افزایش فعالیت‌های صنعتی و رشد فزاینده جمعیتی باعث ایجاد مقادیر زیاد پساب و آلاینده‌های صنعتی و کشاورزی شده است که دفع نامناسب و غیراصولی آن‌ها آسیب‌های جبران‌ناپذیری را به سلامت انسان و محیط‌زیست تحمیل می‌کند. بنابراین، تامین آب مورد نیاز جوامع انسانی و بهبود کیفیت آب دو موضوع مهم در زمینه تصفیه آب و پساب به شمار می‌آید. از آن‌جایی‌که دسترسی به آب آشامیدنی سالم، کلید حفظ سلامت عمومی است، آب سالم به‌عنوان یک نیاز اساسی در جوامع شناخته می‌شود. حدود یک‌ششم یا 1.2 میلیارد نفر از مردم ساکن در کشورهای درحال توسعه هنوز به آب سالم دسترسی ندارند. همچنین، حدود 2.6 میلیارد نفر از امکانات بهداشتی اولیه محروم هستند.
تاکنون فرآیندهای مختلفی برای تصفیه آب و پساب معرفی شده است. در میان این روش‌ها، جذب سطحی با استفاده از نانوجاذب‌ها یکی از مؤثرترین و کارآمدترین روش‌ها برای حذف بیشتر آلاینده‌های موجود در آب به‌شمار می‌رود. تصفیه آب با نانوجاذب‌ها از نظر طراحی و اجرا، روشی انعطاف‌پذیر بوده، در بیشتر موارد باعث حذف کامل آلاینده‌ها شده و آب تصفیه‌شده از لحاظ رنگ و بو، برای استفاده مجدد مناسب است.
استفاده از فناوری نانو در تصفیه آلاینده‌ها از محیط‌زیست به‌ویژه آب، به‌طور تدریجی باعث تغییر شرایط اقلیمی شده است و می‌توان به‌وضوح تأثیر آن را روی زندگی انسان‌ها و سایر موجودات زنده مشاهده کرد. پیش‌بینی می‌شود که استفاده از نانوجاذب‌ها موجب توسعه هرچه بیشتر فناوری‌های جدید شده و ابزارهای مؤثرتری را برای جلوگیری، شناسایی و حل مشکلات مرتبط با آلودگی آب مانند فاضلاب زباله‌ها فراهم کند. اگرچه برنامه پژوهشی نانوجاذب‌ها در ارتباط با آلودگی‌های موجود در آب درحال اجرا است، اما کماکان نیاز به انجام پژوهش‌های بیشتر برای توسعه هر چه بیشتر نانومواد برای تصفیه آب وجود دارد. برای سنتز نانوجاذب‌های مناسب برای حذف ترکیبات مضر از شیرابه، باید آنالیزهای شیمیایی روی گروه‌های عاملی نانوجاذب‌ها صورت گیرد تا حالت بهینه‌ای از ساختار مولکولی آن‌ها حین سنتز به‌دست آید. شیرابه به مایعی گفته می‌شود که از داخل زباله عبور کرده و به بیرون زایدات جامد نشت می‌کند. در این شرایط، نانوجاذب‌ها می‌توانند در رآکتورهای تصفیه آب و پساب، به‌طور مطلوبی واکنش داده و وظیفه خود را به‌خوبی انجام دهند. ترکیبات مضر و سرسختی که به‌طور متداول در شیرابه‌ها وجود دارند شامل ترکیبات قلیایی، فنول، ترکیبات آروماتیک حاوی کلر، فلزات سنگین و غیره هستند. گروه‌های عاملی که به این ترکیبات می‌چسبند معمولاً شامل استر، آلدهید، کتون، الکل و کربوکسیل هستند.
برای توسعه نانوجاذب‌های مطلوب برای عملیات تصفیه آب و پساب، بایستی اطلاعات کافی و عمیقی در ارتباط با خواص نانوجاذب‌ها و نیز ویژگی‌های آب یا پساب تحت عملیات تصفیه در‌دسترس باشد. مشخصات و ویژگی‌های پساب‌های صنعتی بستگی به نوع صنعت و فرآیندهای انجام گرفته در آن دارد. به‌عنوان مثال، پساب حاصل از صنایع پتروشیمی دارای آلاینده‌های آلی است که می‌توان برای حذف آن‌ها از تصفیه بیولوژیکی و اکسیداسیون شیمیایی یا نانوجاذب‌ها استفاده کرد. 2
- مدل‌های ایزوترم جذب سطحی روی نانوجاذب‌ها
برای دست‌یابی به جاذب‌های نوین و کارآمد، نیاز به ایجاد رابطه‌ای مناسب برای جذب تعادلی وجود دارد. این موضوع می‌تواند باعث تولید یک سیستم جذبی ایده‌آل شود که برای پیش‌بینی مطمئن پارامترهای جذب و ارائه یک مقایسه آماری و کمی از سیستم‌های جاذب مختلف، ضروری است. به بیان ساده‌تر، ایزوترم جذب رابطه‌ای ریاضی است که مقدار تعادلی ماده جذب‌شده به‌صورت فیزیکی یا شیمیایی روی سطح یک ماده جامد را با تغییرات فشار در دمای ثابت نشان می‌دهد. ارائه ایزوترم‌های جذب، برای بهینه‌سازی مسیرهای مکانیزم جذب ضروری است. در حقیقت ایزوترم جذب به‌دلیل تشریح نحوه برهمکنش آلاینده‌ها با مواد جاذب، بیان‌کننده خواص سطحی و ظرفیت جاذب‌ها بوده و به طراحی سیستم‌های جذب کمک شایان توجهی می‌کند. انواع مختلف ایزوترم‌های جذب در مقاله "کاربرد جاذب‌ها در تصفیه آب" آورده شده است.
منحنی ایزوترم جذب نشان‌دهنده پدیده‌ای است که از طریق آن، مواد جذب‌شونده در دما و pH ثابت، از داخل محیط آبی متخلخل یا محیط‌های آبی به سمت یک فاز جامد حرکت می‌کنند، یا ثابت باقی می‌مانند. این منحنی‌ها یا گراف‌ها بسیار ارزشمند بوده و نقش مهمی را در درک و تحلیل مدل‌های ارائه‌شده ایفا می‌کنند. منحنی ایزوترم تعادلی جذب متیلن آبی (methylene blue) روی سطوح نانوجاذب هیبریدی کاراگینان/هنگامی‌که غلظت محلول در اثر (1) عدم جذب سطحی از محلول یا (2) عدم واجذب از سطح جاذب، بدون تغییر باقی بماند، حالت تعادلی به‌وجود می‌آید. بنابراین، ارتباط بین غلظت تعادلی ماده جذب‌شده در فاز مایع و جامد در دمای ثابت، با ایزوترم جذب تعادلی بیان می‌شود. حالات ایزوترم عبارتند از خطی، برگشت‌ناپذیر، مطلوب، نامطلوب، بسیار مطلوب.
درک مکانیزم، خواص سطحی و میزان تمایل نانوجاذب‌ها بستگی به پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و ترمودینامیکی دارد. سه رویکرد اساسی در مدل‌های ایزوترم تعادلی عبارت است از ملاحظات سینتیکی، ملاحظات ترمودینامیکی و تئوری پتانسیل (Potential theory). مقدار جذب آلاینده در تعاذل‌های سینتیکی جذب سطحی روی نانوجاذب‌ها
مطالعات سینتیکی از اهمیت ویژه‌ای برای پیش‌بینی شرایط بهینه در فرآیندهای جذب برخوردار هستند. مدل سینتیکی اطلاعاتی را در ارتباط با مکانیزم جذب و مراحلی که احتمالاً در کنترل سرعت فرآیند جذب نقش دارند، ارائه می‌کند. این مراحل شامل فرآیندهای انتقال جرم یا واکنش‌های شیمیایی است. تاکنون چندین مدل سینتیکی مانند مدل سینتیکی شبه درجه اول، شبه درجه دوم، نفوذ درون‌ذره‌ای و الویچ (Elovich)، بوید (Boyd) و بنگام (Bangham) ارائه شده است. متداول‌ترین مدل‌های سینتیکی پیشنهاد شده، مدل‌های سینتیکی شبه درجه اول و شبه درجه دوم هستند. برای مشاهده معادلات سینتیکی مورد استفاده در نانوجاذب‌ها به مقاله "کاربرد جاذب‌ها در تصفیه آب" مراجعه کنید.
