الرئيسية / Domestic Wastewater Treatment / تطبيقات تقنية النانوتكنولوجي في معالجة مياه الصرف الصحي

تطبيقات تقنية النانوتكنولوجي في معالجة مياه الصرف الصحي

مقدمة

يعد تلوث المياه أصعب التحديات البيئية التي تواجه المجتمع. لذلك ، يجب اعتبار الملوثات من مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف الصناعية تهديدًا للبيئة. ولذلك يعتبر تميّز الجوانب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للمياه الخام والمياه المعالجة أهمية حاسمة لضمان أنها آمنة للتخلص منها في البيئة المائية أو الصحراوية.

ويتسبب وصول الملوثات للمياه الجوفية من مياه المجاري أو المياه الصناعية في مشاكل صحية خطيرة ، لأن المياه الجوفية يمكن أن يستخدمها البشر لأغراض الشرب ولأغراض أخرى في بعض المناطق. ومن المرجح أن تكون المعادن الثقيلة هي المشكلة المائية الأكثر شيوعًا التي يواجهها المستهلكون. تسبب المعادن الثقيلة (مثل الزرنيخ والزنك والحديد والمنجنيز والألمنيوم والكادميوم والرصاص وما إلى ذلك) العديد من المشاكل الصحية إذا وجدت في مياه الشرب بتركيزات أعلى من المسموح به.

تقنية النانو

ظهرت تقنية النانو لأول مرة منذ ملايين السنين حيث بدأت الجزيئات بالترتيب في أشكال وهياكل معقدة أطلقت الحياة على الأرض. ومن الجدير بالذكر أن المواد في المقياس النانوي لها خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية مختلفة عن خصائص الحجم الطبيعي.ويمكن تعريف المواد النانوية كمواد أصغر من 100 نانومتر في بعد واحد على الأقل. في هذا المقياس ، تحتوي المواد بشكل منتظم على خصائص جديدة تعتمد على الحجم تختلف عن نطاقها الكبير.

خواص المواد النانومترية

استخدام تقنية النانو في  معالجة المواقع الملوثة أثبت جدارة ، وتوفير الوقت وتقليل تركيز الملوثات إلى الحد الأدنى من المستويات المسموحة. تشير التطورات في العلوم النانوية إلى أن العديد من المشاكل الحالية المتعلقة بجودة المياه يمكن حلها أو تجنبها باستخدام مواد متناهية الصغر ، مثل المواد الممتزات النانوية ، أو الجسيمات النانوية النشطة بيولوجيًا ، أو الأغشية الحفزية النانومترية ، أو مساحيق النانو ، أو الأنابيب النانوية ، أو الجسيمات النانوية المغناطيسية ، أو أجهزة الاستشعار النانوية. المواد النانوية هي الجهات الرئيسية التي تعد بالكثير من المزايا من خلال تطبيقاتها النانوية في مجالات متعددة. وقد استخدمت المواد النانوية في العديد من التطبيقات البيئية مثل معالجة المياه الملوثة للشرب والزراعة والتطبيقات الحديثة أكثر من الوسائل التقليدية. وقد قدم التطور المتسارع في بحوث تكنولوجيا النانو استراتيجيات جديدة في مجال المعالجة البيئية.

بعض هذه التطبيقات تستخدم خصائص المواد النانوية التي ترتبط بمساحة سطحها العالية ، ومثل الذوبان السريع ، التفاعل العالي ، والامتصاص القوي. ويستفيد آخرون من خصائصهم المتقطعة ، مثل رنين البلازمون السطحي الموضعي(SPR) ، والتأثير الكمي. معظم التطبيقات التي نوقشت في هذه المقالة لا تزال في مرحلة البحث والتطوير.

جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية

جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية ، التي تسمى أيضًا ثاني أكسيد التيتانيوم المتناهية الصغر ، هي جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم  وبأقطار أقل من 100 نانومتر. وتستخدم جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم متناهية الصغر في واقيات الشمس بسبب قدرته على منع الأشعة فوق البنفسجية مع الحفاظ على شفافية البشرة ، كما أن خصائص التعقيم الضوئي لها تجعلها مفيدة للعديد من التطبيقات.

