نانوکامپوزیت ها برای تصفیه آب

ساختار حجمی اصلی ممبران از پلیمر هایی نظیر پلی (وینیل الکل) (PVA)، [123-125] پلی (اکریلیک اسید) (PAA)، [123125] پلی (PES) [126] و کیتوزان. [127] ساخته شده است. روش های تولید ممبران شامل وارونگی فاز، [126] ریخته گری [128] و پلیمریزاسیون پیوند حرارتی. [122129] است. با این حال، رایج ترین فرایند، الکتروریسی(123-125، 127) و الیاف توسط دفع الکترواستاتیک تولید می شود. برای استفاده از IPN صفر ظرفیتی، الیاف در محلول آبی نمک آهن غوطه ور شده است که در آن یون آهن با الیاف کمپلکس تشکیل می دهد. بعد از آب کشی نمک اضافی، یون ها به طور شیمیایی با استفاده از بروهیدرید سدیم، برای تشکیل INP صفر ظرفیتی کاهش می یابند: روش تولید نسبتا ارزان و سریع.

هارزوم و همکاران(127) با استفاده از این روش تولید ، ممبران فیبر کیتوزان عاملی شده با INP را تولید کرده و یک سری آزمایشات را برای نشان دادن توانایی مواد برای تصفیه ارسنیک از محلول های ازمایشگاهی با غلظت و اسیدیته متغیر انجام دادند. کامپوزیت به طور موفق موجب حذف گونه های ارسنیک شده و در عین حال تشابه با آرسنیک نشان می دهد. درصد جذب برای هر دو اشکال یونی با افزایش غلظت کاهش یافته و کارایی مواد نیز بر اساس اسیدیته محدود شد و کاهش جذب ارسنیک با اسیدیته 7 و 8 به ترتیب کاهش می یابد. درصد حذف آرسنیک موجب افزایش 90 درصدی نشده و حذف ارسنیک بیش از 90 درصد تحت شرایط خاص بود.

یک نانوکامپوزیت موفق تر تولید شده با این روش، توسط یک گروه در دانشگاه دانگا چین تولید شده است. PAA/PVA الکترو ریسی پایدار در آب در نانوراکتور باری کمپلکس آهن با بقایای کربوکسیل PAA برای تشکیل INP ها استفاده شد. الیاف نانوفایبر پلیمری پایدار، متخلخل، قابل استفاده مجدد بوده سپس با رنگ و مس تصفیه می شود. مطالعه دیگر توسط ما و همکاران(123)، از روشی برای نانوذرات آهن/پالادیوم هسته ای استفاده گرده است. با مواجهه نانوذرات INP در نانوالیاف بر روی محلول پالادیوم، نانوذرات دو فلزی آهن و پالادیوم از طریق کاهش جزیی پالادیوم بر روی سطوح INP تشکیل شد. آزمایشات بچ برای تصفیه تریکلورو اتیلن از محلول های سنتتیک، در غلظت های نسبتا پایین برای مقایسه عملکرد کامپوزیت های نانوذرات دو فلزی آهن و پالادیوم استفاده شد. بستر های حاوی نانوذرات پالادیوم تنها از 6.96 درصد TCE با جذب مشاهده شده بود که به بستر پلیمری نسبت داده شد. سه نمونه باقی مانده در 99 درصد Tce تجزیه شده و به یک مقدار تعادلی در طی 1.5 ساعت رسید. بستر حاوی آهن و پالادیوم ، بهترین عملکرد را در غلظت های TCE(10 -100 نانومتر میلی یگرم) نشان داد زیرا مزیت های نانوذرات دو فلزی ترکیب شد. به علاوه، مقاومت یونی متغیر منجر به تغییری در حذف TCE نشد به جز مواردی که در شرایط اسیدی تر، میزان کازایی کاهش یافت.

یک نمونه بارز از حذف TCE توسط نانوذرات فلزی در ممبران پلیمری، مطالعه پارشتی و دونگ (129) می باشد. با استفاده از روش های تولید متفاوت پارشتی و دانک ، قادر به تثبیت نانوذرات نیکل و آهن در ممبران های گرافت گلیکول پلی اتیلن بودند. در این مطالعه دو ممبران پلیمری پلی وینیل فلورید (PVDF) و نایلون 66 با PEG از طریق استفاده از یون های نیکل و آهن از طریق پوشش دهی و بسپارش حرارتی استفاده شد. یون ها با استفاده از NaNH4 کاهش یافته و تولید نانوذرات آهن و نیکل کردند که توزیع یکنواختی در سطح ممبران داشت. دو ممبران تست شده و از نظر دی کلریناسیونTCE مقایسه شد. مطالعه نشان داد که نایلون 66 ، یگ بستر مناسب برای تجزیه TCE است زیرا میزان رسوب شدگی کاهش یافت و مقدار نیکل نانوذارت دو فلزی بالا باقی ماند و این به دلیل حضور تراکم بالای مناطق کلاته کننده چند عاملی بود. تقریبا 100 درصد TCE در طی 25 دقیقه حذف شده و کامپوزیت واکنش پذیری بالایی را پس از 10 روز نشان داد که در طی آن 16 چرخه تزریق وجود داشت.