4- دسته‌بندی نانوجاذب‌ها
مهم‌ترین عامل تعیین‌کننده خواص نانوذرات، اندازه آن‌ها است. از جمله عوامل دیگر می‌توان به شیمی سطح شامل گروه‌های عاملی و بار سطحی، آگلومراسیون یا کلوخه‌ای‌شدن، شکل و ابعاد بلور‌ها، ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی و انحلال‌پذیری اشاره کرد. دسته‌بندی نانوجاذب‌های مورد استفاده در تصفیه آب بر حسب نقش آن‌ها در فرآیند جذب و همچنین، بسته به خواص ذاتی سطحی و افزوده‌شدن عوامل شیمیایی سطحی صورت می‌گیرد. دسته اول شامل نانوذرات فلزی مانند نانوذرات طلا، نانوذرات اکسید فلزی مانند تیتانیوم دی‌اکسید، نانوساختارهای حاوی ترکیبی از اکسیدها مانند اکسیدهای آهن-تیتانیوم و نانوذرات مغناطیسی مانند دی‌اکسید و تری‌اکسید آهن هستند. دسته دوم، نانومواد کربنی بوده و شامل نانولوله‌های کربنی، نانوذرات و نانوصفحات کربن هستند. دسته دیگر شامل نانومواد سیلیکونی مانند نانولوله‌های سیلیکونی، نانوذرات سیلیکونی و نانوصفحات سیلیکونی هستند. سایر نانومواد مورد استفاده برای فرآیند جذب عبارت است از نانوالیاف، نانورس‌ها، نانومواد پایه پلیمری، زروژل‌ها و آئروژل‌ها.
5- خواص و مکانیزم حاکم بر نانوجاذب‌ها
کاربرد نانوجاذب‌ها به‌شدت بستگی به تغییر خواص سطحی آن‌ها با کاهش ابعاد آن‌ها تا مقیاس نانومتری و نیز افزودن عوامل خارجی برای بهبود حساسیت و انتخابپذیری سطح آن‌ها دارد. بنابراین، بایستی تعریف روشنی از این دو عامل ارائه شود.
1-5- خواص ذاتی سطح
تعیین ماهیت و توزیع مکان‌های فعال روی سطح نانوساختارها یک چالش اساسی است. عوامل ذاتی مؤثر بر عملکرد نانوذرات به‌عنوان نانوجاذب در محلول یا زیرلایه شامل کسر بالای اتم‌های سطحی، مساحت سطح بزرگ‌تر، فعالیت شیمیایی بالا، قابلیت جذب بالا، نبود مقاومت داخلی در برابر نفوذ و انرژی چسبندگی سطحی بالا است. هرکدام از این عوامل، اتم‌ها یا مولکول‌های موجود در سطح و فصل‌مشترک را تحت تأثیر قرار داده و باعث افزایش انرژی سطحی، دسترسی و تمایل تماس با سطح و غنی‌سازی آن می‌شود. البته، در برخی موارد حتی با استفاده از ابزارهای پیشرفته مطالعه سطح نیز نمی‌توان ماهیت واقعی سطح نانوذرات را شناسایی کرد. بنابراین، مطالعه کامل و درک عمیق ویژگی‌های سطحی نانوذرات به‌عنوان یک چالش اساسی در استفاده از نانوذرات به‌عنوان جاذب در کاربردهای مختلف، به‌ویژه تصفیه آب، مطرح است.
