کاربرد فناوري نانو در تصفيه آب(1)
1-مقدمه
نوشتن در مورد آب و اهميت آن هرچند تکرار بديهات به نظر مي‌رسد، اما همواره از موضوعات قابل‌توجه بوده است. البته قرار هم نيست در اين مقاله از اين موضوع نوشته شود، بلکه از کاربرد فناوري نانو و اثربخشي آن در صنعت تصفيه‌ي آب خواهيم گفت. اما پيش از آن لازم است اندکي درباره‌ي چگونگي تصفيه‌ي اين «مايع حياتي» بدانيم.
از نظر شيوه‌ي تصفيه، آب معمولاً به دو دسته‌ي: آب صنعتي و آب شُرب تقسيم‌بندي مي‌شود. تصفيه‌ي آب صنعتي بسيار مشکل‌تر از آب شُرب مي‌باشد، در آب صنعتي لازم است سختي آب به صفر برسد و عاري از اکسيژن باشد؛ چرا که اين هر دو، موجب خوردندگي در مصارف صنعتي خواهند شد. در صورتي‌که، آب شُرب با سختي ppm500 نيز قابل‌مصرف بوده و وجود اکسيژن در آن سبب گوارايي آب خواهد شد. در اين مقاله، توجه ما به آب شُرب و تصفيه‌ي آن خواهد بود.
آب طبيعي به غير از H2O شامل چه ترکيبات ديگري مي‌باشد؟ ناخالصي‌هاي آب عموماً به چهار دسته تقسيم‌بندي مي‌شود:
1) محلول‌ها (شامل کاتيون‌ها و آنيون‌هاي محلول در آب)
2) غيرمحلول‌ها (مانند کلوئيدها و ذرات معلق در آب)
3) گازها (مانند اکسيژن، دي‌اکسيدکربن و...)
4) مواد آلي و عوامل بيماري‌زا
در هنگام تصفيه‌ي آب شُرب، تلاش مي‌شود تا ميزان هريک از ناخالصي‌هاي مذکور به حد متعادل برسد و براي حذف يا کاهش اين ناخلصي‌ها روش‌هاي ويژه‌اي وجود دارد. در ادامه به بررسي مرحله‌اي فرايند تصفيه‌ي آب شُرب و تأثير فناوري نانو بر آن مي‌پردازيم.
2- تصفيه‌ي آب
مراحل تصفيه‌ي آب شُرب به طور خلاصه شامل موارد زير مي‌باشد:
1-2 آشغال‌گيري
در ابتدا اجسام بزرگ، سنگريزه‌ها، گل و لاي و هرچه که سبب آسيب به دستگاه‌هاي تصفيه‌خانه مي‌شود، توسط توري‌هاي مخصوص، از آب جدا مي‌شود. اين مرحله گاهي در بدو ورود به تصفيه‌خانه، و در بيش‌تر موارد قبل از ورود به خط لوله (لوله‌هاي انتقال از منبع به تصفيه‌خانه) صورت مي‌گيرد. زيرا اين مواد ممکن است سبب گرفتگي لوله‌ها شوند.
2-2- هوادهي
در اين مرحله گازهاي محلول در آب را خارج کرده و ميزان اکسيژن آن را مي‌افزايند. معمولاً طراحي تصفيه‌خانه‌ها به گونه‌اي است که آب در مسير، دچار اُفت و خيز شده (مسير شيب‌دار) و هوادهي ضمن عبور از همين مسير صورت گيرد.
3-2- زلال‌سازي (انعقاد و ته‌نشيني ذرات کلوئيدي)
يکي از مهم‌ترين قسمت‌هاي تصفيه‌خانه همين عمليات انعقادسازي (coagulation) مي‌باشد.
معمولاً در حوضچه‌هاي تصفيه‌خانه و با کم کردن سرعت آب، مقداري از مواد، توسط نيروي ثقل ته‌نشين مي‌شوند. با اين‌همه اما، آب هنوز زلال و شفاف نيست. علت اين کدري، ذرات کلوئيدي معلق در آب است که به دليل داشتن بارهاي هم‌نام، قادر به تجمع و ته‌نشين شدن نيستند. به همين منظور، در اين مرحله، از منعقدکننده‌ها استفاده مي‌شود. منعقدکننده‌ها؛ موادي با بار مخالفِ ذرات کلوئيدي مي‌باشند که با جذب اين ذرات، به تجمع و رسوب‌شان کمک مي‌کنند.
