8 دقیقه
تصور کنید یک اسفنج وجود داشته باشد که بتواند آلودگیهای صنعتی چند دههای را در عرض چند دقیقه از آب جدا کند. این ادعایی است که یک تیم بینالمللی پس از توسعه یک ماده جدید فیلتراسیون ارائه میدهد؛ مادهای که هدفش PFAS است — همان «مواد شیمیایی همیشگی» سرسخت که در آبهای زیرزمینی، آب لولهکشی و خاک باقی میمانند و بهعنوان تهدیدی بلندمدت برای کیفیت آب مطرحاند.
این فناوری جدید وعده میدهد که بتواند طیف گستردهای از آلایندههای فلوروشده را سریعتر و با بازدهی بالاتر نسبت به روشهای مرسوم جمعآوری یا تخریب کند. چنین پیشرفتی میتواند پیامدهای مهمی برای تصفیه آب آشامیدنی، پساب صنعتی و مدیریت سایتهای آلوده داشته باشد، بهویژه در مناطقی که غلظت PFAS بهطور مزمن بالا است.
چگونه فیلتر کار میکند و چرا مهم است
PFAS (پِر- و پلیفلوئوروآلکیل) نزدیک به یک قرن است که توسط صنعت بهخاطر مقاومتش در برابر آب، چربی و آتش ارزشگذاری میشود. همین مقاومت شیمیایی باعث میشود این ترکیبات بهعنوان آلایندههای پایدار شناخته شوند: پیوند کربن–فلور یکی از قویترین پیوندها در شیمی است و بسیاری از مولکولهای PFAS صدها سال یا بیشتر زمان میبرند تا تجزیه شوند. برخی گونهها — مانند PFOA و PFOS — با سرطان، مشکلات قلبیعروقی و اختلالات تولیدمثلی مرتبط شناخته شدهاند، اما هزاران گونه دیگر وجود دارند که اثرات سلامتشان بهطور کامل شناخته نشده است.
تیم تحقیقاتی به سرپرستی مهندس یونگکون چونگ در دانشگاه رایس، یک هیدروکسید دوتایی لایهای (Layered Double Hydroxide یا LDH) تهیه کرد که از مس و آلومینیوم همراه با یون نیترات تشکیل شده است. در آزمایشهای آزمایشگاهی، این ماده مقادیر زیادی از PFAS را با سرعتی چشمگیر جذب کرد — تقریباً 100 برابر سریعتر از فیلترهای مرسوم زغال فعال، و بهطور قابلتوجهی بهتر از دیگر جذبکنندههای آزمایششده در بهرهوری جذب.
دلایل این سرعت چیست؟ LDH ساختاری از صفحات لایهای تشکیل میدهد که اندکی عدم تعادل بار دارند. این عدم تعادل بار، سایتهای فعال سطحی ایجاد میکند که مولکولهای PFAS را بهطور قوی جذب و نگه میدارند. به بیان فنیتر، تعاملات الکترواستاتیک و نیروهای واندروالسی میان زنجیرههای فلورینه PFAS و سطوح LDH باعث میشود جذب سریع و با ظرفیت بالا رخ دهد. در نتیجه، نمونههای آلوده گرفتهشده از رودخانهها، آب لولهکشی و تأسیسات فاضلاب در عرض چند دقیقه بهگونهای پاک شدند که دیگر PFOA قابل سنجش نبود — به جای ساعتها یا روزها.
این عملکرد سریع و کارا روی نمونههای آب واقعی نویدبخش است، زیرا در شرایط میدانی غلظتها و ماتریسهای آب متنوعاند و عملکرد مواد جاذب در حضور یونها، مواد آلی و ذرات معلق میتواند دگرگون شود. نتایج اولیه نشان میدهد که LDH میتواند پتانسیل عملیاتی در محیطهای واقعی تصفیه را داشته باشد، اگرچه آزمونهای گستردهتری لازم است.
از منظر مهندسی فرآیند، سرعت جذب بالاتر بهمعنای کاهش زمان تماس (contact time) در ستونهای فیلتراسیون یا کاهش اندازه تجهیزات برای رسیدن به همان سطح تصفیه است. این امر میتواند هزینههای سرمایهای و عملیاتی را کاهش دهد، اما تحقق چنین صرفهجوییهایی به طراحی مناسب بستر، توالی عملکرد و ملاحظات هیدرولیکی وابسته است.
در سطح مولکولی، توصیف خواص LDH و مکانیزم جذب نیاز به اندازهگیریهای سینتیکی، ایزوترم جذب (مثلاً مدلهای لنگمویر و فروندلیک) و تحلیل سطحی با تکنیکهایی مانند طیفبینی فلورورسانس، FTIR و میکروسکوپ الکترونی دارد تا وضعیت پیوندها، تغییرات سطح و توزیع اندازه ذرات مشخص شود. چنین دادههایی برای مدلسازی عملکرد فیلتر در مقیاس صنعتی و پیشبینی عمر مفید ماده جاذب ضروریاند.
تصویر شماتیک از ماده «فیلتر».
بازتولید و تخریب — نه فقط جذب
بسیاری از روشهای موجود یک مشکل را بهجای حل، منتقل میکنند: فیلترهای کربنی PFAS را جمع میکنند اما سپس زبالههای آلوده تولید میکنند که تخریب آنها دشوار است و خود میتواند منبع ثانویه آلودگی باشد. سیستم LDH راه متفاوتی در پیش میگیرد. زمانی که سایتهای جذب اشباع شوند، پژوهشگران ماده را گرم میکنند و کلسیم کربنات اضافه میکنند. این ترکیب LDH را احیا میکند تا قابل استفاده مجدد شود و همزمان زنجیرههای فلورینه را از مولکولهای جذبشده جدا میکند؛ بهعبارت دیگر ساختار پشتی PFOA را شکسته و تخریب شیمیایی را ممکن میسازد، نه صرفاً قرنطینه کردن آنها در ماده جاذب.
پس از آنمعالجه شیمیایی، چیزی که باقی میماند یک رسوب حاوی فلور و کلسیم است — فرم جامدی که میتوان آن را بهطور ایمنتر نسبت به رسانههای کربنی مصرفشده دفع نمود. مهندس رایس، مایکل وونگ، به روزنامه گاردین گفت که این رسوب را میتوان بهصورت ایمن دفن کرد و خطر آلودگی ثانویه را نسبت به زغال فعال مصرفشده کاهش داد.
فرایند شیمیایی بازتولید و تخریب نیازمند کنترل دقیق دما، نسبتهای شیمیایی و شرایط واکنشی است تا بازده تخریب فلوراید حداکثر و تولید جانشینهای خطرناک حداقل شود. همچنین باید اطمینان حاصل شود که فرآوردههای تخریب، خود سمی یا پایدار نیستند و در شرایط محل دفن بهصورت پایدار باقی میمانند.
تحلیل مسیر واکنش (reaction pathway analysis) برای شناسایی واسطههای احتمالی و محصولات نهایی تخریب، و آزمونهای سمشناسی محیطی برای بررسی اثرات بالقوه این محصولات، از جمله اقداماتیاند که باید در برنامههای توسعه و ارزیابی فنی گنجانده شوند. بدون چنین اطلاعاتی، حتی رسوبات جامد هم میتوانند ریسکهای بلندمدتی برای اکوسیستم و منابع آب زیرزمینی ایجاد کنند.
علاوه بر این، بازتولید ماده جاذب چند بار و بررسی تغییرات کارایی پس از هر چرخه بازتولید باید بهدقت اندازهگیری شود تا عمر مفید واقعی LDH تعیین گردد. آیا تغییرات ساختاری یا تجمع ناخالصیها بعد از چند چرخه باعث کاهش ظرفیت جذب میشود؟ مطالعات چرخهای طولانیمدت (long-term cycling studies) پاسخ این پرسشها را خواهند داد.
آیا این فناوری آمادهٔ اجرا در تصفیهخانههای واقعی است؟ هنوز نه. آزمایشها تاکنون در مقیاس آزمایشگاهی انجام شدهاند، هرچند نتایج روی نمونههای آب واقعی امیدوارکننده است. مقیاسبندی (scale-up) سوالاتی را درباره هزینه، پایداری بلندمدت، ردپای کامل چرخهٔ حیات (life-cycle footprint) ماده LDH و چگونگی عملکرد روش در برابر هزاران گونه PFAS موجود مطرح میکند.
در عمل، اجرای موفق نیاز به برنامههای پایلوت در محیطهای واقعی، تحلیل اقتصادی شامل هزینههای سرمایهای و عملیاتی، و بررسی تطابق با مقررات محلی و بینالمللی دارد. علاوه بر آن، توسعه استانداردهای آزمایشگاهی برای سنجش اثربخشی حذف PFAS و معیارهای پذیرش برای محصولات جانبیِ تخریبشده ضروری است.
پتانسیل اما روشن است: یک فیلتر سریع و قابل بازتولید که امکان تخریب شیمیایی را هم فراهم کند میتواند هم زمان زمان فرایند تصفیه و مقدار پسماند خطرناک تولیدی را کاهش دهد. این میتواند پیروزی نادری در رقابت برای ترمیم سایتهای آلوده و حفاظت از آب آشامیدنی باشد.
برای دستیابی به این هدف، سیاستگذاران، شرکتهای آب و برق و محققان باید همکاری کنند تا عملکرد در مقیاس بزرگتر اعتبارسنجی شود، برنامههای پایلوت اجرا شود و مقررات مربوط به دفع محصولات جانبیِ فرآیند مشخص گردد. جامعههایی که با PFAS در منابع آب خود دستوپنجه نرم میکنند، دیگر نمیتوانند دههها برای راهحلهای ایمنتر منتظر بمانند؛ نوآوریهایی از این دست نیازمند آزمایش سریع و دقیق و در صورت اثبات کارآیی، استقرار سریع هستند.
نکاتی فنی و الزامات آیندهنگر برای توسعه و استقرار فناوری:
- آنالیز ایزوترمها و سینتیک جذب برای پیشبینی ظرفیت و سرعت تحت شرایط متنوع آب.
- آزمونهای مزاحمتکنندهها (interference tests) شامل یونهای محلول، شوری، مواد آلی و ذرات معلق برای سنجش عملکرد در آبهای طبیعی و پسابها.
- مطالعات چرخه عمر (LCA) برای مقایسه اثرات زیستمحیطی کامل بین LDH و فناوریهای جایگزین مانند زغال فعال و روشهای تخریب حرارتی یا شیمیاییِ دیگر.
- تحلیل اقتصادی سطحبندیشده (sensitivity analysis) برای برآورد هزینهها در سناریوهای مختلف مقیاسپذیری و چرخه بازتولید.
- برنامهریزی پایلوتهای میدانی همراه با برنامهریزی نمونهبرداری و تحلیلهای آنالیتیکی مستقل برای تأیید نتایج آزمایشگاهی.
همچنین لازم است که ارتباط میان مفاهیم کلیدی بهروشنی برقرار شود: PFAS بهعنوان مجموعهای از آلایندهها، LDH بهعنوان ماده جاذب/کاتالیزور ممکن، فرآیندهای بازتولید و تخریب و مدیریت پسماندهای نهایی. این روابط وقتی در مستندسازی علمی و گزارشدهی فنی واضح بیان شوند، به تسهیل پذیرش فناوری توسط صنایع و نهادهای نظارتی کمک میکند.
در نهایت، مشارکت با آزمایشگاههای مستقل، آژانسهای محیطزیستی و جوامع محلی برای تضمین شفافیت و اعتماد عمومی ضروری است. بهعلاوه، اطلاعات دقیق درباره محدوده عملکرد، محدودیتها و ریسکهای احتمالی باید در دسترس عموم قرار گیرد تا تصمیمگیرندگان محلی بتوانند بر پایه شواهد، انتخابهای مناسبی برای حفاظت از منابع آب اتخاذ کنند.
منبع: sciencealert
نظرات
لابکور
این رسوب فلور و کلسیم رو واقعا میشه امن دفن کرد؟ شواهد سمشناسی کجاس، اگه محصولات تخریب هم سمی باشن چی؟
ارسال نظر