کاربرد نانو تکنولوژی در تصفیه آب
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته شیمی (آموزش_و_پژوهش)
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:69
پایان نامه برای اخذ درجه کارشناسی ارشد (M.SC)
گرايش: صنایع گاز
فهرست مطالب :
مقدمه. 2
فصل اول
1-1- روش های سنتی : 12
1-2- برخی از معایب شیوه سنتی در تصفیه آب: 13
1-3- معایب استفاده از سامانه آب شیرین کن ها : 15
فصل دوم
2-1- کاربرد نانو ذرات در حذف کاتالیستی آلاینده ها: 17
2-2- کاربرد نانو ذرات مغناطیسی در تصفیه آب : 19
2-3- نانو فیلترها 19
2-4- نانو مواد: 22
2-5- نانو مواد حفره ای: 22
2-6- نانو ذرات : 24
2-7- نانو سنسورها در تصفية آب و پساب: 26
2-8- نانوفتوكاتاليست: 26
2-9- زئولیت ها : 28
2-10- پلیمرها : 29
2-11- نمک زدایی: 29
فصل سوم
3-1- نانوفيلتراسيون و اسمز معكوس : 33
3-2- اساس کار اسمز معکوس : 34
3-3- غشاهاي مورد استفاده در NF و RO.. 36
3-4- مقایسه غشاهای Nano Filter , Reverse Osmose. 41
3-5- غشاهای NF : 43
فصل چهارم
4-1- غشاهای نانولوله ای.. 45
4-2- نانو غربال ها: 48
بخش پنجم
5-1- شرکتهای فعال در صنعت نانو تکنولوژی.55
جمع بندی .64
مراجع: 66
مقدمه :
جمعيت جهان در حال افزايش و منابع آب آشاميدني رو به کاهش است؛ بنابراين ممکن است جهان در آينده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزايش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگي نيز تشديد مي‌شود سبب شده‌است تا تأمين آب بهداشتي به يکي از دغدغه‌هاي اساسي جامعه جهاني تبديل شود. امراض ناشي از آلودگي‌هاي آب هرروزه هزاران و شايد دهها هزار نفر را مي‌کشد.
حدود دو سوم کره زمین را آب فرا گرفته است . که از این میزان آب حدود 97 در صد آن غیر قابل آشامیدن هست . بر اساس پیش بینی سازمان ملل در سال 2035 میلادی حدود 48 کشور (یعنی 32 درصد جمعیت جهان ) دچار کمبود آب آشامیدنی می شوند. در آغاز قرن بیست و یکم دانشمندان تمرکز خود را ، بر روی فن آوری نوینی ( فناوری نانو ) معطوف کردند . این فناوری برای اولین بار حدود چهل سال پیش مطرح شد . البته روش های دیگری نیز برای دسترسی به آب قابل شرب وجود دارد که از جمله آن می توان به استفاده از دستگاه آب شیرین کن اشاره کرد که این سامانه بروی آب های شور دریا و یا رودخانه ها قرار گرفته و آب قابل شرب را برای ما تامین می کند . که در ادامه به معایب استفاده از این سامانه و برتری فناوری نوین نانو بر این روش اشاره خواهیم کرد.
توانايي بازيافت آب، امکان دسترسي به يک منبع مناسب براي مصارف گوناگون را ايجاد مي‌کند. با به کارگيري فناوريهاي الکتريکي و مکانيکي به سادگي ميتوان آب آلوده را براي استفاده در کشاورزي و يا حتي براي مصارف خانگي بازيافت نمود. بدين‌ترتيب فيلترنمودن آب با فيلترهاي نانومتري، تحولي عظيم در بازيافت و استفاده مجدد از آب‌هاي صنعتي و کشاورزي ايجاد مي‌کند. فيلترهاي فيزيکي با منافذي در حد نانومتر مي‌توانند باکتري‌ها، ويروس‌ها و حتي واحدهاي کوچک پروتئين را صددرصد غربال کنند. با جداساز‌هاي الکتريکي که يون‌ها را به وسيله صفحات ابرخازن جذب مي‌کند ميتوان نمک‌ها و مواد سنگين را جذب کرد. بررسي فعاليت‌هاي مختلف دنيا، شامل برنامه‌هاي در دست اجرا و برنامه‌هاي آتي مراکز صنعتي و پژوهشي، نشان مي‌دهد که حوزه تصفيه يکي از حوزه‌هاي کاربرد فناوري‌نانو در صنعت آب است؛ و با بهره‌گيري از آن، هزينه‌هاي تصفيه آب به ميزان زيادي کاهش خواهد يافت.
نانو، دلالت بر یک واحد بسیار کوچک در علم اندازه گیری دارد. یک نانومتر معادل 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 و ... ، توانایی های این فناوری در تصفیه آب و با توجه به انواع آلودگی های نقاط مختلف جهان 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.
فناوري نانو طي مدت كوتاهي كه از ظهور آن مي گذرد كاربردهاي مختلفي در صنايع گوناگون يافته است. در نتيجه صنعت آب، بعنوان يكي از پايه‌هاي حيات از اين مسئله مستثني نيست و در بخشهاي مختلف آن، شامل ساخت سدها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفيه آب و پساب، شيرين سازي آب و غيره، فناوري نانو كاربرد يافته است .
امروزه در جهان بسياري از مردم به دلايل بلاهاي طبيعي، جنگ و زير ساختهاي ضعيف خالص سازي آب، به آب بهداشتي دسترسي ندارند. حدود يك ميليارد نفر به منابع آبي دسترسي ندارند. روزانه 5000 كودك به علت مبتلا شدن به امراض ناشي از مصرف آب غير بهداشتي مي‌ميرن .
تمام تلاش محققين اين است كه با كمك روشها و فناوريهاي جديد بتوانند اين مشكلات را كاهش دهند. يكي از اين فناوريها، فناوري نانو است . [15]
در مجموع كاربردهاي متعددي را ميتوان در زمينه استفاده از فناوري نانو متصور بود كه اهم آنها در ذيل آمده است :
1- استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفيه آلاينده ها
2- رنگ زدايي از آب آشاميدني
3- نمك زدايي از آب
4- نانو پوشش ها
5- نانو لوله‌هاي جاذب گازهاي سمي
6- نانو پليمرهاي متخلخل
7- استفاده از نانو ذرات در تصفيه پسابها
8- نانو فيلترها
9- حذف آرسنيك موجود در آب با استفاده از فناوري نانو [15]
تاریخچه
تمدن های قدیمی همواره در مجاورت منابع آب شکل گرفته اند. با این که مقدار آب موجود و قابل استفاده دغدغه اصلی نیاکان ما بوده است ، اما تعریف درست و جامعی از کیفیت آب وجود نداشته است.
با این وجود منابع تاریخی بسیاری حکایت از تلاش انسانهای عصر گذشته برای تصفیه آب و زدودن ذرات معلق و طعم و بو از آن دارد. اما قرنها طول کشید که انسانها به این نتیجه دست یافتند که حواس بینایی، بویایی و چشایی نمی توانند تنها ملاک های تشخیص کیفیت آب باشند.
استفاده از روشهای مختلف جهت بهبود طعم و بوی آب به 4000 سال قبل از میلاد بر می گردد. در نوشته های بر جا مانده از سانسکریت و یونان باستان استفاده از زغال چوب جهت فیلتر کردن آب ، قراردادن آب در معرض نور آفتاب ، جوشاندن آب و قراردادن تکه های فلز داغ در آب قبل از نوشیدن آن توصیه شده است.
مصری ها 1500 سال قبل از میلاد از ((آلوم)) جهت تصفیه آب و ته نشین کردن ذرات معلق در آن استفاده می کردند.
بقراط، دانشمند یونانی که در سال 460 تا 354 قبل از میلاد می زیسته، جهت دستیابی به آب با طعم مناسب ، که به باور او آب سالم می بود، فیلتر پارچه ای اختراع نمود که با عبور دادن آب جوشیده شده از آن باعث زدودن ذرات عامل طعم و بوی نا مناسب از آب می شد.
پس از تلاشهای انجام شده در تمدن های باستانی ، پیشرفت در زمیه دستیابی به روشهای تصفیه آب در قرون وسطی با یک وقفه طولانی روبرو گردید. در سال 1627 میلادی ، دانشمندان دوباره با طرح مسئله ضرورت تصفیه آب دریچه تازه ای در این مقوله گشودند. در این سال رابرت بیکن (Robert Bacon) دست به یک سری آزمایش در جهت زدودن نمک از آب دریا از طریق فیلترهای ماسه ای نمود. اگرچه آزمایشات او کاملا نا موفق بود اما مثال جرقه ای در ابداع فیلترهای ماسه ای به شمار می رود .
در سال 1676، آنتون فان لیوونهوک (Anton Van Leeuwenhoek) اولین میکروسکوپ را اختراع نمود . با این اختراع دانشمندان دنیای جدیدی از آلودگی های آب را که تا آن زمان کاملا سالم و قابل آشامیدن تلقی می شود مشاهده نمودند و به این ترتیب میکروارگانیسم ها کشف شدند.
پس از سال 1700 میلادی ، با آشنایی مردم از خطرات آلودگی های موجود در آب شرب، فیلترهای خانگی ساخته شده از پشم ، اسفنج و زغال چوب مورد استفاده قرار گرفتند.
اولین تصفیه خانه آب شهری در سال 1804 در شهر پیزلی (Paisley) اسکاتلند ساخته شد. این تصفیه خانه از فیلترهای با بستر شن و ماسه تشکیل شده بود و سیستم توزیع آن مشتمل بود بر یک اسب و یک گاری.
بعد از آن ، شهر گلاسکو اسکاتلند از اولین شهرهایی بود که آب فیلتر شده را از طریق خطوط لوله به مصرف کننده ها می رساند . در سال 1827 ، فیلترهای ماسه ای کند (Slow Sand Filters) که توسط رابرت تام( Robert Thom) ابداع شده بودند در اسکاتلند مورد بهره برداری قرار گرفتند. این فیلترها از طریق شستشوی معکوس تمیز می شدند. در عین حال در سال 1829 در شهر لندن فیلترهای دیگری توسط جیمز سیمسون ( James Simpson) ابداع گردید که تمیز کردن آنها توسط خراشاندن و برداشتن لایه های کثیف شده انجام می گرفت .
در قرن 19 میلادی ، فیلترهای شنی کند بهترین گزینه جهت تصفیه آب باقی ماندند. با این حال سطح بزرگ مورد نیاز این فیلترها همواره از معایب آنها به شمار می رفت. با افزایش جمعیت شهرها و افزایش نیاز به ظرفیت های بالا در تصفیه خانه های آب ، مساحت بزرگی از زمین می بایست صرف ساخت این فیلترها می شد.
در سال 1880 میلادی ، فیلترهای شنی سریع (Rapid Sand Filters) در آمریکا ابداع شدند. شستشوی این فیلترها توسط آب و به صورت شستشوی معکوس انجام می گرفت . بدین ترتیب ظرفیت تصفیه خانه های آب به طور قابل توجهی افزایش و مساحت زمین مورد نیاز آنها بطور قابل توجهی کاهش یافت.
و...