امروزه کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب به تدریج و آرام آرام در حال شکل دادن به انقلابی نوین در حوزه تصفیه فاضلاب می باشد. فناوری نانو با توجه به قابلیتهای مهم و توانمندی هایش، به صورت گسترده در زمینهی رفع مشکلات زیست‌محیطی مورد توجه قرار گرفته است.
طی سالهای اخیر، مواد نانو ساختاری از جمله نانو مواد و نانو ذرات مختلف، به دلیل دارا بودن خصوصیات منحصربه‌فردی از جمله اندازه ی کوچک ذرات، سطح ویژهی قابل توجه، صرفه‌ی اقتصادی، کارایی و ظرفیت جذب بالا، فعالیت و تحرک بالای این گونه ها در محلول و همچنین تمایل ویژه این گونه ها برای واکنش با جامدات و آلاینده‌های معلق و محلول در آب، توجه ویژهای را در زمینه ی تصفیه ی فاضلاب های آلوده به یون های فلزی سمی، ذرات آلی و معدنی محلول و معلق و میکروارگانیسمها، به خود معطوف داشته‌اند. این خود یکی از اساسی ترین مباحث مطرح در زمینه کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب می‌باشد.
امروزه بیشترین مطالعات روی مواد نانو ساختار، به منظور بهبود فرآیندهای تصفیه فاضلاب و پساب و کاهش TS آب، روی نانو ذرات فلزی با ظرفیت صفر ، نانو ذرات اکسید فلزی ، نانو لوله های کربنی و نانو کامپوزیت‌ها متمرکز شده است و این موارد در ادامه با جزئیات بیشتر موردبررسی قرار خواهند گرفت تا به کاربرد هرکدام از این فناوری های نانو در تصفیه فاضلاب اشاره کنیم.
نانوذرات فلزی با ظرفیت صفر
طی سالهای گذشته، نانو ذرات فلزی مختلف با ظرفیت صفر از قبیل آهن، روی ، آلومینیوم و نیکل توجه بسیاری را در فرآیندهای تصفیه فاضلاب و پساب به خود معطوف داشته‌اند؛ همین توجه باعث بحث کاربرد این نانو ذرات در تصفیه فاضلاب شده است. با توجه به قابلیت کاهشی فوقالعاده بالای نانوذرات فلزی آلومینیوم با ظرفیت صفر، این نانو ذرات در حضور آب از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار بوده و تمایل به تشکیل گونه های اکسیدی و هیدروکسیدی دارند و در نتیجه در برابر انتقالات الکترونی از سطح فلز به آلاینده ها از خود مقاومت نشان می دهند. نانوذرات فلزی آهن با ظرفیت صفر (nZVI) ، به‌عنوان مهمترین و مناسب‌ترین گونه در این زمینه، حجم بزرگی از مطالعات را به‌خود اختصاص داده است. دو عامل قابلیت جذب و قدرت کاهندگی بالا در نانوذرات آهن صفر، که به عنوان عوامل اصلی حذف آلاینده ها به وسیله این گونه محسوب میشوند را تا حد زیادی میتوان به اندازه ی بسیار کوچک ذرات و سطح ویژه بسیار بالای این نانو ذرات نسبت داد.
نانوذرات فلزی آهن صفر با اعمال اثر جذب، کاهش، رسوبدهی و یا اکسایش (در حضور اکسیژن محلول)، به صورت موفقیت آمیزی در حذف گستره وسیعی از آلاینده ها شامل ترکیبات آلی هالوژنه ، ترکیبات نیتروآروماتیک ، رنگ‌های آلی ، فنل ها ، فلزات سنگین ، آنیون های معدنی نظیر فسفات ها، نیترات ها، متالوئید ها و عناصر رادیویی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این نانو ذرات به‌عنوان یک عامل کاهنده، تبدیل برخی گونه‌های فلزی سنگین به حالت اکسایش پایین‌تر خود را کاتالیست می‌نمایند.
در حال حاضر نانو ذرات روی نیز به عنوان یک گزینه مناسب، مورد توجه قرار گرفته‌اند. روی، به دلیل دارا بودن پتانسیل کاهشی استاندارد منفیتر نسبت به آهن، به عنوان کاهندهی قویتری محسوب شده و در نتیجه، می‌تواند سینتیک حذف بالاتری از آلاینده ها را ایجاد نماید. نانوذرات روی با ظرفیت صفر (nZVZ) به صورت ویژه در واکنش های هالوژنزدایی مورد توجه قرار گرفته اند.
نانوذرات اکسید فلزی
نانو ذرات اکسید فلزی با دارا بودن خصوصیاتی همچون سطح ویژه قابل توجه و ساختارهای الکترونیکی متغیر و متنوع، در صنایع مختلف اهمیت شایان توجهی یافته اند. تاکنون اکسیدهای فلزی مختلفی در مقیاس نانو و با هدف کاهش آلایندگی آب مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته‌اند که از آن میان میتوان به گونه‌هایی نظیر اکسید های منگنز ، اکسید تیتانیم ، اکسید روی ، اکسید مس ، اکسید سیلیسیم ، اکسید زیرکونیوم ، اکسیدمنیزیم ، اکسید آلومینیوم ، اکسید سریم و اکسید های آهن اشاره نمود. در ادامه تعدادی از مهمترین نانوذرات اکسید فلزی، با قابلیت کاربرد مؤثر در فرآیندهای تصفیه فاضلاب، به منظور کاهش TS آب مورد بررسی قرار میگیرند.
نانو ذرات دی اکسید تیتانیم در تصفیه فاضلاب
دی اکسید تیتانیم از جمله رایج ترین گونه های فوتو کاتالیستی است که نظر به خصوصیات قابل‌توجه خود، شامل فعالیت فوتوکاتالیستی بالا، پایداری نوری، شیمیایی و بیولوژیکی، طی دهه‌های گذشته به صورت ویژه مورد بررسی قرار گرفته است. نانوذرات دی اکسید تیتانیم، انتخاب‌پذیری کمی داشته و به همین واسطه قابلیت مناسبی در حذف انواع مختلف آلاینده‌ها نظیر ترکیبات آلی کلره، هیدروکربن های آروماتیک پلی سیکلیک، رنگ‌ها، فنل‌ها، آفت‌کش‌ها، آرسنیک، سیانید و فلزات سنگین از خود نشان داده‌اند.
با این‌حال، این نانوذرات معایبی نیز دارند که استفاده از آن‌ها را محدود می‌سازد. همان‌گونه که اشاره شد، شکاف انرژی زیاد لایه‌های الکترونی در دی اکسید تیتانیم، لزوم اعمال برانگیختگی در ناحیه‌ی UV و عدم امکان انجام فرآیند تحت اثر نور مرئی را سبب می‌شود. در این راستا، از روش های آلایش نانو ذرات با فلزات و همچنین اصلاح نانوذرات با عناصر غیرفلزی (نیتروژن، فلوئور، گوگرد و کربن)، به‌منظور افزایش جذب در ناحیه‌ی نور مرئی و همچنین افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی در محدوده‌ی نور فرابنفش، با هدف کاهش شکاف انرژی، کمک گرفته شده است.
نانو ذرات اکسید روی در تصفیه فاضلاب
به‌غیر از نانوذرات دی اکسید تیتانیم، نانو ذرات اکسید روی (ZnO) نیز با اعمال اثرات فوتوکاتالیستی، به‌عنوان گزینه‌ای مؤثر و کارآمد جهت به کارگیری در زمینهی تصفیه‌ی فاضلاب و پساب ها ظهور یافته‌اند؛ نانو ذرات اکسید روی یکی از بهترین انتخاب ها در بحث کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب می‌باشد. از جمله خصوصیات ویژهی این نانو ذرات میتوان به مواردی همچون شکاف انرژی مستقیم و گسترده در ناحیه‌ی طیفی نزدیک UV، قدرت اکسیداسیون بالا و خواص فوتوکاتالیستی قابل‌توجه آن‌ها اشاره نمود. به‌علاوه اینکه، نانوذرات اکسید روی زیست سازگار بوده و به‌همین دلیل به‌راحتی در زمینهی تصفیه فاضلاب قابل استفاده هستند. به‌منظور افزایش کارایی نانوذرات اکسید روی، روش‌های مختلفی نظیر آلایش با فلزات و همچنین کوپلینگ با نیمه‌رساناهای دیگر نظیر CdO، CeO2 ، SnO2، TiO2 و اکسید گرافن، به طور گسترده تحت بررسی و مطالعه قرار گرفته‌اند.
نانو ذرات اکسید آهن در تصفیه فاضلاب
طی سالهای اخیر نانوذرات اکسید آهن به دلیل فراوانی و سادگی نسبی فرآیندهای تولید خود، با سرعت روبه‌رشدی در زمینهی حذف آلاینده‌های آلی و معدنی مختلف به کار گرفته شده اند. نانو ذرات اکسید آهن مشابه با نانوذرات nZVI، با اعمال فرآیندهای کاهشی و جذب، اثرات خود را در حذف آلاینده‌ها نشان می‌دهند.
