به گزارش خبرگزاری آنا؛ آلودگی منابع آبی در مناطق صنعتی به یکی از چالشهای جدی زیستمحیطی در جهان امروز تبدیل شده است. رودخانههایی که زمانی زلال و سرشار از حیات بودند، اکنون در بسیاری از مناطق در معرض ورود انواع آلایندههای صنعتی قرار دارند.
عبور پساب کارخانهها، روغنها و مواد شیمیایی از کنار این منابع آبی سبب شده سطح آب در برخی نقاط با لایههایی از چربی و آلودگی پوشیده شود. در چنین شرایطی، بازگرداندن کیفیت آب به وضعیت طبیعی به یکی از دغدغههای مهم پژوهشگران تبدیل شده است؛ دغدغهای که پاسخ آن در یکی از پیشرفتهترین فناوریهای حوزه تصفیه آب، یعنی فناوری غشاهای نانویی، جستوجو میشود.
غشاهای نانویی؛ صافیهایی در مقیاس یک میلیاردیم متر
غشاها در نگاه نخست ساختاری ساده دارند و عملکرد آنها را میتوان به یک صافی بسیار دقیق تشبیه کرد؛ صافیای که برخی مواد را عبور میدهد و برخی دیگر را نگه میدارد. اما زمانی که این ساختار به مقیاس نانو میرسد، ابعاد منافذ آن به قدری کوچک میشود که حتی بسیاری از مولکولهای بسیار ریز نیز امکان عبور از آن را ندارند.
در مقیاس نانو، ذرات در حد یک میلیاردیم متر اندازه دارند و همین مقیاس فوقالعاده کوچک، امکان جداسازی بسیار دقیق مواد مختلف از آب را فراهم میکند. غشاهای نانویی در واقع لایههایی بسیار نازک و متخلخل هستند که با دقتی بالا مولکولهای آب را از میان خود عبور میدهند و در عین حال مانع عبور آلایندهها میشوند.
در فناوریهای غشایی، بسته به اندازه منافذ و نوع ساختار غشا، چند فرایند اصلی برای جداسازی مواد از آب مورد استفاده قرار میگیرد. نخستین مرحله، میکروفیلتراسیون است که برای حذف ذرات نسبتاً درشت مانند گلولای، باکتریها و قطرات بزرگ روغن به کار میرود.
در مرحله بعد، اولترافیلتراسیون قرار دارد که قادر است مولکولهای کوچکتر مانند پروتئینها، رنگدانهها و برخی ترکیبات آلی محلول را جدا کند. گام پیشرفتهتر این فناوری، نانوفیلتراسیون است که برای حذف یونها و مولکولهای بسیار کوچک، از جمله نمکهای چندظرفیتی، مورد استفاده قرار میگیرد.
در نهایت، پیشرفتهترین مرحله یعنی اسمز معکوس قرار دارد که حتی قادر است یونهای تکظرفیتی مانند نمک خوراکی را نیز با راندمانی بیش از ۹۹ درصد از آب جدا کند. به بیان ساده، هرچه منافذ غشا کوچکتر باشد، توانایی آن برای جداسازی ذرات ریزتر بیشتر خواهد بود. به همین دلیل غشاها در عمل مانند یک سد بسیار دقیق عمل میکنند که آلایندهها را پشت خود نگه میدارد و آب پاک را عبور میدهد.
نقش نانوغشاها در حذف آلودگیهای روغنی و صنعتی
یکی از مهمترین کاربردهای این فناوری در مقابله با فاضلابهای روغنی است؛ نوعی آلودگی که بهویژه در مناطق صنعتی بسیار رایج است. روغنها از منابع مختلفی مانند کارخانهها، پالایشگاهها، کارگاههای صنعتی، آشپزخانههای بزرگ و حتی خودروها وارد منابع آبی میشوند.
این روغنها گاهی با ذرات معلق موجود در آب ترکیب شده و به صورت امولسیونهای بسیار ریز در آب باقی میمانند. در چنین حالتی، قطرات روغن آنقدر کوچک هستند که با چشم دیده نمیشوند و با روشهای سادهای مانند تهنشینی نیز از آب جدا نمیشوند.
در گذشته برای حذف این نوع آلودگیها بیشتر از روشهای شیمیایی استفاده میشد. در این روشها مواد شیمیایی خاصی به آب اضافه میشد تا روغنها به یکدیگر بچسبند و به شکل ذرات بزرگتر تهنشین شوند. اما این روشها همیشه کارآمد نبودند و در برخی موارد حتی خود باعث ایجاد آلودگیهای ثانویه در محیط زیست میشدند.
در مقابل، غشاهای نانویی به دلیل ساختار بسیار دقیق خود میتوانند امولسیونهای روغن و آب را به شکل مؤثری از یکدیگر جدا کنند. نتایج پژوهشها نشان داده است که برخی از غشاهای اولترافیلتراسیون قادرند تا حدود ۹۵ درصد از روغنها و نزدیک به ۹۰ درصد از ترکیبات شیمیایی و فلزات سنگین را از فاضلاب حذف کنند؛ آن هم بدون نیاز به افزودن مواد شیمیایی و با مصرف انرژی کمتر نسبت به روشهای سنتی.
چالش گرفتگی غشا و راهکارهای نانویی برای رفع آن
با این حال، فناوری غشاها نیز با چالشهایی روبهرو است. یکی از مهمترین مشکلات در این سیستمها، پدیدهای به نام «گرفتگی غشا» است. در این حالت، ذرات آلاینده به مرور زمان روی سطح غشا تجمع پیدا میکنند و مسیر عبور آب را مسدود میسازند. در نتیجه جریان آب کاهش مییابد و کارایی سیستم افت میکند. در چنین شرایطی لازم است سیستم متوقف شود تا غشا تمیز یا تعویض شود؛ فرآیندی که میتواند هزینههای بهرهبرداری را افزایش دهد.
برای مقابله با این مشکل، پژوهشگران از فناوری نانو برای اصلاح سطح غشاها استفاده کردهاند. یکی از راهکارهای رایج، پوشاندن سطح غشا با نانوذراتی مانند دیاکسید تیتانیوم یا سیلیکا است. این مواد میتوانند خاصیت آبدوستی یا چربیگریزی به سطح غشا بدهند.
در نتیجه روغنها و سایر آلایندهها کمتر به سطح غشا میچسبند و احتمال گرفتگی کاهش مییابد. حتی در برخی طراحیهای پیشرفته، غشاهایی توسعه یافتهاند که با تابش نور فرابنفش قادرند آلودگیهای سطح خود را تجزیه کنند. این غشاهای موسوم به «خودتمیزشونده» میتوانند بدون نیاز به توقف سیستم، بخشی از آلودگیهای خود را پاکسازی کنند و طول عمر بیشتری داشته باشند.
از آب شور دریا تا آب شیرین؛ مأموریت نانوغشاها در تأمین آب آینده
کاربرد مهم دیگر غشاهای نانویی در حوزه نمکزدایی آب دریا است. در بسیاری از مناطق خشک و کمآب جهان، دسترسی به منابع آب شیرین محدود است، در حالی که حجم عظیمی از آب شور دریاها در دسترس قرار دارد. تبدیل این آب شور به آب قابل استفاده سالهاست که مورد توجه دانشمندان قرار گرفته و فناوری نمکزدایی به تدریج به یکی از راهکارهای اصلی تأمین آب در این مناطق تبدیل شده است.
در میان روشهای مختلف نمکزدایی، یکی از مؤثرترین آنها روش اسمز معکوس است. در این فرایند، آب شور با فشار زیاد از یک غشای نیمهتراوا عبور داده میشود. این غشا مانند یک دروازه بسیار دقیق عمل میکند؛ به گونهای که تنها مولکولهای آب میتوانند از آن عبور کنند، در حالی که یونهای نمک، فلزات سنگین و سایر ناخالصیها پشت آن باقی میمانند. نتیجه این فرایند، آبی تقریباً خالص است که میتواند برای مصارف مختلف شهری، صنعتی یا حتی آشامیدنی مورد استفاده قرار گیرد.
با وجود کارایی بالای این روش، سیستمهای اسمز معکوس نیز با مشکلاتی مواجه هستند. فشار بالای مورد نیاز برای عبور آب از غشا، رسوبگذاری نمکها روی سطح غشا و تجمع آلایندهها از جمله چالشهایی هستند که میتوانند عملکرد این سیستمها را کاهش دهند. در اینجاست که نانوغشاها نقش مهمی پیدا میکنند.
ساختارهای نانویی پیشرفته میتوانند نفوذپذیری آب را افزایش داده و در عین حال مقاومت غشا در برابر گرفتگی را بیشتر کنند. این ویژگیها سبب میشود سیستمهای نمکزدایی با مصرف انرژی کمتر و طول عمر بیشتر کار کنند.
در سالهای اخیر پژوهشگران در حال بررسی استفاده از مواد پیشرفتهای مانند گرافن در ساخت غشاهای جدید هستند. گرافن مادهای بسیار نازک و در عین حال فوقالعاده مقاوم است که میتواند امکان عبور سریعتر مولکولهای آب را فراهم کند، در حالی که یونها و آلایندهها را بهطور مؤثر متوقف میکند.
چنین فناوریهایی میتواند در آینده هزینه نمکزدایی آب دریا را کاهش داده و امکان تأمین آب شیرین برای جمعیتهای بیشتری را فراهم سازد. این فناوری همچنین میتواند در تصفیه آبهای شور داخلی، بازچرخانی پسابهای صنعتی و حتی تأمین آب در شرایط بحرانی مانند خشکسالی یا حوادث طبیعی کاربرد داشته باشد.
کاربرد غشاهای پیشرفته در صنعت نفت و گاز
علاوه بر حوزه آب و فاضلاب، فناوری غشاها در صنایع نفت و گاز نیز اهمیت زیادی پیدا کرده است. برخلاف تصور عمومی، بخش قابل توجهی از مایعی که از چاههای نفت استخراج میشود، نفت نیست بلکه آب است. در بسیاری از میدانهای نفتی، برای تولید هر بشکه نفت خام حدود ده بشکه آب آلوده نیز استخراج میشود.
این آب معمولاً حاوی نمکهای فراوان، ترکیبات هیدروکربنی، فلزات سنگین و مواد شیمیایی مختلف است. اگر این حجم عظیم آب بدون تصفیه به محیط زیست وارد شود، میتواند خسارتهای جدی و گستردهای ایجاد کند.
از سوی دیگر، فرایندهای سنتی پالایش نفت نیز بسیار انرژیبر هستند. به عنوان نمونه، سامانههای تقطیر حرارتی که برای جداسازی اجزای مختلف نفت استفاده میشوند، سهم قابل توجهی از مصرف انرژی جهانی را به خود اختصاص دادهاند. در چنین شرایطی، استفاده از فناوری غشا میتواند راهکاری کارآمد برای کاهش مصرف انرژی و بهبود مدیریت آب در این صنعت باشد.
غشاهای پیشرفته قادرند فاضلابهای نفتی را تصفیه کرده و امکان بازیافت و استفاده مجدد از آب را فراهم کنند. همچنین پژوهشهای جدید نشان میدهد استفاده از پلیمرهای نوین در ساخت غشاها میتواند جداسازی مخلوطهای پیچیده هیدروکربنی را با فشار کمتر و مصرف انرژی پایینتر نسبت به روشهای سنتی ممکن سازد. چنین پیشرفتهایی در صورت توسعه صنعتی میتواند به کاهش مصرف انرژی در پالایشگاهها و همچنین کاهش انتشار گازهای گلخانهای کمک کند.
نقش پژوهشگران در توسعه فناوری غشاهای پلیمری
در میان پژوهشگران فعال در این حوزه، احمد فوزی اسماعیل، استاد دانشگاه فناوری مالزی و یکی از برگزیدگان جایزه مصطفی (ص)، از جمله چهرههای شناختهشده در توسعه فناوری غشاهای پلیمری به شمار میرود.
تحقیقات او بر بهینهسازی خواص سطحی غشاها و طراحی نانوساختارهایی متمرکز بوده که مقاومت بیشتری در برابر گرفتگی دارند. نتایج پژوهشهای او نشان میدهد که با اصلاح ساختار پلیمرها میتوان غشاهایی تولید کرد که علاوه بر کارایی بالا در تصفیه آبهای صنعتی و شور، از نظر اقتصادی نیز برای استفاده در مقیاس صنعتی مقرونبهصرفه باشند.
امروزه پیشرفتهای حاصل در حوزه نانوغشاها نشان میدهد که این فناوری میتواند نقش مهمی در آینده مدیریت منابع آب ایفا کند. هرچند چالشهایی مانند هزینه تولید، دوام طولانیمدت و مسئله گرفتگی غشا همچنان مورد توجه پژوهشگران قرار دارد، اما ظرفیت بالای این فناوری امیدهای تازهای برای تأمین آب پاک ایجاد کرده است.
در واقع، آنچه زمانی تنها یک رودخانه آلوده به نظر میرسید، امروز میتواند با کمک دانش و نوآوری به جریانی دوباره زلال تبدیل شود؛ جریانی که نشان میدهد فناوریهای نوین قادرند حتی از دل آلودهترین فاضلابها و شورترین آبهای دریا نیز آب قابل استفاده استخراج کنند.
انتهای پیام/