تم العثور على جزيئات نانو TiO2 مختلفة في نسبة سطح إلى حجم ، تتغير خصائصها بحيث اكتساب القدرة التحفيزية. تنشط بواسطة عنصر الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس ، فإنها تكسر السموم أو تعزيز ردود الفعل الأخرى ذات الصلة. تمت دراسة عوامل التحفيز الضوئي لأكسيد التيتانيوم على نطاق واسع من أجل تحويل الطاقة الشمسية والتطبيقات البيئية في العقود الماضية ، وذلك بسبب ثباتها الكيميائي العالي ، ونشاطها الضوئي الجيد ، وتكلفتها المنخفضة نسبياً ، وعدم السمية.

في عملية أكسدة التحفيز الضوئي ، يتم تكسير الملوثات العضوية في وجود محفزات ضوئية لأشباه الموصلات ، أو مصدر ضوء نشيط ، أو أكسدة مثل الأكسجين أو الهواء. فقط الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من طاقة الإستثارة ΔE  يمكن أن تؤدي إلى إثارة إلكترونات نطاق التكافؤ التي تحفز لاحقًا للتفاعلات المحتملة.

التحفيز الضوئي

في الآونة الأخيرة ، استخدمت عمليات الأكسدة المتقدمة  (AOPs) باستخدام (TiO2) بنجاح لإزالة الملوثات السامة من مياه الصرف الصناعي. يحتوي TiO2 على ميزات فريدة تجعله حفاز ضوئي مميزللأسباب التالية :

  1. تفاعلية ضوئية عالية.
  2. النشاط التحفيزي العالي.
  3. منخفض التكلفة.
  4. الاستقرار في النظم المائية.
  5. سمية بيئية منخفضة.

آلية ازالة  الأصباغ عند استخدام التحفيز الضوئي كما يلي:

أكسدة التحفيز الضوئي (AOP) للقضاء على الملوثات والجراثيم المسببة للأمراض هي عبارة عن معالجة مسبقة للملوثات الخطرة وغير القابلة للتحلل البيولوجي لتحسين قدرتها على التحلل البيولوجي. يمكن أيضًا استخدام التحفيز الضوئي كخطوة تمهيدية لمعالجة المركبات العضوية. الحاجز الرئيسي لتطبيقه على نطاق واسع هو الحركية البطيئة ، وذلك بسبب محدودية انسيابية الضوء والنشاط التحفيزي.

جسيمات الذهب النانوية

يمكن أن يؤدي تعديل سطح جزيئات الذهب مع الأنواع الكيميائية المناسبة إلى تحسين كفاءة الفصل ، والانتقائية التحليلية ؛مما جعل الجسيمات  الذهب النانوية (AuNPs) ، تعتبر واحدة من الاختيارات الواسعة للموارد الأساسية المتاحة ، مقترنة بخصائص سطح قابلة للانضغاط في شكل غير عضوي أو ملغمات “عضوية-غير عضوية “، وقد وصفت بأنها ممتازة لمجموعة واسعة من التطبيقات البيئية وذلك بسبب:

  1. ارتفاع نسبة السطح / الحجم.
  2. سهولة تطوير السطح.
  3. طرق تحضير بسيطة.

تم استخدام جسيمات  الذهب النانوية بنجاح في:

  1. إزالة الببتيدات.
  2. إزالة البروتينات.
  3. إزالة أيونات المعادن الثقيلة.
  4. إزالة الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات

جسيمات الحديد النانوية صفرية التكافؤ

تم استخدام الحديد العنصري في تقنيات معالجة مختلفة للأسباب التالية:

  1. منخفضة التكلفة،
  2. سهلة التحضير والتطبيق.
  3. لاتوجد سمية للأنظمة المائية.

تعتمد فكرة استخدام المعادن مثل الحديد كتقنية معالجة على تفاعلات الأكسدة  والأختزال، حيث يقوم مانح الإلكترون المحايد (المعدن) بتقليل مستقبِل الإلكترون (أحد الملوثات) كيميائياً. تحتوي جسيمات الحديد النانوية على مساحات سطحية أكبر من المساحيق الأكبر حجمًا ، مما يؤدي إلى تعزيز التفاعل لعملية إزالة الأكسدة.