مگنتیت (Fe3O4) (مغناطیسی) ، مگهمیت (γ-Fe2O3) (مغناطیسی) و هماتیت (α-Fe2O3) (غیر مغناطیسی)، انواعی از اکسیدهای آهن هستند که اغلب از آن ها به‌عنوان نانو جاذب ها استفاده می‌شود. جداسازی و بازیابی نانوجاذب ها از آب‌های آلوده در فرآیندهای تصفیه فاضلاب، غالباً یک چالش اساسی به‌حساب می‌آید، که آن هم به دلیل اندازه ی بسیار کوچک ذرات این گونه از مواد است؛ اما مگنتیت و مگهمیت مغناطیسی هستند و با کمک یک میدان مغناطیسی خارجی، قابل جداسازی و بازیابی از سیستم موردنظر هستند. بنابراین، این گونه‌ها تاکنون به صورت موفقیت آمیزی به‌عنوان جاذب در حذف فلزات سنگین مختلف از سیستم‌های آبی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
تاکنون توانایی نانو ذرات اکسید آهن در تصفیه فاضلاب و حذف آلاینده‌ها، در هر دو مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی مورد بررسی قرار گرفته است و مطالعات نشان می دهند که مکانیسم عملکرد این نانوذرات در فرآیندهای تصفیه، در دو دسته‌ی اصلی زیر قابل طبقه بندی می‌باشند:
الف) فرآیندهایی که در آن‌ها نانو ذرات اکسید آهن به‌عنوان جاذب به ایفای نقش می پردازد
ب) فرآیندهایی که در آن‌ها نانوذرات اکسید آهن در نقش فوتوکاتالیست، جهت شکستن و تبدیل آلاینده‌ها به گونه‌های با سمیت کم‌تر عمل می‌نماید،
اندازه ی کوچک ذرات و سطح ویژه ی بزرگ نانوذرات اکسید آهن، فضای مناسبی را جهت پخش، جذبِ سریع و بازیابی درصد قابل توجهی از یون‌های فلزی و ترکیبات آلی (بر اساس نوع گروه‌های عاملی موجود در سطح خود) را از پساب فراهم می‌آورند. نانوذرات اکسید آهن را میتوان به‌عنوان فوتوکاتالیست‌های مناسب در محدوده‌ی نور مرئی در نظر گرفت.
نانو لوله کربنی
نانو لوله کربنی ، بخش مهمی از نانو موادی که در سالهای اخیر توجه بسیار زیادی را به خود معطوف کرده اند، شامل می‌شود ؛ این توجه بحث گسترده‌ای را در زمینه کاربرد فناوری نانو در تصفیه فاضلاب آغاز کرده است. در واقع این مواد صفحاتی از جنس گرافیت هستند که به شکل لوله در آمده‌اند. نانولوله کربنی را بر اساس تعداد لایه‌ی دیواره‌ها، میتوان به دو دسته‌ی تک دیواده و چند دیواره تقسیم نمود. نانولوله‌های کربنی به دلیل دارا بودن مساحت سطحی زیاد و همچنین پایداری شیمیایی و حرارتی بالا، گزینه ی مناسبی جهت استفاده در فرآیند تصفیه آب و پساب هستند.
گزارش های بسیار متعددی در زمینه ی استفاده از نانولوله کربنی به صورت مستقیم و یا اصلاح شده، در حوزه ی تصفیه وکاهش آلودگی آب وجود دارد. به عنوان مثال، باقر حیاتی و همکاران در سال ۲۰۱۶ از نانو لوله کربنی اصلاح شده با پلیمر ، جهت حذف یون فلزات نیکل، روی و کبالت استفاده کرده و نتایج حاصل از این پژوهش نشان از کارآمدی بالای بستر تهیه شده داشت.
نانو کامپوزیت ها
نانو کامپوزیت ها را بر اساس جنس ماتریس، به سه دسته‌ی زیر قابل بخش بندی می‌باشند :
نانو کامپوزیت پایه پلیمری
نانو کامپوزیت پایه سرامیکی
نانو کامپوزیت پایه فلزی
در این دسته از نانو مواد، میتوان خواص گوناگون و مناسب ترکیبات شیمیایی و نانو ذرات متفاوت را در هم آمیخت و از خصوصیات مناسب اجزای سازنده، به صورت همزمان استفاده کرد. مثلاً با ترکیب کردن نانوذرات فلزی آهن با ظرفیت صفر با نانو لوله‌های کربنی، میتوان جاذبی نوین در محدوده ی نانو مواد تهیه نمود. از مزایای نانو کامپوزیت میتوان به همراه کردن چند جزء در یک ترکیب شیمیایی و توانایی استفاده از مزایای هر یک، در کنار یکدیگر اشاره نمود. با این حال، به دلیل روند تهیه ی پیچیده و بعضاً فرآیندهای اجرایی گران قیمت، به کار بردن این دسته از نانومواد، به جنس و نوع مواد تشکیل دهنده وابسته خواهد بود.