نانو، دلالت بر یک واحد بسیار کوچک در علم اندازه گیری دارد. یک نانومتر معادل 9-10 متر یا به عبارتی یک میلیاردم متر است.
اخیراً با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند.
کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از :
نانو فیلترها، نانو فتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات، نانو سنسورها، توانایی های این فناوری در تصفیه آب و با توجه به انواع آلودگی های نقاط مختلف ایران مورد ارزیابی قرار گرفته است. در گذشته نه چندان دور اهداف تصفیه خانه های آب آشامیدنی کاهش مواد معلق و زدودن عوامل زنده بیماری زا در آب بود که با روشهای متداول فیلتراسیون و گندزدایی قابل حصول بوده اند. لیکن با افزایش غلظت مواد ریزدانه، ترکیبات ازته، مواد آلی و معدنی و فلزات سنگین به منابع آب روش های متعارف جوابگوی نیازتصفیه خانه ها نبوده و لازم است از فرآیندهای نسبتاً جدید در تصفیه خانه ها استفاده شود. اخیراً نیز با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده و یا می شوند. مفهوم نانوفناوری به حدی گسترده است که بخش های مختلف علوم و فناوری را تحت تأثیر خود قرار داده و در عرصه های مختلف از جمله محیط زیست کاربردهای وسیعی یافته است.
نانو فیلترها
تاریخچه نانو فیلتراسیون به دهه هفتاد میلادی زمانی که غشاهای اسمز معکوس با فشارهای نسبتاً پایین همراه با جریان آب تصفیه ای قابل قبول، بسط و توسعه پیدا کردند باز می گردد. استفاده از فشارهای بسیار بالا در فرآیند اسمز معکوس، اگر چه منجر به تهیه آب با کیفیت بسیار عالی می شد، ولیکن به همان نسبت هزینه گزاف انرژی مصرفی عاملی نگران کننده به شماره می آمد. در نتیجه، تهیه آب با استفاده از این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود. بنابراین استفاده از غشاهایی با میزان درصد حذف پایین تر ترکیبات محلول، اما با قدرت نفوذ آب بیشتر و به طبع آن، افزایش حجم آب تصفیه شده با کیفیتی مطلوب (درحد استانداردهای مورد نظر) در فناوری جداسازی یک پیشرفت قابل ملاحظه، به شمار می آمد. از ین رو غشاهای اسمز معکوس با فشار پایین، بعنوان غشاهای نانو فیلتراسیونی شناخته شدند. نانو فیلتراسیون فرآیند غشایی جدیدی است که خواص آن بین فرایندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون قرار دارد و در اختلاف فشار پایین (10-20 بار) قابل استفاده می باشد. به علت عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه های عملیاتی و نگه داری این فرآیند به مواد شیمیایی نیاز نبوده و پساب تولیدی فشرده و غلیظ می باشد. لذا هزینه حمل و نقل و دفع آن کمتر است. به کمک تجهیزات خاص غشاء ها به طور خودکار تمیز می شود. در مورد فرآیند نانو فیلتراسیون، هزینه انرژی به مراتب از اسمز معکوس کمتر می باشد. نکته حائز اهمیت در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب گری در حذف یون هاست. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از دو لایه تشکیل می شود. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً در دو نوع باردار و غیرباردار موجود هستند. مکانیسم اصلی در حذف ملکول های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربالسازی استوار می باشد. در حال که حذف ترکیبات یونی به دلیل بر عم کنش های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه های باردار، حذف می شوند. امروزه غشاهای نانویی تجاری، در اشکال متفاوتی استفاده می گردند. این اشکال شامل، سیستم های مارپیچی، صفحه ای، جعبه ای، لوله ای و فیبری می باشد. شکل هر یک از غشاهای نانویی براساس نوع غشا و نانویی براساس نوع غشا و به منظور بالا بردن بازده و عملکرد آن انتخاب می گردد.
