مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون:

۱. مقدمه

نانو فیلتراسیون (NF) یک فرآیند غشایی با اندازه منافذ ۰.۱ تا ۱ نانومتر است که قادر به حذف ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا (۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون)، یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca²⁺، Mg²⁺) و آلاینده‌های میکروبی است. این روش برای نرم‌سازی آب، حذف فلزات سنگین و کاهش کدورت کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• حذف فیزیکی: ذرات بزرگتر از اندازه منافذ غشا به دام می‌افتند.

• دافعه بار الکتریکی: غشاهای NF معمولاً بار منفی دارند و یون‌های مثبت (مثل Ca²⁺) را دفع می‌کنند.

• انتقال حل‌شونده: ترکیبات خنثی با وزن مولکولی پایین ممکن است از غشا عبور کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع غشا پلی آمید، سلولز استات انتخاب بر اساس نوع آلاینده و pH آب

فشار عملیاتی ۵–۲۰ بارفشار بالاتر برای آب‌های شور

درجه بازیابی ۵۰–۸۵٪ نسبت آب تصفیه‌شده به آب ورودی

شار غشایی ۱۰–۳۰ LMH (لیتر/متر²/ساعت) بهینه برای جلوگیری از گرفتگی

pH آب ۳–۱۰ جلوگیری از تخریب غشا

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه سطح غشا مورد نیاز

سطح غشا (m²) = دبی آب تصفیه‌شده (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و شار ۲۰ LMH → سطح ≈ ۱۰۰ / (۲۰ × ۲۴) ≈ ۰.۲۱ m².

ب. محاسبه انرژی مصرفی

انرژی (kWh/m³) = (فشار (bar) × دبی (m³/h)) / (۳۶۰۰ × راندمان پمپ)  

• مثال: فشار ۱۵ بار، دبی ۵ m³/h، راندمان ۷۰% → انرژی ≈ (۱۵ × ۵) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۳ kWh/m³.

ج. بازیابی آب

بازیابی (%) = (دبی آب تصفیه‌شده / دبی آب ورودی) × ۱۰۰  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• پیش‌تصفیه: فیلترهای شنی، میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون برای جلوگیری از گرفتگی غشا.

• ممبران NF: ماژول‌های مارپیچی (Spiral Wound) یا صفحه‌ای (Flat Sheet).

• پمپ فشار بالا: از جنس استیل ضدزنگ برای تحمل فشار عملیاتی.

• سیستم شستشوی معکوس (CIP): استفاده از محلول‌های اسیدی یا بازی برای احیای غشا.

ب. مصالح و مواد

• غشا: پلی آمید نازک (TFC) یا سلولز استات.

• محفظه فشار: استیل ضدزنگ یا فایبرگلاس.

• لوله‌کشی: PVC مقاوم به فشار یا استیل.

۶. اجرا و مراحل راه‌اندازی

۱. پیش‌تصفیه آب: حذف ذرات معلق > ۱۰ μm با فیلترهای کارتریج.
۲. تنظیم pH: اسیدی یا بازی کردن آب برای جلوگیری از رسوب‌گیری (مثلاً تنظیم pH ≈ ۶–۸).
۳. تزریق آنتی‌اسکالانت: جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی روی غشا.
۴. راه‌اندازی سیستم: افزایش تدریجی فشار برای جلوگیری از شوک به غشا.
۵. پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار، شار، و هدایت الکتریکی آب خروجی.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی غشا (Fouling):

  • علت: تجمع مواد آلی، معدنی یا بیولوژیکی.

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول NaOH (pH ۱۲) یا اسید سیتریک (pH ۲).

• رسوب‌گیری (Scaling):

  • علت: اشباع نمک‌های کلسیم یا سولفات.

  • راهکار: تزریق آنتی‌اسکالانت (مثل پلی آکریلیک اسید).

• خوردگی: استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در قسمت‌های مرطوب.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب ورودی: ۵۰ m³/day

• آلاینده اصلی: سولفات (SO₄²⁻) با غلظت ۸۰۰ mg/L

• هدف: کاهش سولفات به ≤ ۲۰۰ mg/L

محاسبات:

• شار غشایی: ۱۵ LMH → سطح غشا = ۵۰ / (۱۵ × ۲۴) ≈ ۰.۱۴ m².

• فشار عملیاتی: ۱۰ بار → انرژی مصرفی ≈ (۱۰ × ۲.۰۸) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۰۸ kWh/m³.

• بازیابی آب: ۷۰% → دبی پساب غلیظ = ۵۰ × ۰.۳ = ۱۵ m³/day.

تجهیزات:

• ماژول مارپیچی با سطح ۰.۲ m².

• پمپ فشار بالا با ظرفیت ۳ m³/h.

• سیستم تزریق آنتی‌اسکالانت با دوز ۲ mg/L.

۹. پیشرفت‌های نوین

• غشاهای نانوکامپوزیتی: ترکیب نانوذرات (مثل TiO₂) برای افزایش مقاومت شیمیایی.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب NF با اسمز معکوس (RO) یا اکسیداسیون پیشرفته (AOPs).

• غشاهای کم‌انرژی: کاهش فشار عملیاتی تا ۵ بار با استفاده از غشاهای نسل جدید.

۱۰. نتیجه‌گیری

نانو فیلتراسیون به عنوان یک روش کارآمد و انعطاف‌پذیر، جایگاه ویژه‌ای در تصفیه آب صنعتی و شرب دارد. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آب ورودی، انتخاب غشای مناسب و مدیریت چالش‌هایی مانند گرفتگی، کلید موفقیت سیستم است. فناوری‌های نوین مانند غشاهای نانوکامپوزیت و سیستم‌های هوشمند پایش، آینده این روش را متحول خواهند کرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

فناوری نانو در شیرین کردن آب
سيستم های متمركز، سرمايه بر و انرژی بر بوده و به مقدار زيادي، مواد شيميايی مصرف می كنند. پنج  از هر شش نفر روی كرۀ زمين، نمی توانند از سيستم هايی كه ما هم اكنون از آنها استفاده می كنيم، بهره مند شوند. پول يا وقت كافی برای ايجاد سيستم های مشابه اين سيستم در گوشه و كنار جهان وجود ندارد

در جهان در حال توسعه، فناوری نانو می تواند به سيستم های كوچكتر توزيع شده كه در بر گيرندۀ مواد و سيستم هايی هستند كه آلاينده ها و عوامل بيماری زا، از جمله ويروس هايی را كه با طولی معادل 5 تا 300 نانومتر، خود در مقياس نانو هستند، بدون كاربرد مواد شيميايي، از بين برد.  ویروس هایی هستند که از بین بردن آنها از آب آشامیدنی در کشورهای در حال توسعه، با روش های کنونی بسیار مشکل است. 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کیوان الهویی نظری*
جمشید ایلاتی خامنه**

