توسعه غشای نانوکامپوزیتی ایرانی برای حذف کامل رنگ‌های کاتیونی پساب

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما، پساب‌های حاوی رنگ‌های مصنوعی، به‌خصوص رنگ‌های کاتیونی، به دلیل پایداری شیمیایی بالا، سمیت و قابلیت تجمع زیستی، به‌سختی از آب حذف می‌شوند و روش‌های متداول تصفیه اغلب در برابر آنها کارایی محدودی دارند. 

از این‌رو، توسعه راهکار‌های نوین، کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای حذف این آلاینده‌ها، ضرورتی انکارناپذیر در حوزه محیط‌زیست و مدیریت منابع آب محسوب می‌شود.

در همین زمینه، پژوهشگران دانشگاه شیراز با همکاری دانشگاه صنعتی اصفهان و دانشگاه صنعتی خاتم‌الانبیاء بهبهان، در یک پژوهش مشترک موفق به طراحی و ساخت غشا‌های نانوکامپوزیتی پیشرفته‌ای شده‌اند که توان حذف تقریباً کامل رنگ‌های کاتیونی از پساب‌های صنعتی را دارند.

 این پژوهش با تمرکز بر بهبود عملکرد غشا‌های پلیمری رایج، راهکاری مبتنی بر فناوری نانو برای غلبه بر محدودیت‌های موجود ارائه می‌دهد.

غشا‌های پلیمری از جنس پلی‌اتر سولفون (PES) به‌طور گسترده در سامانه‌های تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما این غشا‌ها ذاتاً آب‌گریز هستند و در برابر گرفتگی، افت شار عبوری و کاهش راندمان جداسازی، آسیب‌پذیری بالایی دارند. 

پاسخ پژوهشگران، در بهره‌گیری هدفمند از فناوری نانو نهفته است. در این طرح، غشای PES با دو اصلاح کلیدی همراه شده است: استفاده از پلی‌اتر سولفون سولفونه‌شده (sPES) برای افزایش آب‌دوستی و بهبود ساختار غشا، و افزودن نانولایه‌های اکسید گرافن عامل‌دارشده با ایمینودی‌استیک اسید (IDA-GO). بخش نانویی کار دقیقاً در همین نقطه قرار دارد؛ جایی که نانولایه‌های IDA-GO با سطح ویژه بالا و گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار، نقشی تعیین‌کننده در افزایش کارایی غشا ایفا می‌کنند.

این نانولایه‌ها که در مقادیر بسیار کم، بین ۰.۰۵ تا ۰.۲ درصد وزنی، به محلول ساخت غشا افزوده شده‌اند، ساختار میکروسکوپی غشا را به‌طور محسوسی تغییر داده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که حضور نانوصفحات IDA-GO موجب افزایش تخلخل، بهبود توزیع اندازه حفره‌ها و افزایش شعاع متوسط منافذ غشا شده است؛ عواملی که مستقیماً به افزایش شار عبوری آب و کاهش مقاومت هیدرولیکی منجر می‌شوند.

از سوی دیگر، بار سطحی منفی نانولایه‌های اکسید گرافن عامل‌دارشده، نقش کلیدی در حذف رنگ‌های کاتیونی ایفا می‌کند. این بار منفی، برهم‌کنش الکترواستاتیکی قوی میان غشا و مولکول‌های رنگ با بار مثبت ایجاد می‌کند و در کنار سطح جذب بالای نانولایه‌ها، باعث به دام افتادن مؤثر رنگ‌ها در ساختار غشا می‌شود. به بیان ساده، فناوری نانو در این پژوهش نه‌تنها ساختار غشا را بهینه کرده، بلکه مکانیسم جداسازی را نیز هوشمندانه‌تر ساخته است.

آزمون‌های عملکردی نشان می‌دهد که غشای نانوکامپوزیتی PES/sPES@IDA-GO با تنها ۰.۱ درصد وزنی نانولایه IDA-GO، قادر است ۹۹.۹ درصد رنگ متیلن‌بلو کاتیونی را از پساب حذف کند. این در حالی است که شار عبوری آب خالص به ۱۹.۴ لیتر بر مترمربع در ساعت رسیده که نشان‌دهنده تعادل مناسب میان بازدهی جداسازی و بهره‌وری عملیاتی است. چنین عملکردی، این غشا را به گزینه‌ای جذاب برای کاربرد‌های صنعتی تبدیل می‌کند.

افزون بر این، اصلاح نانویی انجام‌شده باعث بهبود خواص مکانیکی غشا نیز شده است؛ موضوعی که برای استفاده طولانی‌مدت در سامانه‌های تصفیه صنعتی اهمیت بالایی دارد. افزایش آب‌دوستی سطح غشا همچنین به کاهش گرفتگی و افزایش پایداری عملکرد در طول زمان کمک می‌کند؛ مشکلی که همواره یکی از نقاط ضعف غشا‌های پلیمری مرسوم بوده است.

اهمیت این دستاورد تنها به اعداد و ارقام آزمایشگاهی محدود نمی‌شود. این پژوهش نشان می‌دهد که با مهندسی دقیق مواد و بهره‌گیری هوشمندانه از نانومواد، می‌توان سامانه‌های تصفیه‌ای طراحی کرد که هم کارایی بالا داشته باشند و هم از نظر مصرف انرژی و مواد، مقرون‌به‌صرفه باشند. چنین رویکردی، به‌ویژه برای کشور‌هایی با تنش آبی و حجم بالای پساب صنعتی، اهمیتی راهبردی دارد.

در مجموع، دستاورد مشترک دانشگاه شیراز، دانشگاه صنعتی اصفهان و دانشگاه صنعتی خاتم‌الانبیاء بهبهان، نمونه‌ای روشن از نقش فناوری نانو در حل مسائل واقعی محیط‌زیستی است. غشای نانوکامپوزیتی توسعه‌یافته در این پژوهش، افق‌های تازه‌ای برای تصفیه پایدار پساب‌های رنگی و حفاظت از منابع آب می‌گشاید و می‌تواند زمینه‌ساز توسعه نسل جدیدی از غشا‌های صنعتی با عملکرد بالا و اثرگذاری زیست‌محیطی مثبت باشد.