نانو فیلترها برای حذف محدوده وسیعی از ترکیبات به کار گرفته شده است، از جمله :
حذف آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن
حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
حذف کاتیون ها و سختی
حذف کروم (VI)، اورانیم، آرسنیک
حذف آنیون ها
حذف پاتوژن ها
نانو مواد
نانومواد در مقایسه با مواد در ابعاد بزرگ دارای سطوح بسیار وسیع تری هستند. به علاوه این مواد قادر به بر هم کنش با گروه های شیمیایی مختلف به منظور افزایش میل ترکیبی آنها با ترکیبات ویژه می باشند. همچنین نانومواد می توانند به عنوان لیگندهای قابل بازیافت با ظرفیت و عملکرد انتخابی بسیار بالا برای یون های فلزی سمی به هسته های رایواکتیو، حلال های آلی و معدنی به شمار می آیند. جاذب ها به طور وسیعی به عنوان جداساز محیطی در خالص سازی آب و برای حذف آلاینده های آلی از آب آلوده استفاده می شدند. تحقیقات وسیعی در این زمینه صورت گرفته است از جمله می توان به کاربرد نانو تیوپ های کربنی تک دیواره برای حذف یون های سنگین ماننده 2Pb، 2Cu، 2Cd، چیتوزان با گروه های عاملی فسفاته برای حذف 2Pb، ترکیب کربن نانوتیوپ- اکسید سدیم برای حذف As (V) ، نانو بلورهای FeO(OH) – برای جذب AS (V) و Cr (VI) ، زئولیت های تعویض یون NaP1 برای حذف فلزات سنگین از پساب های معدنی اسیدی مانند 3Cr، 2Ni، 2Zn، 2Cu، 2Cd، نانو مواد کربنی برای جذب مواد آلی فرار، رنگ های آلی و ترکیبات آلی و ترکیبات آلی کلره، فولرن برای جذب ترکیبات آروماتیک چند حلقوی مانند نفتالین اشاره نمود.
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
نانو سنسورها در تصفیه آب و پساب
از آنجائی که بسیاری از خواصی که انتظار میرود توسط سنسورها اندازه‌گیری شود در سطح مولکولی یا اتمی هستند از نانوتکنولوژی در کاربردهای حسگری یا شناسایی استفاده زیادی میشود. سنسورهایی که در ابعاد نانومتری ساخته شده‌اند از حساسیت فوق‌العاده‌ای برخوردارند، عملکرد انتخابی دارند و پاسخ‌دهنده میباشند. بنابراین تأثیر نانو تکنولوژی بر سنسورها فوق‌العاده عمیق و گسترده است. به طور کلی به منظور کنترل بوی ناخوشایند، لازم است تا اندازه‌گیری‌هایی مبنی بر میزان بوی منتشر شده انجام شود. ترکیبات بسیاری در بوهای ناشی از تصفیه پساب شناسایی شده‌اند. به طور نمونه این ترکیبات عبارتند از: ترکیبات کاهش یافته گوگرد یا نیتروژن، اسیدهای آلی، آلدئیدها یا کتون‌ها. در سال‌های اخیر سنسورهای تجارتی مجموعه‌ای که بینی الکترونیکی نامیده میشوند برای شناسایی میکروارگانیسم‌ها و فلزات سنگین در آب آشامیدنی (مانند کادمیوم، سرب و روی) و به منظور شناسایی و تعیین مشخصات بوهای ناشی از مخلوط بخار جمع شده در بالای یک جامد یا مایع موجود در یک محفظه دربسته، تولید شده‌اند. این سنسورها روش سریعتر و نسبتاً ساده‌ای را برای پیگیری تغییرات در کیفیت آب و فاضلاب صنعتی فراهم می‌آورند.
اهمیت کاربرد فناوری های نانو در صنعت آب
فناوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. بالطبع صنعت آب نیز بعنوان یکی از پایه‌های اساسی حیات از این مسئله مستثنی نبوده و امروزه شاهدیم که در بخش های مختلف آن، از جمله ؛ ساخت سدها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب ها، شیرین سازی آب و … ، کاربردیافته است. امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف خالص سازی آب، به آبی بهداشتی دسترسی ندارند. بر طبق آمارهای موجود و به نقل از سازمان جهانی بهداشت ؛ حدود یکمیلیاردنفر به منابع آبی سالم و بهداشتی دسترسی نداشته و این میزان چیزی حدود یک ششم جمعیت کره زمین را در بر می گیرد . طی اعداد و ارقام موجود دیگر، روزانه 5000 کودک به علت مبتلا شدن به امراض ناشی از مصرف آبغیر بهداشتی می‌میرند.امروزه تمام دغدغه و تلاشمحققین و دانشمندان این عرصه آن استکه با کمک روشها و فناوری های جدید این مشکلات را کاهش دهند.که یکیاز فناوریهای مورد نظر, فناوری نوظهور نانو است. آنچه در این مبحث ، بیش از بیش دنبال آن هستیم ، ایجاد بستری مناسب ، برای دستیابی به آبی سالم ، با کیفیت و مقرون به صرفه است . به یمن استفاده از شیوه های جدید مخصوصاٌ نانوتکنولوژی در تصفیه آب ، شرایط ذکر شده برای ما میسر گردیده است ، بطوریکه با توجه به حذف موثر آلاینده ها و کاهش هزینه های تمام شده تولید آب سالم ، استفاده از این فناوری ها ، نسبت به روشهای قدیمی بیشتر مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. البته از آنجا که هیچ یک از تکنولوژی های موجود را نمیتوان بطور مطلق پاک و ایمن دانست ، در کنار اهداف تولید باید به جنبه های زیست محیطی، و پتانسیل های بالقوه آسیب رسان آنها نیز توجه شود.