اگرچه این مطالعات از نظر مفهومی در ازمایشگاه ب شرایط سنتتیک موفق استف دو عامل کلیدی را می توان در نظر گرفت. مقاومت جریان کامپوزیت ها و توانایی آن ها برای تصفیه شیمیایی موجب کمپلکس شدن آب های محیطی می شود. یکی از معای منحصر به فرد نانوکامپوزیت های ممبران ایناست که آن ها قادر به تحمل نرخ پایین جریان و نیز فشار آب کم هستند در غیر این صورت ساختار ممبران شکسته می شود.

این مسئله موجب کاهش احتمال کاربرد واقعی در شرایط خانگی می شود زیرا جریان بسیار کند است. به علاوه، تقویت جریان با فشار بالا موجب ایجاد مسائلی در پایین دست می شود. از این روی، جریان عبوری از ازمایشات برای تست یکپارچکی ساختاری انواع ممبران های جدید استفاده می شود.

دارایی و همکاران(126) یک ممبران نانوکامپوزیتی جدید را با استفاده از روش فاز معکوس ایجاد کردند. ماتریس ممبران PES با افزودن (PANI-Fe3O4) NP بهبود بخشیده شد که در آن PANI تشکیل آهن اکسید 12 تا 28 میلی متری می دهد. ممبران حاصله برای حذف مس در اسیدیته 5 تست شد پس از مقایسه ترکیبات مختلف، ممبران بهینه با 0.1 درصد وزنی از نانوذرات، ، حذف 85درصد روی از یک محلول 20 میلی گرمی و 75 درصد از محلول 5 میلی گرننی در طی 2 ساعت بدست امد. بر خلاف مثال های قبلی، این تست های الاینده این تست های آلاینده هادر سیستم جنبشی یا سینتیک انجام شده و جریان آب خالص در 4.5 بار فشار ترانس ممبارن بررسی شد

نتایج نشان داد که هر چه نکه داری مس بهتر باشد، جریان آب ضعیف تر خواهد بود و ممبران بهینه دارای جریان اب 25 کیلوگرم بر ساعت در مقایسه با بیش از 25 کیلوگرم در سراعت برای ممبران PES خواهد بود. از این روی این جریان به طور منطقی رخ می دهد: سرعت های جریان بالاتر موجب کاهش احتمال حذف آلاینده با کاهش زمان تمرکز سیال درون فیلتر می شود PES اشباع شده با نانوذرات ، سرعت جریان پایین را نسب به PES اصلی نشان می دهند زیرا اندازه منافذ درون ممبران کاهش می یابد. اگرچه این بهبود سرعت جریان را در مقایسه با مطالعات قبلی نشان می دهد، با این حال کم تر عملی است. از این روی مطالعه آینده بایستی موجب بهبود نسبت نگه داشت جریان نسبت به الاینده شود. دارایی و همکاران به بررسی این پرداختند که چگونه نانولوله های کربنی چند دیواره ای اصلاح شده با پلیمر و عاملی اسیدی موجب بهبود جریان آب در مقایسه با ممبران های PES می شود. گفته می شود که ممبران حاوی پلی سیتریک، عملکرد خوب داردف زیرا PCA ایجاد دندریمر هایی با کربوکسیل و هیدروکسیل شده و این مسئله منجر به آب دوستی فراوان در ممبران می شود.

ممبران دارای قادر به حفظ دوام جریان و بازیافت در طی سه دوره از مراحل شست و شوی کف می باشد( شکل 4). این مطالعه در ترکیب با NP، یک گام مهم در بهبود ممبران است. با این حال، یک سری خصوصیات شیمایی آب بایستی در نظر گرفته شود. در مطالعه ما و همکاران 124، به بررسی انحلال NP در طی یک ماه پرداختند. تست های بررسی اثرات سن کامپوزیت ها و انسداد آن ها در نمونه های آبی از جمله ذرات انحلالی، مقدار، برای رفع این محدودیت لازم است

شکل 4: تست های متوالی رفتار کف ممبران PES با PCA-CNT

نانوکامپوزیت های حجمی را می توان در شکل مهره های کوچک و بزرگ و یا ذرات ساخت. مهره ها می توانند در سیستم های تصفیه ای نظیر ستون های فیلتر( مشابه با ستون های مبادله یون) و موانع واکنشی نفوذ پذیر استفاده شوند. مزایای کلیدی این نانوکامپوزیت های کروی این است که آن ها را می توان در زیر ساخت ها و فناوری های موجود استفاده کرده و از این روی موانع کمی برای جذب فراهم می کنند. مطالعات متعدد توسط سی. نابکتاب( 134-142) گارایی استفاده از آهن را در سیستم های ستون فیلتر نشان داده اند. با انجام این کار، عملکرد به طور معنی داری بهبود می یابد و انسداد های طبیعی از بین می روند. با جایگزینی اهن و شن با مهره های نانوکامپوزیتی، واکنش پذیری نیز به شدت افزایش می یابد

معمولا در مهره های نانو کامپوزیتی، نانوذرات NP در چارچوب ساختار های پلیمری کروی و رزین ها نظیر رزین های کلاته کننده و رزین های تبادل یونی قرار می گیرند(143-147). یک مثال رایج، بیوپلیمر الژینات است(148-156).

بزبوراه و همکاران طیف وسیعی از مطالعات را در خصوص استفاده از INP در مهره های الژینات کلسیم کزارش کرده اند. در هر مورد، کامپوزیت ها با استفاده از یک روش ساخته شده اند. اولا نانوذرات از طریق کاهش نمک آهن با استفاده از بروهیدرید سدیم سنتز شد. این ها همگی در درون محلول سدیم الژینات و آب ترکیب شده و هدف اصلی اطمینان از عدم تشکیل حباب های گازی بود. با استفاده از یک پمپ پریس تالتتیک، ترکیب به صورت قطره ای به محلول ابی بدون اکسیژن کلسیم کلرید افزوده شده و این مسئله منجر به تشکیل مهره های ژل کلسیم الژینات خاوی INP شد. مهره ها دارای اندازه 5 میلی متر بودند و حاوی NP با اندازه متوسط 35 نانومتر و 10 تا 100 نانومتر بودند

شکل 5: الف: اصویر و ب: تصویر SEM یک مهره الژینات حاوی INP پ و ت : تصاویر مهره عرضی.

هر یک از مطالعه ها به بررسی حذف الاینده های مختلف ولی در شرایط فیزیکی یکسان پرداخت یعنی محلول های الوده در شرایط ازمایشگاه ساخته شده و در راکتور ها قرار گرفته و مقدار اسیدیته تعدیل شده و نمونه ها 8 بار در 2 ساعت و در سه تکرار گرفته شدند. برای اطمینان از استفاده از نانوذرات درون مهره ها، تغییر معنی داری در کارایی تصفیه دیده نشد و ازمایشات دارای شاهد نیز بودند.اگرچه وزن نانوذرات ازاد و پوشش دهی شده در هر ازمایش یکسان بود، هر یک از الاینده ها نیازمند یک ماده واکمشی متفاوتی بودند که بر اساس مقادیر گزارش شده در منابع بود. درصد های حذف نیترات، TCE و ارسنیک برای مهره های نانوکامپوزیتی تقریبا 50-73 درصد، 89-91 درصد و 85-100 درصد بودند. عملکرد INP ها بسیار مشابه با NP های پوشش دهی شده بود. این یک نمونه از تست های تکراری بود که در آن ها تنها یک الاینده وجود داشت. به علاوه در این گروهعوامل موثر دیگر بر تجاری سازی مواد بررسی شد. از این روی مطالعات کوچک مقیاس نیز می تواند مفید باشد تا نشان داده شود که آیا کامپوزیت در دوره های طولانی زمانی می تواند واکنش پذیری خود را حفظ کند یا خیر. در 2011، بازبورا و همکاران مهره های سنتز شده از یک بچ را در ویال های هوا حاوی 2 درصد کلسیم کلرید در اب بدون اکسیژنه حفظ کرده و آن را با گاز نیتروژن قبل از پوشش دهی در الومینیوم تخلیص کردند. این تست ها نشان دادند که واکنش پذیری بین 4و 5 ماه متوقف می شود . و از 89 درصد به 84 درصد می رسد. پس از شش ماه، کارایی 82 درصد بود. اگرچه تحقیقات در مراحل اولیه قرار دارند با این حال می توانند به توسعه فیلتر های نانو گامپوزیتی کمک کنند

یک جایگزین ماده دیگر، یعنی رزین های تبادل یونی برای تولید مهره های نانوکامپوزیتی بسیار مفید هستند. یک مثال ، موسوم به  است. از 1997، دانشگاه لیک و بنگال مطالعاتی را روی واحد های حذف ارسنیک از اب در غرب بنگال انجام دادند. در ابتدا الومینویوم فعال یک ماده جاذب بود ولی برای بهبود عملکرد  استفاده شد مهره های  با قطر 300 تا 1200 میلی متر حاوی NP= اآهن اکسید درون یک رزین تبادل یانیونی ماکروپور بوده دارای واکنش پذیری بالایی است. واحد نشان داده شده در شکل 7 متصل به چاهک ها بوده و به طور جاذبه ای تزریق شده و نیاز به الکتریسیته و تعدیل اسیدیته ندارد. در بیش از 20000 حجم بستر، وقتی که ارسنیک 50 گرم بر لیتر تجزیه می شود این محلول را می توان حفظ کردو موفقیت  نشان می دهد که چگونه مواد جدید نوظهور را می توان در زیر ساخت های قدیمی استفاده کرد. با این حال  یک نانوکامپوزیت کمهره ای است و از محدودیت های زیر رنج می برد.

شکل 6: الف: یک عکس و ب: تصویر Tem از مهره های .

اگرچه مزیت استفاده از نانوکامپوزیت های مهره ای در شکل سیستم های تصفیه این است که سرعت جریان با تغییر اندازه و تراکم بسته بندی مهره ها متغیر استف ولی آب باید از درون کانال های بین مهره ها جریان یابد و ایجاد یک مقاومت بالا کند. به علاوه این محصولات تمایل به حفظ میزان بالایی مواد واکنشی در خود هستند و این فرصت را برای واکنش با آب کاهش می دهد زیرا بهطور فیزیکی در درون مهره ذخیره شده است و هرگز با آب الوده تماس ندارد. می توان بیان داشت که آن ها ناکافی هستند زیرا نسبت سطح به حجم ضعیف است و به این ترتیب این می تواند یک محدودیت باشد

 2- 3 ساختار های سه بعدی متخلخل

سومین و اخرین راه حل، استفاده از نانوذرات در یک ساختار پیوسته و متخلخل سه بعدی است. ازدیدگاه نظری ساختار های پیوسته منجر به ایجاد حجم های غیر واکنشی محدود شده و کل ساختار را می توان به زیر ساختار های قبلی نظیر فیلتر های ستونی و موانع واکنشی افزود. به علاوه نرخ بالای جریان زمانی تسهیل می شود که کامپوزیت قادر به حفظ خواص مکانیکی سوبسترا باشد. علی رغم این مزایای منطقی، منابع و مطالعات کمی وجود دارند که به بررسی این موضوع در مقایسه با طیف وسیعی از نانو کامپوزیت های مهره و ممبران پرداخته اند. در میان یک سری از الگو های موجود، مواد سوبتسرا شامل پلیمر ها، گرافن، کربن و کیتوزان هستند

شکل 8: SEM پلیمر با خلل و فرج ماکرپوور حاوی نانوذرات اکسید آهن

ساوینا و همکاران(163) یک پلیمر متخلخل حاوی نانوذرات اکسید آهن و  را توسعه دادند که از طریق فرایند کوپلیمریزاسیون تشکیل می شود. نانوذرات به ترکیب 2-هیدروکسی اتیل متاکریلات و پلی (اتیلن گلیکول) دی استلیلات افزوده شدند. پس از افزودن امونیوم پری سولفات و تری متیل اتیلن امینف ترکیب در فریزربه مدت 18 ساعت قرار داده شد. فرایند انجمادموجب تفکیک اب از نانوذرات، مونومر ها، اغاز گر ها و کراس لینکر ها شده و ایجاد بسته هایی از بلور های یخی می کند. وقتی که بلور ها ذوب می شوند، خلل و فرج بیش از 10 میکرو متر را باقی می گذارند. سرعت جریان 2.29 ± 0.34 و 2.78 ± 0.33 (x10-3) متر بر ثانیه برای ژل های حاوی به ترتیب  و  بود. وقتی که بسته بندی در ستون شیشه ای انجام شد این نتایج بدست امد. این به طور معنی داری بهتر از سرعت جریان توصیه شده برای بود که  و  متر بر ثانیه در فشار های سنتی بیش از 8 بار است.

اگرچه کارایی حذف تحت تاثیر میزان اسیدیته 3-9 قرار نگرفت، عملکرد در مقایسه با نانوذرات کاهش یافت. ظرفیت جذب تعادلی ارسنیک برای  و  به ترتیب 2.7 و 3.1 میلی گرم ارسنیک در هر گرم نانوذره بود. این تفاوت معنی دار ناشی از نانوذرات موجود در دیواره ژ ل بوده و کم تر برای محلول الاینده قابل دسترس است. این نتیجه نشان می دهد که در صورتی واکنش پذیری بهبود می یابد که نانوذرات بر روی سطح سوبسترا قرار گیرند نه درون آن

شکل 7: طرح شماتیک از ساختار و عملکرد واحد ستون تفکیک کننده

جاذب ها به طور گسترده به عنوان فیلتر جداکننده در تصفیه آب و برای حذف آلاینده های معدنی و آلی از آب آلوده مورد استفاده قرار می گیرند. نانوذرات دارای دو ویژگی کلیدی هستند که استفاده از آنها را به عنوان جاذب جذاب می سازد. آنها دارای نواحی سطحی بسیار وسیعتری از ذرات توده هستند. همچنین نانوذرات می توانند با گروه های شیمیایی مختلف برای افزایش میل به حذف ترکیبات هدف ترکیب شوند . چندین گروه تحقیقاتی در حال جستجو برای تعیین خواص منحصر به فرد نانوذرات به منظور توسعه جاذب های با ظرفیت بالا و انتخابی برای یونهای فلزی و آنیونها می باشند. لی و همکاران Li & et al.) ) ]5[ جذب سرب دو ظرفیتی (II)Pb، مس دوظرفیتی(II)Cu و کادمیوم دو ظرفیتی (II)Cd را بر روی نانولوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) بررسی نموده اند. آنها ظرفیت حداکثر جذب را 08/97 میلی گرم سرب دوظرفیتی (II)Pb ، 49/24 میلی گرم مس دوظرفیتی (II)Cu و 86/10 میلی گرم کادمیوم دوظرفیتی (II)Cd به ازاي يك گرم ماده جاذب در دمای محیط ، PH برابر5 و غلظت تعادل یون فلزی 10 میلی گرم/لیتر گزارش نموده اند. همچنین آنها نشان دادندکه ظرفیت جذب یون های فلزی توسط نانولوله های کربنی چند جداره 3 تا 4 برابر بیشتر از جاذب های متداول مورد استفاده در تصفیه آب (کربن فعال پودری و کربن فعال دانه ای) هستند. کی (Qi) ]6[ جذب سرب دو ظرفیتی (II)Pb را بر روی نانوذرات چیتوسان (chitosan) (4-10 نانومتر) تهیه شده از ژلاتین یونی چیتوسان و تری پلی فسفات (tripolyphosphate) مورد ارزیابی قرار داده است.

ظرفیت جذب حداکثری مس دوظرفیتی (II)Cu نانوذرات چیتوسان ترکیب شده با فسفات برابر 398 میلی گرم به ازاي يك گرم ماده جاذب است. پنگ و همکاران Peng & et al.)) ]7[ به تازگی جاذب جدیدي با ناحیه سطحی وسیع تر (189 مترمربع/گرم) شامل اکسید سریم تقویت شده با نانولوله های کربنی (CeO2 – CNTs) را توسعه داده اند. آنها نشان دادند که ذرات اکسید سریم تقویت شده با نانولوله های کربنی جاذب های موثری برای آرسنیک پنج ظرفیتی (V)As می باشند. پنگ و همکاران (Peng & et al.) نشان دادند که افزودن (از 0 تا 10 میلی گرم در لیتر) کاتیونهای دوظرفیتی [کلسیم (II) Ca و منیزیم (II)Mg] منجر به افزایش قابل توجهی در مقدار جذب (V)As (82 – 10 میلی گرم/گرم) می شود. دیلیانی و همکاران نیز جاذب جدیدی براي As(V) متشکل ازنانو بلورهای هیدروکسید کلراید آهن به نام  [b-FeO(OH)] akaganeite را تولید کرده و ویژگی آن را مورد بررسی قرار داده اند. علاوه بر این لازاریدیس و همکاران ]10[ نشان داده اند که نانوبلور akaganeite نیز جاذب موثری برای عنصر کروم شش ظرفیتی (VI)Cr است. زئولیتها جاذب و فیلتر تبادل یونی موثری برای یونهای فلزی می باشند. زئولیتهای NaP1 (Na6Al6 Si10O32, 12H2O) نیز دارای تراکم بالایی از سایت های تبادل یون سدیم هستند.

آنها می توانند توسط فعال سازی گرمایی خاکستر بادی با نسبت سیلیسیم به آلومینیم برابر 150-C در محلول های NaOH با غلظت 0/2-0/1 مولار و بسیار ارزان ساخته شوند. زئولیتهای NaP1 به عنوان فیلتر تبادل یونی برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب های معادن اسیدی مورد بررسی قرار گرفته اند [. آلوارز و همکاران استفاده موفقیت آمیز از زئولیتهای مصنوعی NaP1 را برای حذف کروم سه ظرفیتی Cr(III) ، نیکل دو ظرفیتی Ni(II)، روی دوظرفیتی Zn(II) ، مس دوظرفیتی Cu(II) و کادمیوم دوظرفیتی Cd(II) از پساب آبکاری فلزات گزارش نموده اند. تک لایه های خود مونتاژ بر روی تقویت کننده های با منافذ 2 الی 50 نانومتر(Self-assembled monolayers on mesoporous supports) فرصت های جدیدی برای توسعه جاذب های موثرتر برای یونهای فلزی سمی ، آنیونها و رادیونوکلوئیدها فراهم آورده اند. این جاذب ها از طریق سنتز فعال شده سطحي (synthesis templated Surfactant) سرامیک دارای منافذ 2 الی 50 نانومتر ساخته می شوند. در این فرآیند اکسیدهای سرامیک با تخلخل های نانویی و ناحیه سطحی بسیار وسیع (حدود 1000 مترمربع / گرم) و چگالی بالایی از سایت های جذب سطحی تولید می شوند که می تواند منجر به افزایش قدرت انتخابی آنها به سمت آلاینده های هدف گردد.

نانو مواد کربنی می توانند به عنوان جاذب با ظرفیت بالا و انتخابی برای املاح آلی در محلول های آبی عمل کنند. منگان و همکاران ]17[ الیاف های کربن فعال با تخلخل هاي نانویی را با اندازه سوراخ هاي 16/1نانومتر و ناحیه سطحی در محدوده 171 تا 483 متر مربع بر گرم ساخته اند. آنها جذب بنزن ، تولوئن ، pxylene و اتیل بنزن را بر روی الیاف هاي کربن فعال با تخلخل هاي نانویی حدود 20-C اندازه گیری کردند. همچنین آنها نشان دادند که ایزوترم های جذب توسط معادله فرندلیچ توصیف می شوند. در تمام موارد، الیاف هاي کربن فعال با تخلخل نانویی دارای ثابت های تعادل جذب آلی بسیار بالاتری از کربن فعال دانه ریز بودند. پنگ و همکاران جذب دی کلروبنزن را بر روی نانولوله هاي كربني مورد ارزیابی قرار داده اند. آنها دریافتند جذب دي كلروبنزن بر روی نانولوله هاي كربني تنها 40 دقیقه برای رسیدن به تعادل با ظرفیت جذب حداکثر 8/30 میلی گرم/گرم زمان لازم دارد. لی و همکاران (Li & et al.)]18[ گزارش داده اند که نانولوله های کربنی چند جداره ، جاذب های به مراتب بهتری نسبت به کربن سیاه براي ترکیبات آلی فرار در محلول های آبی هستند. فوگستو و با موفقیت نانولوله های کربنی چند جداره را داخل بسته های آلژینات پیوند یافته ((Cross-linked alginate vesicles به صورت کپسول درآوردند. نانولوله های کربنی چند جداره دارای ظرفیت جذب و انتخاب بالایی برای چهار رنگ قابل انحلال (orange Acridine، bromide Ethidium، bluish Eosin و G Orange) مي باشند. ژائو و همكاران جاذب های معدنی- آلی ترکیبی را توسط اختلاط سولفات سدیم دودسيل (Sodium Dodecyl Sulfate) با هیدرواکسید دو لایه منیزیم-آلومینیوم (LDHs) ساخته اند. آنها گزارش نمودند كه تركيب فوق ظرفیت جذب بالاتری برای جذب آلکانهای کلرینه Chlorinated alkenes)) ]تتراكلرواتيلن و تری کلرواتیلن] نسبت به خاک رس آلی (Organoclays) در محلول های آبی دارد. فولرین می تواند به عنوان جاذب براي ترکیبات معطر چند حلقه ای مانند نفتالین نیز مورد استفاده قرار گیرد به تازگي نانوذرات پلی اورتان آمفيفيليك (Amphiphilic) توليد شده است كه مي تواند ترکیبات معطر چند حلقه ای (نظير نفتالن) را جذب نماید و قابلیت زیست پذیری آنها در محلول های آبی را افزايش دهد ]22[.

نانوذرات داراي پتانسیل بسیار زیادی به عنوان كاتاليست و فیلتر فعال ردوكس برای تصفیه آب مي باشند و اين به دليل نواحی سطحی وسیع ، اندازه ، خواص نوری ، الکترونیک و کاتالیستی وابسته به شكل آنها است در طول دهه گذشته، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2) به عنوان کاتالیست های نوری برای تصفیه آب ظهور كرده اند نانوذرات دی اکسید تیتانیوم داراي تنوع بسیار زيادي مي باشند و می توانند به عنوان کاتالیست هاي اکسیدكننده و احياء كننده برای آلاینده های آلی و معدنی مورد استفاده قرار گيرند. با افزودن نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم به آبهای آلوده و در حضور نور ماوراء بنفش ، حذف کربن آلی به شدت افزایش مي يابد که این مطلب توسط چیتوسه و همکاران) نشان داده شده است. به تازگی کابارا و همکاران استفاده از کاتالیست های نوری در تصفيه آب آلوده به آلاینده های آلی و معدنی را مورد بررسي قرار داده اند. آنها استفاده موفقیت آمیز از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم را براي (1) تجزیه ترکیبات آلی (نظير آلکانهای کلرینه ، بنزن ها ، دیوکسین ها ، فوران ها ، بايفنيل هاي پلي كلرينه (PCBs) و غیره) و (2) کاهش یونهای فلزی سمی [نظير Cr(VI) ، Ag(I) و Pt(II)] در محلول های آبی تحت نور ماوراء بنفش گزارش نموده اند. به تازگي توليد نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم فعال شده با نور مرئي مورد توجه بسیار زيادي قرار گرفته است . یکی از بهترين مطالعات در این زمینه توسط آشاهی و همکاران انجام شده است. آنها موفق به توليد نانوذرات TiO2 N-doped شده اند که قادر به تجزيه نوري متیلن آبی تحت نور مرئي است. باء (Bae) نانوذرات دی اکسید تیتانیوم فعال شده با نور مرئي را بر مبناي دی اکسید تیتانیوم اصلاح شده با حساس كننده هاي کمپلکس- روتنیم و رسوبات پلاتین توليد كرده است. نانوذرات Pt/TiO2/RuIIL3 به شدت میزان حذف اتم هاي هالوژن از مولكول تري كلرواستات و تتراکلرید کربن را در محلول های آبی تحت نور مرئی افزايش مي دهد.

به تازگي ذرات نانو آهن صفر ظرفیتی (Fe0) و دو ظرفیتی (Fe0) به عنوان فیلتر ردوکس برای سم زدایی موثر آلاینده های آلی و معدنی در محلولهای آبی ظهور كرده اند. این نانومواد (10-1 نانومتر) نواحی سطحی وسیع تر و واکنش پذیری بیشتری نسبت به ذرات آهن دوظرفیتی توده دارند. ژانگ (Zhang) مروری بر توليد ، خواص و استفاده از نانو ذرات Fe0 و Fe0/Pd0، Fe0/Pt0، Fe0/Ag0، Fe0/Ni0 و Fe0/Co0 را در بازسازی محیط زیست انجام داده است. این نانوذرات می توانند انواع آلاینده های آلی (نظير آلکانها ، آلکانهای کلرینه ، بنزن های کلرینه، پستيسايدها، رنگهای آلی، نيترو آروماتيك ها ، بايفنيل هاي پلي كلرينه) و آنیونهای غیر آلی (نظير نيترات ها) در محلولهای آبی را به محصولات فرعی که کمتر سمی هستند و خطر کمتری دارند ، احیا نماید. نانوذرات آهن صفر ظرفیتی و دو ظرفیتی با موفقیت برای احیاء یون های فلزی فعال ردوکس نظیر کروم پنج ظرفیتی Cr (VI) به نمونه های کروم سه ظرفیتیCr(III) که خواص سمی و تحرك کمتر ی دارند، مورد استفاده قرار گرفته اند از ويژگي عدم تحرک متالوپورفرينوژن ها در ماتریس خاک-ژل نیز با موفقیت برای توليد نانوذرات ردوکس و نانو ذرات فعال کاتالیستی جهت حذف اتم هاي هالوژن از مولكول ترکیبات آلی کلرینه (تتراكلرواتيلن ، تری کلرواتیلن و تتراکلرید کربن) در محلول های آبی استفاده شده است

فرآیندهای غشاء نظیر اولترافیلتراسیون ، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس در حال ظهور به عنوان مولفه های کلیدی تصفیه آب پیشرفته و فن آوری های شیرین نمودن آب هستند وندربرگن به بررسی استفاده از نانوفيلتراسيون در حذف کاتیونها ، مواد آلی طبیعی، آلودگی هاي بيولوژيكي، آلودگی های آلی، نیترات و آرسنیک از آبهای زیرزمینی و آبهای سطحی پرداخته اند. فاورویگولین و همکاران نشان داده اند که از نانوفيلتراسيون می توان برای حذف مقادیر جزيي اورانیوم پنج ظرفیتی U(VI) از آب دريا استفاده نمود. میون و همکاران استفاده از نانوفيلتراسيون را براي شیرین نمودن آب مورد بررسی قرار داده اند. آنها بر اين باورند که از ترکیب نانوفيلتراسيون با روش اسمز معکوس می توان به طور موثری برای شیرین نمودن آب آشامیدنی استفاده نمود. پلیتر و همکاران نشان داند كه از نانوفيلتراسيون مي توان در بهبود كيفيت آب برای یک سامانه توزیع بزرگ استفاده نمود. کاهش قابل توجه ای در مقادير آلاینده های آلی و بیولوژیکي (نظير باکتری ها و ویروس ها) با استفاده از این فرآيند حاصل شده است. نانومواد در حال ايجاد فرصت هاي نويني براي توسعه کارآمد تر و مقرون به صرفه تر غشاء هاي نانوساختاری و واکنشی برای تصفیه و شیرین نمودن آب هستند. سریواستاوا و همکاران به تازگی ساخت موفقیت آمیز فیلترهايي از نانولوله هاي کربن را گزارش نموده اند. این غشاء های فیلتراسیون جدید از استوانه توخالی با دیوارهای نانو لوله ای كربن شعاعي تشکیل شده اند.

شکل 10: دستکاه فیلتراسیون حاوی بلوک محوری چند لایه که درون آن کامپوزیت قرار گرفته است

شکل 11: کارایی جذب روغن فوم پلی اورتان عاملی NF-PTFE اکسید آهن

این می تواند ناشی از هزینه و نیز محدودیت های عملی ای باشد که بایستی بر نیاز بین واکنش پذیری، سرعت جریان و نیز یکپارچگی ساختاری غلبه کرد. این مسئله توسط ساوینا و همکاران 173 نیز گزارش شده است که واکنش پذیری را تایید کرده است.چه چیزی باعث می شود تا نانوکامپوزیت ها به حالت غیر استاتیک باشند

همان طور که در منابع دیده می شود، قیف ها و دستگاه های تصفیه آب به صورت تجاری و تحقیقاتی موجود هستند. این موارد شامل جاذب ها، فلکوله کننده ها و منعقد کننده ها، رزین های تبادل یونی و فیلتر های با اندازه های مختلف هستند. چون آبتصفیه شده برای نوشیدن استفاده می شودف قوانین سفت و سخت زیادی وجود دارد که این فناوری ها بایستی برای رسیدن به بلوغ تجاری آن ها را رعایت کنند.

در آمریکا، کیفیت آب اشامیدنی توسط قانون آب اشامیدنی ایمن 1974 و آژانس حفاظت از محیط زیست امریکا،دفتر آب زیر زمینی و آب منطقه ای و سازما های دیگر در سطح محلی کنترل می شود. هم چنین سازمان ثالث NSF، تقش مهمی در تایید محصولات مرتبط با آب اشامیدنی نظیر فیلتر ها، تصفیه های شیمیایی و لوله کشی ها ایفا می کند. به منظور دست یابی به مجوز خاص ، ادعا در مورد عملکرد فیلتر درک شده و بایستی تضمین شود. به علاوه کمیته مشترک NSF واحد های تصفیه آب اشامیدنی، استاندارد های مختلفی را برای ارزیابی و مجوز دهی توسعه داده اند.

در عین حال، در بریتانیا، این قوانین و مقرران توسط طیف وسیعی از مراکز بازرسی آب آشامیدنی (تنظیم کیفیت آب آشامیدنی برای انگلستان و ولز) و تنظیم کیفیت آب برای اسکاتلند، آژانس حفاظت از بهداشت (وزارت بهداشت)، وزارت توسعه منطقه ای، وزارت محیط زیست، غذا و امور روستایی (دفرا)، و همچنین مقامات محلی و تامین کننده آب کنترل می شود. [ 178]. فناوری های تصفیه ای همراه با موارد مورد استفاده برای ذخیره و انتقال آب بر اساس اثرات قابل اندازه گیری بر روی آب کنترل می شوند. مرکز توسعه آب اشامیدنی بریتانیا گزارش های سالانه را در خصوص شرایط عرضه آب منتشر می کند. این فهرست بر اساس ایمنی اب اشامیدنی است و به ارزیابی فناوری ها یا مواد نمی پردازد

در همه موارد، هزینه ازمون های نظارتی برای محصولات فیلتر مورد استفاده برای آب اشامیدنی به شدت هزینه بردار است. بر همین اساس مسیر های مختلف بهبود نانوکامپوزیت های الگو و نمونه برای دست یابی به مقیاس وسیع تر، چالش بر انگیز بوده و نیازمند چند دور سرمایه گذاری است

شکل 12: یک تصویر نشان دهنده خود مونتاژی یک هیدروژل اکسید گرافن

نانوکامپوزیت ها به طور اخص منجر به بروز مسائل متعددی می شوند. نانوکامپوزیت های سیار می توانند برای محیط و بدن انسان سمی باشند. آن ها دارای کاربرد تجاری محدودی در حال حاضر هستند. در عین حال، استفاده از نانوکامپوزیت ها بایستی مورد تست واقع شود تا تایید شود که نانوذرات هیچ گونه مواد سمی را وارد آب نمی کنند. این مسئله موجب افزایش هزینه می شود و لی مطابق با توصیه های ارایه شده توسط گزارش ” علوم نانو و فناوری های نانو” فرصت ها و عدم قطعیت ها” است.

