وبلاگ شیمی - زندگی - سلامت wellcome to my weblog

قسمت اول

امراض ناشی از آلودگی منابع آب ، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شاید ده ها هزار نفر از مردم جهان می شود . این در حالی است که امکان بازیافت آب دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد . با ورود فناوری نانو، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه آب و نیز آب و فاضلاب های صنعتی و کشاورزی معرفی شده است.

تصفیه آب به کمک نانوذرات

نانوذرات لانتانیوم ، فسفات را از محیط های آبی جذب می کند .کاربرد این نانوذرات درحوضچه ها و استخرهای شنا می تواند به طور موثری فسفات موجود را از میان برده و در نتیجه از رشد جلبک ها جلوگیری کند .

نانوپودرها نیز میتوانند به عنوان مواد مناسبی برای پاکسازی خاک های آلوده و آب های زیرزمینی به کار روند ؛ همچنین نانوذرات آهن سبب اکسید شدن و درهم شکستگی ترکیبات آلوده  کننده می شود و آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین تبدیل می کند .

ارسنیک از آلاینده های بسیار سمی است که به طور طبیعی با پساب های انسانی سبب آلودگی آب می شود .مصرف این ماده سبب افزایش شیوع سرطان مثانه و روده می شود .آمار مسمومیت با ارسنیک در سطح جهان بسیار زیاد است و در بسیاری از کشورهای درحال توسعه که بیش از 10 تا20 درصد جمعیت آنها به مسمومیت ارسنیک مبتلا شده اند ، چنین اتفاقی یک فاجعه بهداشتی به شمار می آید. بیشتر آلایندگی های ناشی از ارسنیک در کشورهای جهان سوم گزارش شده است و به همین دلیل این کشورها بشدت نیازمند فناوری های نوین هستند تا به کمک آن بتوان آلاینده های فلزی سنگین مانند ارسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد .

 در روش های جدید از نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن به عنوان هسته اصلی سیستم های تصفیه آب استفاده می شود. سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب ارسنیک دارند، بلکه با انتخاب اندازه متناسب می توان براحتی این ذرات مغناطیسی را که به کمک روش های جداسازی مغناطیسی از آب جداکرد. درحقیقت نانوذرات درجذب ارسنیک همانندتوده آهنی عمل می کنند.نانو ذرات مغناطیسی اکسیدآهن ،آرسنیک موجود درآب را تا 99% به دام انداخته وسپس آن ها را با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج می کنند. درواقع نه تنها ظرفیت جذب ارسنیک در نانوذرات بالاتر است بلکه به محض قرار گرفتن ارسنیک در کنار نانوذرات، جداسازی آن از این ذرات بسختی انجام خواهد شد. با توجه به نتایج به دست آمده از بررسی ها و تحقیقات انجام شده در این زمینه میتوان گفت نانوذرات مغناطیسی ، جاذب های بسیار خوبی برای آلاینده ارسنیک بویژه در آب های اسیدی هستند وخاصیت جذبی غیر قابل بازگشت این ذرات ، مخزن مناسبی برای جمع آوری آلاینده ها فراهم می کند .

به طور کلی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- حذف آرسنیک با نانو ذرات سریم

- حذف آرسنیک با نانو ذرات اکسید آهن

- حذف کروم با نانو ذرات آهن

- حذف مس، کبالت و نیکل با نانو ذرات آهن

- حذف ترکیبات آلی با نانو ذرات آهن

- حذف آلاینده ها با نانو ذرات آهن در محل

- کاهش نیترات با نانوذرات دوفلزی پالادیم- مس

- گندزدایی آب با نانو ذرات نقره

خط قرمزی برای گسترش آلاینده‌های بیولوژیکی

آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلاینده موجود در آب، هدفی است که دست یابی به آن در فرآیند تصفیه آب، مستلزم بهره گیری از فناوری‌های نوین است. امروزه حسگرها، نقش عمده‌های در تعیین میزان دما، مواد محلول در آب، شناسایی پاتوژن و فلزات سنگین ایفا می‌کنند. اگرچه حسگرها مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند.

با ظهور فناوری نانو، حساسیت حسگرها ارتقا یافته و سرعت عملکرد بالاتری پیدا کرده‌اند. تصور اینکه یک نانو حسگر می‌تواند با سرعتی باور نکردنی، حضور یک ذره ویروسی را قبل از تکثیر ویروس و بروز علائم بیماری، شناسایی کند شاید تا قبل از ظهور این فناوری ممکن نبوده اما اکنون نانوحسگرها انقلاب بزرگی در شناسایی آلاینده‌های آب، به وجود آورده‌اند.

ازویژگی نانوحسگرها می توان به موارد زیر اشاره کرد  که به سرعت می‌تواند مواد خارجی و ویروس را شناسایی کنند، کوچک، قابل حمل، دارای عکس العمل سریع در مقدار کم، قابل اطمینان، دقیق، مقاوم و مستحکم هستند.

تصفیه فاضلاب

محققان به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را در مقایسه با روش هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ، به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد . آخرین مرحله تصفیه آب ، حذف موجودات زنده بسیار ریز است در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی کننده استفاده می شود . اما در این صورت حتی پس از تصفیه نیز ترکیبات ارگانیک زیادی در آب وجود خواهد داشت . کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می کند . اما با آلاینده های ارگانیک واکنش می دهد و محصولات جانبی تجزیه ناپذیر و سمی تولید می کند که نمی توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیط زیست و استفاده از آنها در کشاورزی وصنایع دیگر میتواند مشکلات بهداشتی خطرناکی ایجاد کند .

تصفیه فاضلاب به کمک نانو کاتالیزور نوری می تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضدعفونی با کلر شود تا موجودات زنده و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز ، ترکیبات ارگانیک بزرگ را به ذرات کوچک تری تبدیل می کنند. اما از آنجاییکه این ترکیبات از نظر زیستی تجزیه ناپذیرند برای تجزیه آنها باید از نوع انرژی استفاده کنیم .این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید تامین شده و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرا رمی گیرد . انرژی آزاده شده از واکنش سلول کاتالیزور نوری می تواند موجودات زنده ریز را از میان برده و ترکیبات تجزیه ناپذیر را تجزیه کند . این فرآیند به دلیل امکان استفاده  مجدد از کاتالیزورهای نوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. ذرات کاتالیزوری یا بصورت همگن در محلول پراکنده می شوند یا به صورت ساختارهای غشایی رسوب داده شده هستندکه تجزیه شیمیایی آلاینده ها را امکان پذیر می کنند .

اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تری‌کلرواتیلن (TCE) از آب‌های زیرزمینی استفاده کرده‌اند. تحقیقات مرکز فناوری‌نانوی زیست‌محیطی (CBEN) دانشگاه‌ رایس نشان می‌دهد نانوذرات طلا و پالادیم، کاتالیست‌هایی بسیار مؤثر برای حذف آلودگی‌TCE از آب هستند.

مزیت‌های حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است. با به کارگیری فناوری‌نانو می‌توان تعداد اتم‌های در تماس با مولکول‌های TCEو در نتیجه کارایی این کاتالیست را چندین برابر کاتالیست‌های رایج افزایش داد. TCE حلال رایج در روغن زدایی از فلزات و قطعات الکترونیکی، یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب است و در 60 درصد پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان می‌شود. کاتالیست‌های شیمیایی نسبت به کاتالیست‌های زیستی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیت‌های کاتالیست‌های پالادیم برای تجزیه TCE این است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل می‌کند. در حالی که کاتالیست‌های رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیل‌کلراید تبدیل می‌کنند.

تولید سوخت پاک برای خودروبه کمک فناوری نانو

آلودگی محیط زیست، خصوصاً آلودگی هوا یکی از بزرگ ترین مشکلات پیش روی بشر در آینده خواهد بود. زندگی شهرنشینی و در کنار آن لزوم به کارگیری ابزارهای جدید و فناوری های ایجاد شده توسط انسان، خصوصاً استفاده روزافزون از وسایل نقلیه در بخش حمل و نقل، عامل اساسی در آلودگی هوا بوده است. امروزه میلیون ها نفر به خودروها به عنوان اولین ابزار در دسترس برای حمل و نقل وابسته هستند. متاسفانه، اکثر این خودروها از سوخت های فسیلی استفاده می کنند. با مصرف بنزین در موتورهای احتراق داخلی، مونواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن ها و دی اکسیدکربن تولید می شود. این مواد شیمیایی موجب آلودگی هوا، باران اسیدی و تجمع گازهای گلخانه ای در اتمسفر و همچنین موجب تخریب لایه ازن می گردند. در سال های گذشته، فعالیت های بسیار وسیعی در سطح بین المللی به عمل آمده است تا ضمن دستیابی به فناوری های جدید در بخش حمل و نقل، نیروی محرکه خودروها نیز به حداقل آلایندگی محیط زیستی برسند. در مورد خودروهای متداول فعلی، می توان به اصلاح ساختار موتورهای احتراق داخلی، کاهش مصرف سوخت، افزایش بازده، تنوع سوخت های مصرفی در جهت استفاده از سوخت هایی با آلایندگی کمتر اشاره کرد.

