خانواده آب | خانواده آب | فروشگاه تصفیه آب خانگی، صنعتی و نیمهصنعتی
نویسنده: مجتبی زند 
تصفیه آب یکی از اهداف توسعه پایدار است که توسط سازمان ملل متحد تعیین شده است. اکنون فیلتر کردن آب از طریق غشاء بسیار آسان است و بدون فرآیند شیمیایی، با فیلتر گرافن امکان پذیر است. پس از شناسایی در سال ۲۰۰۴، فیلتر گرافن به بهترین ماده موجود در جهان تبدیل شد. ترکیب خاص آن – اتم های کربن و هیدروژن به شکل لانه زنبوری – به علاوه استحکام کششی و رسانایی الکتریکی که دارد، این ماده را به منبعی امیدوارکننده در بسیاری از کاربردها، به ویژه تصفیه آب تبدیل کرده است. این مقاله بر روی بحث استفاده از فیلتر گرافن برای فیلتر کردن آب به منظور مناسب کردن آن برای مصارف آشامیدنی متمرکز شده است.
ابتدا لازم است قبل از بحث در مورد استفاده از فیلتر گرافن برای این منظور، موضوع کمبود آب و آب آلوده را درک کنید.
عدم دسترسی به آب
نزدیک به ۷۰۰ میلیون نفر در جهان به آب آشامیدنی دسترسی ندارند. نوشیدن آب کثیف عواقب بدی بر سلامت و تغذیه افراد دارد و بدن را به شدت ضعیف می کند. افرادی که آب آلوده می نوشند به سرعت دچار سوء تغذیه می شوند. در واقع، ۵۰ درصد از موارد سوء تغذیه کودکان ناشی از اسهال های مکرر و عفونت های روده ای به دلیل آب کثیف و/یا بهداشت ناکافی است.
با وجود پیشرفت غیرقابل انکار از سال ۱۹۹۰ که توسط دولت ها، سازمان های غیردولتی با حمایت سازمان ملل متحد صورت گرفته است، در حال حاضر بیش از ۲ میلیارد نفر به آب آشامیدنی دسترسی ندارند. ۹۰ درصد این افراد عمدتاً در مناطق روستایی یا دورافتاده زندگی می‌کنند، اما به گفته کارشناسان آب و هوا، این مشکل به زودی رو به افزایش خواهد بود.
آب در اهداف توسعه پایدار
در سال ۲۰۱۵، رهبران جهان توافق کردند که اهداف توسعه پایدار (SDGs) را به منظور ریشه کنی فقر، حفاظت از کره زمین و تضمین رفاه برای همه تا سال ۲۰۳۰ اتخاذ کنند. نابرابری ها شماره ۶ به آب اختصاص دارد: آب تمیز و بهداشت برای همه.
آب به دلیل ابعاد مقطعی آن برای دستیابی به اهداف دیگر مانند گرسنگی صفر، سلامت و تندرستی ضروری است. متاسفانه با سرعت فعلی پیشرفت. به نظر می رسد بسیاری از کشورها تا سال ۲۰۳۰ نتوانند به هدف ششم برسند.
تلاش‌های بیشتر و سرمایه‌گذاری‌های بیشتر برای دستیابی به همه اهداف، به‌ویژه در رابطه با سلامت و بهداشت ضروری است: تنظیم سیاست‌های ملی، بسیج منابع، سیستم‌های آماری ملی برای نظارت بر شاخص‌های جدید SDG و موارد دیگر مورد نیاز است. اما نکته مهم این است که از طریق راه حل های پیشرفته، آب پاکیزه را برای همه افراد روی زمین فراهم کنیم. این امر به دلیل استفاده از فیلترهای گرافنی به دلیل قابلیت بالای آنها امکان پذیر است.
استفاده از فیلتر گرافن برای تصفیه آب
نانوطومارهای گرافنی که محققان MIT موفق به توسعه آنها شده‌اند، می‌توانند از جمله برای تولید سیستم‌های تصفیه آب که هم مؤثر و هم هدفمند هستند، استفاده شوند. خواص فیزیکی و شیمیایی استثنایی فیلتر گرافن به محققان ایده استفاده از این ماده را برای طراحی غشاهای تصفیه آب داد.