چکیده

پیشرفت در علم و مهندسی در مقیاس نانو نشان می دهد که بسیاری از مشکلات کنونی در ارتباط با کیفیت آب می تواند مرتفع گردد  و یا تا حد زیادی با استفاده از مواد جاذب در مقیاس نانویی ، نانوکریستالها ، نانوذرات فعال زیستی ، غشاء کاتالیستی نانویی و نانوذرات پیشرفته در میان سایر محصولات و فرآیندهای حاصل از توسعه فناوری نانو بهبود بخشیده شود. نوآوری در توسعه فن آوری های جدید برای شیرین نمودن آب یکی از این دستاورد ها می باشد. علاوه بر این محصولات تولیدی توسط فناوری نانو باعث کاهش غلظت مقادیر ترکیبات سمی به کمتر از حد یک قسمت در يك میلیارد در آب می گردد ، لذا این فن آوری جهت حصول استانداردهای مورد استفاده مشاوران کیفیت آب و بهداشت بکار می رود. این مقاله به بررسی امکان استفاده از نانومواد در تصفیه آب می پردازد و تمرکز بیشتر بر روی پیشرفت های اخیر در توسعه مواد و فرایندهای جدید در مقیاس نانو برای تصفیه آب های سطحی ، آبهای زیرزمینی و فاضلاب های صنعتی آلوده به یونهای فلزی سمی ، رادیونوکلوئیدها ، املاح آلی و معدنی ، باکتری ها و ویروس ها می باشد. علاوه بر این  برخی از چالش های مرتبط با توسعه نانومواد کارا و سازگار با محیط زیست و مناسب برای تصفیه آب نيز مورد بررسی قرار می گیرد.
مقدمه

آب سالم (آبی که عاری از مواد شیمیایی سمی و عوامل بیماری زا است) برای سلامتي انسان ضروری است. همچنین آب سالم یک ماده خام حیاتی در بسیاری از صنایع کلیدی از جمله الکترونیک ، دارو و مواد غذایی محسوب می شود. جهان با چالش های زیادی در افزایش تقاضا برای آب سالم به عنوان منابع موجود آب شیرین روبرو است که با توجه به موارد ذیل در حال کاهش می باشد (الف) گسترش وقوع خشکسالی ، (ب) افزایش رشد جمعیت ، (ج) تشدید و بهبود مقررات بهداشتی و سرانجام (د) افزایش رشد مصرف آب .
دانشمندان و مهندسین آب در حال تحقیق در مورد افزایش کیفیت آب همسو با افزایش رشد مصرف آن با توجه به رعایت مقررات و استانداردهای سخت گیرانه هستند. وبر ((Weber  شبکه های نوین و  بهینه توزیع (DOT-NET) را به عنوان جایگزینی برای واحد های متعارف تصفیه آب "بزرگ و متمرکز" ارائه نموده است.  مفهوم  DOT-NET  بر" توزیع و ایجاد استراتژیک سیستم های تصفیه نسبتاً کوچک بسیار موثر در محل های خاص" در شبکه های موجود تامین آب دلالت دارد . چنین سیستم های تصفیه آب اقماری جریان نسبتاًَ کم آب را تصفیه کرده و از فن آوری های پیشرفته تصفیه استاندارد موجود در طبیعت استفاده می کنند ( نظير جداسازی توسط غشاء مقاوم به ته نشینی لجن با قابلیت انتخابی بالا، جاذب های غربالی پلیمری و مولکولی سفارشی شده، اکسیداسیون فوق بحرانی آب و غیره ) تا نیازهای دسته های جمعیتی موجود در واحد های مسکونی ، مجتمع های آپارتمانی و مناطق تجاری را برطرف کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

متخصصان حوزه آب مي‌گويند اگر نانوذرات آهن درون پليمرهايي کپسوله شوند آنگاه مي‌توان از آنها براي تميز کردن آب‌هاي زيرزميني آلوده به مواد شيميايي سمي استفاده کرد. در اطراف شهر سيدني استراليا صدها سايت آلوده وجود دارد که خاک آنجا به‌وسيله پسماندهاي صنعتي به جاي مانده از گذشته آلوده شده است.

دنيس اوکارول، از محققان آزمايشگاه تحقيقات آب در دانشگاه يو سوث ولز، مي‌گويد آلودگي خاک يک مشکل تاريخي است، تا دهه 1970 مردم فکر مي‌کردند که با دفن کردن مواد سمي درون خاک، اين مواد به‌سادگي از بين مي‌روند در واقع لايه زيرين خاک به‌صورت يک فيلتر طبيعي عمل مي‌کند. بنابراين امکان آلوده شدن محيط زيست توسط اين مواد سمي مدفون در زير زمين تا چند دهه جدي گرفته نمي‌شد.

در عمل پديده از بين رفتن مواد سمي اتفاق نمي‌افتد در عوض اين آلاينده‌هاي شيميايي که از حلال‌ها و گازها خارج مي‌شود به‌درون زمين نفوذ مي‌کند و دست آخر پس از گذشتن از حفره‌ها و ترک‌هاي ميکروسکوپي خاک خود را به آب‌هاي زيرزميني مي‌رسانند و آنها را آلوده مي‌کنند. در واقع آلودگي آب‌ها به‌صورت غير مستقيم انجام مي‌شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نانوفوتوكاتاليست

فتوکاتالیست ها موادی هستند که باعث نابودی آلاینده ها در آب و فاضلاب و تبدیل آنها به مواد بی خطر نظیر آب و دی اکیسد کربن می شوند. در حقیقت این مواد در اثر تابش نور منجر به بروز يك واكنش شيميايي شوند، در حالي كه خود ماده، دست خوش هيچ تغييري نمی شود. فتوكاتاليست‌ها مستقيماً در واكنش‌هاي اكسايش و كاهش دخالت ندارند و فقط شرايط موردنياز براي انجام واكنش‌ها را فراهم مي‌كنندتعدادی از مواد که به عنوان فتوکاتالیست به کار میروند عبارتند از:

دی اکسیدتیتانیم(TIO₂ )،اکسیدروی(ZnO)،اکسید آهن(Fe₂O₃)،اکسیدتنگستن(W)

فوتوكاتاليست Tio₂

در سال1972 هنگاميكه پروفسور فوجي شيما و دانشجويش هوندا مشغول انجام آزمايش بودند به پديده عجيبي برخوردند. آنها مشاهده كردند كه به هنگام قرار دادن الكترودهايي از جنس TiO₂ و Pt در آب، مداري تشكيل مي شود كه بدون اعمال جريان الكتريسيته از بيرون، و تنها در معرض نور مي تواند آب را به اكسيژن و نيتروژن تجزيه كند. به دنبال اين پديده هوندا كشف كرد كه TiO₂ خاصيت اكسيدكنندگي قوي دارد. بنابراين مطالعات خود را بر روي اثر اين ماده ارزشمند در پديده هاي زيست محيطي مانند استريليزه كردن، گندزدايي و حذف آلودگي ها معطوف كرد. محصولات جديد اين فناوري داراي اثرت ضد باكتريايي است و بنابراين يكي از پيشرفته ترين ابزار براي ضد عفوني كردن فضاها و يكي از شاخه هاي اصلي مورد مطالعه در صنعت مواد است.

خاصيت فوتوكاتاليستي Tio₂

امروزه فتوكاتاليست هاي نانومتري از ذرات TiO₂ با اندازه دانه 20نانومتر ساخته مي شود. پس از جذب UV اشعه خورشيدي توسط اين ذرات، الكترونهاي آنها توسط انرژي UV به تحرك در آمده و از مدار خود خارج مي شوند، كه نتيجه آن بر جاي گذاشتن حفراتي است كه قابليت اكسيدكنندگي بسيار بالايي دارند. در عين حال الكترون ها كه خاصيت احيايي قوي دارند، پس از تماس با H₂O و O₂ هوا واكنش راديكالهاي آزاد اكسيژني و هيدروكسيدي ايجاد مي كنند. اين راديكالهاي آزاد خاصيت اكسيدكنندگي بالايي داشته و قادر خواهند بود كه مواد آلاينده، دود و باكتريهاي مضر را به مواد بي ضرري مانند H₂O و Co₂ تجزيه كنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

