نانو‌فناوری در پاکسازی محیط‌زیست: از مواد هوشمند تا آب، هوا و خاک پاک‌تر

۳.۱ نانومواد جاذب برای حذف آلاینده‌ها

یکی از راهبردهای اصلی، طراحی «اسفنج‌های نانومقیاس» است که بتوانند انواع مواد ناخواسته را از آب بیرون بکشند. نمونه‌های رایج شامل نانومواد کربنی، نانومواد آهن‌پایه و نانو‌رسی‌ها است.

• نانومواد کربنی: نانولوله‌های کربنی (CNTs) و گرافن اکسید سطح ویژه بسیار بالایی دارند و می‌توانند رنگ‌های آلی، داروها و حتی برخی فلزات سنگین را جذب کنند. با افزودن گروه‌های اکسیژنی، نیتروژنی یا گوگردی به سطح، می‌توان انتخاب‌پذیری آن‌ها را برای آلاینده‌های خاص افزایش داد.
• نانومواد آهن‌پایه: نانوآهن، به‌ویژه آهن صفرظرفیتی نانومقیاس (nZVI) و نانوذرات اکسید آهن، می‌توانند فلزاتی مانند آرسنیک و کروم را از طریق ترکیبی از جذب سطحی و واکنش‌های کاهش–اکسایش حذف کنند و گاهی آن‌ها را به شکل‌های کم‌خطرتر تبدیل کنند.
• نانو‌رسی‌ها و سایر نانوجاذب‌ها: لایه‌های نانو‌رس می‌توانند آلاینده‌ها را بین لایه‌های خود «درج» کنند. نسخه‌های اصلاح‌شده آن‌ها می‌توانند هدفمندتر عمل کرده و مثلاً سرب یا کادمیم را با کارایی بیشتر جذب کنند.

برای آلاینده‌های ماندگار مانند PFAS، پژوهشگران در حال توسعه نانوموادی با سطح دوستدار فلوئور یا سامانه‌های هیبریدی هستند که جذب و تجزیه کاتالیستی را ترکیب می‌کنند. پرسش مهم عملی این است که آیا می‌توان نانومواد جاذب را پس از اشباع، احیا و دوباره استفاده کرد یا خود آن‌ها به زباله‌ای جدید تبدیل می‌شوند. احیای این مواد با تغییر pH، گرما یا شست‌وشو با حلال امکان‌پذیر است، اما یافتن نقطه بهینه بین کارایی، هزینه و ایمنی همچنان موضوع داغ پژوهشی است.

۳.۲ نانو‌فیلتراسیون و غشاهای پیشرفته

تصفیه مبتنی بر غشا، از اسمز معکوس برای شیرین‌سازی آب دریا گرفته تا نانو‌فیلتراسیون برای تصفیه فاضلاب، کاربرد گسترده‌ای دارد؛ اما چالش‌هایی مانند «فولینگ» یا گرفتگی غشا و نیاز به فشار و انرژی بالا همیشه مطرح است. نانو‌فناوری از دو جهت به این حوزه کمک می‌کند: تقویت غشاهای موجود و ساخت غشاهای تازه با منافذ نانومقیاس.

در غشاهای نانوکامپوزیتی، پلیمرهای رایج غشایی با نانوذراتی مانند TiO2، نقره، سیلیکا یا مشتقات گرافن ترکیب می‌شوند. این افزودنی‌ها می‌توانند شار آب (نفوذپذیری)، گزینش‌پذیری برای نمک‌ها یا آلاینده‌ها و مقاومت در برابر فولینگ را بهبود دهند. سطح غشا می‌تواند صاف‌تر، آب‌دوست‌تر یا حتی ضدمیکروبی شود.

در کنار آن، تلاش‌ها به سمت غشاهایی با منافذ و کانال‌های نانومقیاس پیش می‌رود که فقط اجازه عبور مولکول‌های آب را می‌دهند و برای یون‌ها یا مولکول‌های بزرگ‌تر سد محسوب می‌شوند. غشاهای مبتنی بر گرافن با منافذ کنترل‌شده نمونه‌ای مشهور از این دسته هستند. در شیرین‌سازی و بازیافت آب، هدف بلندمدت این است که انرژی لازم برای عبور آب کاهش یابد و غشاها دیرتر دچار گرفتگی و فرسودگی شوند.

۳.۳ فرایندهای فوتوکاتالیستی و اکسایش پیشرفته

به‌جای آنکه فقط آلاینده‌ها را روی سطح یک ماده به دام بیندازیم، می‌توان آن‌ها را کاملاً تجزیه کرد. این دقیقاً کاری است که نانومواد فوتوکاتالیست انجام می‌دهند. موادی مانند TiO2، ZnO و g-C3N4 می‌توانند نور را جذب کرده و گونه‌های بسیار واکنش‌پذیری مانند رادیکال‌های هیدروکسیل تولید کنند. این رادیکال‌ها به رنگ‌ها، آفت‌کش‌ها و باقی‌مانده داروها حمله کرده و آن‌ها را به مولکول‌های کوچک‌تر و کم‌خطرتر، و در حالت آرمانی به CO2 و آب، تبدیل می‌کنند.

مزیت این فرایند آن است که می‌تواند نور‌محور باشد؛ یعنی به‌جای انرژی الکتریکی زیاد، از نور خورشید یا منابع نوری ساده استفاده کند. هرچند نور فرابنفش بسیار مؤثر است، اما تلاش‌ها روی تنظیم مواد برای استفاده از نور مرئی و در نهایت نور خورشید متمرکز است. طراحی راکتور هم اهمیت دارد: در سامانه‌های دوغابی، نانوذرات درون آب معلق‌اند و تماس خوبی با آلاینده‌ها دارند، اما جداسازی آن‌ها از آب در انتها دشوارتر است؛ در سامانه‌های تثبیت‌شده، نانوذرات روی بستری ثابت سوار می‌شوند و جداسازی ساده‌تر می‌شود، هرچند بازده تماس ممکن است پایین‌تر بیاید.

این راهکارها به‌ویژه در مناطق دورافتاده یا خارج از شبکه که دسترسی به زیرساخت پیچیده تصفیه محدود است، وقتی با نور خورشید ترکیب می‌شوند، جذابیت زیادی پیدا می‌کنند.

۳.۴ نانومواد ضدمیکروبی برای گندزدایی

گندزدایی متداول آب معمولاً بر مواد شیمیایی‌ای مانند کلر یا ازن تکیه دارد که خود می‌توانند محصولات جانبی نامطلوبی ایجاد کنند. نانومواد ضدمیکروبی گزینه‌ها و مکمل‌های جدیدی برای از بین بردن پاتوژن‌ها در آب ارائه می‌دهند.

• نانوذرات نقره: یون‌های نقره با غشای سلولی و پروتئین‌های میکروارگانیسم‌ها برهم‌کنش کرده و فرایندهای حیاتی آن‌ها را مختل می‌کنند. نانوذرات نقره این یون‌ها را به‌تدریج آزاد می‌کنند.
• نانوذرات و اکسیدهای مس: مس می‌تواند به غشا و DNA میکروب‌ها آسیب بزند و طیف وسیعی از میکروارگانیسم‌ها را غیرفعال کند.
• نانومواد مبتنی بر کیتوسان: کیتوسان که از کیتین (مثلاً از پوسته سخت‌پوستان) به‌دست می‌آید، می‌تواند نانوذراتی بسازد که هم آلاینده‌ها را جذب می‌کنند و هم خاصیت ضدمیکروبی دارند.

با این حال، نگرانی‌هایی نیز وجود دارد. اگر نانوذرات از سامانه جدا شوند و وارد محیط شوند، ممکن است نه‌تنها میکروب‌های مضر، بلکه میکروارگانیسم‌های مفید را نیز تحت تأثیر قرار دهند. همچنین در صورت مواجهه طولانی‌مدت میکروب‌ها با دوزهای کم، خطر بروز مقاومت نیز مطرح است. بنابراین کنترل دوز، تثبیت نانوذرات روی بسترهای پایدار و ارزیابی دقیق ریسک برای استفاده ایمن ضروری است.

۴.۱ نانو‌الیاف و فیلترهای نانو‌متخلخل

ذرات ریز معلق مانند PM2.5 و حتی PM0.3 می‌توانند به عمق ریه نفوذ کرده و حتی وارد جریان خون شوند. نانو‌الیاف الکتروریسی‌شده که با اعمال ولتاژ بالا از محلول پلیمری تولید می‌شوند، برای به دام انداختن این ذرات بسیار مناسب‌اند.

این الیاف، توری‌ای متراکم ولی نسبتاً قابل‌تنفس تشکیل می‌دهند. قطر بسیار کم آن‌ها سبب می‌شود مسیر پیچیده‌ای برای عبور هوا شکل بگیرد که ذرات را با کارایی بالا به دام می‌اندازد، بدون آنکه افت فشار شدید و مشکل تنفس ایجاد کند. این مواد در برخی ماسک‌های پیشرفته و فیلترهای کارآمد برای سامانه‌های تهویه مطبوع و تصفیه‌کننده‌های هوا به کار می‌روند.

برای ترکیبات آلی فرّار (VOCs) و بوهای نامطلوب، نانومواد کربنی متخلخل و سایر نانوجاذب‌ها می‌توانند مولکول‌های گازی را در حفره‌های خود به دام انداخته و به پاکسازی هوای داخل ساختمان‌ها، وسایل نقلیه و محیط‌های کاری کمک کنند.

۴.۲ تصفیه فوتوکاتالیستی هوا

همان فوتوکاتالیست‌هایی که برای تصفیه آب استفاده می‌شوند، می‌توانند در تصفیه هوا نیز به کار روند. پوشش‌های مبتنی بر TiO2 را می‌توان روی نمای ساختمان‌ها، سقف‌ها، دیواره‌های کنار جاده، تونل‌ها و حتی سطوح داخلی اعمال کرد.

این پوشش‌ها هنگام تابش نور – معمولاً نور فرابنفش خورشید یا لامپ‌های خاص – می‌توانند ترکیبات آلی فرّار آزادشده از رنگ‌ها، مبلمان و مواد شوینده را تجزیه کرده و غلظت NOx را در نزدیکی ترافیک کاهش دهند. به این ترتیب سطوحی شبه‌«خودتمیزشونده» ایجاد می‌کنند که به‌طور پیوسته با آلاینده‌ها واکنش می‌دهند.

عملکرد واقعی این پوشش‌ها به شدت و طیف نور، رطوبت و حضور سایر آلاینده‌ها وابسته است. پرسش دیگر این است که پوشش تا چه مدت فعال باقی می‌ماند: آیا با گرد و غبار پوشانده می‌شود یا به‌مرور تخریب می‌گردد؟ بهبود دوام و کارایی در شرایط واقعی، یکی از محورهای اصلی پژوهش در این حوزه است.

۴.۳ نانومواد کاتالیستی برای کنترل آلاینده‌های خروجی

اگر با خودروی بنزینی یا دیزلی رفت‌وآمد می‌کنید، همین حالا هم از نانو‌فناوری بهره می‌برید: در مبدل‌های کاتالیستی اگزوز از نانو‌ذرات فلزات گران‌بهایی مانند پلاتین، پالادیم و رودیم روی بستری متخلخل استفاده می‌شود.

این نانوکاتالیست‌ها منوکسید کربن (CO) را به CO2 تبدیل می‌کنند، هیدروکربن‌های نسوخته را به CO2 و آب می‌سوزانند و اکسیدهای نیتروژن (NOx) را به نیتروژن گازی تبدیل می‌کنند. در موتورهای دیزلی و برخی سامانه‌های صنعتی، نانوسریا (CeO2 نانومقیاس) می‌تواند به اکسیداسیون دوده و بهبود احتراق کمک کرده و انتشار ذرات را کاهش دهد.

روندهای جدید در این حوزه به سمت کاهش مصرف فلزات گران‌بها (برای کاهش هزینه) با حفظ یا افزایش فعالیت، بهبود مقاومت کاتالیست در برابر مسمومیت و اجتماع ذرات (که سطح فعال را کم می‌کند) و توسعه کاتالیست‌های ارزان‌تر مبتنی بر عناصر فراوان‌تر پیش می‌رود.

۵.۱ nZVI و نانوذرات آهن

آهن صفرظرفیتی نانومقیاس (nZVI) یکی از پرمطالعه‌ترین نانومواد برای تصفیه درجا (in situ) است. این ماده معمولاً به صورت دوغابی درون توده آلودگی در آب زیرزمینی تزریق می‌شود.

هسته آهنی بسیار واکنش‌پذیر می‌تواند الکترون به آلاینده‌هایی مانند حلال‌های کلردار (مثلاً TCE) منتقل کرده و آن‌ها را به ترکیبات کم‌خطرتر کاهش دهد. با گذر زمان، این ذرات به اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن تبدیل می‌شوند که خود می‌توانند فلزات و آلاینده‌های دیگر را جذب کنند.

چالش‌ها شامل تجمع ذرات (که تحرک و سطح فعال را کاهش می‌دهد) و پسیواسیون (تشکیل پوسته‌ای از اکسید که واکنش‌پذیری را کم می‌کند) است. همچنین کنترل حرکت ذرات در محیط زیرسطحی ناهمگن کار ساده‌ای نیست. پوشاندن سطح ذرات با پلیمرها یا سورفکتانت‌ها می‌تواند به پراکندگی و تحرک بهتر کمک کند، اما باید به‌گونه‌ای طراحی شود که از مهاجرت ناخواسته ذرات به بیرون از محدوده هدف جلوگیری شود.

۵.۲ نانو‌رسی‌ها و نانوجاذب‌های اصلاح‌شده

در برخی موارد، هدف آن نیست که آلاینده‌ها فوراً تجزیه شوند؛ بلکه کافی است آن‌ها را در محل «قفل» کنیم تا از گسترششان جلوگیری شود. نانو‌رسی‌ها و سایر نانوجاذب‌ها می‌توانند فلزات سنگین و ترکیبات آلی را با پیوندهای قوی روی خود نگه دارند.

این مواد را می‌توان در پوشش‌هایی به‌کار برد که روی رسوبات آلوده در رودخانه‌ها و دریاچه‌ها قرار می‌گیرند یا درون خاک مخلوط کرد تا آلاینده‌ها را تثبیت کرده و زیست‌فراهمی آن‌ها را کاهش دهند. این رویکرد از اکوسیستم‌ها و سلامت انسان محافظت می‌کند، در حالی‌که راهبردهای بلندمدت‌تری مانند فروکاست طبیعی یا جمع‌آوری برنامه‌ریزی‌شده در حال اجرا است.

۵.۳ راهکارهای نانو–زیستی در تصفیه

تصفیه زیستی یا بیورمدیشن، یعنی استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه آلاینده‌ها، روشی قدرتمند است؛ اما گاهی خود میکروب‌ها به کمک نیاز دارند: مواد مغذی، دهنده‌های الکترون یا دسترسی بهتر به آلاینده‌ها. نانو‌فناوری می‌تواند از این جنبه‌ها پشتیبان باشد.

می‌توان مواد مغذی یا دهنده‌های الکترون را روی نانوذرات سوار کرد تا با کارایی بیشتری به منطقه آلوده رسانده شوند و فعالیت میکروبی را افزایش دهند. برخی نانوذرات با تغییر خواص سطحی، آلاینده‌های آب‌گریز را در دسترس‌تر می‌کنند و عملاً آن‌ها را «در معرض دید» میکروب‌ها قرار می‌دهند.