2-5- عوامل خارجی
امکان ایجاد تغییرات فراوان در خواص سطحی نانومواد با استفاده از گروه‌های عاملی مختلف وجود دارد. به‌عبارت دیگر، استفاده از روش‌های متنوع عاملدارکردن خارجی سطح نانومواد مختلف باعث ایجاد خواص جذب عالی در آن‌ها می‌شود. با ادامه فرآیند عاملدارکردن سطح نانوذرات، از تجمع و آگلومراسیون آن‌ها جلوگیری شده و میزان انتخابپذیری نانوجاذب‌ها افزایش می‌یابد. گروه‌های عاملی باعث بهبود خواص مختلف نانوجاذب‌ها مانند قابلیت جذب بالا و واجذب سریع می‌شود. به‌طور کلی، گروه‌های عاملی برای بهبود پارامترهایی همچون انتخابپذیری، تمایل به تماس با سطح و قابلیت جذب مورد استفاده قرار می‌گیرند. دلیل این امر ورود اتم‌های آلی دهنده به سطح نانومواد و در نتیجه بهبود برهمکنش‌ها آب‌دوستی و قطبی با آنالیت‌های (Analyte) مورد‌نظر است. آنالیت یک ماده یا ترکیب شیمیایی است که در روش‌های تحلیلی مورد توجه قرار می‌گیرد. آزمایش‌ها همواره به‌دنبال اندازه‌گیری آنالیت‌ها هستند، اما آنالیت‌ها نمی‌توانند خود را اندازه‌گیری کنند. گروه‌های اکسیژنی و آمینی توانایی هماهنگ‌کردن فلزات انتقالی با استفاده از برهمکنش‌های الکترواستاتیک را دارند. به‌عنوان مثال، پژوهشی در زمینه عاملدارکردن نانولوله‌های کربنی چندجداره با اتیلن‌دی‌آمین توسط تشکیل پیوند آمیدی با گروه‌های کربوکسیل موجود در سطح نانولوله‌های کربنی اکسیدشده انجام گرفته است. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد که این فرآیند، باعث حذف کادمیوم دوظرفیتی از آب می‌شود. همچنین، پوشش‌دهی نانوذرات با پوشش‌های مناسب تأثیر چشم‌گیری روی خواص مختلف آن‌ها می‌گذارد.
عاملدارکردن سطح نانوذرات تأثیر به‌سزایی روی بازده نانوجاذب‌ها داشته و باعث جابهجایی نقطه ایزوالکتریک (Isoelectric Point; IEP) نانوذرات با توجه به pH محلول می‌شود. نقطه‌ای که در آن پتانسیل زتا برابر با صفر می‌شود، نقطه ایزوالکتریک نامیده می‌شود. پتانسیل زتا برای اندازه‌گیری بار سطحی کلوئیدها و نانوذرات پخش‌شده در مایع به‌کار می‌رود. به‌عنوان مثال، هنگامی‌که pH محلول بیشتر از نقطه ایزوالکتریک نانوجاذب‌ها باشد، بار منفی سطح نانوجاذب باعث ایجاد جاذبه الکترواستاتیک شده و جذب کاتیون‌ها را بهبود می‌بخشد.
اکسیداسیون، روش دیگری برای عامل‌دار کردن سطح نانوجاذب‌ها به شمار می‌رود. فرآیندهای متداول مورد استفاده برای اکسیداسیون شامل ریفلاکس اسید نیتریک و استفاده از عوامل اکسیدکننده مانند هیدروژن پراکسید یا پرمنگنات است. این فرآیندها با حذف عیوب باعث افزایش مساحت سطح می‌شود. همچنین، حین این فرآیندها، عیوبی که توانایی ورود به گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن دارند، وارد آن‌ها می‌شوند. به‌عنوان مثال، اکسیداسیون جاذب‌های نانولوله کربنی باعث ورود گروه‌های هیدروکسیل، کربوکسیل و کربونیل به این نانولوله‌ها می‌شود. این گروه‌ها توانایی حفظ و نگهداری فلزات مختلف در pHهای بالاتر از نقطه ایزوالکتریک را دارند.