مبحث فناوری نانو در صنعت آب را در دو بخش پی می گیریم :
بخش اول ؛ مقایسه اجمالی فناوری های مختلف تصفیه آب
بخش دوم ؛ بررسی برخی از روش های جدید ، فناوری نانو در تصفیه آب و حذف آلاینده های موجود
مقایسه فناوری های تصفیه آب :
کمبود آب چه از نظر کمی و چه از نظر کیفی در برخی از کشورها و بویژه در کشور ما ، مردم را در معرض تهدیدی جدی قرار داده است, از این رو علم و تکنولوژی دست به دست هم داده اند ، تا با توسعه روش ها این مشکلات را از پیش رو بردارند. در ابتدای این قسمت برخی از روشهای قدیمی تصفیه آب را مطرح کرده و به ذکر معایب آنها می پردازیم ، سپس در بخش بعد وارد بحث استفاده از فناوری نانو شده و مزایای آنرا مورد بررسی قرار خواهیم داد.
مراحل تصفیه در روش سنتی :
پیش تصفیه – منعقد شدن ذرات – فلوکولاسیون – رسوب گذاری – گندزدایی – هوادهی – صافی کردن
برخی از معایب شیوه سنتی در تصفیه آب :
هر کدام از این فرایندهای مذکور به تنهایی قادر به از بین بردن تمامی آلاینده ها نیستند.
این روش ها اساساً بر مبنای نصب تاسیسات فرایندی ( مثل حوضچه های ته نشینی، صافی ها و… ) و استفاده از چندین فرایند متوالی بوده ، بنابراین امکان حمل و نقل سیستم هایی که از این شیوه استفاده می کنند ، سخت و مشکل است، ( مشکلاتی از قبیل شکنندگی تجهیزاتی چون فیلترهای سرامیکی ، نشست زمین در اثر نیروی وزن سیستم های تصفیه خانه ها و… ). کاهش بازدهی برخی از فرایندها با افزایش دبی شاره ها ( مثل فیلترهای کربن فعال که با افزایش دبی ، سریعتر اشباع شده و این خود باعث وارد شدن برخی آلاینده ها ، به درون آب تصفیه شده می گردد) برخی از این فرآیندها حساسیت زیادی نسبت به شرایط فیزیکی و شیمیایی آب از خود نشان می دهند. بدین معنی که با تغییرات pH ، قلیائیت ، دما و مقدار ناخالصی های مختلف در آب بازدهی فرآیندها تغییر پیدا می کند . (مثلا در گندزدایی ؛ کاهش دما و افزایش تیرگی ، تاثیر منفی ، در از بین بردن میکروب ها خواهد داشت .) هزینه بهره برداری از این سیستم ها نسبت به روش های غشایی ( استفاده از نانو فیلترها ) بیشتر است.(با استفاده از مواد شیمیایی در فرآیندهایی مثل؛ منعقدسازی و گندزدایی هزینه های نگه داری سیستم بالاتر می رود.) بعلت استفاده از مواد شیمیایی در برخی فرآیندها (مثل افزودن کلر در عملیات گندزدایی) آب حاصل برای شرب مطبوع نیست.
برخی کابردهای فناوری نانو در عرصه صنعت آب
فناوری نانو با روش های زیر میتواند در تهیه آب تمیز، بهداشتی و قابل شرب کمک کند:
1- غشاهای فیلتراسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب
2- روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی
3- نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتوکاتالیستی و شیمیایی
4- نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب
بر اساس پیش بینی سازمان ملل در سال 2025 حدود 48 کشور (یعنی 32 درصد جمعیت جهان ) دچار کمبود آب آشامیدنی خواهند شد.
فناوری نانو در دوعرصه می تواند مفید باشد:
1 تولید نانو کامپوزیت ها و دخل و تصرف در ساختار آنها برای جداسازی بسیاری از منابع آلاینده آب که بعنوان نمونه پژوهشهای انجام شده در این عرصه حاکی از حذف فلزات سنگین از جمله جیوه،سرب و آرسنیک می باشد.
2 تولید الکترودهای با مساحت سطحی بالا که از طریق کنار هم قرار دادن نانو لوله های کربنی و دیگر ابتکارات طراحی که رسانای الکتریکی شده اند و قادرند نسبت به تامین آب شرب از دریا با مصرف انرژی کمتر ( به میزان حداقل 10 برابر کمتر از انرژی دستگاه اسمز معکوس و 100 برابر کمتر از روش تقطیر ) آب دریا را نمک زدایی کنند.
الف ) حذف آرسنیک :
آرسنیک در اثر انحلال مواد معدنی موجود در سنگها و خاکهایی که تحت تاثیر عوامل فرساینده طبیعی قرار گرفته اند ؛ در لایه های زمین پخش می گردد. این ماده بی بو ، بی مزه و بسیار سمی و سرطان زا می باشد که استفاده دراز مدت از آب آلوده به آن باعث ایجاد سرطان های پوستی ، لنفاوی ، کلیوی ، صفرایی و ریوی می شود . حد مجاز آرسنیک مطابق استاندارد WHO برابر با 10 میلی گرم در لیتر می باشد . بنابراین کاربرد فن آوریهای نوین برای حذف آین عنصر از آبهای آشامیدنی حائز اهمیت است که در زیر بطور مثال به دو نمونه اشاره می شود :
1- اختراع جدید موسوم به ArsenXnp کارایی و راندمان بالایی در حذف آرسنیک نشان داده است . این اختراع در حقیقت یک رزین مبادله یونی است که در راستای تکمیل رزین های انتخابگر جهت تصفیه آبهای زیرزمینی از یون های نیترات ، پرکلرات و کروم شش ظرفیتی ساخته شده است. از مهمترین امتیازات ArsenXnp ؛ انتخابگری بالای آن برای یون آرسنیک است که پلیمرهای پایه آن برای دوام و بقا نیاز به شستشو ندارند. بعبارت دیگر این محصول عمر طولانی و کاربرد بسیار ساده ای دارد. این فن اوری علاوه بر حذف ارسنیک از اب اشامیدنی ، جهت حذف آرسنیک از پساب های صنایع نیمه هادی و آب های استفاده شده در برج های خنک کننده نیز کاربرد دارد.
2- در تحقیقات اخیر دانشمندان ، برای حذف آرسنیک درون آب، از نانو ذرات اکسید روی استفاده شده است زیرا اکسید روی توده ای نمی تواند آرسنیک را حذف نماید ، در حالیکه نانو ذرات خواص کاتالیستی و جذبی مفیدی را از خود نشان داده اند. البته استفاده از آنها بطور صنعتی با مشکلاتی همراه بوده است به نحوی که این مواد در ستون آب یا به سادگی معلق می شوند و یا هر فیلتری را که در مسیر حرکت آنها قرار گرفته باشد مسدود می کنند. بنابراین روش های جدید برای ساخت توده های نانو ذره ای هم اندازه و هم شکل رشته های رزینی را پیدا کرده اند. محققین برای ایجاد این توده ها ، رزینهای تبادل کاتیون را با یون های روی پر کردند، سپس آنها را سوزاندند ؛ در نتیجه گوی هایی از نانو ذرات کروی دی اکسید روی با قابلیت بالای حذف آرسنیک بوجود آمدند. این فرآیند همچنین می تواند برای ایجاد توده های نانو ذرات سولفید فلزی و اکسید فلزی به منظور استفاده در کاربردهای کاتالیستی ، تصفیه آب و رفع آلودگی ها به کار رود.
ب ) حذف ذرات :
نانو فیلتراسیون
نانو فیلتراسیون یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو است که امکان جداسازی ذرات از آب در مقیاس نانو و تولید آب تصفیه شده در حجم انبوه را فراهم می سازد. در این روش غشای موجود ، دو فاز همگن را از هم جدا نگه می دارد و با جلوگیری از عبور ناخالصی ها , به صورت انتخابی سبب خالص سازی آب می گردد. برای رسیدن به این مقصود نیازمند استفاده از نیروی جلو برنده ای هستیم ،که این نیرو می تواند اختلاف فشار ، اختلاف دما ، اختلاف غلظت ، و یا حتی اختلاف پتانسیل باشد .
با استفاده از نانوفیلترها ، مواد معدنی لازم برای سلامتی انسان، در آب باقی می ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می شود. با توجه با اینکه پنجاه درصد آبهای زیرزمینی و هفتاد و هشت درصد آب رودخانه ها در مناطق شهری ، غیر قابل شرب است ، کاربرد این فناوری برای تصفیه آب ، طرفداران زیادی دارد. تحقیقات در چین نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانو فیلترها در مدت طولانی ؛ شیوع بیماریهای قلبی و عروقی و سرطان به ترتیب چهل و بیست درصد کاهش یافته است. شمای کلی این روش در شکل روبرو نشان داده شده است.
در این روش چهار نوع مختلف غشا قابل ذکر است:
- میکرو فیلترها
- اولترافیلترها
- نانوفیلترها
- فیلترهای اسمز معکوس
نوع خاصی از این فیلترها که در شرایط نظامی برای حذف آلودگی های شیمیایی از آب بکار میرود، تقریبا مانند قاب نگهدارنده CD با قطر 5 اینچ و ضخامت یک اینچ است. آب از طریق یک لوله از پایین وارد فیلتر از جنس نانو لوله های کربنی و پس از تصفیه توسط یک لوله دیگر از بالا خارج می شود.این نانو فیلترها قادرند از عبور ذرات کوچک مولکولهای گاز نیز در حملات شیمیایی در جنگ ها ممانعت نمایند.
به کمک فناوری جدید در فیلترهای هوشمند ، هر مولکول نسبت به محیط اطراف خود واکنش نشان داده و با مولکولهای دیگر ارتباط برقرار کرده و تبادل اطلاعات می نمایند که در مجموع نتیجه دلخواه بدست می آید.(تقریبا حدود 65٪ از بازار مصرف نانوفیلتراسیون مربوط به شیرین کردن آب می باشد.)
ج ) حذف رنگ :
رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید زدوده شود ، بلکه چون این رنگ ها می توانند منشاء تولید تری هالو متانها مانند (CHCl3) نیز باشند ، خطرناک محسوب میشوند . این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان زا می شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولا ناشی از وجود اسیدهای معدنی با جرم مولکولی800 – 50000 gr/mol است . اسیدهای مذکور در اثر تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می شوند. اغلب روشهای متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند ، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می توان تا 99 درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد.
د ) حذف نیترات :
استفاده از 4 gr/lit نانوذرات آهن با قطر 10-100 nm ( متوسط 25 نانومتر ) و سطح ویژه0/31 m2/gr در حذف نیترات از محیط های آبی ، راندومان حذف بسیار بالایی داشته بطوریکه غلظت های اولیه 300-50 میلی گرم بر لیتر در طی 3 ساعت به 5- 4 میلی گرم بر لیتر رسیده است. در این فرآیندpHبعنوان پارامتری اساسی ، احیاء نیترات را کنترل کرده بطوریکه در pH<4/5 طی 3 ساعت تغییری در غلظت نیترات مشاهده نشده است . کنترل pH با تزریق اسید در طی واکنش در محدوده 4-2 باعث افزایش سرعت و راندومان واکنش میشود.
هـ ) حذف فلزات سنگین و مواد آلی :
نانو ذرات TiO2 برای اکسید کردن آلاینده های آلی و به صورت دامهای نانو مقیاس برای جذب فلزات سنگین در مکان های آلوده مورد استفاده قرار می گیرند. در حالات ذکر شده این ذرات می توانند عامل اکساینده باشند و تولید آب یا دی اکسید کربن می کنند. مطالعات اخیر نشان می دهد که از TiO2 در مقیاس نانو می توان برای رفع آلاینده ها ؛ ویروس ها و مواد شیمیایی آلی خطرناک استفاده کرد. ذرات نانو با سطوح مناسب ( لیگاندها و معرف ها ) می توانند برای جداسازی فلزات سنگین و برای غیر فعال کردن سطوح آلوده استفاده شوند. بدیهی است که فرآیندهای شیمیایی با کارایی بالاتر مواد آلاینده و ضایعات کمتری تولید می کنند.