پژوهش‌های دیگری نیز روی ترکیب‌های هم‌افزای نانوذرات و سویه‌های میکروبی متمرکز است؛ جایی که نانوذره بخشی از آلاینده را تبدیل می‌کند و میکروب ادامه فرایند را بر عهده می‌گیرد. نگرانی اصلی آن است که نانوذرات به میکروارگانیسم‌های مفید یا ساختار زیست‌محیطی خاک آسیب نرسانند؛ بنابراین آزمون‌های دقیق و کنترل دوز در این حوزه حیاتی است.

۶.۱ نانوحسگرها برای آب و خاک

بسیاری از نانوحسگرها بر پایه نانوماده‌ای کار می‌کنند که خواصش هنگام برخورد با آلاینده خاصی تغییر می‌کند. برای نمونه، نانوساختارهای اکسید فلزی یا نقاط کوانتومی می‌توانند در حضور یون‌ها یا مولکول‌های آلی مشخص، رسانایی الکتریکی، تابش فلورسانس یا رنگ خود را تغییر دهند.

نانوذرات پلاسمونیک، معمولاً از جنس طلا یا نقره، وقتی مولکول‌ها روی سطحشان جذب می‌شوند، ویژگی‌های نوری (مانند رنگ و طیف جذب) را تغییر می‌دهند. این نوع حسگرها قادرند آلاینده‌ها را در غلظت‌های بسیار پایین، گاه در حد بخش در میلیارد (ppb)، آشکارسازی کنند و در قالب دستگاه‌های قابل‌حمل، نوارهای آزمون یا سامانه‌های «آزمایشگاه روی تراشه» به کار روند.

در خاک، نانوحسگرها را می‌توان درون پروب‌هایی قرار داد که سطح مواد مغذی، باقی‌مانده آفت‌کش‌ها یا شوری را به‌طور پیوسته پایش کرده و داده‌ها را به سامانه‌های کشاورزی دقیق منتقل می‌کنند؛ به این ترتیب، کشاورزان می‌توانند مصرف کود و سم را بهینه کرده و اثرات محیط‌زیستی را کاهش دهند.

۶.۲ نانوحسگرهای گازی برای کیفیت هوا

برای گازها، نانوموادی مانند نانوسیم‌های اکسید فلزی، گرافن و سایر مواد دوبعدی بسیار مفیدند؛ چون تغییرات کوچک در ترکیب گاز می‌تواند مقاومت الکتریکی آن‌ها را به‌طور محسوسی تغییر دهد.

این نانوحسگرها را می‌توان برای پاسخ به گازهایی مانند NOx، VOCs، اوزون و حتی گازهای گلخانه‌ای مانند CO2 (معمولاً در ترکیب با مواد دیگر) تنظیم کرد. نتیجه این کار، حسگرهایی کم‌مصرف و کم‌هزینه است که می‌توانند در شبکه‌های پرتراکم در سطح شهرها، محل‌های کار یا واحدهای صنعتی توزیع شوند و نقشه‌ای دقیق از کیفیت هوا ارائه دهند.

۶.۳ سامانه‌های هوشمند و سازگار با بازخورد

قدرت واقعی نانوحسگرها زمانی آزاد می‌شود که آن‌ها بخشی از یک سامانه بزرگ‌تر باشند. تصور کنید حسگرها به‌طور پیوسته سطح آلودگی را اندازه می‌گیرند و داده‌ها را به یک سامانه کنترل – مثلاً متصل به ابر و جزئی از اینترنت اشیا – ارسال می‌کنند.

در این وضعیت، سامانه‌های تصفیه مانند فیلترها، راکتورها یا پمپ‌های تزریق مواد شیمیایی می‌توانند بر اساس همین داده‌ها به‌صورت آنی تنظیم شوند؛ برای مثال، هنگام افزایش ناگهانی آلاینده‌ها، شدت تصفیه فوتوکاتالیستی را بالا ببرند و وقتی شرایط پاک است، انرژی و مصرف مواد را کاهش دهند. این چشم‌انداز «تصفیه هوشمند» با ترکیب نانو‌فناوری، علم داده و مهندسی، نوید استفاده کارآمدتر از انرژی و مواد و واکنش سریع‌تر به بحران‌ها را می‌دهد.

۷.۱ جذب و تبدیل CO2 با کمک نانو‌فناوری

جذب CO2 از دودکش نیروگاه‌ها و حتی مستقیماً از هوا، چالشی عظیم است. مواد نانوساختار مانند چارچوب‌های فلزی–آلی (MOFs) و کربن‌های نانو‌متخلخل با سطح ویژه بسیار بالا و حفره‌های قابل تنظیم، می‌توانند CO2 را به‌طور انتخابی جذب کنند.

اما جذب CO2 فقط نیمی از راه است. علاقه رو به رشدی به تبدیل CO2 به محصولات مفید وجود دارد: سوخت‌هایی مانند متان یا متانول، مواد شیمیایی مانند کربنات‌ها یا حتی مواد جامد برای کاربری‌های ساختمانی. کاتالیست‌های نانوساختار، از جمله نانوذرات فلزی و الکترودهای مهندسی‌شده در مقیاس نانو، می‌توانند این واکنش‌ها را به‌ویژه در سامانه‌های الکتروشیمیایی تغذیه‌شده از برق تجدیدپذیر، کارآمدتر کنند.

۷.۲ تصفیه نانومقیاس خورشیدی و خارج از شبکه

در بسیاری از نقاط جهان، آلودگی و نبود زیرساخت مناسب هم‌زمان رخ می‌دهد. جوامع روستایی ممکن است به آب آلوده دسترسی داشته باشند، اما از شبکه برق مطمئن بی‌بهره باشند. در اینجا نانو‌فناوری ابزارهایی برای تصفیه خورشیدی و خارج از شبکه فراهم می‌کند.

راکتورهای فوتوکاتالیستی خورشیدی با استفاده از نور خورشید و فوتوکاتالیست‌هایی مانند TiO2 اصلاح‌شده یا g-C3N4، آب را ضدعفونی و آلاینده‌ها را تجزیه می‌کنند. دستگاه‌های قابل‌حملی که نانوجاذب‌ها را با فرایندهای احیای خورشیدی ترکیب می‌کنند نیز می‌توانند چندین بار و بدون نیاز به زیرساخت پیچیده، مورد استفاده قرار گیرند.

چالش اصلی، طراحی سامانه‌هایی است که در بلندمدت مقاوم، مقرون‌به‌صرفه، ساده در نگهداری و از نظر ایمنی قابل‌اعتماد باشند. این هدف همکاری نزدیک میان دانشمندان مواد، مهندسان و جوامع محلی را می‌طلبد تا محدودیت‌ها و نیازهای واقعی در نظر گرفته شود.

۷.۳ نانو‌فناوری در راهکارهای چرخشی و بازیابی منابع

اقتصاد چرخشی به‌دنبال آن است که مواد تا حد امکان در چرخه استفاده باقی بمانند و ارزش از پسماندها بازیابی شود. نانو‌فناوری با فراهم کردن امکان جداسازی انتخابی اجزای باارزش از جریان‌های پیچیده پسماند، از این دیدگاه حمایت می‌کند.

نانومواد می‌توانند برای استخراج فلزات ارزشمند مانند عناصر نادر خاکی، لیتیوم یا فلزات گران‌بها از فاضلاب صنعتی، رواناب معادن یا زباله‌های الکترونیکی، از طریق نانوجاذب‌های بسیار انتخاب‌پذیر به کار روند. غشاها و کاتالیست‌های پیشرفته نیز می‌توانند مواد شیمیایی خاص را از مخلوط‌ها جدا و بازیابی کنند و چیزی را که پیش‌تر «پسماند» تلقی می‌شد، به منبعی اقتصادی تبدیل نمایند.

در این چارچوب، نانومواد فقط محیط را پاک نمی‌کنند، بلکه به تبدیل پسماند به منبع کمک می‌کنند و حفاظت از محیط‌زیست را با منافع اقتصادی همسو می‌سازند.