آن چنان که پیش می رود پیل های سوختی آینده محرک های خودرو را شکل می دهند. این مولدها بازدهی بالایی دارند و از هیدروژن مایع که پر انرژی ترین سوخت به ازای هر کیلوگرم است، استفاده می کند. پیل های سوختی، باتری ها و سلول های خورشیدی مولدهای برق بدون آلایندگی هستند. در این مولدهای برق به جای دود از اگزوز خودرو آب گرم بیرون می آید. مهم ترین مسئله در انتخاب پیل های سوختی ظرفیت تولید انرژی بیشتر، ایمنی و سلامت بیشتر، سوخت های متنوع و خط مشی موفق تر در جهت از بین بردن گازهای گلخانه ای می باشند. هیدروژن به عنوان سوخت سالم یکی از منابع انرژی با بازدهی عالی و مقرون به صرفه می باشد. ابزاری مناسب و ایمن جهت ذخیره هیدروژن می تواند کاربرد این سوخت تمیز و پاک را افزایش دهد.درواقع ارزش سوختی بالا وفقدان آلاینده های زیست محیطی ،هیدروژن را به سوختی جذاب تبدیل کرده است.  لذا روش های جدیدتولید هیدروژن پاک درحال گسترش هستند.نانو کاتالیست ها در انواع فرایندهای تولید هیدروژن یک عنصرکلیدی می باشند.با کمک ویژگی های نانومتری کاتالیست ها ،می توان میزان فعالیت ،قابلیت انتخاب وعمرکاتالیست ها را کنترل کرد.استفاده از نانو کاتالیست ها پتانسیل خوبی برای کاهش هزینه ها در بر دارد.همچنین نانوذرات ،سایت های کاتالیستی درسیستم ذخیره سازی هیدریدراافزایش می دهدوسرعت جذب ودفع ودما وفشار ذخیره سازی هیدروژن را بهبود می بخشد.

فناوری نانو، مانند هر فناوری نوین دیگری، می تواند تغییرات شگرفی در زندگی بشر به وجود آورد؛ از جمله‌ در محیط زیست او.

     همان طورکه می دانیم برای کنترل دقیق آلاینده ها ابتدا باید به سراغ منابع آنها برویم، لذا شناسایی منشاء آلودگی بسیار مهم است. به کمک فناوری نانو تغییرات آلودگی به صورت موضعی قابل بررسی خواهد بود. معمولا وقتی متوجه می شویم چه ضرری به محیط زده ایم که خیلی دیر شده است. فناوری نانو بر اساس تحلیل نقطه ای و حسگرهای پیشرفته ابزاری برای دستیابی به داده های سریعتر فراهم می کند.

      فناوری نانو این امکان را ایجاد کرده است که مواد طوری مصرف شوند که به طور موثری ورود آلاینده های ناشی از فعالیت های انسانی به محیط زیست را کم کنند. حرکت با برنامه به سمت برخی صنایع منجر به کاهش آسیب به طبیعت خواهد شد. این کار به کمک فناوری نانو امکان پذیر است.

نانوذرات 

     ذرات نانو در همه سوی ما در طبیعت وجود دارند: از نانو ذرات معدنی در آب گرفته تا نانو ذرات معلق در هوا که از طریق آتش و احتراق به دست می آیند. با این همه منشاء خیلی از آن ها بشری است.

     حدود 60% از ذرات نانو در محیط به علت حمل و نقل جاده ای است و 27% دیگر ناشی از سایر فرآینده های احتراقی (مثل فعالیت نیروگاه ها) می باشد. ذرات نانویی معلق در هوا بیشترین تأثیر را روی سلامت انسان دارند.     مشخص شده است که افزایش میزان ذرات بسیار ریز در هوا که قطر کمتر از 10 میکرومتر دارند (یادآور می شویم که هر میکرومتر معادل 1000 نانومتر است)، می تواند به افزایش بیماری های قلبی و تنفس نسبت داده شود و شواهد روبه رشد حاکی از آن است که نانو ذرات در این محدوده می توانند به شش ها نفوذ کنند و التهاب ایجاد کنند و می توانند در سایر اندام های بدن بخش شوند.

برای کنترل نانوذرات به دو چیز احتیاج داریم: کاهش یا جلوگیری از آزاد شدن نانو ذرات حاصل از احتراق و شناسایی دقیق آلاینده های محیط زیست کاهش نانوذرات می تواند با بهره گیری از فیلترهایی با منافذ نانومتری برای فرآیندهای احتراق دست یافتنی باشد. برای مثال ذرات نانومتری اکسید سریوم راندمان موتورهای دیزلی را افزایش و مقدار آلودگی ها را کاهش می دهند. شناسایی آلاینده ها نیز با شماری از روش های تحلیلی که قبلاً وجود داشته و هنوز هم به کار می روند و دانشمندان نانو در حال توسعه بیشتر آنها هستند، قابل حصول است. این روش های اندازه ذرات، شکل و واکنش پذیری شیمیایی آن ها(تمام جنبه هایی که فعالیت نانوذرات را نشان می دهد) را می سنجند.

