موفقیت محققان ایرانی برای تصفیه پساب های صنعتی پیچیده
بست روید: محققان ایرانی با همکاری پژوهشگران چینی با سودجستن از فناوری نانو و مهندسی غشا، موفق به توسعه نوعی غشای اولترافیلتراسیون شده اند که می تواند آلاینده های شیمیایی و میکروبی را از آب حذف کند.
به گزارش بست روید به نقل از مهر، این غشاهای نوین که بر پایه پلی وینیل کلراید و با استفاده از نانوساختارهای فلزی-آلی اصلاح شده با گروههای آمینی طراحی شده اند، عملکرد بهتری نسبت به نمونه های متداول از خود نشان داده اند. افزایش چشم گیر تخلخل، بهبود آب دوستی و پیشرفت شار عبوری آب همچون خصوصیت های کلیدی این فناوری است. علاوه بر این، غشاهای جدید توانسته اند در حذف ترکیباتی مانند اسید هیومیک و رنگ های صنعتی عملکرد قابل قبولی داشته باشند و هم زمان خاصیت ضدباکتریایی نیز عرضه کنند. این موفقیت می تواند گامی مؤثر در توسعه سیستم های تصفیه آب کارآمد، کم هزینه و پایدار به شمار رود.
دسترسی به آب سالم، برعکس تصور ساده اش، یکی از پیچیده ترین چالش های قرن حاضر است. ورود آلاینده های آلی، خصوصاً رنگ های صنعتی، و همینطور حضور باکتری های بیماری زا در منابع آبی، کیفیت آب را به شدت تهدید می کند. در چنین شرایطی، محققان دانشگاه دامغان با توسعه نوعی غشای پیشرفته، گامی مهم در راستای بهبود کارآمدی سیستم های تصفیه آب برداشته اند؛ غشایی که هم زمان توان حذف آلاینده های شیمیایی و رویارویی با آلودگی های میکروبی را دارد.
روش های متداول تصفیه آب، بااینکه در خیلی از موارد کارآمد هستند، اما اغلب با محدودیت هایی مانند مصرف انرژی بالا، هزینه های عملیاتی قابل توجه و کارآمدی محدود در حذف برخی آلاینده های محلول مواجه اند. در این بین، فناوری غشاهای اولترافیلتراسیون به علت سادگی، مصرف انرژی کمتر و عملکرد مناسب، مورد توجه قرار گرفته است. با این وجود، این غشاها نیز با چالش هایی نظیر گرفتگی (fouling)، کاهش شار عبوری و نبود خاصیت ضدباکتریایی ذاتی رو به رو هستند. همین محدودیت ها، ضرورت توسعه نسل جدیدی از غشاهای چندمنظوره را برجسته کرده است.
در پژوهش حاضر، محققان با تأکید بر بهبود عملکرد غشاهای پلیمری، مبادرت به طراحی غشاهای اولترافیلتراسیون بر پایه پلی وینیل کلراید (PVC) کرده اند که با استفاده از نانوساختارهای پیشرفته تقویت شده اند. بخش کلیدی و نانویی این مطالعه، استفاده از چارچوب های فلزی-آلی یا همان MOFها است؛ ساختارهایی در مقیاس نانو که به علت سطح ویژه بالا، تخلخل قابل تنظیم و قابلیت اصلاح شیمیایی، به عنوان یکی از امیدبخش ترین مواد در عرصه تصفیه آب شناخته می شوند.
در این مطالعه، از نوعی MOF معروف به MIL-۱۰۱ که با گروههای عاملی آمینی (–NH₂) اصلاح شده، استفاده شده است. این نانوساختارها درون ماتریس پلیمری PVC و از راه روش «وارونگی فاز» پراکنده شده اند تا غشاهایی معروف به «غشاهای ماتریس آمیخته» (Mixed-Matrix Membranes) ایجاد شود. حضور این نانوذرات، نقش تعیین کننده ای در بهبود خصوصیت های فیزیکی و شیمیایی غشا ایفا می کند.
برای بررسی ساختار و عملکرد این غشاها، از مجموعه ای از روشهای آنالیزی پیشرفته شامل طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و اندازه گیری زاویه تماس استفاده شده است. نتایج این آزمون ها نشان داده است که افزودن MOFهای آمین دار، موجب افزایش قابل توجه آب دوستی (هیدروفیلیسیته) غشا، بهبود تخلخل و افزایش ظرفیت جذب آب شده است.
به طور مشخص، میزان تخلخل غشاها تا حدود ۸۵ درصد و جذب آب تا نزدیک ۸۰ درصد بالا رفته است. این بهبود ساختاری، تاثیر مستقیمی بر عملکرد غشا داشته و باعث افزایش شار عبوری آب شده است. در بهترین نمونه ها، یعنی غشاهای M۲ مبتنی بر کروم و آلومینیوم، شار عبوری آب خالص به حدود ۵۳۴ و ۵۲۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت رسیده است؛ در صورتیکه این مقدار برای غشای PVC خالص تنها حدود ۲۷۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت گزارش شده است. این افزایش چشم گیر، نشان دهنده نقش مؤثر نانوساختارهای MOF در بهینه سازی عملکرد غشا است.
از منظر حذف آلاینده ها نیز، این غشاها عملکرد قابل قبولی از خود نشان داده اند. نتایج نشان داده است که این سامانه قادر می باشد حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد اسید هیومیک (به عنوان نماینده مواد آلی طبیعی)، حدود ۲۹ درصد رنگ متیل اورنج و نزدیک به ۴۷ درصد متیلن بلو را حذف کند. این عملکرد، ناشی از ترکیب دو مکانیسم اصلی یعنی غربالگری اندازه ای (size exclusion) و برهم کنش های الکترواستاتیکی میان غشا و آلاینده ها است.
یکی دیگر از چالش های مهم در غشاهای تصفیه آب، پدیده گرفتگی و کاهش کارآمدی در طی زمان است. در این مطالعه، غشاهای اصلاح شده با MOF توانسته اند مقاومت بهتری در مقابل گرفتگی نشان دهند. نسبت بازیابی شار (FRR) در این غشاها به حدود ۵۱ تا ۵۲ درصد رسیده که نشان دهنده قابلیت تمیزشوندگی بهتر و افزایش طول عمر عملکردی آنها نسبت به غشاهای معمولی است.
از جنبه زیستی نیز، این غشاها عملکرد قابل توجهی داشته اند. آزمون های آنتی باکتریال نشان داده است که غشاهای حاوی MIL-۱۰۱–NH₂ بر پایه آلومینیوم، طیف وسیع تری از فعالیت ضدباکتریایی را در مقابل باکتری های گرم مثبت و گرم منفی همچون E. coli، S. aureus و S. enteritidis نشان می دهند. در مقابل، نمونه های مبتنی بر کروم، اثر انتخابی تری داشته و به طور عمده بر برخی گونه ها مانند E. coli و B. subtilis مؤثر بوده اند. این تفاوت عملکرد، به خصوصیت های شیمیایی سطح، حضور سایت های فعال و نحوه آزادسازی یون های فلزی در محیط مرتبط دانسته می شود.
با این حال، محققان تاکید می کنند که افزایش بیش از اندازه میزان نانوذرات MOF می تواند به تجمع ذرات و ایجاد نقص در ساختار غشا منجر شود که در نهایت عملکرد را می کاهد. بنابراین، کنترل دقیق میزان و نحوه پراکندگی این نانوساختارها در ماتریس پلیمری، از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.
در مجموع، این مطالعه نشان داده است که ترکیب پلیمرهای متداول با نانوساختارهای پیشرفته MOF می تواند به تولید غشاهایی با عملکرد چندمنظوره، شامل نفوذپذیری بالا، گزینش پذیری مناسب و خاصیت ضدباکتریایی منجر شود. این موفقیت، مسیر جدیدی را برای توسعه سیستم های تصفیه آب کارآمدتر و پایدارتر، خصوصاً در رویارویی با پساب های صنعتی پیچیده، پیش روی محققان قرار می دهد.
برای دریافت مقاله مربوط به این پروژه، اینجا را ببینید
بطور خلاصه با این حال، این غشاها نیز با چالش هایی نظیر گرفتگی (fouling)، کاهش شار عبوری و نبود خاصیت ضدباکتریایی ذاتی روبه رو هستند. در بهترین نمونه ها، یعنی غشاهای M۲ مبتنی بر کروم و آلومینیوم، شار عبوری آب خالص به حدود ۵۳۴ و ۵۲۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت رسیده است؛ در صورتی که این مقدار برای غشای PVC خالص تنها حدود ۲۷۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت گزارش شده است. نتایج نشان داده است که این سامانه قادر می باشد حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد اسید هیومیک (به عنوان نماینده مواد آلی طبیعی)، حدود ۲۹ درصد رنگ متیل اورنج و نزدیک به ۴۷ درصد متیلن بلو را حذف کند.
منبع: بست روید
این مطلب بست روید چطور بود؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات کاربران در مورد این مطلب بست روید
لطفا شما هم در مورد این مطلب نظر دهید