نانولوله‎های کربنی فوق‎العاده در تصفیه آب

نانولوله‎های کربنی می‎توانند آب‎های شور را به آب آشامیدنی تبدیل کنند. این نانولوله‎ها، مولکول‌های آب را به‌صورت یک ردیف فشرده‎ی زنجیری درآورده و علاوه بر این، یون‎ها را نیز تصفیه می‎کنند.

در این فیلترها سرعت انتقال آب به میزان قابل‌توجهی افزایش می‎یابد. این نانولوله‎ها می‎توانند در تصفیه آب دریا نیز گزینش‎پذیری بالای خود را نسبت به یون‎ها حفظ کنند.

در اوایل سال 2018 میلادی، برای اولین بار بود که در یک کار تحقیقاتی، مقادیری استثنا‎یی برای گزینش‎پذیری و بازده انتقال فرایند تصفیه آب گزارش شد. این پژوهش منجر به ارائه نوعی از نانولوله‎های کربنی شد که علاوه‎بر تصفیه بهینه‏ی آب، ساختارهایی را برای جداسازی‎های صنعتی و مدارهای پیشرفته حتی در فناوری‎های رایانه‎ای نیز معرفی می‌کرد.

نیاز به آب آشامیدنی یک نیاز جهانی است. جهت پاسخگویی به این نیاز، محققان به‌طورجدی در حال بررسی نسل‎های جدید غشاهای تصفیه آب با مصرف بهینه‌ی انرژی هستند. غشاها باید جریان‎های بالا را تنظیم کنند و هم‌زمان نسبت به فیلتر یون‎ها نیز گزینش‎پذیر باشند.

آکواپورین‎ها (Aquaporins)، کانال‎های آبی بیولوژیکی هستند که در غشاهای سلولی تعبیه شده‌اند، آن‌ها سلول‎های زنده را به‌صورت گزینش‎پذیر و با تنظیم جریان در داخل و خارج سلول، زنده نگه می‎دارند به‌طوری‌که تابه‌حال چنین روشی در خارج از محیط بیولوژیک و طبیعی سلول‌ها، اجرا نشده است.

دلیل عملکرد بسیار مؤثر آکواپورین‎ها این است که دیواره این کانال‎ها، آب را دفع می‎کند. (یعنی آب‎گریزند.) آن‌ها قطری زیر نانومتر دارند و با ایجاد فشارهای محدودکننده باعث می‎شوند تا مولکول‎های آب در یک مسیر خطی قرار بگیرند.

در ابتدای کار به نظر می‎رسید که نانولوله‎های کربنی در ارزیابی‎های انجام شده، به‌اندازه کافی نازک نیستند، ولی آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور ایالات کالیفرنیا آمریکا نشان داد که این نانولوله‎های کربنی با قطری زیر نانو، می‎توانند آب را با سرعتی شش برابر بیشتر از آکواپورین‎ها انتقال دهند. قابل‌ذکر است که یک تار موی انسان 100000 نانومتر است.

نانولوله‎های کربنیِ بسیار نازک نیز مانند مشابه زیستی خود (یعنی آکواپورین‎ها) با اعمال فشار به مولکول‎های آب، آن‎ها را در یک ردیف قرار می‎دهند که این اتفاق در نانولوله‎های بزرگ‌تر رخ نمی‎دهد زیرا آب از منافذ لوله‎ها عبور می‎کند.

افزایش جریان آب در این نانولوله‎ها نسبت به آکواپورین‎ها ناشی از تفاوت در نحوه تولید دیواره‎های هر کانال است. درحالی‌که دیواره‎های هر دو لوله (پورین‎ها و نانولوله‌ها) آب‎گریز هستند، اما دیواره‎های آکواپورین با اسیدهای آمینه که با مولکول‎های آب نیز برهمکنش دارند، پوشانده شده است. در مقابل، دیواره نانولوله‎های کربنی به‌صورت اتم‎های صاف و هموار بوده و با مولکول‎های آب، برهمکنش ندارد. در نتیجه، آب آزادانه‎تر جریان می‎یابد. همچنین برای دو برابر کردن سرعت آب در این نانولوله‎ها می‎توان از برخی افزودنی‎های خاص نیز استفاده نمود.

از ویژگی‎های جذاب این ساختارهای کربنی، تصفیه کارآمد یون‌های آب است. دهانه نانولوله‎های کربنی دارای بار منفی‎ست؛ بنابراین به‌صورت خارق‎العاده‌ای نانولوله‎ها می‎توانند نمک‎های موجود در آب دریا را که دارای بار مثبت هستند، هدایت کنند.

با پیشرفت روزافزون غشاهای تصفیه آب، استفاده از فناوری نانو در آن‎ها نیز بسیار چشمگیر شده است. شرکت‎هایی که در راستای تصفیه آب در ایران فعالیت دارند هم می‎توانند با استفاده از نانولوله‎های کربنی، بازده محصولات خود را در فرآیند تصفیه آب بالا ببرند.