پساب های صنعتی از معضلات بزرگی هستند که صنایع مختلف با آنها دست و پنجه نرم می کنند. با توجه به اینکه مواد اولیه مصرفی در صنعت همگی دارای رنگدانه ها و عناصر سنگین (سرب، نیکل، کادمیوم و…) می باشند از این رو پساب های صنعتی نیز مملو از آلایندگی های سمی و مضر است.
این موضوع باعث شده است تا سازمان محیط زیست همواره حساسیت زیادی روی تصفیه پساب ها داشته و تمرکز خود را روی صنایع دارنده پساب بیش از پیش افزایش دهد. با وجود بحران آب در کشور و نیز اهمیت زیاد حفظ محیط زیست طی سال های اخیر، صنایع مختلف موظف اند پساب های خود را تصفیه نموده و مجددا مورد مصرف قرار دهند تا علاوه بر حفظ محیط زیست از هدر رفت منابع آب جلوگیری گردد. بکارگیری نانو تکنولوژی در تصفیه پساب های صنعتی یکی از راهکار های نوین جهت افزایش بازدهی فرآیند تصفیه و دستیابی به آبی با حداقل میزان آلایندگی می باشد.
در این مقاله به بررسی نقش حیاتی نانو اکسید روی در فرآیند تصفیه پساب ها می پردازیم با ما همراه باشید.
اهمیت تصفیه پساب های صنعتی
آب یکی از اجزای حیاتی در فرآیند تولید صنایع می باشد و پیشرفت روز افزون صنایع منجر به افزایش آلایندگی آب و تولید پساب های صنعتی مضر شده است. پساب های صنعتی غالبا حاوی عناصر سنگین (سرب، نیکل، جیوه، کادمیوم، آرسنیک و…) و رنگدانه ها (آلی و معدنی) بوده که دو عامل اصلی آلودگی آب هستند.
در ابتدا، پساب های صنعتی در محیط زیست رها می شدند که این امر منجر به توزیع عناصر سنگین و آلایندگی های سمی در محیط زیست شده و متعاقبا وارد چرخه زیستی و غذایی می گردند. از این رو، سازمان محیط زیست صنایع را موظف به تصفیه پساب های صنعتی خود دانسته و همواره کنترل زیادی بر درستی فرآیند های تصفیه آنها دارد. نکته مهم این است که تصفیه پساب های صنعتی علاوه بر جلوگیری از آلودگی محیط زیست به کاهش مصرف آب در صنایع کمک کرده و کاهش هزینه تولید را به همراه دارد. اهمیت تصفیه پساب های صنعتی باعث شد تا روش های مختلفی برای تصفیه سازی توسعه داده شده و ارائه گردند نظیر:
رسوب دهی (Precipitation)،
فیلتراسیون (Filtration)،
اُسمُز معکوس (Reverse Osmosis)،
تبادل یونی (Ion Exchange) و غیره.
اما این روش های رایج و سنتی از معایبی نظیر بازدهی پایین، مصرف انرژی بالا و تولید لجن زیاد برخوردار می باشند. وجود چنین معایبی باعث شده است تا این روش ها قابلیت تصفیه کامل پساب های صنعتی را نداشته باشند و نیاز به توسعه روش هایی بهتر با بازدهی بالاتر بیش از پیش مطرح گردد.
توسعه فرآیند های نوین تصفیه با تکنولوژی نانو
ظهور فناوری نانو باعث شد تا جهشی بزرگ در فرآیند ها و تکنیک های مختلف موجود در صنایع ایجاد شود و فرآیند های تصفیه سازی نیز از این قاعده مستثنی نبودند. فناوری نانو کمک کرد تا روش های تصفیه سازی شناخته شده ای که در ابتدا و مطلوب نبودند بهینه سازی شده و به تکنیک هایی نوین بدل شوند.
دو فرآیند فوتوکاتالیست (Photocatalyst) و جذب (Adsorption) از جمله تکنیک هایی هستند که با استفاده از تکنولوژی نانو برای تصفیه پساب های صنعتی با بازدهی بالا و هزینه کم بهینه سازی شده و توسعه یافتند. به عنوان مثال، در سال 1972 محققی به نام فوجیشیما (Fujishima) آزمایشی انجام داد که هدف آن دستیابی به هیدروژن با تجزیه آب بصورت فوتوکاتالیسیتی بود و برای این کار از اکسید تیتانیوم (میکرومتری) به عنوان کاتالیست استفاده نمود. نتایج آزمایشات فوجیشیما نشان دادند که روش فوتوکاتالیست می تواند بعنوان روشی با بازدهی بالا، فرآیند کوتاه مدت و عاری از ایجاد آلودگی های ثانویه برای تصفیه پساب های صنعتی نیز توسعه یابد. محققین به این نتیجه رسیدند که می توان بجای استفاده از کاتالیست های میکرومتری، نانو ذرات کاتالیستی را در این فرآیند بکار برده و از آن برای حذف آلایندگی های غیر معدنی با بازدهی بالا استفاده نمود. در مقاله ای که قبلا منتشر کردیم فرآیند فوتوکاتالیست و مکانیزم آن شرح داده شده است
روش جذب، دیگر تکنیکی است که برای حذف فلزات سنگین از پساب های صنعتی مطرح شده بود. در ابتدا، از کربن فعال (Activated Carbon) به عنوان جاذب در این روش استفاده گردید و علی رغم بازدهی مطلوبی که این روش از خود نشان داد هزینه بالای مربوط به تهیه کربن اکتیو از ترویج این روش در صنعت جلوگیری نمود. با پیشرفت فناوری نانو مشخص شد که می توان نانو ذرات با ویژگی های مشابه با کربن فعال را به بعنوان ماده جاذب در این فرآیند جایگزین کرده و هزینه آن را به شکل قابل توجهی کاهش داد. در نتیجه، روش جذب با استفاده از نانو جاذب ها مجددا توسعه داده شد و بعنوان روشی بهینه در تصفیه پساب ها از فلزات سنگین با بازدهی بالا مطرح گردید.