6- چالش‌های موجود در استفاده از نانوجاذب‌ها
به‌طور کلی، سه چالش اصلی در زمینه استفاده از نانوجاذب‌ها در فرآیند تصفیه آب وجود دارد که شامل موارد زیر است:
*ضرورت استفاده از مواد حامل (Supporting materials)
* جداسازی نانومواد (Separation of nanomaterials)
* بازیابی نانوجاذب‌ها (Regeneration of nanoadsorbents)
1-6- ضرورت استفاده از مواد حامل
بسیاری از نانومواد از سوسپانسیون‌های آبی سنتز شده و به‌شکل پودرهای بسیار ریز هستند. بنابراین، استفاده از این پودرهای ریز در ستون‌های جاذب به‌دلیل رسانایی هیدرولیکی ضعیف آن‌ها مطلوب نیست. همچنین، به‌دلیل اندازه ریز ذرات نانوجاذب‌ها، معمولاً از آن‌ها در ستون‌های بستر ثابت در استفاده نمی‌شود؛ به‌جز در حالاتی که نانوجاذب‌ها یا به‌شکل دانه‌ای باشند، یا روی مواد متخلخل درشت‌تر مانند پلیمر، ماسه، کربن فعال و غیره سوار شوند (توسط آن‌ها حمل شوند). البته، انتخاب یک ماده حامل مناسب یک امر بسیار مهم است. به‌عنوان مثال، برای نانوذرات اکسید فلزی نمی‌توان از بسترهای کروی‌شکل استفاده کرد. پژوهشگران معمولاً از موادی مانند پشم شیشه و بسترهای شیشه‌ای برای کاهش سیلان سریع نانوذرات در ستون‌های جاذب استفاده می‌کنند. البته، استفاده از این مواد فقط در مقطعی از زمان مؤثر بوده و توانایی کاهش سیلان سریع نانوذرات به‌طور دائمی را ندارند. یکی دیگر از مواد حامل مناسب، ژل‌های کامپوزیتی است. این مواد پایداری مکانیکی مناسبی دارند. همچنین، ژل‌های کامپوزیتی دارای ساختاری منحصربه‌فرد شامل حفرات بزرگ بوده و مقاومت آن‌ها در برابر سیلان کم است. از نانوجاذب‌های حمل‌شده با ژل‌های کامپوزیتی برای حذف آرسنیک سه‌ظرفیتی با غلظت بسیار کم استفاده می‌شود.
2-6- جداسازی نانومواد
جداسازی نانوذرات از محلول آبی بستگی به ماهیت آن‌ها دارد. به‌طور کلی، چندین روش برای جداسازی نانوذرات پس از رسیدن به حالت تعادلی حین فرآیند جذب پیشنهاد شده است که از جمله آن‌ها می‌توان روش‌های جداسازی مغناطیسی، فیلتراسیون و سانتریفوژ را نام برد. روش جداسازی مغناطیسی برای جداسازی نانوذرات مغناطیسی با استفاده از جداساز مغناطیسی ستونی که دارای یک ستون از جنس فولاد زنگ‌نزن است، استفاده می‌شود. نانوذرات مغناطیسی حاوی ذراتی مانند آهن، نیکل و کبالت هستند. بیشترین کاربرد این روش برای جداسازی نانوذراتی از جنس آهن است، چراکه آهن از خاصیت مغناطیسی بسیار مطلوبی برخوردار است. از طرف دیگر، برای جداسازی نانولوله‌های کربنی، نانوذرات مگنتیت، نانوذرات اکسیدآهن، آکاژانیت و نانوساختارهای هیبریدی آکاژانیت-سورفکتانت از فرآیند فیلتراسیون با در نظر گرفتن اندازه و نوع غشاها استفاده می‌شود. یک روش مؤثر برای جداسازی ذرات غیرمغناطیسی عبارت از روش جداسازی با سانتریفوژ است. مزایای این روش شامل بازده بالا، قابلیت استفاده برای جداسازی مقادیر زیاد نانوذرات و جلوگیری از تجمع نانوذرات است. امکان جداسازی نانوذرات از آب با استفاده از فرآیند سانتریفوژ با سرعت 50000-20000 دور بر دقیقه وجود دارد. در حالی که از روش‌های جداسازی با میدان مغناطیسی خارجی و فیلتراسیون برای جداسازی نانوذرات از محلول‌های آبی استفاده می‌شود.
3-6- بازیابی نانوجاذب‌ها
برای کاهش هزینه‌ها هنگام استفاده از نانوجاذب‌ها در تصفیه آب، بازیابی مواد جاذب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نانوجاذب‌ها پس از جذب آلاینده‌ها آلوده می‌شوند. برای استفاده مجدد از نانوجاذب و دفع آلاینده‌های جذب‌شده مانند آرسنیک، فرآیند بازیابی و احیای آن‌ها امری ضروری است. اولین هدف بازیابی نانوجاذب، حفظ توانایی جذب نانوجاذب آلوده‌شده است. عامل pH نقش بسیار مهمی در بازیابی نانوجاذب‌ها دارد. از دیدگاه pH، احیای کاتیون‌ها در محیط اسیدی و نیز احیای آنیون‌ها در محیط قلیایی بسیار اندک است. بنابراین، می‌توان با تنظیم pH فرآیند واجذب را به‌آسانی انجام داد. پس از فرآیند احیا، نانوجاذب‌ها قابلیت استفاده مجدد دارند. به‌عنوان مثال، از اسیدکلریدریک برای احیای کوارتز پوشش‌داده‌شده با نانو اکسید آهن استفاده می‌شود. پژوهش‌های انجام‌شده در زمینه احیای نانوجاذب‌های مورد استفاده در حذف آرسنیک از آب نشان می‌دهند که پس از احیای نانوجاذب اکسید دوتایی آهن-مس، تنها حدود 6% از قابلیت جذب آن کاهش می‌یابد.
نتیجه‌گیری
در سال‌های گذشته، از نانوذرات به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد آن‌ها مانند فعالیت شیمیایی، اندازه کوچک‌تر دانه‌ها و قابلیت جذب مناسب، به‌عنوان جاذب استفاده شده است. در این مقاله، به معرفی و بررسی نانوجاذب‌ها، معادلات ایزوترم و سینتیک نانوجاذب‌ها، انواع نانوجاذب‌ها، خواص و مکانیزم جذب در نانوجاذب‌ها و همچنین، چالش‌های موجود در استفاده از نانوجاذب‌ها پرداخته شد. گفته شد که جذب سطحی با استفاده از نانوجاذب‌ها یکی از مؤثرترین و کارآمدترین روش‌های حذف بسیاری از آلاینده‌های موجود در آب به‌شمار می‌روند. ارائه ایزوترم‌های جذب برای بهینه‌سازی مسیرهای جذب ضروری است. در واقع، ایزوترم جذب به‌دلیل تشریح نحوه برهمکنش آلاینده‌ها با مواد جاذب، بیان‌گر خواص سطحی و ظرفیت جاذب‌ها بوده و به طراحی سیستم‌های جذب کمک شایان توجهی می‌کند. درک مکانیزم، خواص سطحی و میزان تمایل نانوجاذب‌ها بستگی به پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و ترمودینامیکی دارد. سه رویکرد اساسی در مدل‌های ایزوترم تعادلی وجود دارد: ملاحظات سینتیکی، ملاحظات ترمودینامیکی و تئوری پتانسیل. مدل‌های سینتیکی حاوی اطلاعاتی درباره مکانیزم جذب و مراحل مؤثر بر کنترل سرعت فرآیند جذب است. این مراحل شامل فرآیندهای انتقال جرم یا واکنش‌های شیمیایی است. مدل‌های سینتیکی شبه درجه اول و شبه درجه دوم متداول‌ترین مدل‌های سینتیکی پیشنهاد‌شده هستند. نانومواد برحسب نقش آن‌ها در فرآیند جذب و همچنین، بسته به خواص ذاتی سطحی و عوامل خارجی به گروه‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شوند. استفاده از روش‌های متنوع عاملدارکردن سطح نانومواد مختلف باعث بهبود فرایند جذب در آن‌ها می‌شود. با ادامه فرآیند عاملدارکردن سطح، از تجمع و آگلومراسیون نانوذرات جلوگیری شده و انتخابپذیری نانوجاذب‌ها افزایش می‌یابد. در نهایت، چالش‌های اصلی استفاده از نانوجاذب‌ها در فرآیند تصفیه آب شامل استفاده از مواد حامل، جداسازی نانومواد و احیای نانوجاذب‌ها مطرح کرد
