علت استفاده از علم نانو در محیط زیست
۱- انواع آلاینده ها و روش های مقابله با آنها در علم نانو
۱-۱ کاربرد نانو تکنولوژی در مقابله با آلودگی هوا
۱-۲ استفاده از فناوری نانو در رفع آلودگی خاک
۱-۳ روشهای غلبه بر آلودگی آب با استفاده از تکنولوژی نانو
اصلاح مواد در زمینه های مختلف مهندسی، علم مواد، شیمی و زیست در مقیاس بین یک تا ۱۰۰ نانومتر با کاربرد علم نانو ممکن است. کاربرد این شاخه از علم در دو دهه اخیر گسترش یافته است. بازار نانوتکنولوژی تا سال ۲۰۲۲ به ۱۲.۵ میلیارد دلار رسیده است. ویژگی اصلی نانو مواد نسبت سطح به حجم بالا است. همین ویژگی باعث ایجاد خواص ویژه ای از جمله خواص نوری، مغناطیسی، بین سطحی، شیمیایی و الکتریکی می شود که کاربرد آن ها را در همه علوم و صنایع داروسازی، انرژی، غذایی، کشاورزی و محیط زیست ضروری می کند. مهم ترین علت محافظت از محیط زیست، حفظ سلامتی انسان با کاهش خطراتی که در محیط وجود دارد است. بویژه وقتی که خطر آسیب به انسان بیش از حد مجاز باشد، از تکنولوژی نانو برای کاهش سریع خطرات استفاده می‌شود. از این رو با استفاده از علم نانو بازدهی انرژی های پاک مثل انرژی بادی، سلول های خورشیدی و امواج دریا آنقدر افزایش میابد که میتوانند به طور کامل جایگزین سوخت های فسیلی شوند. علاوهبر این ورود آلاینده های ناشی از فعالیت های انسانی نیز کاهش میابد. از جمله پتانسیل های استفاده از علم نانو در محیط زیست عبارتند از تصفیه آب و خاک، ذخیره انرژی، مدیریت زباله و تولید سنسورها. در این قسمت به برسی کاربردهای نانومواد در محیط زیست می‌پردازیم.
۱-۱ کاربرد نانو تکنولوژی در مقابله با آلودگی هوا
آلودگی هوا یکی از مهم ترین مشکلات جهان است. تغییر ترکیب مواد موجود در اتمسفر منجر به تغییر ماهیت فیزیکی، شیمیایی و زیستی هوای اطراف ما می شود. کیفیت معکوس هوا تاثیر معکوس بر اکوسیستم و سلامت انسان می گذارد. بسیاری از بیماری های کشنده مثل سرطان، بیماری های قلبی و عروقی و تنفسی ناشی از کیفیت پایین هوای اطراف ما هستند. سازمان سلامت جهانی اعلام کرد هوای ناسالم جان هفت میلیون نفر را در سال ۲۰۲۲ گرفت. این رقم با مرگ یازده میلیون نفری سرطان رقابت می کند. همین آمار اهمیت استفاده از علوم و تکنولوژی های نوین مثل نانو را جهت کنترل آلاینده های تولیدی نشان می دهد. کاربرد این علم باعث استفاده بهینه از مواد خام، انرژی، آب و سایر منابع می شود. همین موضوع منجر به آزادسازی کم تر مواد سمی و درنتیجه آزادسازی آلاینده های کم تر می شود.
بیش ترین و مهم ترین آلاینده ی تولیدی صنایع کربن دی اکسید است که ۷۵% از گازهای گلخانه ای را شامل می شود. گازهای گلخانه ای منجر به گرمایش دمای زمین می شوند. بیش تر این گازها در جو زمین پایدار بوده و اثرات طولانی مدت بر آب و هوا دارند. گرمایش زمین منجر به تغییرات زیادی در اتمسفر، زمین و منابع آبی می شود. به علت طول عمر چندین هزار ساله، بهترین روش حفظ انسان و زمین از خطرات آن ها جلوگیری از تولید آن ها در منبع است. تکنولوژی نانو با بکارگیری خواص نانومواد، در جاذب، غشا، سنسور و کاتالیست ها امکان کنترل و اصلاح آلاینده ها را فراهم می کند. نسبت سطح به حجم بالا باعث افزایش جذب یک ماده در مقیاس نانو می شود که مقرون به صرفه ترین و موثرترین روش حذف آلاینده های گازی را در مقیاس های مختلف فراهم می کند.
اخیراً آلودگی های ناشی از ترکیب های فرار آلی، اثر مستقیم بر سلامتی انسان گذاشته است. علت اصلی بسیاری از بیماری ها از جمله آسم کودکان، سرطان ریه، حساسیت ها و ….. در استفاده از همین ترکیبات نهفته است. استفاده از فوتوکاتالیست ها و مواد جذب سطحی متخلل باعث جذب این مواد فرار از طریق پیوندهای شیمیایی شده و از تماس آن با انسان جلوگیری می کند.
حذف آلاینده های گازی روش جذب سطحی از طریق استفاده از نانومواد، روشی موثر، مقرون به صرفه، در دسترس و منعطف است. از جمله این مواد می توان به کربن فعال، زئولیت و سیلیکا اشاره کرد. جاذب های جامد جذب سطحی که برای جذب کربن دی اکسید بکار می روند، به سه دسته تقسیم بندی می شوند: جاذب های با دمای بالا (بیش از ۴۰۰ درجه سانتی گراد)، جاذب های با دمای متوسط (بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ درجه) و جاذب های دما پایین (دمای زیر ۲۰۰ درجه).
۲-۱ جذب سطحی
جذب سطحی یک فرایند بر روی سطح است. که به منظور حذف آلاینده های آلی و غیر آلی از آب استفاده می شود. جاذب های معمولی جایگاه های فعال محدود و بازدهی پایینی دارند.
استفاده از تکنولوژی نانو برای تهیه نانوجاذب ها، منجر به بهبود جذب سطحی، افزایش سطح ویژه (نسبیت سطح به حجم بالا) و جایگاه های اختصاصی، کاهش فاصله نفوذ بینذره ای، تنظیم اندازه حفرات و شیمی سطح می شود. دقت شود که همه ویژگی های مذکور و افزایش قابل توجه جذب به علت خواصی است که مواد در مقیاس نانو از خود نشان می دهند. بنابراین دست یابی به چنین نتایجی بدون کاربرد تکنولوژی آن غیر ممکن است. نانوجاذب ها به طور موثر برای حذف ترکیبات آلی، یون های فلزی و سایر ترکیبات خاص دیگر بکار می روند. جاذب ها دارای جنس های مختلف پلیمری، مغناطیسی، نانو مغناطیسی، اکسید فلزی و زئولیتی هستند.
کاربرد نانوذرات باید بی خطر باشد و برای محدوده بالا و پایین آلودگی کاربردی باشد. همچنین پس از استفاده از هر جاذب باید قابلیت تمییز کردن و استفاده مجدد از آن وجود داشته باشد. فاکتورهایی مثل شکل، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، حلالیت و قابلیت انباشتگی برای هر جاذب باید برسی شوند.
۲-۲ غشاهای پلیمری
فرایندهای غشایی، عملیاتی ساده دارند و بدون افزودن هیچ آلاینده ثانویه شیمیایی یا گرمایی فرایند جداسازی را به سادگی انجام می دهند. جداسازی تحت تاثیر ماده غشا، انتخابپذیری و خاصیت تراوایی آن است. حذف آلاینده ها به این روش با مصرف کم انرژی و هزینه پایین فرایند همراه است.
معمول ترین مواد غشایی بکار برده شده برای تصفیه آب، پلیمرهایی مثل سلولز استات، پلی اکریلونیتریل و پلی آمید هستند. بر اساس اندازه حفرات کاربرد فیلتر، غشاها به دسته بندیهای مختلف تقسیم بندی می شوند.
میکروفیلتر (MF): برای حذف جامدهای سوسپانس، پروتئازها و باکتری ها
آلترافیلتر (UF): برای حذف مواد کلوئیدی و ویروس
نانوفیلتر (NF): جهت حذف فلزات سنگین، مواد آلی حذف شده و نمک زدایی. می توان تا ۵۰% آمونیوم را با این روش از شیرابه ها حذف کرد. نانوفیلترهای برای حذف محدوده وسیعی از آلاینده ها، کاتیون ها و آنیون ها، ارسنیک، اورانیوم، کروم و پاتوژن ها بکار می روند.
در مقیاس نانو، غشاها انواع مختلفی دارند که به طور مختصر می توان موارد زیر را نام برد.
غشاهای نانوفیبر: الیاف فوق باریکی که از مواد مختلفی از جمله پلیمرها، سرامیک و مواد مشابه بدست می آیند.
غشاهای نانوکامپوزیتی: به دو دسته غشاهای ماتریکس پیچیده و غشاهای نانوکامپوزیتی با فیلم نازیک تقسیم بندی می شوند. رایج ترین روش تولید آن ها پلیمریزاسیون است که مواد در یک ماتریکس پلیمری یا اکسید غیر آلی با گروه عاملی تعبیه می شوند. خاصیت آنتی باکتریال و ضد یخ دارند. برخلاف انواع معمولی طول عمر و کارایی بهتری از خود نشان می دهند.
غشاهای اسمزی: برای تصفیه و نمک زدایی از آب بکار می روند. به فشار هیدرولیکی بالا برای ایجاد غشای نیمه تراوا نیاز است. از تکنیک نفوذ برای جداسازی استفاده می کند. برخی از آن ها دارای یک لایه فعال پلی آمید هستند.
یکی از مشکلاتی که در روش استفاده از غشا و فیلترها وجود دارد، ترسیب مواد است. باکتری ها و سایر میکروارگانیسم ها تجمع پیدا می کنند و باعث گرفتگی لوله ها می شوند. تجمع باکتری ها باعث جذب مواد آلی شده و درنهایت مسیر غشا مسدود می شود. ساده ترین راه تمیز کردن یا جایگزینی غشا است که هزینه بر است. روش جایگزین استفاده از ترکیباتی مثل فولران ها است. این ترکیبات با انسداد مسیر تنفس سلولی مانع تجمع مواد زیستی بر روی غشا می شوند
یکی از چالش های هر کشوری تهیه آب پاکیزه برای مردم آن کشور است. نیاز به آب پاکیزه که هم به صرفه باشد و هم استدانداردهای لازم را داشته باشد؛ روز به روز رو به افزایش است. رشد جمعیت، تغییرات جهانی آب و هوایی و آلودگی آب مهم ترین مسائلی هستند که نظام های تامین کننده آب با آن رو به رو هستند. هم در کشورهای توسعه یافته و هم درکشورهای رو به توسعه، مهم ترین مشکلی که با آن روبه رو هستیم کمبود آب است که تحت تاثیر فعالیت های انسانی تشدید می شود. به طور کل شش نوع آلودگی مواد غذایی گیاهی، پساب زیست تخریب پذیر، رسوبات، گرما، مواد خطرناک و سمی شیمیایی و آلاینده های رادیو اکتیو عوامل اصلی کاهش کیفیت آب هستند. آلودگی آب و شیمیایی مهم ترین دسته آلاینده هایی هستند که تحت تاثیر فعالیت های انسان بیش ترین تاثیر را بر کیفیت آب می گذارند. آلودگی حرارتی عمدتا شامل ورود انرژی گرمایی از کارخانه ها به آب های شیرین و شور است. همه کارخانه ها و کارگاه های تولیدی علاوه بر مصرف آب، از آن برای سرد سازی دستگاه ها و کاهش استهلاک آن ها استفاده می کنند. پس از استفاده و افزایش دمای آب، بدون هیچ گونه فراورشی، آب استفاده شده را وارد رودخانه می کنند. آب برگشتی دارای دمای بالا ست. بنابراین میانگین دمای رودخانه را تحت تاثیر قرار می دهد. پس از افزایش دمای رود خانه علاوه بر ایجاد مشکلات برای رشد و نمو گونه هایی که به طور طبیعی در محل هستند؛ امکان رشد گونه های نادر و بیماریزای زیستی نیز به مرور زمان ایجاد می شود. آلاینده های شیمیایی مهم ترین عامل آلودگی آب و خاک هستند. علاوه بر فعالیت های انسانی، منابع طبیعی نیز خود با حمل موادی مثل فضولات حیوانات، آب گل آلود و…. باعث تشدید اثر آلاینده ها می شوند. مواد شیمیایی که باعث آلودگی آب می شوند و خطرات بالایی را برای محیط، اکوسیستم و انسان به همراه دارند؛ عبارتند از مواد آلی فرار و آروماتیک، مواد نفتی، فلزات سنگین مثل کادمیم و سرب، سموم و داروهای حیوانات. با توجه به این که آلاینده های مذکور از یک جنس یکسان نیستند، روش حذف هر کدام متفاوت از دیگری است. تکنولوژی هایی که برای حذف آلودگی آب بکار می روند عبارتند از انعقاد هم زمان، لخته شدن، ترسیب، فیلتر کردن، تقطیر بخار، تبادل یونی، دیونیزه کردن، اسمز معکوس و عفونت زدایی. بسته به میزان و ماهیت آلاینده ها هر یک از فرایندهای بالا در چهار مرحله مقدماتی، ابتدایی، ثانویه و نهایی صورت می گیرند. موادی که در روش های مذکور برای تصفیه بکار برده می شوند، علاوه بر زمان بر بودن منجر به آزادسازی آلاینده های سمی ثانویه می شود. بنابر این استفاده از علوم تکمیلی مثل نانو ضروری است. تکنولوژی نانو فرایندی چندکاره و منعطف با کارایی بالا و ارزان ایجاد می کند. پیشرفت های اخیر در این علم فرصت و امکانات تهیه آب پاکیزه را از روش های مقرون به صرفه با پتانسیل بالا جهت غلبه بر چالش هایی که از سایر روش ها ایجاد شده است را فراهم کرده است. در ادامه به برسی اثر نانوذرات بر فرایندهای پاکیزه سازی آب می پردازیم.
ساختارهای نانو به عنوان کاتالیست های طبیعی در تصفیه گازها و مایعات بکار می روند. مثلا برای تصفیه گازهای خروجی از اگزوز ماشین از کاتالیست های فلزی و سرامیکی با بازدهی بالا استفاده می شود. قیمت این کاتالیست ها به شدت بالا ست. از این رو استفاده از کاتالیست های نانو جایگزینی ارزان تر و بهتر است. با توجه به تحقیقات اخیر، نانولوله های کربنی یکی از مناسب ترین سیستم ها برای جذب سطحی آلاینده های مثل دی اکسین است. دی اکسین یک محصول جانبی سمی و پایدار است که در طولانی مدت منجر به آلودگی آب، خاک، هوا و موجودات می شود. همچنین، برخی از زیر دسته های این مواد کارسینوژن ها هستند که علاوه بر تضعیف سیستم ایمنی بدن سرطان زا نیز هستند. بنابراین استفاده از نانو کاتالیست ها و نانولوله ها برای جلوگیری از پخش این آلاینده ها ضروری است.
از تکنولوژی نانو برای ساخت حسگرهای کنترل هوا و آب استفاده می شود. قیمت پایین، حساسیت بالا، پایداری و انتخابپذیری خوب از مهم ترین ویژگی های این دسته از حسگرهای زیستی هستند. این سنسنورها پتانسیل شناسایی سموم، فلزات سنگین و آلاینده های آلی را در غلظت های پایین دارند.
۳-۱ سنسورهای گازی
سنسورهای گازی یا شیمیایی نقشی اساسی در شناسایی آلاینده های هوا، آب و خاک دارند. به منظور جلوگیری از نشت گازهای خطرناک از صنایع به محیط به سنسورها با شدت حساسیت بالا نیاز داریم. این حسگرها از بخار یک پلیمر حساس، اکسید فلزات نیمه رسانا و سایر مواد متخلخل مثل سیلیکا تشکیل شده اند. استفاده از اکسید فلزت نیمه رسانا در مقیاس نانو، کاربرد بیش تری دارد. این فرایند بر اساس جذب سطحی صورت می گیرد. امروزه از نانوذرات اصلاح شده طلا استفاده می شود.
۳-۲ حسگر برای یونهای فلزات سنگین
فلزات سنگین مثل قلع، کادمیوم، جیوه و آرسنیک از طریق فعالیت های انسانی به محیط نشت پیدا می کند. آن ها حتی در مقادیر بسیار ناچیز، به شدت سلامتی انسان و محیط را تهدید می کنند. روش شناسایی فلزات سنگین شامل اسپکتروسکوپی جذب اتمی و UV می شود. این روش ها به شدت زمان بر و گران قیمت هستند. همچنین به نیروی متخصص برای کار نیاز دارند.
سامانه های حسگر بر اساس نانو ذرات، با استفاده از اصول یونی، الکتریکی، تبادل یونی، اکسید فلزات نیمه رسانا و پلیمرهای رسانا کار می کنند. حساسیت، کارایی و محدوده شناسایی برای این سنسورها بهتر از نوع معمولی آن ها ست. طراحی این سنسورها بر مبنای تثبیت گیرنده های خاص بر روی مبدل هایی ست که طیق اصول مذکور عمل می کنند.
۳-۳ حسگرهای نوری
این دسته از حسگرها با تغییر ویژگی های فیزیکی-شیمیایی آنالیت مدنظر می توانند مقدار مواد را تشخیص دهند. برخی از این حسگرها عبارتند از رنگ سنجی، رزونانس پلاسمای سطح و شکست نور رامان در سطح است. مثلا سنسور فلوئوروسنت برای تشخیص فلزات سنگین بکار می روند. با این وجود، محدوده برانگیختگی باریک منجر به محدود کردن طیف تشخیص می شود. جهت اصلاح چنین مشکلی از نانوذرات طلا، کوانتوم دات ها و نانوذرات فلزی-آلی برای شناسایی نوری فلزات سنگین استفاده می شود.
۳-۴ حسگرهای الکتروشیمیایی
برخلاف نوع نوری، سیگنال حسگر توسط برخی از سیم های رسانا دریافت می‌شوند. این روش دارای دو مرحله است.
تغییر شکل الکتروشیمیایی: تجمع فلزات سنگین بر روی سطح الکترود دارای آنالیتی که واکنش می دهد.
انحلال آنالیت تغییر شکل داده شده از سطح الکترود.
۳-۵ نانوسنسورها
یکی از مهم ترین کارهایی که در کنترل آلودگی باید انجام شود، برسی پیوسته میزان آلاینده است. نانو سنسورها به دو دسته نانو ذرات و نانو ساختارها تقسیم بندی می شوند. نانوذرات موادی هستند که به عنوان گیرنده در سنسورهای دید فضایی کاربرد دارند. مثلا از سیلیکون متخلخل برای شناسایی واکنش های شیمیایی و زیستی استفاده می شود.
نشت گازهای سمی و مضر از صنایع بر هیچ کس پوشیده نیست. بنابراین استفاده از حسگرهایی که حتی غلظت های خیلی پایین گازها را تشخیص دهند ضروری ست. این دسته از سنسورها از نانولوله ها تک لایه و چندلایه تشکیل شده اند. آنها قادر به تشخیص مقادیر بسیار ناچیزی از گازهای کشنده هستند. تا کنون گازهای دی اکسین، کربن دی اکسید، سولفور دی اکسید، اکسیدهای نیتروژن، آمونیاک و سایر گازها با سنسورهایی که در بازار موجود هستند قابل اندازهگیری هستند.
نسل جدید نانوسنسورها کاربرد آن ها به شکل غبار است. این غبار مجموعه ای از سنسورها را به شکل نانو کامپیوتر ایجاد می کند. مثلا ذرات بسیار کوچک سیلیکا با تغییر ساختار، قادر به ارسال داده ها از طریق هستند. این ذرات به مدت طولانی در هوا به صورت سوسپانس باقی می مانند. علاوه بر میزان و نوع آلاینده، این ذرات قادر به تشخیص دما، فشار و رطوبت در محیط هستند.
در نهایت باید عنوان کرد در مقیاس نانو ویژگی ها مواد به شدت تحت تاثیر اندازه قرار می گیرند. از این رو امکان سازگار کردن مواد با محیط زیست وجود دارد. با این حال، یکی از نکات مهم هنگام استفاده از علم نانو، برسی مسائل اخلاقی و خطرات احتمای ناشی از این تکنولوژی است. زیرا مشابه هر ماده یا تکنولوژی نوین دیگر، پس از ورود به چرخه مصرف امکان اصلاح آن دشوار است. یکی از مشکلاتی که وجود دارد، محدوده خطر و تاثیر نانو ذرات بر محیط زیست است. بنابر این همچنان برسی خطر تکنولوژی نانو در هر کاربرد الزامی است.
.webp){kind=icon}
 (1).webp){kind=icon}
.png){kind=logo}