نه تنها برای حذف شیمیایی آلاینده ها بلکه برای استخراج فیزیکی آنها. و این میلیاردها نانوطومار گرافن در لایه‌هایی روی هم قرار گرفته‌اند و می‌توانند به طور انتخابی آلاینده‌ها را جذب کنند. این فرآیند تصفیه آب، آبی بسیار خالص و بدون طعم ناخوشایند یا بوی بد تولید می کند.
نانوطومارهای گرافن
گرافن یک ماده معجزه آسا به خصوص در صنعت الکترونیک در نظر گرفته می شود. متأسفانه، ویژگی‌های استثنایی که محققان قبلاً کشف کرده‌اند، برای اجرا بسیار پیچیده و پرهزینه هستند. به علت قیمت بالای آن، محققان آمریکایی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دانشگاه هاروارد به اکسید گرافن علاقه دارند.
به همین دلیل حفظ خلوص گرافن و اجرای آن در سطح صنعتی دشوار است، بنابراین برای استفاده از آن در زندگی واقعی نیاز به تحقیقات بیشتری دارد. محققان MIT و دانشگاه هاروارد در حال بهره برداری از فرم اکسید شده، ناقص به عنوان آلوده به اتم های اکسیژن و هیدروژن، اما ارزان تر از مواد خالص هستند. آنها از اکسید گرافن و با استفاده از تکنیک های اولتراسونیک، نانوطومارهایی با ابعاد قابل کنترل تولید کردند. نانوطومارها با همان خواص مکانیکی گرافن برای تنها کسری از هزینه تولید می شوند.
ایده استفاده از نانوگلوله های گرافن جدید نیست، اما همانطور که گفتیم، این تکنیک برای بهره برداری صنعتی بسیار گران است. محققان همچنین سعی کرده بودند نانوطومارهای اکسید گرافن تولید کنند. محققان آمریکایی ابتدا یک فرآیند شیمیایی به نام روش هامر را برای تولید ورقه های اکسید گرافن از تراشه های گرافیت اجرا کردند. پس از قرار دادن در محلول، این صفحات اکسید گرافن با استفاده از دو روش مختلف اولتراسونیک برای یک نتیجه شبیه‌سازی شدند: تشکیل خود به خودی نانوطومارها.
محققان MIT و دانشگاه هاروارد از کاوشگرهای پیزوالکتریک استفاده کرده‌اند که وقتی انرژی می‌گیرند و در محلول قرار می‌گیرند، امواج صوتی را در فرکانس ۲۰ هرتز یا فرکانس حدود ۳۹۰ هرتز ایجاد می‌کنند.
امواجی که محیط را به هم می زند و حباب ایجاد می کند. هنگامی که این حباب ها منفجر می شوند، انرژی کافی برای شروع تشکیل نانوطومارهای مخروطی از ورقه های اکسید گرافن آزاد می کنند. و نتایج پژوهشگران آمریکایی نشان می‌دهد که فرکانس بالاتر و درمان کوتاه‌تر می‌تواند نانوطومارهای بزرگ‌تری تولید کند و بالعکس.
در حال حاضر، تنها ۱۰ درصد از صفحات به نانوطومار تبدیل شده است. با این حال، محققان MIT و دانشگاه هاروارد اطمینان حاصل می کنند که تکنیک آنها می تواند برای دستیابی به بازده بهتر بهبود یابد. سپس می توان آن را در فرآیندهای صنعتی موجود برای تولید غشاهای تصفیه آب گنجاند.
تصفیه آب دریا
به همین ترتیب، دانشمندان یکی از بزرگترین مشکلات بشریت را حل کرده اند. تمیز کردن آب دریا و تبدیل آن به آب قابل شرب. استفاده اخیر که توسط تیمی از محققان دانشگاه منچستر کشف شد، فیلتر تصفیه آب بود که می‌توانست کمبود آب آشامیدنی، یکی از بزرگترین مشکلات بشریت را حل کند.
لازم به ذکر است که ۱۴ درصد از جمعیت جهان به منابع آب آشامیدنی دسترسی ندارند. طبق گزارش سازمان ملل متحد، در هشت سال آینده، ۱۴ درصد از جمعیت جهان به منابع آب آشامیدنی دسترسی نخواهند داشت. می‌توان به لطف ۷۱ درصد توده های آب سطح کره زمین از این مشکل جلوگیری کرد. با این حال، هزینه‌های نمک‌زدایی بخشی از اقیانوس‌ها تا قبل از کشف اکسید گرافن قابل قبول نبود.
چاره چیست؟
دانشمندان ترکیبی مبتنی بر فیلتر گرافن ساخته اند. این فیلتر می تواند پس از یک فرآیند ساده اکسیداسیون در آزمایشگاه تولید شود. این به ایجاد یک ورقه بزرگ فیلتر گرافن کمک می کند که توانایی فیلتر کردن آب دریا را دارد و آن را قابل شرب می‌کند. اما چگونه محققان به این نتیجه رسیدند که نمک های معمولی دریا از مواد عبور نمی کنند؟
پیش از این، ساختار اکسید گرافن به نانوذرات کوچک، مولکول‌های آلی و نمک‌های بزرگ اجازه می‌داد از آن عبور کنند، بدون اینکه نمک‌های معمولی آب دریا غرق شوند. دلیل آن این بود که سوراخ‌های ورقه‌ها باید کوچک‌تر می‌شد تا غشاها متورم نشوند و به ماده اجازه داد از مولکول‌های دیگر خود عبور کند.
اکنون، مرحله نوآورانه این بود که محققان یک لایه نازک از رزین – که برای چسب ها استفاده می شود – را در هر طرف پارچه اکسید گرافن پوشانیدند که از انبساط غشاء جلوگیری می کرد و خواص مواد را تنظیم می کرد. یعنی کنترل فضای منافذ با هدف بهبود نمک زدایی. قدمی که در پیشرفت علمی باید دنبال کرد تولید این ورق ها در مقیاس صنعتی و با هزینه کم بیشتر نیست.
تحقیقات اخیر در مورد تصفیه آب با استفاده از فیلتر گرافن
محققان استرالیایی یک سیستم فیلتراسیون با مشتقاتی از فیلتر گرافن توسعه داده‌اند. فرآیند این سیستم نسبت به فیلترهای سنتی کارآمدتر است. این نوآوری برخی از مشکلات مربوط به کمبود آب آشامیدنی در جهان را حل می کند. و به تحقق هدف توسعه پایدار سازمان ملل متحد کمک می کند.
بهبود دسترسی به آب سالم برای سلامت انسان چالش تیمی از دانشمندان استرالیایی است. فیلتر گرافن، ۹۹ درصد نمک موجود در آب دریا و همچنین اکثر ناخالصی ها و آلاینده های صنعتی را حفظ می کند. فرآیند آنها بر اساس شکل خاصی از گرافن است، که برای ثبت، یک کریستال کربن دو بعدی است، یعنی به ضخامت یک اتم که مجموعه میکروسکوپی از الگوهای شش ضلعی را تشکیل می دهد.
خواص فیلتر گرافن
این ماده با خواص شگفت انگیز خاصیت آبگریز بودن، دفع کننده آب را دارد. دانشمندان استرالیایی روشی ابداع کرده‌اند که به آسانی می‌توان معادل فیلتر گرافن را از روغن سویا، ماده‌ای ارزان و قابل تجدید، بدست آورد. این GraphAir، به شکل یک فیلم بسیار زیبا است. این دستگاه غشای دستگاه های فیلتراسیون معمولی را می‌پوشاند.
علاوه بر این، ساخت این فیلتر گرافن نسبتاً ارزان‌تر، سریع‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست نسبت به هر فیلتر دیگری است. زیرا جزء اصلی آن روغن سویای تجدیدپذیر است که راندمان تصفیه را حداکثر می‌کند. با گذشت زمان، آلاینده های مبتنی بر روغن می توانند با خواص فیلتر تداخل کنند، بنابراین قبل از استفاده مجدد، آلاینده ها باید حذف شوند.
نتیجه
آلودگی آب و کمبود آب یکی از مشکلات بزرگ جهان است. لازم به ذکر است که ۷۰۰ میلیون نفر در جهان به آب تمیز دسترسی ندارند. در این راستا، فیلتر گرافن به دلیل ساختار عجیب و غریب با چگالی نفوذپذیر بالا، معجزه‌ای در این زمینه است. فیلتر گرافن امکان استفاده از آن را هم برای نمک زدایی آب و هم برای تصفیه آب فراهم می کند.
این مقاله نشان می‌دهد که فرآیند تصفیه آب مبتنی بر فیلتر گرافن را می‌توان در زمان بسیار کوتاه‌تر و با هزینه بسیار کمتر انجام داد. نانوطومارهای گرافن برای تصفیه آب بسیار موثر هستند و آن را برای مصارف آشامیدنی مناسب می‌سازند.
