باتوجه به اینکه شمار زیادی از دستاوردهای علمی و فنی امروز، متاثر از نانوفناوری است، بیش از گذشته بر زندگی بشر تاثیر گذاشته است. به‌همین‌دلیل، این فناوری آثار گسترده‌ای بر اقتصاد و تولید دارد. همچنین بی‌شک، تاثیرات نانو فناوری بر محیط‌زیست، غیرقابل‌انکار است. تاثیرات مستقیم و غیرمستقیم فناوری نانو بر محیط‌زیست، از جنبه‌های مختلف قابل‌بررسی است. در واقع، این فناوری مانند تیغی دولبه است که هم اثر مثبت و هم اثر منفی بر محیط‌زیست دارد. از یک‌سو، ذرات نانو ممکن است سرعت جهش باکتری‌ها را افزایش دهند و تهدیدی بالقوه برای محیط‌زیست و سلامت انسان باشند و از سوی دیگر، بکارگیری آن موجب کاهش مصرف انرژی، کاهش انتشار و تولید زائدات و مصرف مواد خام و در نتیجه، کاهش خسارت به محیط‌زیست شود. در حال‌ حاضر، می‌توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانوساختاری در حفظ محیط‌زیست، از قبیل نانوفیلترها برای تصفیه پساب‌های صنعتی، نانوپودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی و نانولوله‌ها برای ذخیره‌سازی سوخت کاملا تمیز هیدروژنی را برشمرد. گزارش امروز صمت درباره نقش دستاوردهای نانویی کشور بر پالایش محیط‌زیست و رفع آلودگی‌ها از جمله تصفیه پساب‌ها است که در این زمینه به گفت‌وگو با 2 پژوهشگر این حوزه پرداخته‌ایم.

پساب تمیز کانال نانویی‌ها

امروزه علوم مختلف برای نجات محیط‌زیست دست‌به‌دست هم داده‌اند و پژوهشگران در زمینه هر فعالیتی، به‌دنبال راهکارهای نجات زمین و محیط‌زیست هستند. استفاده از نانوفیلتراسیون برای کاهش آسیب‌های محیط‌زیستی یکی از رویکردهای مهم دانشمندان در حذف آلاینده‌های زیست‌محیطی است. در این میان «حذف آلاینده‌های آلی و معدنی از محیط‌های آبی با استفاده از غشاهای نانوفیلتراسیون» عنوان طرحی است که زینب سلحشور، عضو هیات‌علمی دانشگاه و پژوهشگر عرصه نانوفناوری با حمایت بنیاد ملی علم ایران به‌سرانجام رساند.

وی درباره این طرح به صمت گفت: در حال ‌حاضر و با رشد اقتصادی جهانی، نگرانی‌ها درباره بسیاری از مسائل زیست‌محیطی افزایش یافته است. امروزه بحران آب در بسیاری از کشورهایی که برای برآورده کردن نیازهای آبی سالانه یا فصلی خود با کمبود آب مواجهند، به یک نگرانی بزرگ تبدیل شده است. در شرایط کاهش منابع آب، جست‌وجو برای منابع آبی جدید و نیاز به بازیافت آب، موضوع آلودگی آب به‌عنوان یک مشکل فراگیر مطرح است. بنابراین، استفاده از فناوری‌های تصفیه و استفاده مجدد از منابع آب غیرمتعارف یا شیرین‌سازی منابع آب شور و لب‌شور، نقشی کلیدی در حل بحران آب در آینده دارند.

سلحشور افزود: تاکنون تصفیه و استفاده مجدد از منابع آب غیرمتعارف به‌منظور تامین آب برای مقاصد مختلف از قبیل آبیاری، خنک‌کننده‌های نیروگاه‌ها، فرآیندهای صنعتی و تغذیه آب‌های زیرزمینی به کار گرفته شده‌ است. همچنین، راه‌های مختلفی از قبیل لاگون‌های هوادهی، لجن فعال، برکه‌های تثبیت، استفاده از صافی‌ها، جاذب‌ها، نانوجاذب‌ها و روش‌های مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی دیگری برای تصفیه آب و فاضلاب وجود دارند. این روش‌ها به دلایلی مانند مشکل بودن فرآیند تصفیه، صرف انرژی زیاد، هزینه بالا، تولید ضایعات، اغلب با راندمان پایینی همراه هستند و موضوعات مربوط به سرنوشت و انتقال نانومواد در محیط‌های آبی هم دارای محدودیت‌هایی است. از طرفی، روش‌های سنتی تصفیه هم، قادر به حذف موثر آلاینده‌های نوظهور مانند داروها و مواد آرایشی و بهداشتی نیستند.

