.::. پورتال تخصصی دانشجویان عمران .::.

1-1. غشاهاي نانولوله‌‌اي
نانولوله‌هاي کربني مي‌توانند براي تشکيل غشاهايي با تخلخل نانومتري و داراي قابليت جداسازي آلودگي‌ها، به طور يکنواخت هم‌راستا شوند. تخلخل‌هاي نانومتري نانولوله‌ها اين فيلترها را از ديگر فناوري‌هاي فيلتراسيون بسيار انتخاب‌پذيرتر نموده است. همچنين نانولوله‌هاي کربني داراي سطح ويژه بسيار بالا، نفوذپذيري زياد و پايداري حرارتي و مکانيکي خوبي هستند. اگر چه چندين روش براي سنتز نانولوله‌هاي کربني استفاده شده است، غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند به وسيله پوشش‌دهي يک ويفر سيليکوني با نانوذرات فلزي به عنوان کاتاليست، که موجب رشد عمودي و فشردگي بسيار زياد نانولوله‌هاي کربني مي‌شود، سنتز شوند و پس از آن براي افزايش پايداري، فضاي بين‌ نانولوله‌هاي کربني را با مواد سراميکي پر نمود.
حذف آلودگي‌ها
مطالعات آزمايشگاهي نشان مي‌دهد که غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند تقريباً همه انواع آلودگي‌هاي آب را حذف کنند؛ اين آلودگي شامل باکتري، ويروس، ترکيبات آلي و تيرگي است. همچنين اين غشاها نويدي براي فرايند نمک‌زدايي و گزينه‌اي براي غشاهاي اسمز معکوس هستند.
مقدار تصفيه آب
اگر چه تخلخل نانولوله‌هاي کربني به طور قابل توجهي کوچک است، غشاهاي نانولوله‌اي نشان داده‌اند که به خاطر سطح داخلي صاف نانولوله‌ها، شدت جريان بيشتر يا يکساني نسبت به تخلخل‌هاي بسيار بزرگ‌تر دارند.
هزينه
با توسعه روش‌هاي جديد و بسيار مؤثر براي توليد نانولوله‌هاي کربني، هزينه توليد غشاهاي نانولوله‌‌اي به طور پيوسته کاهش مي‌يابد. بر اساس پيش‌بيني‌ برخي منابع، به دليل کاهش قيمت نانولوله‌هاي کربني، غشاهاي نانولوله‌اي بسيار ارزان‌تر از ساير غشاهاي فيلتراسيون، غشاهاي اسمز معکسوس، سراميک و غشاهاي پليمري خواهد شد. از آن جا که نانولوله‌هاي کربني شدت جريان بالايي را نشان مي‌دهند، فشار مورد نياز براي انتقال آب نسبت به فرايند نمک‌زدايي با اسمز معکوس، کاهش مي‌يابد و به دليل اين ذخيره انرژي، نمک‌زدايي با استفاده از فيلترهاي نانولوله‌اي بسيار ارزان‌تر از اسمز معکوس خواهد بود. انتظار مي‌رود غشاهاي نانولوله‌اي بسيار بادوام‌تر از غشاهاي متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهي فيلتراسيون را کاهش ندهد.
روش مصرف
غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند در گزينه‌هاي مشابهي به عنوان غشاهاي ميکروفيلتراسيون و اولترا فيلتراسيون استفاده شوند. مطالعات نشان مي‌دهد که اين مواد بادوام و در برابر گرما مقاومند و تميز کردن و استفاده مجدد از آنها ساده است و با استفاده از فرايند اولتراسونيک و اتوکلاو درC ْ121 در مدت 30 دقيقه تميز مي‌شوند.
توضيحات تکميلي
انتظار مي‌رود در پنج الي ده سال آينده، شاهد ورود غشاهاي نانولوله‌اي نمک‌زا به بازار باشيم. اخيراً محققان براي غلبه بر چالش‌هاي مرتبط با افزايش مقياس فناوري، فعاليت‌هاي تازه‌اي را مدنظر قرار داده‌اند.
1-2. نانوغربال‌ها
آزمايشگاه‌هاي سلدن (Seldon)، چندين طرح مبتني بر فيلترهاي نانوغربال را توسعه داده‌اند. نانوغربال از نانولوله‌هاي کربني جفت‌ شده با يکديگر تشکيل مي‌شود که روي يک زيرلايه متخلخل و منعطف قرار گرفته‌اند. و مي‌توان براي تشکيل فيلترهاي شبه‌کاغذي، آنها را روي يک زيرلايه صاف و يا لوله‌اي قرار داد، با اين کار توانايي پيچيده شده شدن به اطراف هر ساختار استوانه‌اي متداول و يا هر ساختار ديگري را به دست مي‌آورند، همچنين براي افزايش سطح فيلتر مي‌توان نانوغربال‌هاي مسطح را تا زد. اخيراً در آزمايشگاه‌هاي مذکور چندين نمونه فيلتر قابل حمل مبتني بر اين فناوري، براي خالص‌سازي آب ساخته شده‌اند؛ اين فيلترها در اندازه قلم بوده و تحت عنوان ابزارهاي فيلتراسيون ني‌مانند به نام water stick معروف هستند.
حذف آلودگي‌ها
از نانوغربال‌ها مي‌توان در حذف گستره وسيعي از ترکيبات آلي و معدني و يا مواد زيستي استفاده کرد. اين فيلتر مي‌تواند از چندين لايه نانولوله‌ کربني ساخته شود که هر لايه قابليت حذف نوع متفاوتي از ترکيبات را دارد. نانوغربال‌هاي مورد استفاده در Water stick توانايي حذف بيش از 99/99 درصد از باکتري‌ها، ويروس‌ها، کيست‌ها، ميکروب‌ها، کپک‌ها، انگل‌ها، و همچنين کاهش قابل توجه آرسنيک و سرب را دارند. نانوغربال‌هاي چند عملکردي نيز مانند ترکيبات معدني اعم از فلزات سنگين، کودها، فاضلاب‌هاي صنعتي و ديگر مواد مي‌توانند ترکيبات آلي از قبيل Pesticideها و herbicideها را حذف نمايند. همچنين مي‌توان فيلتر را با يک لايه ضدباکتري براي جلوگيري از تشکيل فيلم بيولوژيکي پوشاند. در حال حاضر آزمايشگاه‌هاي سلدن مشغول ارتقاي اين فناوري براي استفاده از آن در نمک‌زدايي از آب دريا هستند.