نانو اکسید روی در تصفیه پساب ها
نانو ذرات اکسید روی به دلیل برخورداری از سطح ویژه بالا، خواص نوری منحصر بفرد و قیمت پایین (نسبت به نانو ذرات اکسید تیاتنیوم) به جاذب و کاتالیستی ایده آل با بازدهی بالا برای تصفیه پساب های صنعتی تبدیل شده است.
علت بازدهی بالای نانو اکسید روی در این است که این نانو ذرات بخاطر ویژگی های مطلوبی که دارند می توانند همزمان از طریق دو فرآیند فوتوکاتالیست و جذب وارد عمل شده و اقدام به حذف عناصر سنگین و آلایندگی های آلی (رنگدانه های غیر معدنی، فنول و…) از پساب های صنعتی نمایند.
نانو اکسید روی جاذب قوی امواج فرابنفش است. از دیدگاه فوتوکاتالیستی، زمانیکه این ماده در پساب تزریق شده و در معرض تابش نور خورشید (یا امواجUV ) قرار می گیرد، امواج فرابنفش نور خورشید را جذب کرده که این امر منجر به تهییج الکترون های نوار ظرفیت و انتقال آنها به نوار هدایت در اکسید روی می گردد. در نتیجه این فرآیند، الکترون های تهییج شده از سطح نانو ذرات اکسید روی آزاد می گردند. در ادامه، الکترون های آزاد شده با مولکول های آب اندرکنش داشته و منجر به تشکیل ترکیبات واکنش پذیر قوی بر پایه عنصر اکسیژن و یا ROS ها می شوند. این ترکیبات واکنش پذیر قوی به مولکول های آلاینده های آلی حمله کرده و در اثر آن تجزیه این مولکول ها به ترکیبات غیر سمی اتفاق می افتد.
بدین ترتیب آلاینده های غیر معدنی موجود در پساب های صنعتی به کمک نانو اکسید روی و طی فرآیند فوتوکاتالیست حذف گردیده و پساب تصفیه می گردد. از طرف دیگر، سطح ویژه بالای نانو اکسید روی (وجود سایت های فعال – Active Sites در سطح نانو ذرات) و حضور نانو حفرات در سطح ذرات آن باعث شده است تا جذب فلزات سنگین به دو صورت شیمیایی و فیزیکی توسط این نانو ماده صورت پذیرد.
وقتی نانو اکسید روی در پساب قرار داده می شود، کاتیون های فلزات سنگین درون حفرات سطحی نانو ذرات محبوس شده (جذب فیزیکی) و از پساب حذف می شوند. وجود سایت های فعال در سطح نانو ذرات اکسید روی کمک به جذب شیمیایی کاتیون های فلزات سنگین در سطح ذرات کرده و جداسازی عناصر سنگین از پساب های صنعتی صورت می پذیرد.
تابحال مطالعات زیادی روی تصفیه پساب ها به کمک نانو ذرات اکسید روی انجام شده است. نتایج به دست آمده از این مطالعات نشان می دهد زمانیکه از نانو اکسید روی به مقدار 0/1 گرم در 30 میلی لیتر پساب استفاده می گردد بازدهی حذف سرب و کادمیوم از طریق فرآیند جذب (شیمیایی و فیزیکی) به ترتیب برابر با 92% و 99% می باشد. در پژوهشی دیگر که در آن نانو ذرات اکسید روی با روش هیدروترمال تولید شده بودند مشخص گردید که بازدهی نانو ذرات در حذف فلزات سنگین مس، نقره و سرب از طریق دو فرآیند فوتوکاتالیست و جذب بیش از 85% است. علاوه بر این، نانو اکسید روی بدلیل برخورداری از پایداری شیمیایی و حرارتی بالا قابلیت بازیابی و استفاده مجدد در فرآیند های تصفیه را دارا می باشد که این امر نیز به کاهش هزینه های تصفیه آب کمک می نماید.
بررسی نتایج مطالعات صورت گرفته نشان می دهد که نانو اکسید روی گزینه ای ایده آل برای تصفیه پساب های صنایع کشور می باشد که علاوه بر بازدهی بالا از هزینه پایینی نسبت به جاذب های دیگر برخوردار است. همچنین مشخص است که روش تولید نانو اکسید روی تاثیر زیادی بر عملکرد آن در حذف آلایندگی ها از پساب می گذارد و بسته به روش تولید بازدهی نانو اکسید روی در تصفیه آب متغیر است.
نانو اکسید روی تولید شده در آرمان نانو فناور رابین دارای خلوص بالا، ساختار متخلخل و سطح ویژه بالا می باشد و چنین ویژگی هایی نه تنها عملکرد آن را در تصفیه پساب های صنعتی تقویت می نماید بلکه مقدار مصرف آن در فرآیند تصفیه را نسبت به نمونه های مشابه کاهش می دهد.
منابع:
