مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب، روش انتخاب و محاسبات میزان استفاده

فناوری نانو با استفاده از مواد و ساختارهای در ابعاد نانومتری (۱ تا ۱۰۰ نانومتر)، تحول بزرگی در حوزه تصفیه آب ایجاد کرده است. این فناوری با افزایش سطح فعال، راندمان بالا و قابلیت هدفگیری آلایندههای خاص، جایگزین مناسبی برای روشهای سنتی است. در زیر به بررسی کاربردها، معیارهای انتخاب و روشهای محاسبه پرداخته میشود:

۱. کاربردهای اصلی فناوری نانو در تصفیه آب

الف) نانوجاذبها (Nano-adsorbents)

• مواد مورد استفاده:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄)، نانوذرات سریم (CeO₂)، نانوکربن فعال.

• کاربردها:

  • حذف فلزات سنگین (سرب، آرسنیک، کادمیوم).

  • جذب رنگها و مواد آلی از پساب صنعتی.

ب) نانوکاتالیستها (Nano-catalysts)

• مواد مورد استفاده:

  • نانوذرات TiO₂ (فتوکاتالیست)، نانوذرات آهن صفرظرفیتی (nZVI).

• کاربردها:

  • تجزیه آلایندههای آلی مقاوم (مثل آفتکشها، داروها) تحت نور UV.

  • کاهش ترکیبات نیتروژنی (نیترات به نیتروژن گازی).

ج) نانوفیلترها و غشاها (Nanofiltration Membranes)

• مواد مورد استفاده:

  • نانولولههای کربنی، گرافن اکسید، نانوکامپوزیتهای پلیمری.

• کاربردها:

  • نمکزدایی آب دریا (Desalination).

  • حذف ویروسها، باکتریها و یونهای چندظرفیتی.

د) نانوحسگرها (Nanosensors)

• مواد مورد استفاده:

  • نانوذرات طلا، کوانتوم داتها.

• کاربردها:

  • تشخیص لحظهای آلایندهها (فلزات سنگین، پاتوژنها).

۲. معیارهای انتخاب روش نانو برای تصفیه آب

انتخاب روش مناسب به نوع آلاینده، غلظت آن، هزینه و مقیاسپذیری بستگی دارد:

روش نانوآلاینده هدفمزایامعایب

نانوجاذبهافلزات سنگین، مواد آلیانتخابگری بالا، هزینه کمنیاز به بازیابی مواد

نانوکاتالیستهاآلایندههای آلی، نیتراتهاتجزیه کامل آلایندههانیاز به نور/انرژی

نانوفیلترهانمکها، ویروسها، باکتریهاراندمان بالاهزینه اولیه بالا

نانوحسگرهاتشخیص آلایندههادقت بالا، پاسخ سریعمحدودیت در میدان عملیاتی

نکات کلیدی در انتخاب:

۱. نوع آلاینده:

• برای فلزات سنگین → نانوجاذبهای اکسید فلزی.

• برای آلایندههای آلی مقاوم → نانوکاتالیستهای TiO₂.

• برای نمکزدایی → غشاهای گرافن اکسید.

۲. غلظت آلاینده:

• غلظتهای بسیار کم (ppb) → نانوحسگرها.

• غلظتهای بالا → نانوجاذبها یا نانوکاتالیستها.

۳. هزینه و مقیاسپذیری:

• سیستمهای نانوفیلتراسیون برای مقیاسهای بزرگ هزینهبر هستند.

• نانوذرات آهن صفرظرفیتی (nZVI) برای تصفیه خاک و آبهای زیرزمینی مقرونبهصرفهاند.

۳. روشهای محاسبه میزان استفاده از فناوری نانو

الف) محاسبه دوز نانوجاذبها

• بر اساس ظرفیت جذب:

  مقدار نانوجاذب (mg)=(C0​×V)/qe​

  • C0​: غلظت اولیه آلاینده (mg/L).

  • V: حجم آب (L).

  • qe​: ظرفیت جذب نانوجاذب (mg/g) از آزمایشهای ایزوترم (Langmuir/Freundlich).

• مثال:
  برای حذف سرب (C0=10 mg/LC0​=10mg/L) از ۱۰۰۰ لیتر آب با نانوذرات Fe₃O₄ (qe=50 mg/gqe​=50mg/g):

  مقدار نانوجاذب=/50(10×1000)​=200g.

ب) محاسبه راندمان نانوکاتالیستها

• نرخ تجزیه آلاینده:

  راندمان (%)=(1−C0/​Ct​​)×100

  • Ct​: غلظت آلاینده در زمان t.

• زمان مورد نیاز برای تجزیه:

  t=kln(C0​/Ct​)​

  • k: ثابت نرخ واکنش (از دادههای آزمایشگاهی).

ج) محاسبه شار عبوری در نانوفیلترها

• معادله شار:

  J=Q/A​

  • J: شار عبوری (L/m².h).

  • Q: دبی آب تصفیهشده (L/h).

  • A: سطح غشا (m²).

۴. چالشها و ملاحظات

• سمیت نانوذرات: برخی نانوذرات (مثل نانولولههای کربنی) ممکن است برای محیط زیست خطرناک باشند.

• هزینه تولید: سنتز نانوذرات با خلوص بالا هزینهبر است.

• بازیابی مواد: نیاز به روشهای جداسازی مانند مغناطیس (برای نانوذرات Fe₃O₄) یا فیلتراسیون.

۵. نمونههای عملی و فناوریهای نوین

• غشاهای گرافن اکسید: راندمان ۹۹٪ در نمکزدایی با مصرف انرژی کم.

• نانوذرات nZVI: تزریق به آبهای زیرزمینی برای کاهش کروم ششظرفیتی به کروم سهظرفیتی.

• نانوحسگرهای کربنی: تشخیص سریع آرسنیک در آبهای روستایی.

۶. جمع بندی

• انتخاب روش:

  • برای فلزات سنگین → نانوجاذب های اکسید فلزی.

  • برای آلاینده های آلی → نانوکاتالیستهای TiO₂ یا nZVI.

  • برای نمکزدایی → غشاهای نانولوله کربنی.

• محاسبات:

  • دوز نانوجاذب بر اساس ایزوترم جذب.

  • راندمان نانوکاتالیستها با استفاده از سینتیک واکنش.

فناوری نانو با وجود چالش هایی مانند هزینه و سمیت، پتانسیل بالایی برای حل بحران آب دارد. استفاده از نانوذرات زیستسازگار (مثل سلولز نانویی) و سیستم های بازیافت، آینده این فناوری را روشن تر میکند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب