حذف آلاینده‌های روغنی و نفتی از آب با استفاده از نانوغشاها

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، محمدرضا شکیبا از دانش آموختگان دکترای این دانشگاه و مجری طرح، کمبود آب را یکی از بحران‌های بزرگی جهان دانست به گونه‌ای که تخمین زده می‌شود ۸ میلیارد نفر تا سال ۲۰۵۰ از کمبود آب رنج خواهند برد.

وی با بیان این‌که بسیاری از منابع آب آشامیدنی هر روز در کشورهای در حال توسعه و پرجمعیت با آلاینده‌های مضر آلوده می‌شوند، افزود: یکی از حیاتی‌ترین مسائل زیست محیطی جهانی، آلودگی نفتی ناشی از صنایع پتروشیمی، چرم، نساجی، و صنایع غذایی، پرداخت فولاد و فلزات و همچنین نشت بی‌شمار نفت در حین اکتشاف یا حمل و نقل نفت در زیر دریا است. این آلودگی علاوه بر تأثیر مرگبار بر اکوسیستم و سلامت مردم، منجر به خسارات اقتصادی قابل توجه و افزایش تقاضای انرژی شده است.

شکیبا ترکیبات آلی موجود در فاضلاب نفتی بر اساس ساختار شیمیایی به چهار دسته «آلیفاتیک»، «آروماتیک»، «آسفالتین» و ترکیبات حاوی عناصر نیتروژن، گوگرد و اکسیژن تقسیم بندی کرد و ادامه داد: اکثر هیدروکربن‌های نفتی (PHC) در پساب‌های نفتی، تا ۷۵ درصد دارای هیدروکربن‌های آلیفاتیک و آروماتیک هستند و هنگامی که فاضلاب نفتی با سطوح قابل توجهی از مواد آلی در آب تخلیه شود، باعث می‌شود میکروارگانیسم‌ها مقدار زیادی اکسیژن مصرف کنند که در نهایت منجر به مرگ آن‌ها می‌شود.

این محقق اضافه کرد: بنابراین، تقاضای زیادی برای مواد و روش‌های کاربردی جدید کارآمد و کم‌هزینه برای جمع‌آوری و حذف مقادیر قابل توجهی از مولکول‌های آلی از فاضلاب، به‌ویژه در حضور سورفکتانت‌ها وجود دارد. روش‌های مختلفی برای تصفیه پساب‌های نفتی وجود دارد که از جمله آن می‌توان به روش‌های جداسازی ثقلی، جداسازی ادغام، شناورسازی هوای محلول، تصفیه بیولوژیکی، تصفیه شیمیایی، فرآیند غشایی و انعقاد الکتریکی اشاره کرد.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر خاطر نشان کرد: جداسازی با استفاده از مواد با تمایل انتخابی نفت یا آب یک زمینه تحقیقاتی نسبتاً جدید و جذاب در تصفیه فاضلاب نفتی است و فرآیندهای غشایی کارآمدترین روش برای استفاده از مواد با ترشوندگی انتخابی در تصفیه فاضلاب روغنی به دلیل اثربخشی جداسازی استثنایی و روش عملیاتی نسبتاً ساده است.

وی فرآیندهای غشایی را به دلیل راندمان بالا، بهره برداری آسان، هزینه کم و افزایش مقیاس آسان برای تصفیه فاضلاب‌های نفتی را روشی محبوب در میان سایر روش‌ها دانست و یادآور شد: نوع جدیدی از غشاء به نام غشاهای نانوالیافی الکتروریسی شده برای تصفیه آب‌های آلوده با موفقیت توسعه یافته است؛ چرا که این غشاها از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی استثنایی برخوردارند.

استفاده از غشای الکتروریسی برای حذف انتخابی آلاینده‌های خاص

شکیبا اضافه کرد: علاوه بر این، خواص غشای الکتروریسی شده را می‌توان برای حذف انتخابی آلاینده‌های خاص از آب تنظیم و آنها را به یک راه حل همه کاره برای تصفیه آب تبدیل کرد. این غشاها نسبت سطح به حجم و تخلخل بالایی دارند که آن‌ها را برای تصفیه آب آلوده به روش‌های مختلف از جمله فیلتراسیون، جذب و واکنش‌های شیمیایی کاربردی می‌کند.

به گفته وی؛ «الکتروریسی» مؤثرترین روش برای تولید نانوالیاف از طیف وسیعی از پلیمرها با مورفولوژی قابل کنترل است و در میان پلیمرهای معمولی، پلی اکریلونیتریل (PAN) به دلیل پایداری حرارتی، خواص مکانیکی عالی، پایداری شیمیایی، گروه‌های عاملی قابل تغییر و الکتروریسی آسان با هزینه مناسب، رایج‌ترین نوع برای تولید غشاهای نانوالیافی الکتروریسی شده برای تصفیه آب است.

وی در خصوص فرآیند اجرای این طرح توضیح داد: در میان روش‌های مختلف تصفیه آب، فناوری فیلتراسیون غشایی به دلیل ویژگی‌های متعدد آن از جمله مصرف انرژی کم، سهولت کار، نیاز به فضای کم، راندمان حذف بالا و هزینه‌های عملیاتی کمتر، به تدریج توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. فیلتراسیون غشایی بر اساس اندازه منافذ غشا و اندازه ذرات، آلاینده‌ها را از آب جدا می‌کند. آلاینده از یک طرف غشا و محلول خالص شده از طرف دیگر آن خارج می‌شود. در مکانیسم فیلتراسیون، غشاها به عنوان مانعی بین دو فاز در فرآیند فیلتر کردن عمل می‌کنند و به مواد شیمیایی اجازه می‌دهند به طور انتخابی از یک طرف به طرف دیگر منتقل شوند.

این محقق اظهار کرد: در طول فیلتراسیون، شار آب و سرعت دفع آلاینده تا حد زیادی تحت تأثیر ترشوندگی سطح غشا قرار می‌گیرد که شامل سطوح آبگریز، آب دوست و هوشمند با ترشوندگی متغیر است و غشاهای الکتروریسی شده با خواص انتخابی فوق آبدوست یا آب گریز می‌توانند با تغییر ساختار هندسی و شیمیایی سطح غشا تولید شوند. این امر نانوالیاف الکتروریسی شده را به غشایی مناسب برای جداسازی آلاینده‌های آلی از آب تبدیل کرده است. غشاهای الکتروریسی شده به عنوان فیلترهای فیزیکی برای حذف ذرات از آب عمل می‌کنند که در آن اندازه کوچک الیاف در غشاهای الکتروریسی شده می‌تواند ذرات را به دام انداخته و از عبور آنها جلوگیری کند.

وی با بیان اینکه پلی آنیلین (PANI)، به عنوان یک پلیمر کم هزینه، رسانا، در دسترس، آسان برای سنتز با گروه‌های عاملی مختلف، می‌تواند کاندید مناسبی برای تهیه غشاهای کامپوزیتی برای حذف آلاینده‌های آب باشد، گفت: در این پژوهش با پوشش دهی نانوالیاف PAN با PANI با پلیمریزاسیون درجا آنیلین تحت امواج اولتراسونیک غشایی با کارایی بالا در جداسازی مؤثر امولسیون آب/نفت تهیه شد.

شکیبا ادامه داد: بر اساس مطالعات صورت گرفته نانوالیاف و ذرات کروی، PANI قابلیت ایجاد خاصیت فوق چربی گریزی زیر آب و فوق آبگریزی در زیر روغن را دارد که برای جداسازی هوشمند امولسیون‌های روغن در آب و آب در روغن مناسب است و نتایج نشان داد PANI دارای ساختاری سخت و خواص مشابه مواد معدنی است لذا هنگام پوشش‌دهی در ابعاد نانو سطحی زبر ایجاد می‌کند.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر با اشاره به کاربردهای نتایج این تحقیق افزود: صنایعی چون پتروشیمی، آب و فاضلاب، صنایع غذایی، دارویی، نفت و گاز، خودرو سازی و الکترونیکی می‌توانند از مزایای این دستاورد بهره‌مند شوند.

طرح «ساخت غشای کامپوزیتی نانولیفی پلیاکریلونیتریل اصلاح شده جهت تصفیه پساب‌های نفتی» با راهنمایی دکتر مجید عبدوس و دکتر سعیده مزینانی از اعضا هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر اجرا شد و نتایج حاصل از این طرح در قالب مقاله‌ای در مجله معتبر Separation and Purification Technology منتشر شده است.