دیگر ساختارها و کاربردهای نانو تکنولوژی در تصفیه آب :
با گسترش فناوری نانو ، نانو مواد ، نانو کاتالیست ها و نانو ذرات جدیدی گسترش یافته اند که در تصفیه آب دارای بازدهی بالاتری بوده و می توانند به طور موثرتری مواد آلاینده را از آب حذف کنند .بسیاری از این تکنولوِژی ها همچنان بعلت نو ظهور بودن در مراحل تحقیقاتی بوده و به نظر می رسد ،با تکمیل اطلاعات مورد نیاز امکان استفاده از آنها در آینده میسر خواهد شد.
زئولیت ها :
زئولیت ها سال هاست که مورد استفاده قرار دارند ، ولی امروزه با کنترل اندازه ذرات تشکیل دهنده غشاء و ایجاد غشاهایی همگن از این مواد ، امکان بالا بردن بازدهی فراهم شده است.
زئولیت ها کریستالهای جامدی هستند که روزنه هایی در ابعاد میکرو دارند و معمولا از سیلیکون ، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده اند و در یک قاب قرار گرفته اند. این مواد بصورت کانی های طبیعی وجود دارند . که با هزینه های بالا بدست می آیند ، نوع دیگر آنها به صورت مصنوعی ساخته شده که برای مقاصد خاص مورد استفاده قرار می گیرند. زئولیت ها قادر به حذف مواد آلی خطرناک و همچنین یون های فلزات سنگین از آب میباشند.
پلیمرها :
نوع جدیدی از مواد پلیمری ساخته شده که قادر به کاهش غلظت آلاینده های آلی رایج در آب تا حد ppt می باشند . در ساخت این پلیمرها اندازه های روزنه ها در حدود nm102-507 کنترل شده اند. قدرت حذف مواد آلی با این روش تا 100000 برابر کربن فعال ( که در حال حاضر برای این مقصود مورد استفاده قرار می گیرد ) بیشتر است. این روش می تواند برای تهیه آب تصفیه شهرها و یا دوباره در چرخه قرار دادن آبهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
نمک زدایی :
خروج نمک های محلول در آب توسط غشا و یا حرارت را نمک زدایی گویند. در عملیات حرارتی و یا به روش سنتی ابتدا آب را می جوشانند و پس از دوباره متراکم و سرد کردن بخار ، آب حاصل، نسبتا خالی از نمک ها می باشد.در عملیات غشایی با استفاده از نیروی جلوبرنده ، مانند ایجاد اختلاط ، و یا فشار میتوانیم آب تصفیه شده را از آب خام ورودی بدست آوریم. همانطوریکه در معرفی غشاها گفته شد فیلترهای RO (فیلتر های اسمز معکوس) ، تمام نمکهای حل شده در آب را حذف می کنند ، در حالیکه فیلترهای NF یا همان نانو فبلتر ها با ایجاد حالت انتخابی در جذب مواد به ما ، حق انتخاب بیشتری در تولید آب با کیفیت مورد نظر را می دهند.
مهمترین عامل عدم رشد نمک زدایی ، قیمت بالای تهیه آب با استفاده از این فرآیند می باشد. با استفاده از نانو تکنولوژی انتظار می رود قیمت تمام شده آب حاصل از نمک زدایی پایین آید تا امکان استفاده از این روش فراهم گردد.
باید در نظر داشت که یک سوم هزینه های مورد نیاز این فرایند صرف انرژی لازم برای عبور از غشا می شود[iv]. به منظور کاهش برخی از این هزینه ها باید از غشاهایی کار گرفت که با استفاده از ایجاد فشار در دو مرحله ، به نوعی باعث کاهش کلی فشار مورد نیاز و در نتیجه کاهش هزینه های جاری شد. آنچه که در بهره برداری هرچه بهتر از این روش مسلم است ؛ نیاز کنونی جوامع امروزی باید به دنبال تولید غشاهایی توسعه یابد که دارای طول عمر بیشتری بوده و برای تولید به انرژی کمتری نیاز داشته باشند.
نانو ذرات مغناطیسی در تصفیه آب :
این مواد بدین جهت توسعه یافته اند که توانایی حذف آلودگی های فلزی و ترکیبات آلی را دارند.
به نظر می رسد این شاخه از علم نانو برای از میان برداشتن آلاینده های آلی و حذف نمک ها و فلزات سنگین بسیار مناسب باشد.
طی تحقیقاتی ، با پوشش دادن نانو ذرات SPM بر روی پلیمرها به ترکیبی دست یافته شد، که میتواند در سطح وسیعی کاربرد داشته باشد ، به دلیل اندازه این ذرات و میل ترکیبی بسیار بالا ، آنها قادر به حذف تقریباً 100٪ عوامل آلودگی از آبها هستند. اندازه ذرات در این فناوری در بین nm 15- 20 است که برای جداسازی مغناطیسی اندازه مناسبی است. این نانو ذرات مغناطیسی به همان خوبی کانی های آهنی قادر به جذب آرسنیک و حذف آن از آب هستند .در پایان ،این تحقیقات نشان داده که نانو ذرات مغناطیسی در جذب آرسنیک بسیار موثر واقع شده اند. مخصوصاً اینکه در pH های پایین هم کاریی بهتری دارند.
کاربرد نانو تکنولوژی در تصفیه فاضلاب های شهری و صنعتی :
با توجه به مسئله بحران آب که امروزه یکی از مشکلات اساسی اکثر کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است . بی شک با توجهی دوباره به منابع آب آلوده شده ، می توان به مقابله با این بحران پرداخت . تصفیه فاضلاب خانگی و نیز پسابهای صنعتی از دیرباز مورد توجه بشر قرار گرفته است ولی آنچه که فناوری نانو میتواند در اختیار دهد ، بهبود کیفیت فاضلاب تصفیه شده برای استفاده مجدد در کشاورزی ، کشت آبی ، مصارف صنعتی یا حتی شرب و شستشو می باشد . البته در زمینه پیشگیری و تشخیص آلودگی بکمک فناوری نانو نیز تحقیقاتی بعمل آمده که در زیر بطور خلاصه به آن اشاره میشود :
الف ) ردیابی و ارزیابی آلودگی :
نانو تیوپ های کربنی ، ساختارهای حلقوی تو خالی متشکل از اتم های کربن هستند که می توانند به شکل یک یا چند دیواره آرایش یابند و دارای خواص فلزی یا شبه رسانایی نیز باشند. تحقیقات و پیشرفت های وسیعی در سطح جهان برای شناسایی کاربردهای نانو تیوپ های کربنی برای مصارف صنعتی در حال انجام است و اخیرا قابلیت استفاده از آنها در کاربردهای زیست محیطی نیز مطرح شده است . نانو تیوپ های کربنی را می توان برای ردیابی آلودگی و نیز ارزیابی احتمالی آلاینده های آبی و جمع آوری و ارائه اطلاعات مربوط به آلاینده های محیط زیست بکار برد. از آنجا که نانو تیوپ ها مولکولهای غیر قطبی کربن خالص می باشند ، با حل شدن در بعضی حلال های آلی می توانند براحتی توسط گروه های عملکردی متفاوت جهت جفت کردن واکنش و حلالیت آلاینده مشخص ، تغییر حالت پیدا کنند و در نتیجه عمل ردیابی آلودگی را امکانپذیر سازند.
ب ) حذف آلاینده های آلی با استفاده از نانو ذرات TiO2 :
همانطوریکه قبلا هم گفته شد ، نانو ذرات TiO2 از مهمترین کاتالیست هایی هستند که برای حذف آلودگی های ناشی از مواد آلی موجود در آب های آلوده به مواد نفتی و نیز پساب های صنعتی کاربرد دارند . بدین ترتیب که نانو ذراتTiO2 را روی ، زیر لایه های مناسبی پوشش می دهند و در حوضچه های تحت تابش نور فرابنفش قرار می دهند . در اثر تابش نور فرا بنفش ، ماده خاصیت اکسید کنندگی پیدا کرده و مواد آلی را به آب و دی اکسید کربن تبدیل و برخی اسیدهای معدنی را تجزیه می کند. با توجه به آزمایشات بعمل آمده ، پساب آلوده به مواد نفتی بعد از 7 روز کاملا تجزیه شده است. البته برای بهبود اثر بخشی نانو ذرات اکسید تیتانیم میتوان از Fe و Er نیز استفاده کرد ، که بر اثر این تلقیح عمل اکسایش تحت تابش هایی با طول موج بلندتر و بطور ویژه در ناحیه قابل مرئی انجام می شود.