هش در تصفیه آب: فناوری نوین هند، آرسنیک و فلوراید را همزمان و با هزینه اندک حذف می‌کند

مقدمه

در گامی بزرگ برای مقابله با یکی از پیچیده‌ترین چالش‌های امنیت آبی جهان، پژوهشگران مؤسسه فناوری هند گواهاتی (IIT-G) به یک فناوری پیشگامانه و کم‌هزینه برای تصفیه آب دست یافته‌اند. این نوآوری که می‌تواند به‌طور همزمان آلاینده‌های خطرناک آرسنیک و فلوراید را از آب‌های زیرزمینی حذف کند، امیدی تازه برای میلیون‌ها نفر در سراسر جهان است که به منابع آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند. این دستاورد که در قالب مقاله‌ای به قلم پروفسور میهیر کی. پورکایت (Mihir K. Purkait) و پژوهشگر موکش بهارتی (Mukesh Bharti) منتشر شده، می‌تواند چشم‌انداز مدیریت منابع آب را دگرگون سازد.

این فناوری نوین نه‌تنها یک راهکار کارآمد برای یک مشکل فنی دیرینه ارائه می‌دهد، بلکه با هزینه عملیاتی بسیار پایین، مسیری واقع‌بینانه برای پیاده‌سازی در مناطق محروم و سیستم‌های غیرمتمرکز روستایی ترسیم می‌کند. این پیشرفت، نمونه‌ای درخشان از نقش کلیدی فناوری آب در حل بحران‌های بهداشتی و زیست‌محیطی است.

دستاورد اصلی: محققان مؤسسه فناوری هند گواهاتی (IIT-G) یک فناوری نوین برای تصفیه آب توسعه داده‌اند که قادر است آرسنیک و فلوراید را به‌طور همزمان از آب‌های زیرزمینی آلوده حذف کند.

راندمان بالا: راکتور الکتروکواگولاسیون با آند چرخان (RA-EC) توسعه‌یافته، در عرض چند دقیقه به راندمان حذف ۹۸.۲٪ برای آرسنات و ۹۱.۸٪ برای فلوراید دست یافته است.

هزینه عملیاتی پایین: هزینه تخمینی این فرآیند بین ۱۸ تا ۵۸ روپیه (معادل تقریبی ۲۱ تا ۶۹ سنت آمریکا) برای هر ۱۰۰۰ لیتر آب تصفیه‌شده برآورد شده که آن را به گزینه‌ای اقتصادی تبدیل می‌کند.

نوآوری فنی: این سیستم به‌جای الکترود آلومینیومی ثابت، از یک آند آلومینیومی چرخان استفاده می‌کند که اختلاط را بهبود بخشیده، سطح الکترود را تجدید کرده و تشکیل لخته‌های جاذب آلاینده را تسریع می‌کند.

کاربردهای گسترده: این فناوری برای تصفیه آب آشامیدنی جوامع محلی، سیستم‌های روستایی غیرمتمرکز، remediation فاضلاب صنعتی و ادغام با فرآیندهای پیشرفته دیگر مانند جذب و فیلتراسیون غشایی پتانسیل دارد.

پژوهشگران مؤسسه فناوری هند گواهاتی (IIT-G) یک فناوری تصفیه آب توسعه داده‌اند که می‌تواند آرسنیک و فلوراید را به طور همزمان از آب‌های زیرزمینی آلوده حذف کند. این مؤسسه روز سه‌شنبه در بیانیه‌ای ادعا کرد که این تحقیق می‌تواند سهمی حیاتی در تضمین آب آشامیدنی ایمن‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر در مناطقی داشته باشد که تحت تأثیر آلودگی طبیعی آب‌های زیرزمینی قرار دارند.

محققان یک راکتور الکتروکواگولاسیون با آند چرخان (RA-EC) توسعه دادند که در عرض چند دقیقه به حذف ۹۸.۲ درصدی آرسنات و ۹۱.۸ درصدی فلوراید دست یافت. نمایش اولیه این فناوری با هزینه عملیاتی تخمینی ۱۸ تا ۵۸ روپیه برای هر ۱۰۰۰ لیتر آب تصفیه‌شده، بسته به غلظت آلاینده، انجام شد.

یافته‌ها نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند از طیف گسترده‌ای از کاربردها پشتیبانی کند، از جمله تصفیه آب آشامیدنی جوامع، سیستم‌های غیرمتمرکز تصفیه آب روستایی، تصفیه آب‌های زیرزمینی آلوده به آرسنیک و فلوراید، پاک‌سازی فاضلاب صنعتی و ادغام با سایر فرآیندهای تصفیه پیشرفته مانند جذب و فیلتراسیون غشایی. این دستاورد، بر نقش فناوری‌های آب در مقابله با بحران تاکید می‌کند.

این یافته‌ها در مجله معتبر بین‌المللی Chemical Engineering Journal منتشر شده است که تحقیقات تأثیرگذار در زمینه مهندسی شیمی، مواد، انرژی، فناوری‌های زیست‌محیطی و مهندسی فرآیند را به چاپ می‌رساند. این مقاله توسط پروفسور میهیر کی. پورکایت و پژوهشگر، موکش بهارتی از IIT Guwahati به رشته تحریر درآمده است.

یک چالش فنی پیچیده

پروفسور پورکایت از دپارتمان مهندسی شیمی IIT Guwahati، با تشریح نیاز به چنین تحقیقی گفت: «آب‌های زیرزمینی منبع اصلی آب آشامیدنی برای میلیون‌ها نفر در سراسر هند هستند. با این حال، در چندین منطقه، این منابع حاوی آرسنیک و فلوراید هستند؛ دو آلاینده‌ای که خطرات سلامتی بلندمدت قابل توجهی ایجاد می‌کنند. تصفیه همزمان این دو همواره چالش‌برانگیز بوده است، زیرا آن‌ها در طی فرآیندهای تصفیه متداول رفتار متفاوتی دارند و برای جایگاه‌های حذف با یکدیگر رقابت می‌کنند.» این مشکل یکی از چالش‌های جدی در مدیریت منابع آب محسوب می‌شود.

برای مقابله با این چالش، محققان IIT-G یک پیکربندی راکتور سریع‌تر و کارآمدتر را توسعه دادند که قادر به حذف همزمان آرسنیک و فلوراید است.

تیم IIT-G به جای استفاده از یک الکترود آلومینیومی ثابت، فرآیند الکتروکواگولاسیون را با توسعه یک آند آلومینیومی چرخان بازطراحی کرد. این آند به طور مداوم اختلاط درون راکتور را بهبود می‌بخشد، انتقال جرم را افزایش می‌دهد، سطح الکترود را تجدید می‌کند و تشکیل لخته‌های هیدروکسید آلومینیوم برای جذب آلاینده‌ها را تقویت می‌کند.

مکانیسم حذف آلاینده‌ها

هنگامی که جریان الکتریسیته از راکتور عبور می‌کند، یون‌های آلومینیوم و یون‌های هیدروکسید با هم ترکیب شده و لخته‌های میکروسکوپی را تشکیل می‌دهند که به آرسنیک و فلوراید متصل می‌شوند و امکان حذف هر دو آلاینده را از طریق جذب، انعقاد و ته‌نشینی فراهم می‌کنند. الکترود چرخان به طور قابل توجهی کارایی این فرآیند را بهبود می‌بخشد و همزمان پدیده غیرفعال شدن الکترود (passivation)، که یک محدودیت رایج در سیستم‌های الکتروکواگولاسیون متداول است، را کاهش می‌دهد. این نوآوری نشان‌دهنده یک جهش در زمینه راهکارهای نوین نانوتکنولوژی در تصفیه آب و فناوری‌های مشابه است.

موکش بهارتی، پژوهشگر این طرح، افزود: «ما به طور سیستماتیک چگونگی تأثیر شرایط عملیاتی، از جمله سرعت چرخش، چگالی جریان، فاصله الکترودها و زمان تصفیه را بر عملکرد ارزیابی کردیم. فناوری ما همچنین تحت شرایط شیمیایی واقعی آب‌های زیرزمینی، از جمله حضور یون‌های طبیعی مانند کلسیم، منیزیم، بی‌کربنات، سولفات و فسفات، و همچنین نمونه‌های واقعی آب زیرزمینی جمع‌آوری شده از آسام، آزمایش شد.»

فاز بعدی این تحقیق بر توسعه یک نسخه پایلوت با جریان پیوسته از راکتور متمرکز خواهد بود که برای استقرار عملی مناسب باشد. مطالعات آتی همچنین کنترل فرآیند خودکار مبتنی بر حسگر را برای نظارت لحظه‌ای بر پارامترهایی مانند pH، رسانایی، جریان الکتریکی و سرعت چرخش ادغام خواهند کرد و این فناوری را به پیاده‌سازی میدانی مقیاس‌پذیر نزدیک‌تر می‌کنند. این رویکرد به سمت نشت‌یابی هوشمند آب و مدیریت خودکار سیستم‌ها حرکت می‌کند.

تحلیل اختصاصی تیم Water Insight Hub – مرکز بینش آب

دستاورد محققان مؤسسه فناوری هند گواهاتی در توسعه راکتور (RA-EC) فراتر از یک نوآوری فنی صرف است؛ این فناوری یک راهکار عملی برای یکی از فراگیرترین مشکلات امنیت آبی در کشورهای در حال توسعه محسوب می‌شود. آلودگی آب‌های زیرزمینی به آرسنیک و فلوراید، یک بحران خاموش بهداشتی است که میلیون‌ها نفر را در آسیا، آفریقا و آمریکای لاتین تحت تأثیر قرار داده است. راهکارهای موجود اغلب یا بسیار پرهزینه بودند (مانند اسمز معکوس) یا در حذف همزمان هر دو آلاینده با راندمان بالا ناتوان بودند. این فناوری جدید با ارائه یک راه حل کم‌هزینه، سریع و با راندمان بالا، پتانسیل دموکراتیزه کردن دسترسی به آب سالم را دارد و می‌تواند به عنوان الگویی جهانی برای مقابله با آلاینده‌های نوظهور و طبیعی در منابع آبی به کار گرفته شود.

اهمیت این فناوری در حوزه مدیریت منابع آب از آن جهت است که به جای تمرکز بر زیرساخت‌های عظیم و متمرکز، راه را برای ایجاد سیستم‌های تصفیه غیرمتمرکز و محلی هموار می‌کند. در بسیاری از مناطق روستایی و دورافتاده، احداث تصفیه‌خانه‌های بزرگ یا خطوط انتقال آب طولانی، نه اقتصادی است و نه عملی. این راکتورهای کوچک و کارآمد می‌توانند مستقیماً در کنار چاه‌ها یا در اجتماعات کوچک نصب شوند و آب سالم را در نقطه مصرف فراهم کنند. این رویکرد نه تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه تاب‌آوری جوامع محلی را در برابر بحران آب افزایش داده و از وابستگی به منابع آب سطحی که خود با چالش‌های اقلیمی روبرو هستند، می‌کاهد.

این دستاورد، هسته اصلی فناوری آب مدرن را به نمایش می‌گذارد: حل مشکلات پیچیده با رویکردهای مهندسی هوشمندانه. بازطراحی فرآیند الکتروکواگولاسیون با استفاده از آند چرخان، یک مثال کلاسیک از بهینه‌سازی یک فناوری موجود برای دستیابی به نتایج چشمگیر است. این نوآوری نشان می‌دهد که پیشرفت در صنعت آب لزوماً به معنای اختراع فناوری‌های کاملاً جدید نیست، بلکه می‌تواند از طریق بهبود و کارآمدسازی فرآیندهای شناخته‌شده نیز حاصل شود. ادغام برنامه‌ریزی‌شده با سیستم‌های کنترل خودکار مبتنی بر سنسور نیز نشان‌دهنده همگرایی مهندسی شیمی با هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء (IoT) است که آینده تصفیه آب را شکل خواهد داد.

در منطقه خاورمیانه و شمال آفریقا (منا)، هرچند تمرکز اصلی بر روی شوری آب و نمک‌زدایی است، اما آلودگی آب‌های زیرزمینی به فلوراید و آرسنیک در برخی کشورها از جمله ایران، الجزایر و عربستان سعودی یک چالش جدی است. برای مثال، در بخش‌هایی از ایران، غلظت بالای فلوراید در منابع آب زیرزمینی مشکلات بهداشتی قابل توجهی ایجاد کرده است. فناوری RA-EC می‌تواند به عنوان یک راهکار مکمل یا جایگزین برای روش‌های فعلی در این مناطق مورد بررسی قرار گیرد. هزینه پایین و سادگی عملیاتی آن، این فناوری را به گزینه‌ای جذاب برای کشورهای منطقه که با محدودیت‌های بودجه‌ای و نیاز فوری به بهبود کیفیت آب روبرو هستند، تبدیل می‌کند.

برای ایران که با بحران آب زیرزمینی شدیدی دست‌وپنجه نرم می‌کند، این نوع فناوری‌ها از اهمیت استراتژیک برخوردارند. وابستگی شدید به منابع آب زیرزمینی و برداشت بی‌رویه، کیفیت این منابع را نیز به شدت کاهش داده است. به‌جای سرمایه‌گذاری انحصاری بر پروژه‌های غول‌پیکر انتقال آب که خود پیامدهای زیست‌محیطی و اقتصادی سنگینی دارند، می‌توان با الهام از این مدل، بر توسعه و بومی‌سازی فناوری‌های تصفیه غیرمتمرکز سرمایه‌گذاری کرد. این رویکرد، که بخشی از یک حکمرانی آب هوشمند است، می‌تواند به حفظ سلامت جمعیت روستایی، کاهش مهاجرت به شهرها و استفاده پایدارتر از منابع آبی باقی‌مانده کمک کند. حمایت از شرکت‌های دانش‌بنیان داخلی برای توسعه راکتورهای مشابه، گامی در مسیر خودکفایی فناورانه و مقابله مؤثر با چالش‌های کیفیت آب در کشور خواهد بود.

برای مطالعه متن اصلی کلیک کنید.