به علاوه تحقیقات برای این که جنبه تجاری پیدا کنند بایستی اطمینان حاصل کنند که فناوری نوظهور، پایدار است. در واقع، برای بیشینه سازی اعتبار نانوذرات، آن ها بایستی قابل باز یافت باشند و در عین حال روش های آسانی برای از بین بردن الاینده ها و نانوذرات و استفاده مجدد از سوبسترا وجود داشته باشد. از این روی فلزات با ترکیب مطلوب را می توان استفاده کرد که دارای سود اقتصادی هستند و مواد پسماند باقی مانده به آسانی از آن ها تصفیه می شوند. امروزه بسیاری از سازمان های استفاده کننده از NP ، از روش های ایمنی شیمیایی سنتی برای مواد خطرناک در سرتاسر چرخه حیات نانوذرات استفاده می کنند. اگرچه این مبنای خوبی برای مدیریت و بازیافت نانو مواد است، با این حال اگر قوانین ویژه بتوانند سمیت آن ها را نیز در نظر بگیرند بسیار مطلوب خواهد بود. برای انجام این کار باید اطمینان حاصل شود که نانوکامپوزیت ها در سراسر چرخه خود از نظر محیطی ایمن هستند

در نهایت این که یک مسئله کلیدی مربوط به مواد و روش های جدید بررسی شده توسط تحقیقات این است که یک روش استاندارد و یا روش های استاندارد برای تست الاینده ها برای ازمایشگاهی مختلف وجود ندارد و ملزومات اندازه برای حجم واکنشی بایستی در نظر گرفته شود. تست های آزمایشگاهی اغلب، عملکرد محصولات را با تست ساده ترین سیستم های ابی تست می کنند. این موجب می شود تا مقایسه سخت تر شود و بسیاری از تحقیقات فعلی نتوانند به پیشرفت و روند تغییرات بپردازند.

4- نتیجه گیری و مطالعات آینده

این مقاله مروری به بررسی وضعیت فعلی و نقش نانوکامپوزیت ها در تصفیه آب پرداخته است. بدیهی است که این زمینه تحقیقاتی به شدت در حال توسعه است و مواد نانو کاربرد تجاری پیدا کرده اند.

از دیدگاه نظری، کامپوزیت های ایده ال برای کاربرد های صنعتی و خانگی پیوسته و مواد با ویژگی غیر ثثبیت شونده هستند که با نانومواد می کنند به حالت غیر واکنش پذیر در ایند و این کار از طریق اشباع کردن ساختار های ماده مادری با مواد نانو حاصل شود که دارای ویژگی های مکانیکی متعددی هستند. این نوع نانوکامپوزیت ها مانع از بروز مسائل مربوط به سمیت نانو برای انسان و محیط زیست می شود که نیازمند تحقیقات بیشتری است.

این کامپوزیت ها را می توان وارد زیر ساخت های تصفیه آب درشکل عوامل واکنشی سنتی به صورت یک روش ارزان تر و کارامد تر در راستای رسیدن به اهداف قانونی استفاده کرد. کاربرد های آن ها از گوچک مقیاس نظیر د تصفیه داخلی تا روش های محیطی مشابه با موانع واکنشی نفوذ پذیرو در نهایت کاربرد های صنعتی بزرگ مقیاس متغیر است. به علاوه این فناوری برای فرایند های فیلترینک و تصفیه آب صنعتی مناسب است که در آن ها کاتالیزور های NP به طور انتخابی در کامپوزیت ها برای گونه های مضر یا ارزشمند استفاده می شوند. نانو کامپوزیت های واکنشی در صنع ت کاربرد زیادی دارند و این موجب شده است تا توسعه این مواد برای تصفیه آب در سطح جهانی در دستور کار قرار گیرد

بر اساس استدلال های ارایه شده، کامپوزیت های فیلتراسیون واکنشی با بیشترین موفقیت تجاری، خواص زیر را نشان می دهند

• ساختار های حجمی پیوسته برای اجتناب از معایب ذرات ازاد و اطمینان از طراحی ساختار ها به طوری که واکنش و سطح مقطع افزایش یابد
• چسبندگی قوی نانوذرات برای اطمینان از این که هیچ نانوذره ای به سیستم اب و محیط ازاد نمی شود
• خواص مکانیکی مناسب ساختار مادری امکان جریان بهینه اب را می دهد
• سطح مقطع درونی بالا برای بیشینه سازی واکنش پذیری
• توانایی حذف طیف وسیعی از الاینده ها که موجب بیشینه سازی کاربرد های بالقوه می شود
• قابلیت تصفیه برای دست یابی به پایداری
• قابلیت تصفیه الاینده ها برای بهبود شیوه های ارزشمند
• هزینه تولید پایین برای اطمینان از دست یابی به کاربرد گسترده تر

تا کنون هیچ نانوکامپوزیت سحر آمیزی به طور تجاری ظهور نکرده است. چالش کلیدی افزایش موفق این سطوح مواد واکنشیبدون از بین رفتن ویژگی های مکانیکی ضمن کاهش هزینه است.پیشرفت و توسعه مداوم نیازمند بهبود این مواد و انجام تحقیقات بیشتر در زمینه روش های اشباع سازی و تصفیه پس از سنتز است که موجب بهبود نانوواکنش پذیری می شود. به علاوه، تست های استاندارد بایستی توسط جامعه اکادمیک در راستای مقایسه بین مواد و بهبود توسعه مواد در آینده شود. با توجه به سرعت فعلی پیشرفت فناوری و جذب بازار، آینده نانوکامپوزیت ها نه تنها برای تصفیه آب بلکه برای بسیاری از صنایع مهم جهانی، درخشان خواهد بود.