הקדמה: גידול צורך בטיפול במים מתקדמים

הגישה למים נקיים היא אחד האתגרים הגלובליים הדוחקים ביותר של המאה ה-21.התיעוש המהיר, צמיחת האוכלוסייה ושינוי האקלים הציבו לחץ חסר תקדים על משאבי מים מתוקים.שיטות טיפול במים, תוך יעילות לדרגה, לעתים קרובות נאבקים לעמוד בסטנדרטים האיכותיים יותר ויותר, ולטפל בפתרונות מתקדמים של עלייה במשקל, כגון מיקרו-פלסטיק, תרופות ומתכות כבדות.

יסודות של סינדיציה ופליקט

הבנת המנגנונים המסורתיים של המשקעים והנפיחות מספקת בסיס להערכת כיצד ננוטכנולוגיה משפרת אותם.

הערכה

סימנטציה היא התהליך שבו חלקיקים מושעה מתיישבים מתוך מים תחת השפעת הכבידה.מהירות ההתנחלות של חלקיק נשלטת על ידי חוק סטוקס, המתייחסת לגודל חלקיקים, צפיפות ונפיחות נוזלית. חלקיקים זעירים (בדרך כלל 1 nm ל 1 μm) יש מהירויות טיהור נמוכות מאוד עקב מסה קטנה שלהם ועל פני השטח הגבוה שלהם, כלומר הם יכולים להישאר תחת תנאים סבירים אלה לעתים קרובות.

פלוגציה

פלוגנציה היא התהליך של ערבוב בעדינות מים כדי לעודד חלקיקים כדי קולגיד ו agglomerate לתוך גדול יותר, אגצרים כבדים יותר הנקרא flocs.זה בדרך כלל מקל על ידי תוספת של coagulants כימי (למשל, אלומיניום, צ'ורלין ferric) ופולימרים סינתטיים. coagulations משטח שלילי כי לשמור חלקיקים מפוזרים, בעוד ulationsulflyding חלקיקים יכול להיות יעיל לאחר מכן, 000 גדול כדי ליישבים, 000 גבוה.

המגבלות הטקטיות הללו הניעו את החיפוש אחר חלופות יעילות וקיימות יותר, וננוטכנולוגיה התפתחה כמועמד מוביל.

ננוטכנולוגיה בטיפול במים: סקירה

ננוטכנולוגיה כוללת את מניפולציה של החומר בקנה מידה אטומי ומולקולארי, בדרך כלל בטווח של 1 עד 100 ננומטרים. בקנה מידה זה, חומרים מציגים תכונות פיזיות, כימיות וביולוגיות ייחודיות שאינן נצפות בעמיתיהם העיקריים. עבור יישומי טיפול במים, היחס הגבוה של פני השטח אל-נפח, תגובתיות גבוהה, וכימיה טונהבל של חלקיקים הופכת אותם לאינטראקציה יעילה במיוחד עם conminants.

חלקיקים יכולים לשרת תפקידים מרובים במשקעים וflocculation: הם יכולים לפעול כמו coagulants על ידי ביעילות לנטרל האשמות, כמו nuclei עבור היווצרות של החנק, כמו פרסומות עבור מתפזרים אבקנים, ואפילו כמו זרזים עבור השפלה.היכולת בדיוק מהנדס חלקיקים, צורה, משטח, וקומפוזיציה מאפשר עיצוב של חומרים מותאמים לדגימים מקודמים ו- פלסבתים זה הוא פיילוט של פיילוט.

מכניזם של nanoparticle-Enhanced Sedimentation ו Flocculation

חלקיקים משפרים את הביצועים של המשקעים והנפיחות דרך כמה מנגנונים סינרגיסטים מובהקים אך לעתים קרובות.

המונחים: Neutralization

רוב החלקיקים המושעה במים טבעיים לשאת מטען משטח שלילי נטו, אשר יוצר הדחף אלקטרוסטטי ושומר חלקיקים יציבים בהשעיה. Coagulants באופן מסורתי לעבוד על ידי הוספת ions או מינים פולימריים חיובי לנטרל את ההאשמות הללו. nanoparticles עשויים מ תחמוצת מתכת כגון תחמוצת אלומיניום (Al2O3) או תחמוצת ברזל (Fe2O3) יכול להיות מונדס עם צפיפות גבוהה של אתרים חיוביים בערכים נייטרליים בערכי pH נמוכים יותר מאשר בינוניים נמוכים יותר מאשר בינוניים יכול לתת רמות נמוכות יותר של חומרת גבוהה של חומרת גבוהה יותר מאשר בינוניות גבוהה של 50 חיובי של חומרים סטנדרטיים נמוכה יותר מאשר בינוניים נמוכה יותר מאשר בינוניים של חומרים סטנדרטיים של חומרים סטנדרטיים של חומרים סטנדרטיים של חומרים אלה.

שוחד והפקה

לאחר ניטרליזציה אחראית, חלקיקים צריכים להיות מופגיש כדי ליצור flocs. ננו חלקיקים יכול לפעול כמו גשרים פיזיים בין חלקיקים, במיוחד כאשר פונקציונלי עם פולימרים ארוכי שרשרת או biomolecules. שלהם שטח פני השטח העליון שלהם מספק מספר נקודות החזקות, המוביל היווצרות של חלקיקים גדולים, צפופים, חזקים כי להתיישב במהירות.

« עידוד ו-Seep Flocculation

בנוסף למנגנונים המבוססים על המטען והגליון, חלקיקים יכולים לגרום לריצוף גורף גורף.כאשר ריכוז גבוה של חלקיקים חד-חמצני ננו-חלקיקים מתכת נוספו, הם יכולים ליצור precipitate flocculent כי enmeshes השעווה חלקיקים כפי שהוא מתיישב.מנגנון זה אנלוגי לאפקט "sep" נצפה עם alum בגובה גבוה, אבל ננו-חלקיקים להשיג את זה במינונים מהירים יותר עבור אזור קינמיים.

מנגנונים אלה אינם בלעדית הדדית; לעתים קרובות, שילוב מתרחש בהתאם לכימיה מים ותכונות חלקיקים.התנהגות רב-תפקודית זו היא יתרון מפתח על קוגניציה מכנית קונבנציונלית.

סוגים של חלקיקים בשימוש

מגוון רחב של ננו-חומרים נחקרו על מנת לשפר את המשקעים והנפיחות.הבחירה תלויה במזהמים המטרה, איכות המים, עלות ועל בטיחות סביבתית.

מתכת ומתכת Oxide Nanoparticles

חלקיקים מבוססי ברזל (למשל, Fe2O3, Fe3O4) הם בין המרוסקים ביותר בשל עלות נמוכה שלהם, תכונות מגנטיות, תאימות סביבתית. הם יכולים להיות התאושש בקלות באמצעות מגנטים ושימוש חוזר. oxide oxide (אל2O3), טיטניום דו חמצני (TiO2), ו מגנזיום oxide (MgO) חלקיקים הראו גם יעילות גבוהה כמו חומרים coagertotrastationertexesto-coto-coto-to-to-to-to-to-coto-coto-coto-coto-coto-coto-coto-cosolate) מאפשר תכונות של חומרים אופטיתיקים.

ננומטרים מבוססי פחמן

ננו-בוטיקים פחמן (CNTs), תחמוצת גרפן (GO), ונקודות פחמן קוונטיות מושכים תשומת לב בשל אזורי השטח העצומים שלהם ותפקודי המגוון שלהם גליונות GO, למשל, יכולים לפעול כמו גם flocculants וגם פרסומות, לכידת צבעים, מתכות כבדות, וחיידקים. CNTs יכולים ליצור רשתות פיברוזיס כי חלקיקים פיזית, עם זאת, עלות גבוהה ופוטנציאל של פחמן הוא כמה מסלולים רעילים.

Silica Nanoparticles

Amorphous silica (SiO2) חלקיקים הם אינרציה כימית, זול, ותפקוד בקלות עם amine, carboxyl, או קבוצות אחרות כדי לכוון את המטען שלהם על פני השטח שלהם. הם יעילים במיוחד במים סוערים נמוכים שבו coagulants קונבנציונלי לעתים קרובות תחת קידוד. Silica מבוסס floulants יכול גם להיות משולב עם פולימרים כדי ליצור nanoposic עם יכולות משופרות.

nanocomposites מבוסס פולימר

חומרים היברידיים המשלבים חלקיקים עם פולימרים טבעיים או סינתטיים משלבים את היתרונות של שניהם.לדוגמה, Chitosan ( biopolymer מפגזי קרום) שונה עם חלקיקים חד-חמצני ברזל מספק דו-חלקיקים biodegradable, non-toxic flocculant עם פוטנציאל התאוששות מגנטי.פולי אקרימיד nanocomposites המכיל חימר או מתכת חלקיקים הראו שיפור התנגדות ויישומים תעשייתיים.

יישומים ומחקרי מקרים

הגמישות של ננוטכנולוגיה הובילה לטייס ולביצועים בקנה מידה מלא במספר מגזרים.

טיפול במים

בצמחים קטנים עד בינוניים, ננו-חלקיקי ברזל שימשו להחליף או להשלים אלומיניום לטיפול במים על פני השטח הגולמי. A מחקר שנערך במפעל טיפול במים ברזילאי הראו כי באמצעות השעיה תחמוצת חלקיקים מופחתת מינון coagulant על ידי 40% תוך השגת 98% הסרת זעזוע תוך 10 דקות של זמן התיישבות; מחולק ל 25 דקות עם אלומיניום רגיל.

טיפול בשפכים תעשייתיים

תעשיות כגון טקסטיל, כרייה, עיבוד מזון לייצר פסולת עם עומס גבוה של צבע, מתכות כבדות, שמנים וחומר אורגני. nanoparticle-enhanced flocculation הוכיח יעיל במרכיבים מאתגרים אלה. לדוגמה, ננו חלקיקים מגנטיים פונקציונליים עם חומצה חמית שימשו כדי להסיר ו chromium מייצור סוללות ייצור effluent, השגת effencies לאחר מכן של 15 דקות לאחר מכן עם ירידה מגנטית של פעילות עם ירידה.

הפרדה בין נפט

ננוטכנולוגיה מציעה גישות חדשות לשבור את מאגרי הנפט היציבים במים. hydrophobic silica nanoparticles יכול לערער את ממשק המים שמן, גרימת טיפות שמן לפחם ולצוף, בעוד ננו חלקיקים מגנטיים ניתן להשתמש כדי ליצור משקעים מגנטיים כי הם מופרדים על ידי שדה מגנטי.

יתרונות והטבות

בהשוואה לשיטות הקידוד המקובלות, תהליכים nanoparticle-enhanced מציעים מספר יתרונות משכנעים:

  • (FLT:0) אספקת שימוש כימי:FLT:1hil מינונים נמוכים יותר מתרגמים לירידה בעלויות רכש כימי ודור פחות מכווץ, אשר בתורו מקטין את הטיפול ואת הפחתת הוצאות ה-Sildation של מערכת קידוד מבוססת חלקיקים למים עירוניים מצאו ירידה של 30% בהשפעה סביבתית הכוללת בהשוואה למערכת קונבנציונלית.
  • (FLT:0) קינטיקה טיפולית:FLT:1) התגובה הגבוהה של חלקיקים מוביל לניטרליזציה מהירה ו היווצרות פיזור.זמני Settling ניתן להפחית מעשרות דקות רק כמה דקות, המאפשרים גבוה יותר באמצעות ערכת דרך בתשתיות קיימות או לאפשר ליחידות טיפול קטנות יותר.
  • (FLT:0) שיפור הסרת חומרים מאתגרים:FLT 1:1 ננומטרי coagulants יכול ללכוד אתמזהמים בגודל ננו (למשל, וירוסים, קולואידים, חומר אורגני מומס) כי למעט flocculation קונבנציונלי.הם גם לעבוד טוב בקר, הפרעות נמוכות, או מים בצבע גבוה שבו כימיקלים מסורתיים נאבקים.
  • (FLT:0) Recyclability and Reusability:IRLT:1) חלקיקים מגנטיים ניתן לשחזר ולהשתמש בהם, באופן משמעותי מפסולת חומרים לאורך זמן.אפילו חלקיקים לא מגנטיים יכולים להיות מתו מחדש באמצעות תהליכים של דיסאופורציה כימית או פיזית, בהתאם לזיהום.
  • (FLT:0) תכונות של ייצור:FreaLT:1 ; ננופי חלקיקים-מרוצה flocs נוטים להיות גדולים יותר, צפופים יותר, עמידים יותר ל- Shear, ומבטיחים שהם נשארים שלמים במהלך התיישבות ודהור לאחר מכן.
  • (FLT:0)פונטני עבור ריבוי פונקציונליות: ®Nanomaterials יכול במקביל לבצע ריצוף, מודעות, שיתוק, חיטוי, וחיטוי, פשטת רכבות טיפול וצמצום הצורך בתוספות כימיות מרובות.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות האלה, אימוץ נרחב של ננוטכנולוגיה בטיפול במים אינו ללא מכשולים.

יציבות ואגורגיה

חלקיקים בעצמם הם נוטים להפחתה של מים בעלי עוצמה גבוהה או גבוהה או גבוהה-גזעניים, אשר יכולים להפחית באופן דרסטי את שטח פני השטח האפקטיבי שלהם וביצועים ריצוף. ציפויים סטטיים (למשל, פולימרים, גולשים) נדרשים לעתים קרובות, אבל הם מוסיפים עלות ויכולים להציג רעלים חדשים.

השפעות סביבתיות ובריאות האדם

שחרור nanoparticles מונדס לתוך הסביבה מעלה חששות על ecotoxicity ו bioaccumulation. חלקיקים רבים הוכח להיות רעילים לאורגניזמים מימיים בריכוזים גבוהים.למרות שהמינונים המשמשים לטיפול במים הם בדרך כלל נמוך, הגורל ארוך טווח של חלקיקים חיים nanoparticles בטיפול ble or udge אינו מובן לחלוטין.

עלויות ו Scalability

הפחתת חלקיקים באיכות גבוהה, חלקיקים הניתנים לחידוש בקנה מידה של טון נדרש עבור צמחי טיפול מים גדולים כיום יקר. oxide מתכת גבוהה או פחמן ננוחומרים עשויים לעלות עשרות עד מאות דולרים לקילוגרם, בעוד אלומיניום קונבנציונלי עולה פחות מ $ 10 / ק"ג. עם זאת, כאשר המינון מופחת, יעילות מוגברת, ו reusability הם גורמים, העלות הכוללת של נפח של מים תחרותי יכול להביא באופן משמעותי.

סיקור ומבצע הארדלס

טיפול במים הוא שדה מוסדר מאוד, ומציג כימיקלים חדשים דורש בדיקות נרחבות לבטיחות ויעילות.כלי רכב רבים הם סיכון-יקום ומעדיפים לדבוק בשיטות ניסו-ומבחן.יש גם מחסור בפרוטוקולים סטנדרטיים עבור Nnoparticle Characterization והערכה ביצועים, מה שהופך את זה קשה להשוות תוצאות לאורך מחקרים ולקבל אישור רגולטורי.

שיקולים ובטיחות

כמו ננוטכנולוגיה בוגרת, סוכנויות רגולטוריות כגון הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב (EPA) וסוכנות הכימיקלים האירופית (ECHA) מפתחים מסגרות לניהול הסיכונים ולקדם חדשנות אחראית.לדוגמה, המשרד של EPA של מניעת זיהום וטוקסיקס הוציא הנחיות עבור חומרים ננומטריים תחת חוק בקרת ה- Toxic Substancess Control, המחייב יצרנים להגיש מראשיתרופים מידע על תכונות סביבתיות, כמו גם על ידי האיחוד האירופי, כמו גם על חומרים רעילים, כמו גם על ידי נתונים סביבתיים.

שימוש במים בהתחשב בטכנולוגיות מבוססות חלקיקים צריך לעסוק הרגולטורים מוקדם, לבצע הערכות סיכון יסודיות, וליישם תוכניות ניטור לעקוב אחר שחרור חלקיקים וטרנספורמציה.הפרקטיקות הטובות ביותר כוללות באמצעות חלקיקים כי הם biodegradable או ניתן לשחזר באופן מלא באמצעות הפרדה מגנטית, ולהבטיח כי nanoparticles חי ב-Stepharetretretretmobilized או degraded לפני שיתוף פעולה בין מדענים חומר, חומרים, חומרים, חומרים, חומרים, חומרים רעילים וטכנולוגיות הוא חיוני כדי לפתח פתרונות בטוח יעיל כדי לפתח פתרונות בטוח יעיל כדי לפתח פתרונות מאובטח.

כיוונים עתידיים וחדשנות

תחום הננוטכנולוגיה לטיפול במים מתקדם במהירות, וכמה מגמות מתעוררות מבטיחות לשפר עוד יותר את תהליכי המשקעים והריצוף.

ננו-חומרים חכמים ותומכים

אחד הגבולות המרגשים ביותר הוא פיתוח חלקיקים "חכמים" שיכולים לחוש ולהגיב למזהמים ספציפיים או תנאים סביבתיים.לדוגמה, חלקיקים תגובתיים pH שמשנים מטען או גודל ניתן לתכנת כדי להפוך לשותפים פעילים רק כאשר הכימיה המים גורמת להם, מונעים מדי-השפעה וצמצום ההתערבות עם תהליכים של אור-מחדש, אשר מייצרים גם חלקיקים פעילים של ננו-מסוגים לחיטוי, תוך כדי חיטוי חמצן.

ירוק ובר קיימא Synthesis

כדי לטפל עלות ודאגות רעילות, המחקר הוא מעצימה על נתיבי סינתזה ידידותי לסביבה. "Green" חלקיקים שנעשו מפלטי צמחים (למשל, חלקיקים כסף באמצעות תמצית עלים תה) או באמצעות מיקרואורגניזמים הוכיחו ביצועים מצוינים flocculation עם השפעה סביבתית נמוכה.

מערכות היברידיות ורב-תפקודיות

שילוב nanomaterials עם טכנולוגיות טיפול מתקדמות אחרות, כגון סינון membrane, photocatalysis או תהליכים אלקטרוכימיים, יוצר מערכות סינרגיסטיות. לדוגמה, מערכת היברידית המשתמשת חלקיקים מגנטיים עבור flocculation ואחריו מזכר נמוך בלחץ נמוך יכול להשיג שפעת גבוהה יותר וצמצום רעדות בהשוואה לכל טכנולוגיה בודדת.

עיצוב נתונים-Driven ואופטימיזציה

למידת מכונה ובדיקת מידע גבוהה מוחלים על מנת להאיץ את גילוי פורמולות חלקיקים אופטימליות עבור מזחלות מים ספציפיות.על ידי מודלים הכשרה על נתונים גדולים של תכונות חלקיקים ופרמטרים באיכות מים, החוקרים יכולים לחזות את הסוג היעיל ביותר nanoparticle, גודל, מנה ללא ניסויים ניסויים נרחבים הניסוי-טרור. גישה זו תקצר משמעותית את מחזור הפיתוח ולהפחית את ההתאמה ספציפית לאתר.

מסקנה

ננוטכנולוגיה מייצגת שינוי פרדיגמטי באופן שבו אנו ניגשים למשקעים ולהפחתה של טיפול במים.על ידי ניצול המאפיינים הייחודיים של חומרי ננומטרי, ניתן להשיג מהר יותר, יעיל יותר, וזמין יותר של מגוון רחב של contaminants באמצעות פחות קלט כימי ויצירת פחות פסולת. בעוד אתגרים הקשורים ליציבות, עלות, בטיחות סביבתית, חדשנות מתמשכת, ובאופן עקבי יותר על פני פרויקטים אלה הוכחו בהדרגה מחסומים משפטיים ואפקטיביים.

ככל שמחסור במים מגביר את התחזיות והסטנדרטים האיכותיים הופכים להיות מחמירים יותר, אימוץ טכנולוגיות מתקדמות כמו ננוטכנולוגיה יהיה צורך יותר ויותר. מומחי מים, קובעי מדיניות וחוקרים חייבים לעבוד יחד כדי להבטיח כי כלים חזקים אלה הם מוצבים באחריות, בבטחה, ובשוויון.עם המשך ההשקעה ושיתוף הפעולה, ננוטכנולוגיה ללא ספק תהפוך לאבן הפינה של ניהול מים בר קיימא לדורות הבאים.

[01:0] לקרא עוד בנושא זה, ראה את הנחיות בטיחות המים של ארגון הבריאות העולמי (FLT:1 ,U.S. EPA's דף מחקר מים של EPA:2, FLT 3: 3) , ⁇ מים של ארגון הבריאות העולמי (FLT:4 ), ו-AFLT:5review מאמר על קידוד ננו-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-en-R) שפורסם במחקר WaterLT 7.