تم فحص جسيمات الحديد النانوية على نطاق واسع للعديد من التطبيقات مثل:

  1. تحلل الهيدروكربونات المهلجنة للهيدروكربونات الحميدة.
  2. علاج المعادن الثقيلة.
  3. إزالة الكلور المذيبات

يمكن أن يحدث فقد كبير في التفاعل قبل أن تتمكن الجزيئات من الوصول إلى الملوث المستهدف. بالإضافة إلى ذلك ، تميل الجسيمات النانوية للحديد صفرية التكافؤ إلى التلبد عند إضافتها إلى الماء ، مما يؤدي إلى انخفاض في المساحة السطحية الفعالة للمعادن.ولذلك ، تعتمد فعالية المعالجة على إمكانية الوصول إلى الملوثات إلى الجسيمات النانوية ، ولن تتحقق أقصى كفاءة للعلاج إلا إذا كانت الجسيمات النانوية المعدنية يمكن أن تنتقل بفعالية دون أكسدة إلى المادة الملوثة أو السطح الملوث بالماء. وللتغلب على هذه الصعوبات ، تتمثل الإستراتيجية المستخدمة في دمج جسيمات الحديد النانوية مع مواد مثل البوليمرات ، والكربون المسامي ، والبولي إلكتروليت.

وأخيرًا ، تعتمد تقنية النانو المستخدمة في معالجة المياه والصرف الصحي على الخواص الفريدة للمواد النانوية ، كما أن تقاربها مع تقنيات المعالجة الحالية تقدم فرصًا كبيرة لإحداث ثورة في معالجة المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي. أظهرت تقنية النانو إمكانية هائلة في تقنيات معالجة المياه. وقد أدى التطور الأخير في تكنولوجيا النانو إلى زيادة إمكانية التطهير البيئي من خلال العديد من المواد النانوية.

ويمكن مناقشة تطبيق آخر من المواد النانوية في مجال معالجة المياه في مقال أخرى.

References

Abhijith, K.S., and Thakur, M.S. Analytical Methods, 2012, 4, 4250–4256

Cao, G.Z. Nanostructures and Nanomaterials, Synthesis, Properties and Application, Imperial College Press

London, 329, 2004

Chae, H.K., Perez, D.Y.S., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A.J., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. A route

to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature, 2004, 427, 523–525

Chen, L., Lou, T., Yu, C., and Kang, Q. N-1-(2-mercaptoethyl)thymine modification of gold nanoparticles: A highly selective and sensitive colorimetric chemosensor for Hg

. Analyst, 2011, 136, 4770–4773

Chun, C.L., Penn, R.L., and Arnold, W.A. Environmental Science and Technology 2006, 40, 3299–3304

Cloete, T.E., Kwaadsteniet, M.D., Botes, M., and Lopez-Romero, J.M., Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, Wymondham, UK, 2010

Elimelech, M., and Phillip, W.A. The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment. Science, 2011, 333, 712.Eshel, K. British Medical Journal, 2007, 334, 610–616

Furukawa, H., Cordova, K.E., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science, 2013, 341, 1230–1234

Guzman, K.A.D., Taylor, M.R., and Banfield, J.F. Environmental Science and Technology, 2006, 40, 1401–1407

Hang, Y., Qin, Y., and Shen, J. Separation and microcolumn preconcentration of traces of rare earth elements on nanoscale TiO2 and their determination in geological samples by ICP-AES, Journal of SeparationScience, 2003, 26, 957–960

Harada, M. Minamata disease: Methylmercury poisoning in Japan caused by environmental pollution. Critical Reviews in Toxicology, 1995, 25, 1–24

Hidaka, H., Jou, H., Nohara, K., and Zhao, J. Photocatalytic degradation of the hydrophobic pesticidePermethrin in fluoro surfactant/TiO2 aqueous dispersions. Chemosphere, 1992, 25, 1589–1597

م/ أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

للاطلاع على أكبر مكتبة مجانية في مجال علوم وهندسة المياه يرجى زيارة المنتدى من الرابط التالي

watertechexperts.com/vb/forum.php

للاطلاع على مزيد من المقالات باللغة الانجليزية يرجى زيارة مدونتنا باللغة الانجليزية من الرابط التالي

www.water-tech-market.com/blog

لارسال أي استفسارات أو أسئلة أو طلبات يرجى الانضمام لجروب المنتدى على الفيس بوك من الرابط التالي

www.facebook.com/groups/waterexperts