌توان از نانوذرات برای تصفیه استفاده کرد باید به زودی و با استفاده از نتایج تحقیقات در حال انجام، قابل حل و دسترسی باشد. مهم‌ترین این خطرات استنشاق ذرات‌ریزی است که از طریق هوا جابه‌جا می‌شوند.
به هر حال هم‌اکنون ما می‌توانیم نتیجه بگیریم با اینکه nZVI و مواد مرتبط با آن، در کاربردهای تصفیه‌ای درجا استفاده می‌شوند، از مواد ویژه‌ای که در دسترس ما هستند کوچک‌تر، واکنش‌پذیرتر، مقاوم‌تر و متحرک‌تر بوده و در عین حال احتمال خطرزایی برای انسان و محیط زیست را دارا هستند.
منبع:irannano.org