تصفیه غشایی آب، یک راه‌حل کارآمد

سلحشور در ادامه گفت: طی 2 دهه اخیر، استفاده از فناوری‌های تصفیه غشایی موردتوجه پژوهشگران قرار گرفته است. از جمله مهم‌ترین مزیت‌های فرآیندهای غشایی می‌توان به راندمان بسیار بالا برای حذف انواع آلاینده‌ها، هزینه‌های راه‌اندازی و بهره‌برداری نسبتا پایین، عملکرد انتخابی و استفاده در طیف وسیعی از کاربردها اشاره کرد.

وی افزود: باوجود اینکه ایران از نظر جغرافیایی در یک اقلیم خشک و نیمه‌خشک قرار گرفته است، دسترسی به آب‌های آزاد خلیج‌فارس، دریای عمان و دریاچه لب‌شور خزر در کنار حجم عظیم منابع آب خاکستری، می‌تواند به‌عنوان فرصتی برای شیرین‌سازی و تصفیه منابع آب غیرمتعارف در راستای جبران این کمبودها تلقی شود.

سلحشور گفت: با افزایش جمعیت، افزایش مصرف سرانه آب و افزایش استانداردهای سطح زندگی و از طرفی، وجود مقادیر ثابت آب قابل‌دسترس، رویارویی با کم‌آبی امری اجتناب‌ناپذیر است. در ایران نیز، محدودیت منابع آب شیرین و خشکسالی‌های پی‌درپی، از مهم‌ترین چالش‌های فراروی مدیریت منابع آب است. بنابراین، نیاز داریم مانند بسیاری از کشورها به راه‌حل‌هایی برای مقابله با کمبود آب بیندیشیم و آنها را عملی کنیم. هنگامی که منابع آب شیرین برای تامین تقاضا کافی نباشد، گزینه‌های جایگزین تامین آب باید در نظر گرفته و اتخاذ شوند؛ یکی از گزینه‌های امیدوارکننده، استفاده از فناوری شیرین‌سازی آب است.

وی گفت: در میان روش‌های مختلف شیرین‌سازی آب، فناوری فیلتراسیون غشایی به‌عنوان یک فناوری پیشگام در عرصه تصفیه و شیرین‌سازی آب، می‌تواند تا حد زیادی جوابگوی چالش‌های مربوط به آلودگی و کمبود منابع آب شیرین و جایگزینی برای فرآیندهای سنتی تصفیه باشد، زیرا عمدتا نیاز به انرژی برای تصفیه آب از طریق غشاها دارد و استفاده از زمین، نیروی انسانی و مواد شیمیایی به‌شدت کاهش می‌یابد.

به‌گفته این پژوهشگر، غشاهای اولترافیلتراسیون به‌عنوان یکی از فرآیندهای غشایی، به‌طورگسترده در بخش صنعتی و تصفیه پساب حاصل از کارگاه‌های تولیدی و کارخانه‌ها استفاده می‌شود و این توانایی را دارد که کلیه مواد آلی موجود در آب، ذرات کلوئیدی، روغن و هرگونه آلودگی را از پکیج تصفیه فاضلاب حذف کند.

وی افزود: در برخی از موارد، از اولترافیلتراسیون نیز در مرحله پیش‌تصفیه نمک‌زدایی استفاده می‌شود که حجم زیادی از مواد آلی، مواد زائد و آلودگی‌ها از آب حذف می‌شوند.

این پژوهشگر در ادامه بیان کرد: نانوفیلترهای ساخته‌شده در این پژوهش، برای بهبود عملکرد غشاهای مورداستفاده در صنایع آب‌شیرین‌کن صنعتی و تصفیه پیشرفته آب و فاضلاب، کاربرد دارند. گفتنی است، کربن کروی توخالی با ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و الکترونیک خاص، مساحت سطح ویژه بالا، حجم بالای منافذ، از لحاظ شیمیایی خنثی هستند که پایداری مکانیکی خوب و ظرفیت بسیار بالایی دارند و همین امر می‌تواند جاذب کارآیی نیز در حذف آلاینده‌ها باشد.

خلق شگفتی با جابه‌جایی اتم‌ها

از رایج‌ترین مشکلات پوشش‌های غیرنانویی، بستن خزه به بدنه کشتی‌ها است که باعث افزایش نیروی مقاومت در نتیجه افزایش مصرف سوخت (افزایش ۴۰ درصدی سوخت) و هزینه سالانه بیش از ۲۰۰ هزار میلیون دلار در سال می‌شود، اما بدترین اثر مخرب آن، تولید گازهای گلخانه‌ای مانند کربن‌دی‌اکسید است که باعث آلودگی محیط‌زیست و همچنین موجب خوردگی فلزات می‌شود. با بکارگیری فناوری‌نانو می‌توان کشتی‌هایی با وزن کم، استحکام بالا همراه با پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی و به‌صرفه از نظر اقتصادی و کاهش آلودگی داشت. در این زمینه، سولماز سلیمانی در طرحی با عنوان «سنتز زیستی نانوکامپوزیت‌گرافن‌اکساید احیاشده با ترکیبات طبیعی دریایی و بررسی اثرات آنتی‌فولینگ» و با حمایت بنیاد ملی علم ایران به ارائه راهکاری در حل معضلاتی که رسوبات زیستی دریایی که در صنایع حمل‌ونقل دریایی به وجود می‌آورد، پرداخته است. وی در گفت‌وگو با صمت درباره فناوری‌نانو توضیح داد: نانوتکنولوژی محدوده‌ای از فناوری است که در این محدوده، انسان می‌تواند انواع ترکیبات، آلیاژها، وسایل، ابزارها و به‌طورکلی، سیستم‌ها و سازه‌های گوناگون را در مقیاس اتمی و مولکولی و در ابعاد نانومتری طراحی کند و به مرحله ساخت برساند.

وی ادامه داد: روش ساخت نانویی در بیشتر موارد، به‌صورت جابه‌جا کردن اتم‌ها و مولکول‌ها و قرار دادن آنها در موقعیت‌های مناسب است. در حقیقت نانوتکنولوژی شامل قرار دادن اتم‌ها در جای خاص خود است و اجازه می‌دهد تا موادی سبک‌تر، محکم‌تر، ارزان‌تر و با دقت ابعادی بالاتر ساخته شوند. یکی از اکتشافات بزرگ مربوط به نانوتکنولوژی استفاده از جاذب‌های کربنی مانند نانوگرافن و نانوگرافن‌اکساید است.

این محقق و پژوهشگر درباره هدف انجام این طرح گفت: همواره رسوبات زیستی دریایی از جمله بستن خزه روی ابزارهای متحرک و ثابت در حمل‌ونقل دریایی، معضلی دیرینه و پرهزینه برای صنایع دریایی محسوب می‌شوند. جلبک‌های سبز، دیاتوم‌ها و صدف‌ها به‌دلیل چسبندگی خود به سازه‌های انسان‌ساخت از جمله زیردریایی‌ها و کشتی‌ها و آسیب به آنها مشهور هستند. اگرچه راه‌حل‌هایی به‌صورت پوشش‌های مقاوم در برابر رسوبات دریایی وجود دارند، اما بسیاری از آنها در طبیعت، آفت‌کش محسوب می‌شوند و هنوز لازم است که راه‌حلی گسترده، موثر و ایمن از نظر زیست‌محیطی اتخاذ شود و به بازار بیاید.