مقدار تصفيه آب
نانوغربال‌ها در مقايسه با ديگر ابزارهاي فيلتراسيون که داراي همان اندازه تخلخل هستند، به دليل خواص انتقال جرم سريع نانولوله‌ها، بدون استفاده از فشار، شدت جريان مناسبي را تأمين مي‌کنند. در يک فيلتر نمونه با قطر پنج سانتي‌متر شدت جريان شش ليتر بر ساعت مشاهده شده است. همچنين water stick براي تصفيه يک ليتر آب آلوده در 90 ثانيه طراحي شده است. اين فيلتر، در طول عمر مفيدش 200 تا300 ليتر آب توليد مي‌کند؛ اگر چه اين مقدار مي‌تواند با تغييرات پيش از فيلتراسيون افزايش داده شود.
هزينه
آزمايشگاه‌ سازنده براي قيمت‌گذاري water stick يک طرح رقابتي را با ديگر فناوري‌هاي مشابه در نظر دارد، تا اين فناوري براي مردم کشورهاي در حال توسعه قابل استفاده باشد.
روش مصرف
Water stick که شبيه ني نوشيدني طراحي شده آب تميز آشاميدني توليد مي‌کند. اخيراً نمونه‌اي از Water stick به گونه‌اي طراحي شده است که مي‌توان وسيله‌اي با فيلتر قابل تعويض را طراحي کرد. علاوه بر اين هنگامي که عمر مفيد اين فيلتر به پايان مي‌رسد، به طور اتوماتيک جريان را متوقف مي‌‌کند. نانوغربال‌ها توان ترکيب با ديگر ابزارهاي فيلتراسيون را دارند.
توضيحات تکميلي
آزمايشگاه‌هاي سلدن، سيستم توليدي را براي توليد نانوغربال‌ها توسعه داده‌اند؛ اين سيستم داراي صرفه اقتصادي، ظرفيت توليد 276 متر مربع بر ماه است که هر متر مربع براي 396 فيلتر کافي است. در حال حاضر پزشکان آفريقايي نمونه‌اي از water stick را مورد استفاده قرار داده‌اند.
2. روش‌هاي ديگر نانوفيلتراسيون
2-1. فيلتر آلوميناي نانوليفي
شرکت Argonide فناوري جاذب‌هاي نانوليفي را به صورت کارتريج فيلترهاي نانوسرام عرضه کرده است. اين جاذب‌ها از نانوالياف آلومينا با بار مثبت روي زيرلايه شيشه‌اي تشکيل شده‌اند. نانوالياف آلومينا سطح بيشتري نسبت به الياف متداول داشته و بار مثبت بالايي دارند که باعث جذب سريع‌تر آلودگي‌‌هاي باردار منفي از قبيل ويروس‌ها، باکتري‌ها و کلوئيدهاي آلي و غيرآلي مي‌شود.
حذف آلودگي‌ها
فيلترهاي نانوسرام بيش از 99/99 درصد ويروس‌ها، باکتري‌ها، انگل‌ها، ترکيبات آلي طبيعي، DNA و کدري را حذف مي‌کند، همچنين داراي قابليت جذب 9/99 درصد از نمک‌ها، مواد راديواکتيو و فلزات سنگين از قبيل کروم، آرسنيک و سرب را هستند، حتي اگر ذرات، نانومقياس و يا حل شده باشند. فيلترهاي نانوسرام در PH بين پنج تا 9 بهتر عمل مي‌کنند.
مقدار تصفيه آب
شدت جريان فيلترهاي نانوسرام بدون استفاده از فشار حدود يک تا 5/1 ليتر بر ساعت، به ازاي هر سانتي‌متر مربع از فيلتر است. حداکثر فشار چهار bar مي‌تواند به فيلتر اعمال شود که منجر به شدت جريان 9 تا ده ليتر بر ساعت به ازاي هر سانتي‌متر مربع از فيلتر خواهد شد. کارتريج فيلترهاي نانوسرام داراي يک طراحي تاخورده است که سطح آنها را افزايش مي‌دهد. همچنين طبق گزارش فيلتر به طور متوسط مقاومت عملکردي بالايي نسبت به غشاهاي بسيار متخلخل دارد.
هزينه
شرکت آرگونايد (Argonide) هزينه توليد فيلترهاي نانوسرام را ارزان اعلام کرده است؛ چرا که آنها مي‌توانند با استفاده از فناوري کاغذسازي توليد شوند. در حال حاضر هر متر مربع فيلتر ده دلار هزينه برمي‌دارد، که ممکن است اين مقدار به سه دلار برسد. کار تريج فيلترها به ازاي 20-200 فيلتر، وابسته به قطر آنها در حدود 37 دلار هزينه دارند. صفحات فيلتر مي‌توانند با قرار گرفتن در اطراف لوله‌هاي فلزي، بين دو فيلتر متداول و يا در يک نگهدارنده مجزا، هزينه نهايي فيلتر را کاهش دهند. فيلترهاي نانوسرام به جاي جمع‌آوري ذرات بسيار ريز بر روي سطح، آنها را جذب مي‌کنند؛ بنابراين نسبتاً عمر مفيد و طولاني‌تري دارند.
روش مصرف
مطابق با توصيه‌هاي شرکت آرگونايد، فيلترهاي نانوسرام به تصفيه‌هاي پيشين و يا پسين، تميز کردن، شارژ مجدد فيلتر و يا از بين بردن مواد زايد خطرناک نياز ندارند. اين فيلترها به طور همزمان ترکيبات شيميايي و بيولوژيکي را بدون استفاده از مواد گندزداي شيميايي و يا مواد منعقدکننده، حتي در آب‌هاي شور بسيار کدر حذف مي‌کنند.
توضيحات تکميلي
به گفته شرکت آرگونايد، فيلترهاي نانوسرام مي‌توانند پودرهاي بسيار ريز فلزي حذف شده را براي کاربردهاي صنعتي بازيافت کنند.
2-3. نانوالياف جاذب جريان
شرکت KX طرحي از فيلترهاي جاذب جريان شامل نانوالياف را با هدف استفاده در کشورهاي در حال توسعه بهره‌برداري کرده است. فيلتر شامل يک لايه پيش فيلتراسيون براي حذف چرک‌ها، يک لايه جاذب براي حذف آلودگي‌هاي شيميايي و يک لايه نانوالياف براي حذف آلودگي‌ها و ذرات کلوئيدي است. نانوالياف از چندين پليمر آب‌دوست، رزين‌ها، سراميک‌ها، سلولز، آلومينا و ديگر مواد ساخته مي‌شوند. اين فناوري در مقياس‌هاي خانگي و شهري قابل دسترسي است.
حذف آلودگي‌ها
طبق گزارش‌ها، فيلترهاي سطح فعال بيش از 99 درصد از باکتري‌ها، ‌ويروس‌ها، انگل‌ها، آلودگي‌هاي آلي و ديگر آلودگي‌هاي شيميايي را حذف مي‌کنند.
مقدار تصفيه آب
طبق اعلام شرکت‌ سازنده، مقياس خانگي فيلترهاي سطح فعال مي‌تواند به ازاي هر فيلتر375 ليتر آب را با سرعت چهار تا شش ليتر بر ساعت توليد کند. در مقياس روستايي بيش از 7500 ليتر بر روز با سرعت 6/5 ليتر بر دقيقه توليد مي‌کند. در مقياس روستايي هر فيلتر براي بيش از 95 هزار ليتر آب مؤثر است.
هزينه
انتظار مي‌رود فيلترهاي خانگي شش تا11 دلار فروخته شوند و فيلترهاي جايگزين براي آنها 8/0تا9/0 دلار هزينه دربر خواهد داشت؛ يعني 002/0 دلار به ازاي هر ليتر آب. همچنين فيلترهاي روستايي بين 100 تا 150 دلار هزينه خواهند داشت که تقريباً 0003/0 دلار به ازاي هر ليتر است.
روش مصرف
طراحي فيلترهاي سطح فعال به گونه‌اي است که بدون استفاده از تجهيزات وسيع، يا نگهدارنده به‌آساني قابل استفاده باشند.
3. سراميک‌هاي نانو‌حفره‌اي، کِلِي‌ها و ديگر جاذب‌ها
3-1. غشاي سراميکي نانوحفره‌اي
شرکت آلماني AG Nanovation، طرحي از فيلترهاي سراميکي نانوحفره‌اي را تحت عنوان Nano pore و سيستم‌هاي فيلتراسيون غشايي را با مقياس‌هاي متنوعي عرضه نموده است. فيلترهاي غشايي Nano pore از نانوپودرهاي سراميکي روي مواد پايه از قبيل آلومينا تشکيل شده‌اند و در اندازه‌هاي متفاوت و در دو شکل لوله‌اي و مسطح موجود هستند. اين محصولات با استفاده از نانوپودرهاي سراميکي شرکت و تحت فرايندهاي پيوسته توليد مي‌شوند.
حذف آلودگي‌ها
طبق ادعاي شرکت سازنده، فيلترهاي غشايي Nanopore باکتري‌ها، ويروس‌ها و قارچ‌ها به طور مؤثر از آب حذف مي‌کنند. علاوه بر اين آزمايش‌هاي کيفي آب، Coliformها، fecal coliformها، Salmonella يا streptococci را در آب تصفيه شده نشان نمي‌دهند.
مقدار تصفيه آب
مقدار آب توليدي وابسته به اندازه و شکل فيلتر و کيفيت آب تصفيه شده است. يک واحد فيلتراسيون با ابعاد cm 15× 60×120 سطحي معادل با 2 m 11 ايجاد کرده، مي‌تواند 8 هزار ليتر آب آلوده را در روز تصفيه کند.
هزينه
‌توليد سيستم‌هاي فيلتراسيون غشايي بر مبناي pore Nano با فرايندهاي پيوسته که همزمان تمامي لايه‌هاي فيلتر مونتاژ مي‌شوند، ارزان است؛ هنگامي که تمامي هزينه‌هاي فيلتراسيون که شامل حفظ، ‌جايگزيني فيلترها، تميز کردن عوامل و هزينه‌هاي عملياتي است، با مواردي از قبيل عمر طولاني‌تر فيلتر، پايداري بيشتر و تميز کردن کمتر همراه شوند، هزينه اين فيلترها با فيلترهاي پليمري قابل رقابت مي‌گردد.
روش مصرف
فيلترهاي غشايي Nano pore با توجه به خواص ضدرسوبي بسيار شديد خود نياز به تميزسازي مکرر ندارند. همچنين مي‌تواند به جاي پاکسازي شيميايي با بخار استرليزه شود. غشاهاي Nano pore نسبت به آلودگي‌هاي قارچي و باکتريايي، اصطکاک، اسيد و بازهاي غليظ شده، دماي بالا و اکسيداسيون مقاوم هستند.
3-2. تک‌لايه‌هاي خودآرا روي پايه‌هاي مزوپروس (SAMMS)
آزمايشگاه ملي پاسيفيک نورث وست (PNNL) تک‌لايه‌هاي خود آرا روي پايه‌هاي مزوپروس را توسعه داده است. اين فناوري از مواد سراميکي يا شيشه‌اي با تخلخل نانومتري شکل گرفته است؛ به طوري که تک‌لايه‌اي از مولکول‌ها مي‌توانند به يکديگر متصل شوند. تک‌لايه و لايه مزوپروس، قابليت برنامه‌ريزي شدن براي حذف آلودگي‌هاي خاصي را دارند. SAMMS نسبت به بسياري از غشاها و فناوري‌هاي جاذب ديگر، جذب سريع‌تر، ظرفيت بالاتر و انتخاب‌پذيري بهتري را از خود نشان داده است. SAMMS براي حذف آلودگي‌هاي فلزي از آب آشاميدني، آب‌هاي زيرزميني و فاضلاب‌هاي صنعتي طراحي شده است.
حذف آلودگي‌ها
PNNL مدعي است که SAMMS 9/99 درصد از جيوه، سرب، ‌کروم، آرسنيک، ‌کادميم، فلزات پرتوزا و ديگر سموم فلزي را جذب مي‌کند. همچنين طبق گزارش‌ها، SAMMS مي‌تواند براي حذف فلزات خاصي برنامه‌ريزي شود؛ ولي برخي فلزات از قبيل کلسيم، منيزيم و روي را حذف نمي‌کند. SAMMS براي حذف آلودگي‌هاي زيستي، يا آلي مؤثر نيست.
مقدار تصفيه آب
از SAMMS مي‌توان در گستره وسيعي از کاربردها از تصفيه آب مصرفي گرفته تا تصفيه فاضلاب‌هاي صنعتي، استفاده کرد. اين فيلترها سطح ويژه‌اي در حدود 600 تا هزار متر مربع به ازاي هر گرم دارند. توليد هر کيلوگرم SAMMS، 150 دلار هزينه دارد که با نمونه‌اي از رزين تعويض يوني با هزينه 42 دلار و کربن فعال با هزينه 78/1 دلار به ازاي هر کيلوگرم قابل مقايسه است. همچنين براي حذف يک کيلوگرم جيوه، 13 کيلوگرم SAMMS مورد نياز است و در مقابل، 154 کيلوگرم رزين تعويض يوني و 40 هزار کيلوگرم کربن فعال مورد نياز خواهد بود.
روش مصرف
SAMMS به پودري شکل و اکسترود شده است که مي‌تواند براي فيلترهاي تعويض يوني مناسب باشد. اين فيلترها گاهي اوقات به منظور حذف آلودگي‌هاي جذب شده با يک محلول اسيدي احيا مي‌شوند. آلودگي‌هاي ايجاد شده از احياي SAMMS طبق استانداردهاي سازمان حفظ محيط زيست آمريکا غيرسمي بوده، مي‌توانند به عنوان يک آلودگي متداول تصفيه شوند.
3-4. Arsenx
Arsenx، يک رزين جاذب متشکل از نانوذرات اکسيد آهن آب دار روي يک زيرلايه پليمري است و براي حذف آرسنيک و ديگر آلودگي‌هاي فلزي به‌کار مي‌رود. نانوذرات، سطح ويژه بالا، ظرفيت بيشتر و سينتيک جذب سريع‌تري فراهم مي‌نمايد. Arsenx مي‌تواند براي کاربردهاي مصرفي کوچک و يا استفاده‌هاي صنعتي و شهري بزرگ طراحي شود، همچنين در و نيز در ابزارهاي طراحي شده براي رزين‌هاي تعويض يوني مورد استفاده قرار گيرد.
حذف آلودگي‌ها
Arsenx موادي از قبيل آرسينک، واناديم، اورانيوم، کروم، آنتيموان و موليبدن را حذف و سولفات‌ها، کربنات‌ها، فلوريدها، کلريدها، سديم، منيزيم و يا آلودگي‌هاي زيستي را حذف نمي‌کند.
مقدار تصفيه آب
شدت جريان عبوري آن بسيار وابسته به نوع ابزاري است که Arsenx استفاده مي‌کند. بدون در نظر گرفتن طراحي سيستم، براي تماس بين Arsenx و آب 5/2 تا سه دقيقه زمان نياز است. هر گرم Arsenx حدوداً 38 ميلي‌گرم آرسنيک را نگه مي‌دارد.
هزينه
شرکت Solmetex اشاره مي‌کند که با توجه به کم شدن ظرفيت Arsenx در طول احياء، مي‌تواند نسبت به جاذب‌هاي ديگر در طي حياتش هزينه کمتري داشته باشد. هزينه اوليه سيستم وابسته به طراحي‌هاي متفاوت آن است، اما به طور متداول از 07/0 تا 2/0دلار به ازاي هر هزار ليتر گزارش شده است که شامل هزينه‌هاي استهلاک و هزينه‌هاي عملياتي و حفظ و نگهداري است.
روش مصرف
Arsenx به گفته شرکت Sometex مي‌تواند به عنوان رزين‌هاي تعويض يوني در زمينه‌هاي مشابه مورد استفاده قرار گيرد. اين فيلتر نياز به پيش يا پس تصفيه نداشته و گاهي اوقات با محلول سود سوزآور احيا مي‌شود و متناسب با سطح آلودگي، بعد از سه ماه تا يک سال خاصيت خود را از دست خواهد داد. گزارش‌ها حاکي از آن است که زيرلايه پليمري Arsenx بادوام بوده و مي‌تواند در گسترده دمايي يک تا 80 درجه سانتي‌گراد عمل کند.
3-5. پليمر حفره‌اي سيکلودکسترين
سيلکودکسترين يک ترکيب پليمري است که از ذراتي با حفره‌هاي استوانه‌اي تشکيل شده است؛ اين ذرات مي‌توانند آلودگي‌هاي آلي را جدا کنند.
پليمر سيکلودکسترين را مي‌توان به صورت پودر، دانه‌اي و يا لايه نازک براي استفاده در ابزارها و کاربردهاي متفاوت توليد کرد. به هر حال پليمر سيکلودکسترين براي تصفيه آب مصرفي استفاده شده و همچنين مي‌تواند براي تصفيه در جاي آب‌هاي زيرزميني يا پاکسازي فاضلاب‌هاي شيميايي آلي و نفتي نيز مورد استفاده قرار گيرد.
حذف آلودگي‌ها
سيکلودکسترين گستره وسيعي از آلودگي‌هاي آلي شامل بنزن، هيدروکربن‌هاي پلي‌آروماتيک، فلورين‌ها، و آلودگي‌هاي حاوي نيتروژن، استن، کودها، ‌Pesticidها و بسياري ديگر را حذف مي‌کند. آزمايش‌ها نشان مي‌دهند که پليمرسيکلودکسترين اين آلودگي‌ها را تا حد ppt کاهش مي‌دهد، در حالي که کربن فعال و زئوليت اين آلودگي‌ها را تا حد ppm کاهش مي‌دهد. همچنين پليمر صدهزار مرتبه بيشتر از کربن فعال، ترکيبات آلي پيوند مي‌دهد و بازدهي حذف يکساني براي آب با غلظت آلودگي پايين را نشان داده است. پليمرسيکلودکسترين تحت تأثير رطوبت هوا قرار نگرفته، مي‌تواند در نواحي مرطوب بدون اشباع يا غيرفعال شدن، مورد استفاده قرار گيرد. همچنين آلودگي‌هاي جذب شده را از خود عبور نمي‌دهد.
مقدار تصفيه آب
پليمرسيکلودکسترين ظرفيت بارگذاري 22 ميلي‌گرم از آلودگي‌هاي آلي به ازاي هر گرم از پليمر را دارد، که با 58 ميلي‌گرم به ازاري هر گرم کربن فعال قابل مقايسه است. اين پليمر براي تماس با آب آلوده حدوداً به پنج ثانيه زمان نياز دارد. و در حين احيا ظرفيت خود را از دست نداده، مي‌تواند به طور نامحدودي استفاده شود.
هزينه
توليد پليمرسيکلودکسترين، ارزان بوده است و مي‌توان آن را مستقيماً از نشاسته، با تبديل 100 درصد توليد شود. انتظار مي‌رود که توليد انبوه، هزينه آن را پايين‌تر از قيمت کربن فعال و زئوليت آورد. شرکت پژوهشي محصولات پليمري اشاره مي‌کند که روشي را جهت افزايش مقياس‌ اين فرايند براي توليد مواد توسعه داده است. اخيراً شرکت پژوهشي Manhattan يک فناوري را براي کاربردهاي مصرفي توسعه داده و اظهار مي‌دارد که توليد انبوه موجب ارزان‌تر شدن پليمر نسبت به ساير روش‌هاي حذف آلودگي‌هاي آلي خواهد شد.
روش مصرف
پودر سيکلودکسترين مي‌تواند در ستون، کارتريج و يا فيلترهاي بستري به گونه‌اي متراک شود که آب از آن بگذرد. سيکلودکسترين دانه‌اي مي‌تواند مستقيماً در منبع يا لوله‌هاي آب به‌کار رود و لايه نازک آن مي‌تواند روي زير‌لايه‌اي از شيشه براي تشکيل غشاء قرار گيرد.
از همه اشکال متفاوت سيکلودکسترين مي‌توان در ابزارهاي طراحي شده براي فيلترها، غشاها و يا جاذب‌ها استفاده کرد.
پليمرسيلکودکسترين هم آب‌دوست و هم آب‌گريز است؛ لذا مي‌تواند بدون استفاده از فشار براي جذب آب از ميان تخلخل‌ها مورد استفاده قرار گيرد. پليمر گاهي اوقات به احيا با استفاده از يک الکل ساده از قبيل اتانول يا متانول نياز خواهد داشت و ممکن است به خاطر به ظرفيت بارگذاري پائين آن نسبت به کربن فعال و جاذب‌هاي ديگر به عمليات بيشتري نياز داشته باشد.
توضيحات تکميلي
آلودگي‌هايي که پليمر سليکودکسترين جذب مي‌کند، مي‌تواند بعد از احيا، براي کودها، Pesticideها و محصولات صنعتي ديگر بازيافت شود.
3-6. نانوکامپوزيت‌هاي پلي‌پيرون- نانولوله‌کربني
آزمايشگاه‌ ملي پاسيفيک نورث وست يک غشاي نانوکامپوزيتي شامل لايه نازکي از يک پليمر جاذب موسوم به پلي‌پيرون را روي ماتريسي از نانولوله‌هاي کربني که سطح مخصوص و پايداري غشا را افزايش مي‌دهند، توسعه داده است. برخلاف جاذب‌هاي ديگر که به احياي شيميايي نياز دارند اين غشاها مي‌توانند به طور الکتريکي احيا مي‌شوند.
حذف آلودگي‌ها
غشاهاي پلي‌پيرون داراي نانولوله‌ کربني با بار مثبت است و مي‌توان پرکلرات‌ها، سزيم، کروم و ديگر آلودگي‌هاي باردار منفي را حذف کند. همچنين غشاهاي نانوکامپوزيتي مي‌توانند براي حذف نمک طراحي شوند. از آنجا که پلي‌پيرون مي‌تواند به طور منفي باردار شود، بنابراين اين غشاء ذرات باردار مثبت از قبيل کلسيم و منيزيم را حذف مي‌کند.
مقدار تصفيه آب
غشاهاي نانوکامپوزيتي پلي‌پيرون- نانولوله‌کربني قابل استفاهه مجدد هستند آزمايش‌ها نشان مي‌دهد که اين غشاها بعد از صد دوره استفاده بسيار کم بازدهي خود را از دست مي‌دهند. همچنين به خاطر خواص انتقال جرم سريع نانولوله‌هاي کربني شدت جريان بالايي دارند.
هزينه
انتظار مي‌رود که غشاهاي پلي‌پيرون- نانولوله کربني در استفاده طولاني مدت، نسبتاً کم هزينه باشند؛ چرا که آنها مي‌توانند بدون از دست دادن قابل توجه ظرفيت جذب، احيا شده، استفاده شوند. اين غشاها هزينه‌هاي مرتبط با خريد و ذخيره‌سازي مواد شيميايي احياکننده و تعليم کاربران را ندارند. علاوه بر اين، انتظار مي‌رود که هزينه نانولوله‌هاي کربني در پنج سال آينده بين ده تا صد برابر کاهش يابد.
روش مصرف
اين غشاها آلودگي‌هاي ثانويه خطرناک توليد نمي‌کنند. با بکارگيري جريان الکتريکي، بار پليمر خنثي شده و آلودگي‌هاي جذب شده، از غشا آزاد مي‌شوند. با حذف آلودگي‌ها، پليمر مي‌تواند دوباره باردار شده و مجدداً استفاده شود.
4. زئوليت
4-1. زئوليت‌هاي طبيعي، مصنوعي، زغال‌سنگ و ترکيبي
زئوليت‌ها مواد جاذب با ساختار شبکه‌اي جهت تشکيل تخلخل‌ها هستند. آنها مي‌توانند از منابع طبيعي به دست آمده و يا سنتز شوند. زئوليت‌هاي مصنوعي معمولاً از محلول‌هاي سيليکون-آلومينيوم يا زغال‌سنگ ساخته شده و به عنوان جاذب يا ابزار تعويض يوني در کارتريج يا فيلترهاي ستوني به‌کار مي‌روند. شرکت فناوري‌هاي AgION ترکيبي از زئوليت‌ها و يون‌هاي نقره طبيعي با خواص ضدباکتري توليد مي‌کند.
حذف آلودگي‌ها
زئوليت‌ها به طور متداول براي حذف آلودگي‌هاي فلزي به‌کار مي‌روند. زئوليت‌هاي طبيعي مکزيک و مجارستان، آرسنيک را از منابع آب آشاميدني تا حد مورد پذيرش سازمان بهداشت جهاني کاهش مي‌دهند. زئوليت‌هاي ساخته شده از زغال‌سنگ مي‌توانند گستره‌اي از فلزات سنگين شامل سرب، مس، روي، کادميم، نيکل و نقره را از آب آلوده جذب کنند. همچنين مي‌توانند تحت شرايط خاصي کروم، آرسنيک و جيوه را جذب کنند. ظرفيت جذب زئوليت‌ها متأثير از چند عامل؛ ترکيبشان، PH آب و غلظت انواع آلودگي‌هاست. به عنوان مثال تأثيرات PH آب بر روي سطح باردار شده منفي و يا مثبت زئوليت قابل ذکر است. همچنين با توجه جذب آسان سرب و مس در زغال‌سنگ، غلظت بالاي اين مواد، مقدار کادميم و نيکل حذف شده را کاهش مي‌دهد. ترکيبات زئوليت- نقره AgIoN، بازدهي را در مقابل ميکروارگانيسم‌ها که شامل باکتري‌ها و کپک‌هاست، ارتقا مي‌دهند. زئوليت نمي‌تواند آلودگي‌هاي آلي را به قدر کافي حذف کند، همچنين رطوبت هوا در اشباع زئوليت‌ها دخالت داشته، موجب کاهش بازدهي آنها مي‌شود.
مقدار تصفيه آب
مقدار آبي که زئوليت‌ها مي‌توانند تصفيه کنند، وابسته به منبع زئوليت و ابزاري است که آنها استفاده مي‌کنند. در مورد زئوليت‌هاي زغال‌سنگ، محتواي کربن اين ماده به طور قابل توجهي سطح مخصوص و در نتيجه ظرفيت جذب زئوليت را تحت تأثير قرار مي‌دهند.
هزينه
زئوليت‌ها را مي‌توان به طور ارزان توليد کرد زيرا منبع آنها به طور طبيعي و فراوان در دسترس است. در امريکا زئوليت‌هاي دانه‌اي براي کاربردهاي صنعتي و کشاورزي بين 30 تا 70 دلار به ازاري هر تن و براي محصولات مصرفي بين 5/0 تا 5/4 دلار به ازاي هر کيلوگرم هزينه دارند.
روش مصرف
چگونگي مصرف زئوليت‌ها بسيار وابسته به نوع ابزاري است که در آن استفاده مي‌شوند. اين ابزار مي‌تواند شامل رزين‌هاي تعويض يوني، کارتريج و ابزارهاي ستوني و غيره باشند. علاوه بر اين زئوليت‌ها گاهي اوقات به احيا با يک محلول اسيدي نياز دارند. مصرف زئوليت‌هاي زغال‌سنگ ممکن است مشکل‌ساز باشد، چرا که مطالعات نشان مي‌دهند مقاديري از آلودگي‌هاي سرب، کادميم، کروم، مس، جيوه، روي و ديگر آلودگي‌ها مي‌توانند از زغال‌سنگ گذشته و موجب آلودگي خاک، آب‌هاي زيرزميني و آب شوند. همچنين مشخص شده است که مقادير آرسنيک و منيزيم عبور کرده از Fly ash بسيار بيشتر از مقادير توصيه شده سازمان بهداشت جهاني است. ترکيبات زئوليت نقره AgION نياز به پاک‌سازي مکرر دارند، زيرا پوشش ضدباکتري نقره از تشکيل آلودگي‌هاي بيولوژيکي روي فيلتر جلوگيري مي‌کند و در اين صورت نياز به ذخيره‌سازي و مصرف احياء‌کننده‌هاي شيميايي مرتفع مي‌شود.
5. فناوري‌هاي مبتني بر نانوکاتاليست‌ها
5-1. نانوذرات آهن خنثي
نانوذرات آهن خنثي (NZVI) براي تصفيه درجا و غيردرجاي آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند. اين ماده همزمان يک جاذب و يک عامل احياکننده است، همچنين موجب مي‌شود که آلودگي‌هاي آلي به ترکيبات کربني با درجه سميت کمتري شکسته شوند و فلزات سنگين کلوخه شده، به سطح خاک بچسبند. NZVI را مي‌توان براي تصفيه درحا مستقيماً به منابع آب‌هاي زيرزميني تزريق کرد، يا مي‌توان از آن در غشاها براي کاربردهاي خارجي استفاده کرد. همچنين NZVI دو فلزي که در آن نانوذرات آهن با يک فلز ثانويه از قبيل پالاديم براي افزايش فعاليت آهن پوشيده مي‌شوند، موجود است. NZVI بسيار فعال بوده و سطح مخصوص بالايي نسبت به ZVI دانه‌اي دارد.
حذف آلودگي‌ها
NZVI مي‌تواند براي فرآوري گستره وسيعي از آلودگي‌هاي متداول زيست‌محيطي، مثل متان کلردار، بنزن کلردار، Pesticideها، رنگ‌هاي آلي، تري‌هالومتان‌ها، PCBها، آرسنيک، نيترات و فلزات سنگين از قبيل جيوه، نيکل و نقره استفاده شود. همچنين ممکن است توانايي کاهش پرتوهاي راديويي را داشته باشد. پالاديم پوشيده‌شده با NZVI نشان داده است که همه ترکيبات کلردار را در مدت هشت ساعت تا زير مقادير قابل رؤيت کاهش مي‌دهد. اين در حالي است که NZVI معمولي براي حذف بيش از 99 درصد از اين ترکيبات به 24 ساعت نياز دارد. نانوذرات نسبت به آلودگي‌ها، براي يک دوره شش الي هشت هفته‌اي، فعال باقي مي‌مانند. NZVI نشان داده است که در گستره وسيعي از PHها و دماهاي خاک و مقادير Nutrient مؤثر است.