منعقد کننده‌ها مواد معدني‌اي هستند که بار الکتريکي بالايي دارند. مانند: آلومينيوم سولفات (آلوم)، ترکيبات آهن و...
در اين‌جا: http://techalive.mtu.edu/meec/module03/Coagulation2.html
مي‌توانيد تصويري از عمليات منعقدسازي را توسط ذرات آلوم مشاهده نماييد.
4-2- فيلتراسيون
در اين مرحله، آب از ميان فيلترهاي شني عبور کرده و ذرات کوچک، ذرات تجمع‌يافته از کلوئيدها و ميکروارگانيسم‌ها از آب خارج مي‌شوند.
5-2- کاهش سختي آب
آب سخت به آبي گفته مي‌شود که حاوي کاتيون‌هاي دوظرفيتي است. مهم‌ترين کاتيون‌هاي دوظرفيتي آب‌ها عبارتند از: Ca+2، Mg+2، Fe+2 و Mn+2 که در بين اين مجموعه، کلسيم و منيزيم به دليل غلظت بالا، بيش از ساير کاتيون‌ها اهميت دارند. بنابراين، مجموع املاح Ca+2 و Mg+2 موجود در آب، سختي آب‌ها را تشکيل مي‌دهند.
روش‌هاي کاهش سختي آب عبارتند از:
• روش لايم- سودا (استفاده از آهک و سودا)
در اين روش با افزودن آهک و سود، يون بي‌کربنات (HCO3-) را که عامل اصلي سختي آب است، به صورت کربنات کلسيم (CaCO3) رسوب مي‌دهند.
• استفاده از رزين‌هاي مبادله کننده‌ي يون
از مهم‌ترين روش‌هاي کاهش سختي آب، استفاده از مواد جامدي‌‌ست که توانايي جايگزين کردن يون‌هايي ديگر را در ساختارشان دارند. اين مواد به دو دسته‌ي رزين‌ها و زئوليت‌ها تقسيم‌بندي مي‌شوند.
رزين‌ها مواد پليمري هستند که مي‌توانند يکي از يون‌هاي ساختارشان را با يون‌هاي موجود در محلول جايگزين و تعويض نمايند. به طور مثال، رزين کاتيوني به فرم سديم، چنانچه در مجاورت آب سخت قرار بگيرد، يون‌هاي سديم با يون‌هاي کلسيم جايگزين مي‌شود.
زئوليت‌ها مواد متخلخلي با پايه‌ي آلومينيوم سيليکات مي‌باشند که به آن‌ها يون‌هايي مانند سديم متصل است و قابليت تعويض شدن با ديگر يون‌ها را داراست.
• اسمز معکوس
در فرايند اسمز معکوس، غشايي از جنس استات سلولز به کار مي‌رود، که فقط نسبت به آب تراوايي دارد (شکل 1) و سبب عبور آب از غشا شده و مابقي اجزاء را پشت غشا نگه مي‌دارد. اساس کار تمامي دستگاه‌هاي آب‌شيرين‌کُن فرايند اسمز معکوس مي‌باشد.
• الکترودياليز
اساس اين روش، همان روش دياليز بيماران کليوي‌ست که روشي گران‌قيمت مي‌باشد. در اين روش از غشاهاي متناوب کاتد- آند استفاده مي‌شود که سبب يونيزاسيون آب مي‌گردد.
6-2 گَندزُدايي
به حذف ميکروب‌ها، ويروس‌ها، عوامل بيماري‌زا و انواع آلاينده‌هاي از آب، گندزدايي گفته مي‌شود. انواع آلاينده‌ها شامل مواد آلي (کلروبنزن‌ها، تري‌هالو‌متان‌ها و..) ، فلزات سنگين (سرب، کادميم و مس) و يون‌هاي غيرفلزي مي‌باشد.
روش‌هاي مختلف گندزدايي عبارتند از:
• روش‌هاي شيميايي شامل:
1) جذب سطحي توسط کربن فعال (فيلتراسيون توسط کربن فعال)
2) کلردارکردن
3) اشعه‌ي ماوراء بنفش (UV)
سهل‌ترين و پرکاربردترين اين روش‌ها کُلرزني است. چرا که ماده شيميايي کُلر ارزان و قوي بوده و به هر سه صورت جامد، مايع و گاز در دسترس مي‌باشد.
• روش‌هاي بيولوژيکي شامل:
1) اکسيداسيون
2) باکتري‌هاي تجزيه‌کننده
• روش‌هاي مکانيکي شامل:
1) ته‌نشيني
2) فيلتراسيون شني يا مواد مشابه