نانوفیلترها

     آب محور اصلی زندگی تمام موجودات است. اما در اثر دخالت انسان در محیط زیست، آلودگی های بشری وارد آب های آزاد شده و بشر مجبور است جهت استفاده از این منابع از خلوص آن ها مطمئن گردد. افزایش بازدهی سیسستم های تصفیه آب به کارگیری ابزاری که به سرعت آب یا هوای آلوده را به آب خالص تبدیل کند، مهم ترین موضوعات روز فناوری نانو هستند. می توان گفت یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرایند نانوفیلتراسیون معمولا مولکول های بزرگ را دفع می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرایند قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفت کش ها، آلاینده هایی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرایند نانوفیلتراسیون از هیچ ماده شیمیایی برای سختی گیری آب استفاده نمی شود، بنابراین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیایی معمول است.

    نانوفیلترهایی که جهت تصفیه آب یا هوا استفاده می شوند، می توانند علاوه بر جدا سازی مواد باکتریایی و ویروسی، آنها را در پشت دیواره فیلتری کاملاً نابود کنند. از چنین قابلیتی درنانو فیلترهای هوا نیز استفاده شده است که دقیقاً همین کار را انجام می دهند. این فیلترها از انرژی سطحی بالای نانوذراتی مانند روی و نقره که روی فیلتر پوشش داده شده اند، استفاده کرده و با برخورد هر ساختار زنده آن را از بین می برند. یکی از مهم ترین ابزار پیشگیری از بیماری ها، غیر از فراهم کردن سطوح ضدعفونی شده دوری از قرار گرفتن در معرض میکروب های بیماری زا است. این امر می تواند به صورت تصفیه هوا با مایعاتی باشد که بیمار در طول دوره درمان در معرض آن ها قرار می گیرد. خیلی از ویروس ها به خاطر این  که کوچک تر از منافذ فیلترها هستند، می توانند از فیلترها عبور کنند. در نتیجه این فیلترها بدون استفاده خواهند ماند. نانوفیلترها که منافذی با ابعاد نانویی دارند ، کوچک ترین ویروس ها را هم از خود عبور نمی دهد. به کار بردن مواد فعالی مثل نانوذرات نقره یا دی اکسید تیتانیوم و منابع نور ماوراء بنفش می تواند این اثر را با از بین بردن ویروس ها، باکترهای ها و قارچ های به دام افتاده افزایش دهد. این قبیل سیستم ها قبلاً در مبارزه علیه سارس، جهت جلوگیری از انتشار ویروس از بیماران مبتلا به پرسنل پزشکی به کار گرفته شده اند. هر چه ابعاد حفرات فیلتر کوچک تر و تخلخل آن بیشتر باشد فیلتر توانایی بیشتری در جداسازی ذرات خواهد داشت. 

برخی از کاربردهای فرآیند نانوفیلتراسیون در به‌سازی محیط زیست می‌توان اشاره کرد:

* تصفیه‌ی پساب‌ رختشوی‌خانه‌ها

* تصفیه‌ی پساب‌های اسیدی واحدهای صنعتی

* رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

* تصفیه‌ی پساب‌ واحد تولید روغن زیتون

* تصفیه‌ی آب پنیر

* جداسازی روغن از آب

* خالص‌سازی الکل‌های سبک

* رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

     انسان‌ها برای سلامتی خود احتیاج به آشامیدن آب سالم دارند. آب سالم آبی است که نه بو داشته باشد و نه مزه و باید زلال هم باشد.رنگ موجود در آب آشامیدنی نه‌تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشأ تولید تری ‌هالو متان ( مانند CHCl3) نیز باشند، خطرناک محسوب می‌شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنة مضر و سرطان‌زا می‌شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور در اثر تجزیة مواد آلیِ موجود در آب حاصل می‌شوند. اغلب روش‌های متداول برای تصفیة آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می‌توان تا 99 درصد این‌گونه مواد را به‌سهولت از آب جدا کرد‌.

خالص‌سازی الکل‌های سبک با استفاده از نانوفیلترها

     الکل‌‌هایی مانند اتانول و متانول به عنوان حلال یا مادة پاک‌کننده به‌وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‌های مختلف را به خود جذب می‌کنند. با توجه به اینکه دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیان‌باری بر محیط زیست دارد، باید برای استفادة مجدد تصفیه شوند. روش‌های متداول از قبیل تقطیر، ضمن آلوده کردن محیط زیست، انرژی زیادی را تلف می‌کنند. استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت از محیط زیست و صرفه‌جویی در مصرف انرژی است.