کاربرد نانوحسگرها در مهندسی آب چیست؟

در ادامه مبحث کاربرد فناوری های نوین و بر پایه نانو تکنولوژی در مهندسی آب، با نانو حسگرها و کارایی آنها آشنا خواهیم شد.

منابع آب مورد استفاده بشر به دو بخش آب­ های سطحی و زیرزمینی تقسیم می­ شود که آب ­های زیرزمینی به عنوان یک منبع ذخیره مهم محسوب می ­شود. در گذشته معماران روم باستان بر این باور بودند که کیفیت آب به زمینی که آب روی آن جاری بوده یا تجمع یافته است، بستگی دارد. آن­ ها با بررسی شرایط جسمی مردمی که از آب استفاده می­ کردند و همچنین با قرار دادن فلز از جنس برنج در مجاورت آب و بررسی میزان خوردگی آن، کیفیت آب را ارزیابی می­ نمودند. به تدریج با توسعه توانایی­ های بشر آب آشامیدنی با کیفیت مناسب در اختیار بخش اعظمی از مردم جهان قرار گرفت اما با این وجود همچنان میلیون­ ها نفر در سراسر جهان از آب سالم بی­ بهره بوده و در معرض ابتلا به بیماری­ های مختلف قرار می­ گیرند.

اخیرا آلودگی آب­ ها توسط فلزات سنگین و سایر عناصر سمی که توسط صنایع و کشاورزی به آب وارد می­ شود به معضل بزرگی تبدیل شده است. هیدروکربن ­ها، فلزات سمی همچون سرب، جیوه، کادمیم و… ،آفت کش­ ها و حشره­ کش ­های ناشی از پسماندهای کشاورزی از جمله مواد آلاینده که منجر به آلودگی منابع آب می­ گردند، محسوب می ­شوند. شناسایی این آلودگی­ ها و تشخیص میزان و نوع آلودگی از دغدغه­ های اصلی دانشمندان از گذشته تاکنون بوده است. با گسترش نانو فناوری و با توجه به خواص مواد نانو ازجمله سطح ویژه بالا، خواص نوری و الکترونی و خواص ویژه برای گندزدایی و تصفیه، نانو حسگرهایی در جهت تشخیص آلودگی تولید گشت.

حسگرها نوعی مبدل انرژی بوده که اتفاقات و تغییرات را در کمیت ­های مختلف تشخیص داده و نتیجه را به صورت یک سیگنال خروجی که عموما یک سیگنال الکتریکی یا نوری است نمایش می ­دهند. امروره نانو حسگرها یکی از مهمترین انواع حسگرها به شمار می­رود. نانوحسگرها، حسگرهایی فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی در ابعاد نانو می­ باشند که تغییرات را در حد نانو تشخیص داده و با دقت و حساسیت بالا انتقال می­ دهند. امروزه نانوحسگرها در دو نوع شیمیایی و بیولوژیکی برای کنترل و شناسایی آلاینده های موجود در آب مورد توجه قرار گرفته­ اند.

کاربرد نانو حسگرها در مهندسی آب

۱-نانو حسگرها برای پایش pH

۲-تعیین میزان اکسیژن محلول در آب

۳-تعیین میزان فلزات سنگین

۴-اندازه ­گیری میزان نیترات و فسفات در آب

۵-اندازه­ گیری کل جامدات آب

۶-اندازه­ گیری میزان کدورت آب

۷-اندازه­ گیری میزان حشره کش و آفت کش ناشی از فعالیت­ های کشاورزی

و همچنین در پرورش آبزیان این نانوحسگرها توانایی تشخیص سریع انواع آلودگی­ ها و عوامل بیماری ­زا را فراهم می­ کنند.از دیگر کاربردهای این نانو حسگرها می ­توان تشخیص ترک خوردگی و نشتی لوله­ های اصلی و کمک به پایش توزیع و کیفیت آب اشاره کرد.

سیگنال هایی که از این حسگرها ساطع می شود به دو صورت سیگنال­ های الکتریکی و مغناطیسی است که بر این اساس نانو حسگرها از نانو ذراتی همچون نانو ذرات طلا، نانو لوله های کربنی، نانو ذرات مغناطیسی و نانو کامپوزیت ­هایی با ساختار هسته-پوسته ساخته می­ شوند. برای تشخیص هر نوع آلودگی از نانو حسگرهایی با جنس مناسب استفاده می­ گردد. به عنوان مثال از حسگرهایی بر پایه نانو ذرات طلا برای تشخیص جیوه و آفت کش­های موجود در آب استفاده می ­شود و یا از حسگرهای نانو لوله­ های کربنی دو جداره به عنوان حسگر نوری برای تشخیص سموم موجود در آب و تولوئن استفاده می ­گردد .

یکی از مهمترین دغدغه­ های دانشمندان شیوع انواع سرطان و بیماری ­هایی است که یکی از دلایل شیوع آن­ها شرب آب آلوده به یون نیترات می ­باشدساخت حسگرهایی برای تشخیص نیترات در آب از مهمترین کاربردهای نانو حسگرها است که به این منظور بر پایه نانو ذرات نقره حسگری تولید می­ شود که به دلیل بالا بودن سطح ویژه ایجاد شده توسط نانو ذرات نقره دارای بازدهی بالایی می­ باشد. سرعت تشخیص بالا، قیمت مناسب و عدم ایجاد آلودگی از جمله مزایای استفاده از این حسگر ها است.  در شکل زیر نمونه هایی از نانو حسگرهای تجاری تشخیص آلودگی آب نشان داده شده است:

کاربرد نانو حسگرها

ساخت نانو حسگرها با کاربرد تصفیه آب

نانو کامپوزیت ­های هسته-پوسته به صورت ترکیبی از یک ماده در نقش هسته و ماده ­ای دیگر به عنوان پوسته ساخته می ­شوند. از نانو ذرات فلزی معمولا به عنوان هسته این نانو کامپوزیت­ ها استفاده می شود. نانو کامپوزیت­ هایی با ساختار هسته- پوسته طلا -سیلیکا، نانو کامپوزیت ­هایی با ساختار هسته- پوسته نقره –سیلیکا و نانو لوله­ های کربنی تک جداره از جمله این نوع نانو حسگر­ها به شمار می­ روند. این نانو کامپوزیت­ ها با ایجاد خواص نوری منحصر به فرد در محدوده طیف مرئی، توانایی بالایی در تشخیص فلزات سنگین حتی به مقدار بسیار کم دارند. همچنین به دلیل افزایش سطح ویژه ناشی از وجود نقره در این نانو کامپوزیت ­ها، خاصیت انتخاب­ پذیری و تشخیص یون­ های خاص به ویژه نیترات در آن­ ها بالا بوده و سبب کاهش هزینه نسبت به حسگر­های الکتروشیمیایی می­ شود.

در بخش­ های مختلف سیستم آبرسانی و توزیع به وسیله نمونه ­گیری­ از نقاط انتخابی و تصادفی تا حدودی می توان از چگونگی کیفیت آب با خبر شد. اما همواره نگرانی هایی درباره نقاطی که در نمونه گیری از چشم دور مانده وجود دارد. چنین رویکردی سبب خطاهای کلی می­ گردد که به صورت عمد و یا غیر عمد سلامت کل سیستم آبرسانی را به خطر م ی­اندازد. با گسترش سیستم اینترنت اشیا و همچنین توسعه نانو تکنولوژی و با ایجاد گره ­های سنسوری در نقاط مختلف تصفیه خانه ­ها و شبکه ­های توزیع آب می ­توان کیفیت آب را در هر زمانی و با دقت بالا مورد بررسی و کنترل قرار داد. در شکل زیر یک شمای کلی از چگونگی قرارگیری حسگرها در شبکه توزیع نشان داده شده است:

کاربرد نانو حسگرها

 

نانو حسگرها از مهمترین ابزارهای ساخته شده توسط فناوری نانو می ­باشد که در بخش­ های مختلف صنعتی، غیر صنعتی و زیستی کاربرد­های مهمی دارد. عدم آسیب روش ­های نانو به طبیعت، عدم ایجاد آلودگی، سرعت در دسترسی به هدف و کارایی مناسب در مقابل اقتصادی بودن از جمله دلایل اصلی است که جهان را به سمت استفاده از این فناوری در بخش های مختلف سوق می­ دهد.

در حال حاضر و در بحث مهندسی آب شرکت­ های محدودی به ارائه نانو حسگرها می ­پردازند. اما طبق تحقیقات صورت گرفته و رویکردهای جهانی در آینده شاهد گسترش نانو حسگرهای تجاری در حوزه های مربوط به آب و فاضلاب خواهیم بود.