كاربرد فناوري‌نانو در پاکسازي محيط زيست‎

يكي از مهم‌ترين کاربردهاي فناوري‌نانو در محيط زيست، تصفيه آلاينده‌هاي آب‌هاي زيرزميني با نانوذرات nZVI (zero-valent iron) است که بازده و راندمان قابل توجهي دارد، اما نامشخص بودن خصوصيات اساسي اين فناوري مشکلاتي در رابطه با استفاده بهينه و يا ارزيابي خطرات آن از لحاظ انساني و اکولوژيکي به وجود آورده است.
در اين مقاله به سه مورد اساسي که باعث سوء تفاهم در مورد اين فناوري مي‌شود اشاره مي شود:

1. nZVI هايي که در تصفيه آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند بسيار بزرگتر از ذراتي هستند که تأثيرات حقيقي در اندازه نانو را نشان مي‌دهند.
2. واکنش‌پذيري بالاي اين ذرات عمدتاً نتيجه سطح ويژه بالاي آنها است.
3. تحرک nZVI تقريباً در تمامي شرايط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفيه به حداقل مي‌رسد.

به هر حال هنوز سئوالات زيادي در مورد اين فناوري وجود دارد: مثلاً اين كه چگونه nZVI به سرعت جابه‌جا خواهد شد؟ اين جابه‌جايي به سمت چه محصولاتي است؟ آيا اين مواد در محيط زيست قابل تشخيص هستند؟ و اينکه چگونه تغييرات سطح nZVI باعث تغيير طول عمر و تأثير آن روي تصفيه خواهد شد؟
کاربردهاي نويدبخش فناوري‌نانو در محيط زيست بسيار زياد است؛ اين مطلب در ”پيشرفت محيط‌زيستي“ به عنوان يکي از هشت زمينه پيشرو فناوري‌نانو که از جانب NNI تعيين شده منعکس شده است. در حقيقت، تقريباً تمام برنامه‌هاي NNI (پديده‌هاي بنيادي، مواد، روش‌ها، اندازه‌گيري و غيره) جنبه‌هاي محيطي دارند. نگراني‌هاي زيست محيطي تقريباً در تمام 11 سازمان حاضر در برنامه NNI قابل مشاهده است.
بيشتر کاربردهاي زيست محيطي فناوري‌نانو در سه مقوله جاي مي‌گيرند:

1. محصولات بي‌خطر براي محيط زيست يا محصولات با قابليت تحمل بالا مثلاً شيمي سبز؛
2. تصفيه موادي که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند؛
3. حسگرهايي براي ذرات محيطي.

با اينکه معمولاً اين سه مقوله در زمره موادشيميايي يا مواد نانوبيولوژيکي تلقي مي‌شود بايد توجه کرد که اين موارد مي‌تواند در مورد عوامل ميکروبي و مواد زيست‌محيطي نيز کاربرد داشته باشد. فناوري‌نانو‌ نقش مهمي در بهبود روش‌هاي کشف و پاک‌سازي عوامل زيست‌محيطي مضر دارد.
دو فناوري متعارف تصفيه كه در فناوري‌ ‌نانو نيز از آنها استفاده مي‌شود عبارتند از: جاذبه و واکنش درجا و غيردرجا. در فناوري‌ تصفيه جاذبه‌اي به كمك فرآيند جداسازي، آلاينده‌ها (به خصوص فلزات) را جدا مي‌کنند؛ در حالي که فناوري‌ واکنشي باعث تجزيه آلاينده‌هاي مي‌شود. گاهي اوقات تمام روش‌ها به سمت توليد محصولات کم ضررتر است مثلاً در مواردي که آلاينده‌ها آلي باشند محصولاتي مثل CO₂ و H₂O توليد مي‌شود.
در فناوري‌‌ درجا، پاک‌سازي آلودگي در همان محل آلودگي صورت مي‌گيرد در حالي که در فناوري‌ غير درجا، عمليات پاک‌سازي پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان‌ مطمئن انجام مي‌شود؛ به عنوان مثال آب‌هاي زيرزميني آلوده به سطح زمين پمپ شده و پاک‌سازي آنها در راکتورهاي واقع در سطح زمين انجام مي‌شود.
فناوري‌نانو غيردرجا
يک مثال برجسته از فناوري‌نانو براي تصفيه آلاينده‌ها از طريق جذب سطحي، تك لايه‌هاي خودآرا روي پايه ميان حفره‌اي يا SAMMS است. SAMMS‌ از طريق خود آرايي‌ يک لايه از عوامل سطحي فعال شده بر روي پايه‌هاي سراميکي ميان حفره‌اي به وجود مي‌آيد که سبب ايجاد موادي با سطح ويژه بسيار بالا (تقريباً1000 m²/g) مي‌شود. خصوصيات جذبي اين مواد را به گونه‌اي مي‌توان تنظيم كرد كه آلاينده‌هاي خاص مثل جيوه، کرومات، آرسنات، پرتکنتات، و سلنيت را جذب كند.
پليمرهاي درخت‌ساني، نوع ديگري از مواد نانوساختار هستند که پتانسيل تصفيه آلاينده‌ها را دارند. نمونه‌هاي جديد اين روش شامل اولترافيلتراسيون بهبود يافته با درخت‌سان‌ها به منظور حذف Cu⁺² از آب و حذف آلاينده‌هاي Pb⁺² از خاک است.
اين دو نوع نانوساختار جاذب كه در فرايندهاي غيردرجا استفاده مي‌شوند، مي‌توانند مواد پرخطر را در غلظت بالايي در سطح خود جمع کنند.
تجزيه آلاينده‌ها به كمك فناوري نانو بر خلاف تصفيه از طريق جذب مختص آلاينده‌هاي آلي است. روش رايج تصفيه آلاينده‌هاي آلي فوتواكسيداسيون (photooxidation) به وسيله كاتاليزورهاي نيمه‌رسانا (مثلTiO₂ ) است. قابليت فوتوکاتاليست‌هاي کوانتومي (اندازه ذره تقريباً 10 nm) مدت‌هاست كه در تجزيه آلاينده‌ها شناخته شده‌ است.
به هر حال همان‌طور که در توضيح فناوري‌هاي جاذب گفته شد فوتواکسيداسيون به وسيله نيمه‌هادي‌هاي نانوساختار يک روش غيردرجا است؛ چون به نور نياز دارد و بايد در يک راکتور که براي اين کار طراحي شده است؛ انجام شود.
فناوري‌نانو‌ درجا 

1. ايجاد نواحي واکنشي درجا با نانوذراتي که تقريباً بي‌حرکت هستند؛
2. ايجاد توده نانوذرات واکنشي که به سمت مناطق آلوده حرکت مي‌کنند؛ البته اگر اين نانوذرات به اندازه کافي متحرک باشند. (همان گونه که درشکل (1) نشان داده شده است).

در زير بيشتر به تحرک درجاي نانوذرات مي‌پردازيم، زيرا تحرک درجاي نانوذرات معمولاً باعث ايجاد سوء تفاهم در فهم مطلب مي‌شود.
با وجود اينکه نانوذرات گوناگوني (مثل دو قطبي غيريوني، پلي‌يورتان و يا فلزات نجيبي روي پايه آلومينا) در تصفيه درجا قابل استفاده‌اند؛ اما تا به حال بيشترين توجه به نانوذرات حاوي nZVI شده است. تمايل به استفاده از nZVI براي تصفيه باعث بهبود شيمي تصفيه و يا گزينه‌هاي توسعه آن شده است.
اين امر منجر به انتقال بسيار سريع اين فناوري از مرحله آزمايشگاهي به مرحله نيمه‌صنعتي شده است. کاربردهاي تجاري nZVI در تصفيه به سرعت رايج و بازارهاي رقابتي شديدي در زمينه مواد حاوي nZVI و تأمين کنندگان خدمات آن به وجود آورده است.
برخي تصورات غلط راجع به اصول اساسي فناوري تصفيه مبتني بر nZVL کاربردهاي آن در محيط زيست وجود دارد. با اينکه اين مطالب بسيار به هم وابسته‌اند ولي ما مي‌توانيم آنها ر ا در سه گروه تقسيم کنيم: ريخت‌شناسي ذره، واکنش‌پذيري و تحرک.
در ادامه، نكات کليدي سه دسته بالا را توضيح مي‌دهيم تا بتوانيم به يك جمع‌بندي راجع به اين فناوري‌ دست يابيم و از اين طريق به پيشرفت‌هاي زيست محيطي فناوري كمك كنيم.

ويژگي‌هاي نانوذرات 
ريخت‌شناسي
تعريف‌هاي گوناگوني در مورد اندازه نانو ارائه شده است؛ اما بايد به اين نظريه اشاره کرد که اندازه نانو محدوده‌اي از اندازه مولکول‌ها و مواد است که ذرات در اين محدوده، خواص بي‌همانند يا به طور کيفي، متفاوت با ذرات بزرگ‌تر از خود دارند.

بيشتر نمونه‌هايي که اين خواص را دارند، داراي اندازه‌اي در محدوده کوچک‌تر از 10 نانومتر هستند؛ زيرا در اين محدوده، اندازه ذرات به اندازه آنها در شرايط مولکولي پايدار نزديک‌تر است.
يکي از اين مثال‌ها محدوده کوانتومي است که به اين علت به وجود مي‌آيد که با کاهش اندازه ذرات، باند گپ (bandgap) افزايش يافته، باعث به وجود آمدن برخي ويژگي‌هاي مفيد در فوتوکاتاليست‌هاي نيمه‌هادي مي‌شود كه در بخش فناوري‌هاي غيردرجا توضيح داده شد.
خصوصيات ديگري که در اندازه‌هاي زير 10 نانومتر تغيير مي‌کند سطح ويژه است که در شکل (2) نشان داده شده است.
از نظر کيفي فاکتورهاي ديگري نيز وجود دارند که در تعيين اين خصوصيات دخالت دارند، مثل نسبت اتم‌هاي سطحي به اتم‌هاي توده و قسمتي از حجم ذره که شامل ضخامت محدود لايه سطحي است (حجم سطحي).
آماده‌سازي nZVI براي استفاده در کاربردهاي تصفيه‌اي، به طور معمول در اين محدوده- بين چند ده تا چند صد نانومتر- انجام مي‌شود. علاوه بر اين، ذرات nZVI حتي تحت شرايط آزمايشگاهي هم تمايل دارند که به هم بپيوندند و متراکم شوند و در نتيجه مجموعه‌هايي توليد مي‌شود که اندازه آنها ممکن است نزديک چند ميکرون شود. اين بدان معني است که nZVI و مواد مرتبط با آن که در کاربردهاي تصفيه محيط‌زيست استفاده مي‌‌شوند، خصوصيات فوق‌العاده مورد انتظار براي نانوذرات حقيقي را از خود نشان نخواهند داد و اغلب همانند کلوئيد‌هاي محيط زيست رفتار خواهند کرد.
واکنش‌پذيري
واکنش‌پذيري زياد نانوذرات مي‌تواند نتيجه سطح ويژه بالاي نانوذرات، چگالي بيشتر نواحي واکنش‌پذير روي سطوح ذره و يا افزايش واکنش‌پذيري اين نواحي بر روي سطح باشد.
اين فاکتورها مجموع سه نتيجه واضح وکارا را در مورد nZVI در پي داشته است:

1. تجزيه آلاينده‌هايي که واكنش‌ چنداني با ذرات بزرگ‌تر نمي‌دهند. مانند پلي فنيل هاي کلرينه شده؛
2. تجزيه بسيار سريع‌تر آلاينده‌هايي که پيش از اين با سرعت‌هاي مناسبي با ذرات بزرگ‌تر واکنش نشان مي‌دادند، مانند اتيلن‌هاي کلرينه شده؛
3. دسترسي به محصولات مطلوب‌تر با تجزيه آلاينده‌هايي که به وسيله مواد بزرگ‌تر سريعاً تجزيه مي‌شوند؛ اما باعث به وجود آمدن محصولات فرعي نامطلوبي مثل تتراکلريدکربن مي‌شوند.

از اين سه دسته تأثيرات واکنشي، دومين دسته (تجزيه سريع‌تر آلاينده‌هاي قابل تجزيه) بيشتر مورد توجه قرار گرفته است. علت اين تأثير با اينکه يک مسئله بسيار کاربردي، بنيادي و با اهميت است کمتر شناخته شده است.

ما براي تجزيه تتراكلريد كربن به وسيله nZVI ، نسبت ثابت سرعت‌هاي نرمال شده بر حسب سطح ويژه k_sa را با ثابت سرعت‌هاي نرمال شده بر حسب جرم km مقايسه كرديم، نتايج نشان داد که ksa براي نانوذرات nZVI برابر اين پارامتر در ذرات ميلي‌متري nZVIاست؛ اما km آن بزرگ‌تر از ذرات ميلي‌متري است (شکل 3). بنابراين تجزيه سريع‌تر تتراکلريد کربن به وسيله nZVI به خاطر سطح ويژه بالاي آن است، نه به خاطر بيشتر بودن فراواني نقاط واکنش‌پذير روي سطح و يا واکنش‌پذيرتر بودن اين نقاط. اين نتيجه ممکن است در مورد ساير آلاينده‌هايي که با nZVI واکنش مي‌دهند نيز صدق کند اما اطلاعات ما در اين مورد ناکافي است.
بايد توجه داشت که اين تحليل شامل ترکيبات دوفلزي nZVI با کاتاليزرهاي فلزات نجيب مثل Pd، Ni و Cu نيست. اين مواد دو فلزي معمولاً داراي مقادير k_sa بالايي هستند، ولي اين افزايش در درجه اول نتيجه تأثير خاصيت کاتاليستي فلزات نجيب است که در مورد ذرات بزرگ‌تر نيز مشاهده مي‌شود.
اما مشكلي كه هست اين كه افزايش واکنش‌پذيري معمولاً همراه با كاهش انتخاب‌پذيري است كه موجب واکنش nZVI با مواد غيرهدف شامل اکسيژن غيرمحلول و آب‌ و در نتيجه پايين آمدن راندمان تصفيه با nZVI مي‌شود.
شكل فوق منجر به پيدايش نياز به تزريق ذرات به سيستم و درنتيجه بالا رفتن هزينه عمليات خواهد شد.
با محدود کردن مواد ناخواسته (مواد غيرهدف شامل اکسيژن و آب) به وسيله گيرنده‌هاي ارزان‌تر مي‌توان طول عمر کوتاه nZVI را مفيدتر کرد؛ البته اگر ذرات تحرک قابل ملاحظه‌اي از خود نشان دهند.
تحرك
نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل تحرک زيادي خواهند داشت، زيرا اندازه آنها از اندازه سوراخ‌هاي محيط‌هاي متخلخل بسيار کوچک‌تر است اما اينکه ما فرض کنيم علت تحرک نانوذرت تنها اين مطلب است بسيار ساده انگاري است. معمولاً تحرک نانوذرات را در محيط‌هاي متخلخل اشباع، دو فاکتور تعيين مي‌كند: تعداد برخوردهاي نانوذرات با محيط متخلخل به ازاي واحد جابه‌جايي؛ و ضريب چسبندگي (احتمال اينکه هر برخورد، منجر به حذف ذره از جريان شود). برخورد ممکن است در نتيجه سه عامل رخ دهد: حرکت براوني، بازدارنده‌ها (عواملي که مانعي از حرکت نانوذره مي‌شوند) و رسوب‌گذاري گرانشي.

نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل اغلب حركت براوني دارند. براي ذرات بزرگتر از 400 نانومتر با چگالي بالا‌ (مثلاً 7.68 g/cm² براي ذرات آهن خالص) تأثير جاذبه مي‌تواند بسيار مهم باشد. با استفاده از روش بازده single-Collector که به وسيله Tufenkji و Elimelech ارائه شده و تئوري فيلتراسيون deep-bed، اين امکان وجود دارد که بتوان فاصله جابه‌جايي را كه در آن، 99 درصد حذف نانوذرات به عنوان تابعي از خواص سطحي و ضريب چسبندگي صورت مي‌گيرد، محاسبه كرد.
شکل (4) نشان مي‌دهد که محدوده فاصله جابه‌جايي در شرايط سطحي متعارف، از چند ميلي‌متر تا چند ده متر متناسب با ضريب چسبندگي است.
ضريب چسبندگي گزارش شده براي nZVI معمولي در انواع محيط‌هاي متخلخل، بين 0.14 تا يك است؛ اين به معني فاصله جابه‌جايي چند سانتي‌متر در محيط‌هاي متخلخل در شرايط آب‌هاي زيرزميني است (شکل4). اين امر موجب ايجاد علاقه قابل ملاحظه‌اي براي تغيير سطح نانوذرات در جهت افزايش فاصله جابه‌جايي شده است.

بدين ترتيب ضرايب چسبندگي کوچک‌تري براي اين گونه نانوذرات و ساير نانوذرات گزارش شده است (0.001 براي نانوذرات Fe كه سطح آنها بهبود يافته است و 0.0001 براي نانوذراتي که پايه کربني دارند). اما حتي اين ضرايب چسبندگي کوچک هم به طور قطعي باعث تحرک بيشتر (بيش از چندمتر) نانوذرات در آب‌هاي زيرزميني نمي‌شود، به جز در آب‌هاي زيرزميني با سرعت حركت خيلي زياد.
خطرات
مباحث فوق در مورد ريخت‌شناسي، واکنش‌پذيري و تحرک نانوذرات در زمينه تصفيه ‌محيط زيست نشان مي‌دهد که دانش ما در مورد فرآيندهاي پايه در اين فناوري هنوز ناکافي است. به علاوه، خطرات احتمالي اين فناوري براي سلامت انسان و محيط‌زيست، انجام اين روش در مقياس انبوه را با مشكل مواجه كرده است. مخصوصاً با توجه به کاربردهاي درجاي nZVI (يا مواد وابسته) براي تصفيه محيط‌هاي متخلخل، هنوز تحقيقات مستقيم و قابل ملاحظه‌اي که خطرات آن را مورد توجه قرار دهد انجام نشده است. برخي گروه‌ها حالت احتياطي (پيشگرانه) را پذيرفته‌اند و کاربردهاي درجاي نانوذرات براي تصفيه را ممنوع کرده‌اند در حالي که برخي گروه‌ها آن را توصيه کرده‌اند. در واقع تحقيقات در اين زمينه بايد به طور موازي صورت گيرد.
اين معما که چگونه مي‌توان از نانوذرات براي تصفيه استفاده کرد بايد به زودي و با استفاده از نتايج تحقيقات در حال انجام، قابل حل و دسترسي باشد. مهم‌ترين اين خطرات استنشاق ذرات‌ريزي است که از طريق هوا جابه‌جا مي‌شوند.
به هر حال هم‌اکنون ما مي‌توانيم نتيجه بگيريم با اينکه nZVI و مواد مرتبط با آن، در کاربردهاي تصفيه‌اي درجا استفاده مي‌شوند، از مواد ويژه‌اي که در دسترس ما هستند کوچک‌تر، واکنش‌پذيرتر، مقاوم‌تر و متحرک‌تر بوده و در عين حال احتمال خطرزايي براي انسان و محيط زيست را دارا هستند.

منبع:سایت نانو