موفقیت محققان ایرانی برای تصفیه پساب های صنعتی پیچیده
بازار پرواز: محققان ایرانی با همکاری پژوهشگران چینی با استفاده 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 بازار پرواز به نقل از مهر، این غشاهای نوین که بر پایه پلی وینیل کلراید و با بهره گیری 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 ارتقاء 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 هم عرضه کنند. این موفقیت می تواند گامی مؤثر در توسعه سامانه 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، بخصوص رنگ های صنعتی، و همین طور 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 جهت بهبود کارآیی سیستم های تصفیه آب برداشته اند؛ غشایی که هم زمان توان حذف آلاینده های شیمیایی و مواجهه 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 کارآیی محدود در حذف برخی آلاینده های محلول مواجه اند. در این بین، فناوری غشاهای اولترافیلتراسیون به سبب سادگی، مصرف انرژی کمتر و عملکرد مناسب، مورد توجه قرار گرفته است. با این وجود، این غشاها هم با چالش هایی نظیر گرفتگی (fouling)، کاهش شار عبوری و نبود خاصیت ضدباکتریایی ذاتی مواجه هستند. همین محدودیت ها، ضرورت توسعه نسل جدیدی از غشاهای چندمنظوره را برجسته کرده است.
در پژوهش حاضر، پژوهشگران با تأکید بر بهبود عملکرد غشاهای پلیمری، مبادرت به طراحی غشاهای اولترافیلتراسیون بر پایه پلی وینیل کلراید (PVC) کرده اند که با بهره گیری 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 سبب سطح ویژه بالا، تخلخل قابل تنظیم و قابلیت اصلاح شیمیایی، بعنوان 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 بوسیله 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 شیوه های 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 افزایش پیدا کرده 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 حالیکه 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 کارآیی با گذشت 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 تحقیق 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 سامانه های تصفیه آب کارآمدتر و پایدارتر، بخصوص در رویارویی با پساب های صنعتی پیچیده، پیش روی پژوهشگران قرار می دهد.
برای دریافت مقاله مربوط به این پروژه، اینجا را ببینید حرف آخر اینکه 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. 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.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب