کنترل آلاینده ها از طریق فن آوری نانو تکنولوژی

● مقدمه و هدف

امروزه پیشرفت تکنولوژی و دستیابی انسان به روش های نوین برای استفاده از منابع طبیعی دستاوردهائی را به همراه دارد که علاوه بر تأثیرات فراوان در زندگی بشر، تأثیراتی منفی را نیز برای طبیعت به ارمغان می آورد. به تازگی انسان متمدن به این تفکر رسیده است که شاید بتوان با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیط زیست شتابد که از جمله می توان به فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست اشاره کرد. تأثیرات مستقیم و غیر مستقیم فن آوری نانو بر محیط زیست، از جنبه های مختلف قابل بررسی است. در حال حاضر، می توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیط زیست، از قبیل نانوفیلترها (برای تصفیه پساب های صنعتی)، نانوپودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی) و نانو تیوب ها (برای ذخیره سازی سوخت کاملاً تمیز هیدروژن) را برشمرد، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده تر از این گونه کاربرهای جزئی و مقطعی است. این مقاله با هدف شناخت ماهیت نانو وکاربردهای آن در تکنولوژی تهیه گردیده است.

● روش بررسی

از طریق شناساسایی سایتهای مهم علمی و بررسی و جمع بندی مطالب همچنین مطالعه اسناد و کتابها در کتابخانه ها ی دانشکده علوم پزشکی و کتابخانه الکترونیکی

● یافته ها

در تحقیقات دانشمندان همیشه طبیعت نقش الهام دهند های داشته است. اکثر سیستمهای زیستی موجود در طبیعت در انداز ه های نانو هستند. با به کارگرفتن اصول زیستی حاکم بر این ساختارها دانشمندان می توانند تحت شرایط آزمایشگاهی با استفاده از اصول فیزیک، شیمی، مهندسی، و فناوری نانو به سنتز، تعیین ویژگی و ساخت مولکو لها و وسایل زیستی در حد نانوبپردازند. بکارگیری این واقعیات منجر به ظهور فناوری جدید نانو زیست فناوری گردیده است برخی از مهمترین کاربردهای علمی شناخته شده فناوری نانو در زمینه محیط زیست نانوحس گرها، نانو فیلترها و کاتالیزورهای زیست محیطی هستند که به ترتیب به آنها اشاره می شود:

▪ نانوحس گرهای زیست محیطی: نانوحس گر وسیله ای است بسیار ریز که قادر به شناسائی و ارائه پاسخ به محرک های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحس گرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف از جمله محیط زیست یافته اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

▪ آلودگی هوا: یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه ای از حس گرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیار سبک است. این نانوحس گرها به راحتی ساعت ها در هوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند از طریق بی سیم موجود در خود، اطلاعات جمع آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات از نمونه های اولیه حدود یک کیلو بایت در ثانیه است.

▪ انتشار گازهای سمی: انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. این نوع حس گرها از نانوتیوب های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده اند و می توانند مولکول های گازهای سمی را جذب کنند. آنها هم چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی اند که این حس گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده های هوا و حتی مولکول های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

▪ نانوفیلترها، نانوسیسورها و مواد هوشمند: یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرآیند نانو فیلتراسیون معمولاً مولکول های بزرگ را دفع می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرآیند قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفت کش ها، آلاینده هائی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرآیند نانو فیلتراسیون از هیچ ماده شیمیائی برای سختی گیری (Water Hardness) آب استفاده نمی شود، بنابراین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیائی معمول است.

علاوه بر این، ذرات نانو ساختار انعطاف پذیری زیادی در تصفیه آلاینده ها دارند. به عنوان مثال از ذرات نانو ساختار برای تصفیه فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، تصفیه آب و پسماندهای مایع استفاده می شود. تحقیقات نشان می دهد که ذرات دو فلزی نانو ساختار مانند آهن، پالادیم، آهن، نقره و روی، پالادیم کاربردهای زیادی در تصفیه و پالایش آلوده کننده های محیط زیست، مانند آفت کش های کلرینه با منشا آلی و حلال های آلی هالوژنه یافته اند. علاوه بر این می توان از نانو ساختارها برای رنگ زدائی از آب آشامیدنی استفاده کرد.

رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ ها می توانند منشا تولید تری هالومتان نیز باشند، بسیار خطرناک محسوب می شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان زا می شوند. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور از تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می شوند. اغلب روش های متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می توان تا ۹۹ درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد. هم چنین تحقیقات نشان می دهد استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب می تواند هزینه های تصفیه را تا حدود زیادی کاهش دهد. استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت محیط زیست و صرفه جوئی انرژی در این زمینه است. نانو فیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پائین تر از اسمز معکوس است .بنابراین می توانند در رفع آلودگی های آب های ذخیره نوشیدنی انسان ها و آب های کشاورزی استفاده شوند.

نانوفیلترها می توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهائی که نیاز به مراقبت شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض ها آسیب پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع تر از عامل مسمومیت پاک شود. برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسائی شود.

با استفاده از نانوفیلترها می توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسائی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد. علاوه بر این نانوفیلترها می توانند در جداسازی های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنو کلوئیک تصفیه DNA، جذب پروتئین ها و اسیدنو کلوئیک ها، سوبسترا برای کشت Batch، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذائی و استریلیزه کردن سرم های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند. نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را بادقت بیشتری ارزیابی کنیم. با استفاده از مولکول های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذائی) دارند که شامل: آشکارسازی عوامل و کمیت های شیمیائی و بیولوژیکی، توالی سنجی DNA در تشخیص بیماری ها و تولید داروها، در آزمایش هایمؤثر و سریع بر روی داروهای جدید، سیستم هیا کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذائی در انبارها و حمل و نقل و انتقال، سیستم های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه گیری، گزارش دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام ها، بیوسنسورهای دقیق تر برای شناسائی پروتوین ها، آشکارسازی سریع عوامل بیماری زا و ... می باشند.

▪ نانو لوله ها و نانو کامپوزیت ها: در سا لهای اخیر، الیاف نانولوله کربنی به عنوان نسل جدیدی از نانوساختارهای کربنی توجه محققان بسیاری را به خود معطوف داشته است. این ساختار جدید، به دلیل دارا بودن شیم یکربن، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، ساختاری فیبری شگفت انگیز، مقاومت مکانیکی بالا و...از دیگر مواد نانوساختار متمایز شده است. پیش از کشف الیاف نانولوله کربنی، تارهای عنکبوت به عنوان مستحکم ترین ماده در میان مواد طبیعی و مصنوعی محسوب می شدند، اما این نانوساختارهای کربنی از نظر ساختاری و استحکام الیاف بسیار قوی تار عنکبوت و کولار را نیز پشت سر گذاشته است . نانو لوله های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال ۱۹۹۱ کشف و به جهان عرضه شدند این لوله ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهائی پایدار، مقاوم و انعطاف پذیر دارند.

و می توانند جایگزین سرامیک های معمولی، آلومینیوم و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ دنده ها، یاتاقان ها ، اجزاء ماشین، دستگاه های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه های صنعتی تولید غذا شوند. مطالعات اخیر پیشنهاد می کند که از نانو لوله های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون، پروتئین ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. کاربرد آن در آسانسور فضایی، شاتل فضایی، ساخت روبات برای کشف سیارات، موتورهای سفینه های فضایی، حسگرهای زیستی، سیستم های میزبان برای احاطه مولکول های زیستی، ساخت میکرو سوند برای میکرو جراحی، ماهیچه های مصنوعی، سوپر خازن، سیمها ی هادی، ترانسفورماتور، گسیل کننده های میدان حرارتی ، آنتها، باتری ها، جلیقه و سپرهای ضد بالیستیک، ماهواره ها، پوشش ضد انفجار برای هواپیماهای باربری، زره، محافظ ذخیره هیدروژن، الکترود،کاتالیستی، فیلتراسیون و رساناهای حرارتی و مایکروویو می باشد.

▪ نانوپلیمرهای متخلخل: نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکول های مواد آلاینده دارند، مناسب ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده های آلی از آب و خاک به شمار می روند. به طور کلی کاربردهای زیست محیطی این نانو ساختارها عبارتند از:

۱) جداسازی آلاینده های آلی از آب آشامیدنی.

۲) تصفیه پساب های واحدهای صنعتی مانند نیروگاه های هسته ای برای استفاده مجدد از آنها.

۳) پاک سازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی.

۴) پاک سازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده های آلی.

با توجه به این که نانوپلیمرهای متخلخل در موارد بسیار زیادی مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین هزینه های تصفیه به مراتب کمتر می شود.

▪ کاتالیست های زیست محیطی: از زمینه های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران قیمت اند.

▪ پلیمرهای زیستی: از نانوساختارهائی مثل پلیمرهای زیستی می توان برای تولید تراشه های الکترونیکی استفاده کرد. برای مثال، مانیتورهای ساخته شده از لوله های اشعه کاتدی (که حاوی مواد سمی اند) است و راندمان بالاتری هم دارند. نمایشگرهای ساخته شده از کریستال مایع ضمن کوچک بودن حاوی سرب نیستند و مصرف انرژی آنها بسیار کمتر از انواع مشابه کاتدی است. علاوه بر این استفاده از نانولوله های کربنی در نمایشگرهای کامپیوتری به کاهش مصرف فلزات سنگین در آنها کمک می کند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می کاهد.

▪ نانو پوشش ها: پوشش های نانو ساختاری پیشرفته به خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند، ویژگی های بارز این نانو پوشش گرها خاصیت ضد خوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیوم و منیزیم افزایش داده است. این نانو ذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل ها به کار می برند. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش داده شده را خیس نمی کند و به صورت قطراتی روی آن باقی می ماند و به سرعت زدوده می شود. این عمل فرآیند خشک شدن را سرعت می دهد. بدیهی است که مصرف مواد شوینده به شدت کاهش می یابد و از آلودگی محیط زیست جلوگیری به عمل می آید.

▪ نانو پودرها: این پودرها در فرآیندهای قالب گیری تزریقی و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. نوعی از پودرهای نانو ساختاری یاد شده که حاوی ذرات آلومینیوم است، در صورت افزوده شدن به سوخت های جامد موشک ها شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و در نتیجه کاهش تولید آلاینده های مختلف می شود.

▪ کاربرد فن آوری نانو در تصفیه آلاینده های آب: یکــی از مهمتریــــن کاربـــردهای فــن آوری نانـــو در محیــط زیسـت، تصفیــه آلاینــده های آب هــای زیرزمینـــی بــا نانو ذرات است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد.

سلامت و ایمنی در محیط های کار با نانو مواد : فناوری نانو یک حوزه در حال رشد و گسترش می باشد. اما همراه با این گسترش و خلق فرصت های نو برای ایجاد صنایع، کاربردها و محصولات جدید ممکن است اثرات زیان آوری را بر سلامت انسان و محیط زیست تحمیل کند. در مقیاس نانو، خصوصیات مواد دستخوش تغییرات بسیاری می شود. به تبع این تغییرات، پیش بینی، شناسایی، ارزیابی و کنترل ریسک های بهداشتی، ایمنی و زیست محیطی ناشی از نانومواد نیز با چالش مواجه می شود.. نانوذرات، به دلیل اندازه کوچک و سطح زیاد، واکنش پذیری بسیار زیادی از خود نشان می دهند. همین خصوصیت سبب می شود تا نسبت به ذرات درشت تر ریسک حریق و انفجار بیشتری ایجاد نمایند. سال هاست که از نانوذرات مهندسی شده و مواد متخلخل انوساختار، به عنوان کاتالیست، برای افزایش سرعت واکنش ها یا کاهش دمای لازم برای واکنش گازها و مایعات به شکل موثری استفاده می شود. بسته به ترکیب و ساختار آنها، تعدادی از نانومواد ممکن است باعث واکنش های کاتالیستی اولیه و افزایش خطر آتش گرفتن و انفجار شوند که تنها با توجه به ترکیب شیمیایی آنها قابل پیش بینی نیست. نانوذرات، به علت داشتن سطح وسیع ویژه، ممکن است در زمان استفاده دارای الکتریسیته ساکن زیادی شوند، بطوریکه با پخش شدن در هوا ابر قابل انفجاری را تشکیل داده و می توانند خود به خود مشتعل شوند مانند: نانوپودر آهن.

بنابراین ضروری است کلیه مسئولین و مدیران محیط های کاری نانو، پس از انجام ارزیابی های لازم، جهت کنترل ریسک های بهداشتی و ایمنی نانومواد، اقدام های لازم را بعمل آورند .استاندارهایی برای اینکه فناوری نانو بتواند به ایجاد کنترل های اختصاصی و در نتیجه حفظ سلامتی و ایمنی کارکنان و محیط زیست در محیط های کاری نانو کمک کند، ایجاد شده است.این استانداردها در کلیه محیط های کاری نانو کاربرد داشته، می تواند توسط مدیران، متخصصان و کارکنان این محیط ها با هدف ایجاد محیط کار سالم، حفظ سلامت کارکنان، آموزش کارکنان، تهیه آئین نامه های کار اختصاصی و تهیه تجهیزات و امکانات ایمنی مورد نیاز به کار گرفته شود.

● نتیجه گیری

در سال های اخیر، پیشرفت های سریع علوم و فنون به ویژه در زمینه نانوتکنولوژی، تحولاتی بزرگ را در زمینه های پزشکی، کشاورزی، صنعت، محیط زیست و علوم پایه زیستی در پی داشته است . امروزه نقش نانوتکنولوژی در همه ابعاد روشن است، اما جنبه دیگر این توانمندی، خطرات احتمالی مرتبط با استفاده از محصولات فناوری نانو است که در صورت رعایت نکردن قوانین و مقررات خاص ایجاد می شود. بنابراین ضمن تاکید بر اهمیت فناوری نانو، لازم است آیین نامه هایی جهت انجام ایمن و سالم استفاده از محصولات نانو تهیه و تدوین شود تا بر اساس آن بتوان کنترل و نظارت بر کلیه فعالیت های نانوتکنولوژی را اعمال کرد. در واقع دولت ها موظفند علاوه بر تدوین استراتژی ملی و تصویب چارچوب سازمانی برای نانوتکنولوژی، شرایط قانونی تحقیق و توسعه را مشخص کنند. از این رو پیشنهاد می شود یکی از این زیرساخت های قانونی، قانون «ایمنی نانو» باشد. در واقع، ایمنی نانو به سیاست ها و روش های اتخاذ شده جهت اطمینان از کاربرد بی خطر محصولات نانو از نظر محیط زیست و سلامت انسان اطلاق می شود. از این رو تدوین این سیاست ها و قوانین امری ضروری به نظر می رسد.