● معرفی ماده دی اکسید تیتانیوم و خواص آن
دی اکسید تیتانیوم از اکسیدهای فلزی است که در زندگی روزمره کاربرد فراوانی دارد. این ماده پودر سفیدرنگی است که دارای سه فاز کریستالی آناتاس، روتیل و بروکایت می باشد. پودر این ماده به عنوان رنگدانه سفید در صنعت استفاده می شود.
شکاف انرژی این ماده حدود ۲/۳ الکترون ولت است که می تواند نور فرابنفش را جذب کند. از این خاصیت استفاده شده به عنوان جاذب نور فرابنفش در کرم های ضد آفتاب بکار می رود. دو خاصیت مهم دیگر این ماده كه آن را در زندگی بسیار کارا و مفید می سازد، خواص فتوکاتالیستی و خود تمیزکنی آن است. از این دو خاصیت برای تصفیه آب و فاضلاب ها، حذف آلودگی هوا در ساختمانها، تسریع واکنش های فتوشیمیایی مانند تولید هیدروژن، ساخت سطوح و لایه های ضد مه و شیشه های خود تمیزکن استفاده می شود.
● خاصیت فتوکاتالیستی
تحریک لایه های دی اکسید تیتانیوم در فاز کریستالی آناتاس با پرتو نور فرابنفش باعث می شود الکترون اتم های سطحی با جذب فوتون برانگیخته شده از لایه ظرفیت به لایه هدایت منتقل شوند. در این حالت زوج الکترون - حفره در سطح نانوذرات ماده دی اکسید تیتانیوم بوجود می آید. مولکول های اکسیژن هوا در برخورد با سطح این الکترون ها را می ربایند. در این حالت سطح ماده بسیار فعال می شود، بطوریکه می تواند آب را نیز اکسید کند. به این دلیل این ماده در برخورد با مولکول های آلوده کننده هوا که عموما مولکول های آلی کربنی هستند می تواند آنها را اکسید کرده به دی اکسید کربن، آب و غیره تبدیل کند.
● خاصیت فوق آبدوستی
خاصیت دیگری که این ماده از خود نشان می دهد خاصیت فوق آبدوستی آن است. این خاصیت که با خاصیت فتوکاتالیستی رابطه تنگاتنگی دارد باعث پدیده خودتمیزکنی در این ماده می شود. بهمین دلیل لایه ای نازک از این ماده را روی سطح شیشه، کاشی و بعضی ظروف می نشانند تا مانع از کثیف شدن آن شوند.
از یک دیدگاه مواد به دو دسته آبدوست و آبگریز تقسیم می شوند. مواد آبدوست معمولا دارای پیوندهای قطبی بوده و می توانند در تماس با مولکول آب آن را جذب کنند. اما مواد آبگریز برخلاف دسته قبل دارای پیوندهای غیر قطبی هستند. اتم های این مواد از طریق نیروی واندروالس یکدیگر را جذب می نمایند و می توانند با مولکول های آلی پیوند خوبی برقرار کنند، اما با آب و مواد قطبی پیوند برقرار نکرده و آب از سطح آن دور می شود.
دی اکسید تیتانیوم ماده ایست که می تواند در شرایطی حالت آبدوستی را در خود تشدید کند. چنانچه سطح این ماده با نور فرابنفش تحریک شود با فرآیندی که در بخش قبل توضیح داده شد، در مجاورت آب پیوندهای اکسیژن این ماده شکسته شده و به پیوند هیدروکسیل تبدیل می شود. بنابراین هر اتم تیتانیوم روی سطح دارای دو گروه هیدروکسیل بوده و می تواند مولکول های آب را با پیوند هیدروژنی جذب نماید. از این رو سطح این ماده خاصیت فوق آبدوستی بخود می گیرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نانو مواد و تصفیه آب : فرصت ها و چالش ها

کیوان الهویی نظری*
جمشید ایلاتی خامنه**

1- مقدمه

آب سالم (آبی که عاری از مواد شیمیایی سمی و عوامل بیماری زا است) برای سلامتي انسان ضروری است. همچنین آب سالم یک ماده خام حیاتی در بسیاری از صنایع کلیدی از جمله الکترونیک ، دارو و مواد غذایی محسوب می شود. جهان با چالش های زیادی در افزایش تقاضا برای آب سالم به عنوان منابع موجود آب شیرین روبرو است که با توجه به موارد ذیل در حال کاهش می باشد (الف) گسترش وقوع خشکسالی ، (ب) افزایش رشد جمعیت ، (ج) تشدید و بهبود مقررات بهداشتی و سرانجام (د) افزایش رشد مصرف آب ]1[.
دانشمندان و مهندسین آب در حال تحقیق در مورد افزایش کیفیت آب همسو با افزایش رشد مصرف آن با توجه به رعایت مقررات و استانداردهای سخت گیرانه هستند. وبر ((Weber ]2[ شبکه های نوین و  بهینه توزیع (DOT-NET) را به عنوان جایگزینی برای واحد های متعارف تصفیه آب "بزرگ و متمرکز" ارائه نموده است.  مفهوم  DOT-NET  بر" توزیع و ایجاد استراتژیک سیستم های تصفیه نسبتاً کوچک بسیار موثر در محل های خاص" در شبکه های موجود تامین آب دلالت دارد . چنین سیستم های تصفیه آب اقماری جریان نسبتاًَ کم آب را تصفیه کرده و از فن آوری های پیشرفته تصفیه استاندارد موجود در طبیعت استفاده می کنند ( نظير جداسازی توسط غشاء مقاوم به ته نشینی لجن با قابلیت انتخابی بالا، جاذب های غربالی پلیمری و مولکولی سفارشی شده، اکسیداسیون فوق بحرانی آب و غیره ) تا نیازهای دسته های جمعیتی موجود در واحد های مسکونی ، مجتمع های آپارتمانی و مناطق تجاری را برطرف کنند ]2[.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

افزايش جمعيت جهان و کاهش منابع آب آشاميدني ، نگراني هايي را در باره تامين آب آشاميدني مورد نياز کشورهاي مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب که در نتيجه افزايش آلودگي هاي زيست محيطي شدت پيدا مي کند ، سبب شده است تامين آب بهداشتي مورد نياز مردم به يکي از مشکلات اساسي  جهان امروز تبديل شود امراض ناشي از آلودگي منابع آب ، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شايد ده ها هزار نفر از مردم جهان مي شود . اين در حالي است که امکان بازيافت آب دسترسي به يک منبع مناسب براي مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد . امروزه به کمک فناوري هاي نوين الکتريکي و مکانيکي ، به آساني مي توان آب آلوده را درکشاورزي و حتي مصارف خانگي استفاده کرد . استفاده از فيلترهاي نانومتري ، تحول عظيمي را در بازيافت و استفاده مجدد از منابع آب ايجاد کرده است.

فيلترهاي فيزيکي با منافذي درحد نانومتر مي توانند باکتري ها، ويروس ها و حتي واحدهاي کوچک پروتئيني را به صورت کامل و صد درصد غربال کنند؛ همچنين با استفاده از جداکننده هاي الکتريکي که به وسيله صفحات ابرخازن يون ها را جذب مي کنند ، مي توان نمک و مواد سنگين را نيز از آب جدا کرد.
بررسي فعاليت هاي پژوهشي در سطح دنيا نشان مي دهد که تصفيه آب يکي از مهم ترين زمينه هاي کاربرد فناوري نانو در صنعت آب است و با بهره گيري از آن ، هزينه هاي تصفيه آب به ميزان قابل توجهي کاهش خواهد يافت . استفاده از فيلترهاي نانومتري به منظور افزايش بازيابي آب در سيستم هاي موجود و کاربرد نانو حسگرهاي زيستي براي تشخيص سريع و کامل آلودگي آب از مهم ترين موارد کاربرد نانو فناوري در صنعت آب و فاضلاب است .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب