راهکارهای نوین برای مهار آلودگی هوا با نانوتکنولوژی

نقش نانو فناوری در کاهش آلودگی هوا در سال‌های اخیر از سطح یک ایده صرفا آزمایشگاهی فراتر رفته و به یکی از محورهای جدی سیاست‌گذاری در حوزه فناوری‌های نوین تبدیل شده است.

کد خبر: ۳۴۷۴۸۲

۲۲ آذر ۱۴۰۴ / ۱۱:۵۶

به گزارش روزپلاس، نقش نانو فناوری در کاهش آلودگی هوا در سال‌های اخیر از سطح یک ایده صرفاً آزمایشگاهی فراتر رفته و به یکی از محورهای جدی سیاست‌گذاری در حوزه فناوری‌های نوین تبدیل شده است. تشدید آلودگی هوا در کلان شهرها، افزایش بار بیماری‌های قلبی و تنفسی و برآوردهایی که از سوی نهادهایی مانند سازمان جهانی بهداشت درباره مرگ‌های زودرس ناشی از آلودگی هوا ارائه می‌شود، نشان می‌دهد که رویکردهای متعارف کنترل آلودگی دیگر پاسخ گوی ابعاد مسئله نیست. نانو فناوری در چنین بستری به عنوان ابزاری برای بازطراحی سامانه‌های کنترل آلودگی، بهینه سازی فرآیندهای صنعتی و ارتقای کارایی فیلترها و کاتالیست‌ها مطرح شده است و این نوشتار کوتاه تلاش می‌کند بر پایه یافته‌ها علمی موجود، تصویری تحلیلی از ظرفیت‌ها و چالش‌های فناوری مذکور در کنترل آلودگی هوا ارائه دهد.

نانو فناوری و صورت بندی جدید مسئله آلودگی هوا

نانو فناوری به طور کلی به مهندسی و کنترل مواد در مقیاس یک تا صد نانومتر اطلاق می‌شود، مقیاسی که در آن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد دگرگون می‌شود و رفتارهای کاملاً متفاوتی نسبت به مقیاس بالا بروز می‌کند. در حوزه محیط زیست و به طور خاص آلودگی هوا، این دگرگونی به معنای سطح ویژه بسیار بالا، انرژی سطحی زیاد، قابلیت طراحی دقیق سطح ذرات و امکان ترکیب کارکردهای مختلف در یک نانوساختار است. زمانی که این ویژگی‌ها در خدمت کنترل آلودگی هوا قرار می‌گیرد، می‌توان به کاتالیست‌هایی دست یافت که واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش آلاینده‌ها را با سرعت بسیار بیشتر و در دما و فشار پایین‌تر پیش می‌برند. همچنین با استفاده از این فناوری می‌توان غشاهایی طراحی کرد که جداسازی گزینشی گازها را با دقت بالا انجام می‌دهند و پوشش‌هایی ساخت که سطوح را در برابر رسوب آلاینده‌ها مقاوم می‌سازد.

به این ترتیب، می‌توان نتیجه گرفت که نانو فناوری صرفاً یک افزودنی به همان سامانه‌های قدیمی کنترل آلودگی نیست، بلکه امکان بازتعریف معماری سامانه‌های فنی کنترل آلاینده‌ها را فراهم می‌کند و این همان نقطه‌ای است که آن را برای سیاست‌گذاران محیط زیست جذاب می‌سازد.

کاتالیست‌های نانومقیاس و مهار آلاینده‌های گازی

یکی از مهم‌ترین مسیرهای کاربردپذیری نانو فناوری در کنترل آلودگی هوا، توسعه کاتالیست‌های نانومقیاس برای کاهش انتشار آلاینده‌های گازی است. کاتالیست‌ها واکنش‌های شیمیایی را بدون مصرف شدن خود تسریع می‌کنند و در سامانه‌های تصفیه، اگزوز خودرو و واحدهای فرایندی صنعتی نقشی کلیدی دارند. زمانی که این کاتالیست‌ها بر پایه نانوذرات طراحی و تولید می‌شوند، سطح تماس مؤثر آن‌ها با گازهای آلاینده به شکل چشمگیری افزایش می‌یابد، انرژی فعال سازی واکنش‌ها کاهش پیدا می‌کند و امکان انجام واکنش در شرایط عملیاتی فراهم می‌شود.

نانوذرات اکسید فلزاتی مانند دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی نمونه‌هایی از این مواد هستند که می‌توانند در شرایط تابش فرابنفش واکنش‌های فتوکاتالیستی را برای اکسیداسیون ترکیبات آلی فرار و برخی گازهای سمی فعال نمایند. این سامانه‌ها در صورت طراحی مناسب می‌توانند ترکیبات آلی فرار را به دی اکسید کربن و آب تبدیل کنند و در عین حال باکتری‌ها و ریزسازواره‌های موجود در جریان هوا را نیز غیرفعال سازند و بنابراین یک رویکرد ترکیبی برای کاهش آلودگی شیمیایی و زیستی فراهم کنند.

از سوی دیگر توسعه نانولوله‌های کربنی و نانوالیاف فلزی امکان طراحی بسترهای کاتالیستی بسیار کارآمد را فراهم کرده است. این ساختارها به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار بالا و رسانایی الکتریکی مناسب می‌توانند هم به عنوان حامل کاتالیست و هم به عنوان جز فعال در واکنش به کار گرفته شوند. در برخی پژوهش‌ها نشان داده شده است که نانولوله‌های کربنی اکسید شده می‌توانند جذب مؤثری برای ترکیبات آلی و حتی برخی گازهای سمی داشته باشند و در ترکیب با فلزات نجیب، سامانه‌های کاتالیستی قدرتمندی برای حذف آلاینده‌های پیچیده از جریان گازهای خروجی ایجاد کنند.

مسیر دیگر استفاده از نانو فناوری در کنترل آلودگی هوا، طراحی غشاها و فیلترهایی است که بتوانند جداسازی گزینشی گازها و مهار ذرات معلق را با کارایی بالا انجام دهند. در حوزه گازهای گلخانه‌ای، توسعه غشاهای مبتنی بر نانولایه‌ها و نانوحفره‌ها یکی از راهبردهای مهم برای جداسازی دی اکسید کربن و متان از جریان‌های خروجی نیروگاه‌ها و صنایع بزرگ به شمار می‌آید. در برخی طرح‌ها از نانولوله‌های کربنی و چارچوب‌های فلزی آلی در ساخت غشاهایی استفاده می‌شود که به دلیل اندازه و ساختار دقیق حفره‌ها می‌توانند مولکول‌های دی اکسید کربن را با ترجیح بالاتری نسبت به سایر گازها عبور دهند و به این ترتیب امکان بازیافت و ذخیره یا استفاده مجدد از آن را فراهم سازند. استفاده از چنین فناوری‌هایی در مبدل‌های گاز خروجی نیروگاه‌ها و واحدهای صنعتی در صورت رسیدن به مقیاس اقتصادی می‌تواند سهم قابل توجهی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلودگی هوا داشته باشد.

در سطح شهری نیز توسعه فیلترهای مبتنی بر الیاف نانومقیاس برای مهار ذرات معلق ریز و فوق ریز اهمیت ویژه‌ای یافته است. فیلترهایی که با استفاده از نانوالیاف پلیمری یا سرامیکی تولید می‌شوند، به دلیل قطر بسیار کم الیاف و شبکه متراکم مسیر عبور هوا را به گونه‌ای تنظیم می‌کنند که ذرات معلق با کارایی بالاتر به دام افتند، در حالی که افت فشار و مصرف انرژی سامانه تهویه یا تصفیه هوا افزایش چشمگیری پیدا نکند. این دسته از فیلترها هم در تجهیزات فردی مانند ماسک‌های تنفسی پیشرفته و هم در سامانه‌های تصفیه هوای داخل ساختمان، مترو و اتوبوس‌های شهری و حتی در طراحی پوسته‌های هوشمند ساختمان‌ها قابل استفاده است و می‌تواند به شکل مستقیمی بر کاهش مواجهه شهروندان با ذرات ریز و قابل استنشاق تأثیر بگذارد.

نانو فناوری، آب و خاک و پیوند غیرمستقیم با آلودگی هوا

اگرچه تمرکز سیاست‌های کنترل آلودگی هوا بیش از همه بر گازها و ذرات موجود در جو معطوف است، اما بخش قابل توجهی از انتشار ثانویه آلاینده‌ها از طریق تبخیر و بازپخش ترکیباتی صورت می‌گیرد که در آب و خاک انباشته شده‌اند. از این منظر، نقش نانو فناوری در تصفیه آب و خاک آلوده پیامدهای غیرمستقیم اما مهمی برای کنترل آلودگی هوا دارد. نانوذرات اکسید آهن، دی اکسید تیتانیوم و سایر نانومواد نیمه رسانا در سال‌های اخیر به عنوان جاذب و فتوکاتالیست برای حذف ترکیبات آلی و فلزات سنگین از پساب‌ها و آب‌های زیرزمینی به کار رفته‌اند و نشان داده‌اند که می‌توانند غلظت برخی آلاینده‌ها را تا سطح قابل قبول کاهش دهند. زمانی که این آلاینده‌ها در منابع آب یا خاک باقی بمانند، بخشی از آن‌ها در طول زمان به صورت گاز یا غبار وارد هوا می‌شوند و به این ترتیب حذف آن‌ها در مبدأ می‌تواند از شکل گیری و انتقال ثانویه آلودگی هوا جلوگیری کند.

از سوی دیگر نانوساختارهایی مانند نانوسیم‌های اکسید منگنز با پوشش‌های آب گریز نشان داده‌اند که توانایی بالایی در جذب روغن و ترکیبات آلی از سطح آب دارند و در عین حال آب را دفع می‌کنند. این نوع سامانه‌ها علاوه بر کاربرد در مدیریت حوادث نشت نفت، از منظر کاهش انتشار بخارات آلی و ترکیبات زیست تخریب ناپذیر در سطح آب نیز اهمیت دارند، زیرا با حذف این ترکیبات از سطح، میزان تبخیر و انتشار گازهای زیان آور به جو کاهش می‌یابد. بنابراین سیاست‌گذاری خردمندانه در حوزه نانو فناوری محیط زیستی باید به صورت یکپارچه به سه حوزه هوا، آب و خاک بنگرد و پیوندهای میان این سه حیطه را در طراحی مداخلات فناورانه لحاظ کند.

نانو سنسورها و حاکمیت داده در پایش آلودگی هوا

کنترل آلودگی هوا بدون سامانه پایش دقیق، لحظه‌ای و قابل اعتماد ممکن نیست و در این حوزه نانو فناوری فرصت‌های مهمی را پیش روی شهرها و نهادهای تنظیم‌گر قرار داده است. طراحی نانو سنسورهای شیمیایی و زیستی که بتوانند غلظت گازهای آلاینده، ترکیبات آلی فرار، ذرات معلق و حتی نشانگرهای زیستی موجود در هوا را با حساسیت بالا و زمان پاسخ کوتاه اندازه گیری کنند، گام مهمی برای ارتقای کیفیت داده‌های محیط زیستی محسوب می‌شود. استفاده از نانوساختارهایی مانند نانوسیم‌های نیمه رسانا، نانولوله‌های کربنی و نانوذرات فلزی در سطح حسگر باعث می‌شود تغییرات بسیار کوچک در ترکیب گاز یا وجود مولکول‌های هدف، به تغییرات قابل اندازه گیری در ویژگی‌هایی مانند مقاومت الکتریکی، ظرفیت خازنی یا شدت فلورسانس تبدیل شود.

این تحول، اگر با حاکمیت داده و زیرساخت‌های هوشمند مدیریت داده‌های محیط زیستی همراه شود، می‌تواند امکان طراحی شبکه‌های متراکم از حسگرهای ارزان قیمت را فراهم کند که نقشه‌های لحظه‌ای و با تفکیک مکانی بالا از وضعیت آلودگی هوا تولید می‌کنند. چنین داده‌ای برای طراحی سیاست‌های تفکیک پذیر، اصلاح الگوی ترافیک، پایش رعایت استانداردها از سوی صنایع و اطلاع رسانی عمومی ضروری است. بنابراین نانو فناوری در اینجا نه تنها به عنوان یک ابزار فنی، بلکه به عنوان زیرساختی برای حکمرانی داده محور در حوزه محیط زیست مطرح می‌شود و می‌تواند کیفیت تصمیم‌گیری را در سطح ملی و شهری ارتقا دهد.

چالش‌های ایمنی، اخلاقی و تنظیم‌گری در کاربردهای زیست محیطی نانو فناوری

با وجود همه ظرفیت‌های یاد شده، توسعه و به کارگیری نانومواد در کنترل آلودگی هوا بدون ملاحظه جدی ابعاد ایمنی، اخلاقی و تنظیم‌گری می‌تواند خود به منبعی تازه برای نگرانی‌های محیط زیستی تبدیل شود. نانومواد به دلیل اندازه بسیار کوچک، امکان نفوذ به سامانه‌های زیستی و تجمع در بافت‌ها را دارند و رفتار آن‌ها در چرخه‌های زیست محیطی هنوز به طور کامل شناخته نشده است. از همین روی، رهاسازی کنترل نشده نانوذرات از فیلترها، پوشش‌ها یا کاتالیست‌ها به محیط می‌تواند مخاطراتی برای سلامت انسان و اکوسیستم‌ها ایجاد کند، به ویژه اگر این نانوذرات پایدار و زیست تخریب ناپذیر باشند.

بنابراین هر سیاست ملی در حوزه بهره گیری از نانو فناوری برای کنترل آلودگی هوا باید بر پایه ارزیابی مخاطرات چرخه عمر نانومواد، استانداردسازی روش‌های آزمون، تدوین دستورالعمل‌های ایمنی برای تولید، حمل و کاربرد و طراحی سازوکارهای نظارت و پاسخ گویی استوار شود. همچنین لازم است نظام حقوقی به تدریج به سمت شفاف سازی مسئولیت تولیدکنندگان و بهره برداران نانومواد حرکت کند و قواعدی برای مدیریت ضایعات حاوی نانوذرات و بازیافت آن‌ها تدوین شود. به موازات این امر، توسعه ظرفیت‌های پژوهشی در حوزه سم‌شناسی نانومواد و رصد نظام مند یافته‌های جهانی برای به روز رسانی استانداردها از الزامات حکمرانی مسئولانه در این عرصه است.

افق‌های پیش رو برای سیاست‌گذاری ملی در نانو و آلودگی هوا

در نهایت می‌توان نتیجه گرفت که نانو فناوری در حوزه کنترل آلودگی هوا نه یک راه حل معجزه آسا بلکه یک جعبه ابزار پیشرفته است که اگر در چارچوب یک راهبرد جامع محیط زیستی و با ملاحظه موازین ایمنی و حاکمیت داده به کار گرفته شود، می‌تواند به کاهش چشمگیر انتشار آلاینده‌ها و بهبود کیفیت زندگی شهروندان کمک کند. برای بهره گیری حداکثری از این ظرفیت، سیاست‌گذاری ملی باید سه محور را هم زمان دنبال کند.

نخست، حمایت هدفمند از پژوهش و توسعه برای بومی سازی کاتالیست‌ها، فیلترها، غشاها و نانو سنسورهای متناسب با شرایط صنعتی و شهری کشور و کاهش وابستگی به واردات تجهیزات پیشرفته.

دوم، ادغام نانو فناوری در استانداردها و ضوابط انتشار صنعتی و شهری، به گونه‌ای که استفاده از سامانه‌های کنترل نانومقیاس در صنایع پرریسک، ناوگان حمل و نقل عمومی و زیرساخت‌های بزرگ شهری به یک الزام تدریجی تبدیل شود.

سوم، طراحی چارچوب‌های حقوقی و نهادی برای مدیریت مخاطرات نانومواد، تضمین شفافیت در زنجیره تأمین و ایجاد اعتماد عمومی نسبت به ایمنی کاربردهای نانو در محیط زیست.

چنانچه این سه محور در کنار هم و با اتکا به شواهد علمی و تجربه‌های جهانی پیش برود، نانو فناوری می‌تواند از سطح یک فناوری نوظهور به یکی از ارکان سامانه ملی کنترل آلودگی هوا بدل شود و در کنار اصلاح الگوی مصرف انرژی، ارتقای بهره وری صنعتی و توسعه انرژی‌های پاک، بخشی از پاسخ کشورها به بحران رو به تشدید آلودگی هوا باشد.