سلیمانی گفت: از آنجایی که رشد اجتماعات رسوبی روی بدنه کشتی‌ها موجب افزایش بار کشتی، کاهش قابلیت مانور، افزایش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود، از این‌رو هم هزینه‌های اقتصادی و هم زیست‌محیطی را افزایش می‌دهند. به‌همین‌دلیل، امروزه، رقبای اصلی پوشش‌های آفت‌کش ضدرسوب، پوشش‌های موسوم به «آزاد ساز ـ رسوب» هستند که مانع جذب رسوبات می‌شوند.

وی در ادامه بیان کرد: طی چند سال گذشته، گرافن و گرافن‌اکساید (نوعی ساختار کربنی که به‌عنوان سبک‌ترین، قوی‌ترین، نازک‌ترین، بهترین هادی حرارتی و الکتریکی شناخته می‌شود) موردتوجه دانشمندان قرار گرفته و کاربردهای زیادی برای آن تعریف شده است. گفتنی است، باتوجه به جدید بودن آن، این ماده، کاربردهای زیادی در حوزه دریایی دارد که کمتر به آن توجه شده است. به‌همین‌دلیل، نیاز به مطالعه و تحقیق بیشتر در این زمینه احساس می‌شود.

این محقق و پژوهشگر با بیان اینکه تاکنون پژوهشی با این محوریت که به حل چالش‌های اجتماعات رسوبی روی بدنه کشتی بپردازد، انجام نشده است، گفت: رنگ‌های آنتی‌فولینگ یا ضدخزه موجود در بازار براساس مواد و روش‌های شیمیایی تولید می‌شوند که خسارت‌های جبران‌ناپذیری به محیط‌زیست وارد می‌کنند و البته هزینه‌های هنگفتی هم دارند. در این مطالعه برای نخستین‌بار نانوکامپوزیت‌گرافن‌اکساید احیاشده با ترکیبات طبیعی دریایی که دارای خواص آنتی‌فولینگی (ضدخزگی) است، سنتز و ترکیب شد. با این روش نه‌تنها به محیط‌زیست آسیبی وارد نمی‌شود، بلکه ارزان‌تر از رنگ‌ها و ترکیبات ضدخزگی موجود در بازار است. حتی باعث از بین رفتن موجودات مزاحم می‌شود و هزینه‌های مربوط به حذف این موجودات از بدنه کشتی را نیز کاهش می‌دهد.

سلیمانی بااشاره به اهمیت حمایت‌های اقتصادی از چنین دستاوردهایی در راستای توسعه حمل‌ونقل دریایی گفت: اگر از این طرح پژوهشی، حمایت‌های مالی انجام شود، در تمامی حوزه‌های صنعتی به‌ویژه صنعت حمل‌ونقل دریایی و سکوهای نفتی می‌توان از آن استفاده کرد و کاهش خسارت‌های ابزاری را به‌دنبال دارد.

وی افزود: در انجام این طرح با چالش‌هایی نظیر دسترسی به منابع مواد اولیه، امکانات و تجهیزات مواجه بودیم و به اعتقاد من، ریشه این معضل در ضعف ارتباط میان صنعت و دانشگاه است که متاسفانه این طرح در صنعت هنوز جایگاه خود را پیدا نکرده است.

سخن پایانی

باوجود اینکه فناوری نانو تاکنون در زمینه محیط‌زیست کاربرد صنعتی نداشته است، برخی عقیده دارند که استفاده از فناوری نانو خود می‌تواند منجر به مشکلات جدید زیست‌محیطی از قبیل مواد سمی جدید و خطرات زیستی مربوط به آن شود. اما بسیاری معتقدند که این فناوری می‌تواند راه‌های جدیدی برای بهبود و ارتقای فناوری‌های زیست‌محیطی ارائه کند. باتوجه به اینکه فناوری نانو از دانش‌ها و فناوری‌های گوناگونی مانند فیزیک، شیمی، بیولوژی و مهندسی بهره می‌گیرد، با استفاده از این فن جدید در فرآیند استخراج، می‌توان از خروج این عناصر از محیط طبیعی آنها (خاک) جلوگیری کرد. یکی از مهم‌ترین اهداف متولیان و طرفداران محیط‌زیست، حذف مواد سمی و خطرناک از چرخه طبیعت است که دانشمندان تاکید جدی بر راهکارهای نانوفناورانه دارند.