کاربرد گرافن در تصفیه آب - ایران گرافن

گرافن در تصفیه آب نقش اساسی با توجه به یافته های علم روز می تواند ایفا کند.

بیش از 2 میلیارد نفر در جهان با بحران آب و مشکلات بهداشتی مرتبط با آب مواجه هستند. آب پاک پایه توسعه اقتصادی هر جامعه است. تصفیه آب باعث تولید آب تمیز می شود. . تصفیه آب باید «آب تمیز» تولید کند که همه آلاینده‌ها را به طور ایمن به زیر حد حداکثر مجاز (MPL)  می رساند.

تصفیه آب چیست؟

تصفیه آب نام جمعی برای گروهی از فرآیندهای عمدتاً صنعتی است که آب را برای کاربرد آن مناسب تر می کند، که ممکن است مصارف شرب، مصارف پزشکی، مصارف صنعتی و غیره باشد. یک فرآیند تصفیه آب برای حذف یا کاهش آلاینده های موجود آب تا جایی طراحی شده است که آب به سطحی برسد که برای استفاده مناسب باشد. فرآیندهای خاص بر اساس استفاده مورد نظر تنظیم می شوند؛ برای مثال، تصفیه آب خاکستری (از حمام، ماشین ظرفشویی و غیره) به اقدامات متفاوتی نسبت به تصفیه آب سیاه (از توالت) نیاز دارد.گرافن نیز به تازگی در تصفیه آب به کار گرفته می شود که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

انواع تصفیه آب

تمام تصفیه های آب شامل حذف مواد جامد (معمولاً با فیلتراسیون و ته نشینی)، باکتری ها، جلبک ها و ترکیبات معدنی است. آب مصرف شده را می توان از طریق تصفیه های مختلف به آب قابل قبول برای محیط زیست یا حتی آب آشامیدنی تبدیل کرد.

تصفیه آب تقریباً به صنعتی و خانگی/شهری تقسیم می شود. تصفیه آب صنعتی شامل تصفیه آب دیگ بخار (حذف یا اصلاح شیمیایی موادی که به بویلرها آسیب می رساند)، تصفیه آب خنک کننده (به حداقل رساندن آسیب به برج های خنک کننده صنعتی) و تصفیه فاضلاب (هم از مصارف صنعتی و هم از فاضلاب) می باشد. تصفیه فاضلاب فرآیندی است که اکثر آلاینده ها را از فاضلاب یا پساب حذف می کند و مایعی را تولید می کند که می تواند در محیط طبیعی و لجن (زباله نیمه جامد) دفع شود.

گرافن در تصفیه آب

آب منبعی ارزشمند است و استفاده هوشمندانه و نگهداری منابع آب یکی از مهم ترین و حیاتی ترین چالش های پیش روی بشر است. فن آوری های جدید به طور مداوم به دنبال کاهش هزینه و ردپای فرآیندهایی هستند که از منابع آب استفاده می کنند، زیرا آب آشامیدنی (و همچنین آب برای کشاورزی و صنعت) همیشه در تقاضای بسیار شدید است. تحقیقات زیادی بر روی گرافن برای مصارف مختلف تصفیه آب متمرکز شده است و فناوری نانو نیز پتانسیل زیادی برای از بین بردن باکتری ها و سایر آلاینده ها دارد.

در میان صفات قابل توجه گرافن، آب گریزی آن احتمالاً یکی از مفیدترین صفات برای تصفیه آب است. گرافن به طور طبیعی آب را دفع می کند، اما هنگامی که منافذ باریکی در آن ایجاد می شود، نفوذ سریع آب امکان پذیر می شود. این جرقه ایده هایی در مورد استفاده از گرافن در تصفیه آب و نمک زدایی ایجاد کرده است، به ویژه زمانی که فناوری ساخت این ریز منافذ به دست آمد.

ورقه‌های گرافن (سوراخ‌شده با سوراخ‌های مینیاتوری) به عنوان روشی برای تصفیه آب مورد مطالعه قرار می‌گیرند، زیرا می‌توانند به مولکول‌های آب اجازه عبور دهند اما عبور آلاینده‌ها و مواد را مسدود می‌کنند. وزن و اندازه کوچک گرافن می تواند به ساخت یک نسل سبک وزن، کم مصرف و سازگار با محیط زیست از فیلترهای آب و آب شیرین کن ها کمک کند.

منافذ ریز ایجاد شده زمانی که خشک می شوند، در برابر خلاء ایمن هستند؛ اما وقتی در آب غوطه ور می شوند مانند غربال های مولکولی عمل می کنند. این منافذ می تواند تمام ذرات داخل محلول را که شعاع (یک بار هیدراته) بیش از 4.5 آنگستروم دارند را مسدود کنند. همچنین فیلتر گرافنی تصفیه آب و نمک زدایی را هزاران بار سریع تر از آنچه برای انتشار ساده انتظار می رود انجام می دهد.

سیستم‌های پیشرفته تصفیه آب با استفاده از گرافن برای حذف آلاینده‌های بسیار خطرناک که با فناوری‌های قبلی به‌طور مؤثری حذف نمی‌شوند، توسعه داده می‌شوند. ویژگی‌هایی که گرافن را برای تصفیه‌های آب منحصربه‌فرد می‌سازد عبارتند از: مساحت سطح بزرگ، سمیت سلولی کم یا بدون سمیت سلولی، الکترون‌های بزرگ غیر محلی و خواص شیمیایی قابل تنظیم. نکته مهم این است که گرافن را می توان به راحتی با حداقل تغییرات شیمیایی برای این منظور مورد استفاده مجدد قرار داد.

مواد مبتنی بر گرافن از گرافن، اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده تشکیل شده‌اند که همگی خانواده گرافن را تشکیل می‌دهند و ساختار مشابهی دارند اما عمدتاً در ناحیه sp2 و گروه‌های سطحی متفاوت هستند. ظرفیت جذب این مواد بیشتر از مواد سنتی مانند کربن فعال و رزین ها و همچنین نانولوله های کربنی است. گرافن دارای “ضخامت بسیار نازک برای حفظ راندمان شار بالا، استحکام مکانیکی بالا برای مقاومت در برابر فشارهای بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی بالا، امکان طراحی و ساخت غشا” عوامل بالقوه در فرآیند تصفیه آب است.

کشف شده است که غشاهای نازک ساخته شده از اکسید گرافن به همه گازها و بخارها، علاوه بر آب، نفوذناپذیر هستند، و تحقیقات بیشتر نشان داده است که می توان یک توری دقیق ساخت تا امکان جداسازی فوق سریع گونه های اتمی را که از نظر اندازه بسیار مشابه هستند، فراهم کرد. فیلترینگ کارآمد این امر، امکان استفاده از آب دریا به عنوان منبع آب آشامیدنی را به روشی سریع و نسبتا ساده فراهم می کند.

استفاده از گرافن در نمک زدایی آب دریا

استفاده از گرافن در نمک زدایی آب از طریق تقطیر غشایی با نرخ دفع نمک بالا، با ظرفیت حذف آلاینده های مختلف و با قابلیت ضد رسوب مطالعه شده است. در اینجا، آب توسط «نانوکانال‌هایی از دانه‌های گرافن چندلایه، ناهماهنگ و تا حدی همپوشانی شده» نفوذ می‌کند. مطالعات شبیه‌سازی اخیر نشان می‌دهد که این نانو کانال‌ها بین دانه‌های ناهماهنگ به عنوان یک مسیر نفوذ آب موثر عمل می‌کنند. در مقایسه با غشاهای تجاری، غشاهای گرافن دارای شار احتباس بخار آب، نرخ دفع نمک بالا و قابلیت ضد رسوب هستند که برای مشکلات تصفیه آب در فرآیند نمک‌زدایی ضروری است.

در حالی که احتمالات بسیار جالبی برای روش های فیلتراسیون مبتنی بر گرافن برای ورود به بازار مصرف در سال های آینده وجود دارد، این فناوری هنوز آماده نیست. گرافن ماده امیدوارکننده ای برای استفاده در تصفیه آب در سراسر جهان برای برآوردن نیازهای آب است. چالش محدود کننده استفاده از گرافن در مقیاس بزرگ، در نظر گرفتن کارایی هزینه و نیاز به روش های سازگار با محیط زیست است.

منبع:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/nr/c6nr04508a

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/en/c8en00194d