مقدار تصفيه آب
مقدار آب زيرزميني که NZVI مي‌تواند فرآوري کند، وابسته به کيفيت آهن، شامل تعداد دفعاتي که استفاده مجدد شده است؛ نوع زيرلايه مورد استفاده، کيفيت آب معدني براي توليد محلول قابل تزريق، شامل مقدار اکسيژن، مقدار و نوع ذرات ريز در محلول، است. دريک مطالعه موردي، سطحي با مساحت صد مترمربع را 057/6 ليتراز محلول شامل kg 2/11 از NZVI تحت تأثير قرار مي‌دهد. مطالعه ديگري نشان مي‌دهد که در يک منطقه، مقدار 136 کيلوگرم NZVI براي فراوردي 6/11ميليون کيلوگرم از خاک کافي است؛ اما در منطقه ديگر همين مقدار از NZVI تنها براي فرآوري 102 ميليون کيلوگرم از خاک به‌کار مي‌رود. دلايل ذکر شده براي اين مطابقت نداشتن شامل حجم متفاوت آب مصرف شده در تهيه محلول، مقادير متفاوت کنش‌پذيري آهن به‌دليل تفاوت در مقدار اکسيژن آب و مقدار متفاوت فشار کاربردي در حين تزريق است.
هزينه
NZVI حدوداً 40 تا 50 دلار به ازاي هر کيلوگرم و پلاديم پوشش‌يافته با NZVI بين 68 تا 146 دلار به ازاي هر کيلوگرم هزينه دارد. اگر چه NZVI به طور قابل توجهي نسبت به ZVI دانه‌اي و ميکرومقياس که هر کدام به ترتيب 2/2 و 75/3 دلار به ازاي هر کيلوگرم هزينه دارند، گران است، اما از آن جا که مقادير کمي از NZVI به دليل سطح ويژه و واکنش‌پذيري بسيار بالاي آن مورد نياز است، از نظر اقتصادي به‌صرفه است. در مقابلِ هر گرم پودر تجاري ZVI که سطحي کمتر از يک متر مربع دارد، NZVI به ازاي هر گرم 5/33 مترمربع سطح واکنش‌پذير داشته و سرعت تصفيه آن ده تا صد مرتبه سريع‌تر است.
روش مصرف
استفاده درجا و غيردرجاي از NZVI نسبتاً آسان است. براي کاربردهاي درجا، پودر NZVI را براي تشکيل محلول آهن با آب در يک منبع مخلوط کرده، سپس با يک پمپ و چاه تزريق مستقيماً به خاک‌آلوده تزريق مي‌کنيم. از آنجا که تجهيزات مشابه مورد استفاده براي ديگر موارد تزريقي موجود است، تجهيزات چاهي خاص مورد نياز نيست. NZVI به دليل داشتن ذرات کوچک‌تر نسبت به ZVI دانه‌اي، راحت‌تر تزريق شده، مي‌تواند تا اعماق بيشتري نفوذ کند. همچنين نانوذرات NZVI مي‌توانند در يک ماتريس جامد از قبيل کربن فعال، زئوليت، نانولوله‌هاي کربني و ديگر مواد براي توليد غشاهايي با کاربرد غيردرجا ايمن شوند.
5-2. فتوکاتاليست‌هاي نانومقياس دي‌اکسيد تيتانيوم
دي‌اکسيد تيتانيوم هم به عنوان عامل احياي فتوکاتاليستي و هم به صورت يک جاذب عمل مي‌کند و به صورت درجا و غيردرجا در تصفيه آب استفاده مي‌شود. دي‌اکسيد تيتانيوم در حضور آب، اکسيژن و تابش UV، راديکال‌هاي آزاد توليد مي‌کند که اين راديکال‌ها آلودگي‌هاي متفاوت را به ترکيبات کربني با درجه سميت کمتري تجزيه مي‌کنند. دي‌اکسيد تيتانيوم نانومقياس، سطح بيشتر و فرايند فتوکاتاليستي سريع‌تري را نسبت به ذرات بزرگ‌تر فراهم مي‌نمايد. دي‌اکسيد تيتانيوم يا به صورت نانوپودر، براي استفاده در سوسپانيون‌ها و يا به شکل فيلترهاي دانه‌اي موجود است و در چندين شکل ديگر به عنوان پوشش براي غشاهاي ثابت، ميکروکره‌هاي نانوکريستالي و غشاهاي ترکيبي با سيليکا به‌کار مي‌رود.
حذف آلودگي‌ها
دي‌اکسيد تيتانيوم تقريباً همه آلودگي‌هاي آلي را تجزيه مي‌کند. اين ماده بسيار آب‌دوست است؛ و بنابراين توانايي جذب آلودگي‌هاي زيستي و فلزات سنگين از قبل آرسنيک را دارد. راندمان آن تابع کيفيت دي‌اکسيد تيتانيوم، شدت پرتو فرابنفش، PH آب، موجودي اکسيژن و غلظت آلودگي‌ها است.
مقدار تصفيه آب
سيستم‌هاي متفاوت دي‌اکسيد تيتانيوم، شدت جريان و سرعت‌هاي حذف متنوعي را فراهم مي‌کنند و ازهمه آنها مي‌توان محدوده استفاده کرد. نانوپودرهاي سوسپانسيون شده دي‌اکسيد تيتانيوم فرايند فتوکاتاليستي پُربازدهي را از خود نشان مي‌دهند؛ چرا که سطح داخلي آنها در معرض تابش اشعه فرابنفش و آلودگي‌ها قرار مي‌گيرد. به دليل ترکيب سطوح کنش‌پذير با مواد پايه و در نتيجه، کاهش سطح فعال، بازده نانوذرات دي‌اکسيد تيتانيوم که به عنوان پوشش استفاده شده يا روي زيرلايه‌هايي از قبيل شيشه و سراميک ثابت شده‌اند، پنج برابر درصد بازده فتوکاتاليستي نانوذرات سوسپانسيون شده است. همچنين تخلخل غشا يا زيرلايه، بر شدت جريان و عمر مفيد اين سيستم‌ها مؤثر است. ميکروکره‌هاي نانوکريستالي دي‌اکسيد تيتانيوم، سطحي قابل مقايسه با نانوپودرها دارند، اما فرايندهاي فتوکاتاليستي آهسته‌تري انجام مي‌دهند.
هزينه
هزينه نانوپودرهاي دي‌اکسيد تيتانيوم برحسب کيفيت آن چند صد دلار بر کيلوگرم است. به عنوان مثال اخيراً شرکت Altair يک سيستم توليدي‌ به ثبت رسانده است، که مي‌تواند نانوپودرهاي دي‌اکسيد تيتانيوم را در مقياس انبوه و بسيار ارزان توليد کند. همچنين اين شرکت فروش محصولات کوچک مبتني بر اين فناوري را طراحي مي‌کند. اين محصولات در دو اندازه 40 کيلوگرم بر ساعت و يک تا دو کيلوگرم بر ساعت موجود خواهند بود. اين واحد، دي‌اکسيد تيتانيوم را از تتراکلريد تيتانيوم توليد مي‌کند که مي‌تواند حدوداً هزاروصد دلار به ازاي هر تن يا صد و ده دلار به ازاي هر کيلوگرم فروخته شود.
روش مصرف
به دليل سختي بازيافت و جداسازي ذرات بعد از تصفيه، استفاده از نانوپودرهاي دي‌اکسيد تيتانيوم سوسپانسيون شده مشکل است. ذرات سوسپانسيون معمولاً به وسيله اولترافيلتراسيون يا ميکروفيلتراسيون جدا مي‌شوند اما در حين اين فرايند مقدار قابل توجهي از ذرات از بين مي‌روند. استفاده از ميکروکره‌هاي نانوکريستالي آسانتر است. آنها در آب از طريق حباب‌سازي هوا سوسپانسيون شده و به طور طبيعي در ظرف آب براي بازيافت آسان‌تر ته‌نشين مي‌شوند.
5-4. اکسيدآهن نانوساختار جاذب
شرکت فناوري‌هاي Adedge آمريکا، اکسيدآهن نانوساختار دانه‌اي و خشکي به نام AD₃₃، براي حذف آرسنيک عرضه نموده است. AD₃₃ با ترکيبي خواص کاتاليستي و جذبي اکسيدآهن با هم، ضمن تبديل آرسنيک به موادي با سميت کمتر، به طور همزمان آن را از آب جدا مي‌نمايد، اين شرکت همچنين طرحي از لوازم مصرفي شامل فيلترهاي AD₃₃ را ارائه نموده است.
حذف آلودگي‌ها
AD33 مي‌تواند بيش از 99 درصد آرسنيک را حذف کند، همچنين مي‌تواند مقادير سرب، روي‌، کروم، مس و ديگر فلزات سنگين را کاهش دهد و آلودگي‌هاي جذب شده را از خود عبور نمي‌دهد.
مقدار تصفيه آب
عمر مفيد فيلترهاي AD₃₃ معمولاً دو تا چهار سال است. سيستم‌هاي تصفيه خانگي سري مداليون شرکت Adedge با سه دبي19، 26 و 38 ليتر بر دقيقه موجود است، همچنين شرکت Adedge کارتريج‌هاي حاوي AD₃₃ با دبي متوسط دو ليتر بر دقيقه را عرضه نموده است. عمر مفيد اين کارتريج‌ها بين سه هزار و 800 تا 11 هزار و 400 ليتر است و به طوري که تخمين زده مي‌شود چهار تا شش برابر بزرگ‌تر از ديگر جاذب‌هاي تجاري موجود است.
هزينه
هزينه کارتريج‌هاي AD₃₃ براي هر مورد حدوداً 50 دلار است و هزينه هر فيلتر مجزا وابسته به مقدار خريداري شده است؛ اما به طور نمونه بين هشت تا 13 دلار به ازاي هر ليتر تغيير مي‌کند.
روش مصرف
طبق توصيه‌هاي شرکت Adedge، فيلترها و محصولات AD₃₃ نياز به جايگزيني مکرر داشته و مواد شيميايي يا احياءکننده‌ها براي آنها استفاده نمي‌شود. با توجه به خشکي ابزارهاي AD₃₃، نسبت به ساير ابزارهاي فيلتراسيون مبتني بر آهن مرطوب، راحت‌تر استفاده مي‌شوند؛ به طوري که در گسترده وسيعي از سيستم‌ها استفاده مي‌شوند. علاوه بر اين، ابزارهاي AD₃₃ مصرف‌شده خطرناک نيست مي‌توان آنها را طبق استانداردهاي سازمان حفاظت از محيط‌زيست آمريکا در زمين دفع کرد.
6. نانوذرات مغناطيسي
6-1. Magneto ferritin
نانوذرات مغناطيسي معمولاً به عنوان جاذب و نانوکاتاليست براي تصفيه آب بررسي شده‌اند. شرکت انگليسي Nano Magnetics، نانوذرات مغناطيسي را تحت عنوان Magneto ferritin ارائه کرده و مشغول بررسي توانايي آن براي انجام اسمز پيش‌رونده (forward osmosis) به عنوان گزينه‌اي با بازدهي انرژي براي اسمز معکوس است. در چنين سيستمي از نانوذرات مغناطيسي براي توليد فشار اسمزي مورد نياز براي راندن آب از ميان يک غشاي فيلتراسيون استفاده شده‌اند. برخلاف اسمز معکوس که براي توليد فشار اسمزي نيازمند انرژي ورودي است.
حذف آلودگي‌ها
Magneto ferritin با توانايي اسمز پيش‌رونده، براي نمک‌زدايي در نظر گرفته شده است؛ اگر چه با توجه به به نوع غشاي مصرفي قادر به حذف آلودگي‌هاي ديگر نيز هست. مقدار تصفيه آب شرکت Nano Magnetics اشاره مي‌کند که Magneto ferritin را مي‌توان از آب، بازيافت و بدون هيچ محدوديت ويژه‌اي دوباره استفاده کرد.
هزينه
اطلاعات خاصي نسبت به هزينه‌هاي Magneto ferritin در دسترس نيست؛ اما به گفته شرکت Nano Magnetics عمر طولاني و استفاده مجدد اين مواد آنها را نسبت به اسمز معکوس از لحاظ هزينه بسيار مناسب‌تر نموده است. همچنين اسمز پيش‌رونده هزينه‌هاي مرتبط با انرژي را تا 40 درصد هزينه‌هاي اسمز معکوس کاهش مي‌دهد.
روش مصرف
هنوز براي Magneto ferritin هيچ سيستم قطعي‌اي طراحي نشده است؛ اما برخي منابع اشاره مي‌کنند که نانوذرات مغناطيسي در يک طرف غشاء براي ايجاد غلظت، به صورت غيرتعادلي به منبع آب اضافه شده‌اند. اين اختلاف غلظت فشار اسمزي مورد نيار براي راندن آب منبع از ميان غشاء را ايجاد خواهد کرد. سپس نانوذرات مي‌توانند با استفاده از ميدان مغناطيسي از آب خالص‌سازي شده، بازيافت شوند. اين مقاله در ماهنامه شماره 112 به چاپ رسيده است