سنتز پوشش نانوکامپوزیت پلیمری به منظورکاهش تبخیر از سطح آزاد آب

با توجه به افزایش جمعیت ایران و محدود شدن دسترسی به منابع آبی مناسب، تغییرات اقلیمی و گرم شدن فلات ایران می‌تواند سبب اعمال فشار مضاعف بر محیط زیست و منابع آبی کشور شوند. میزان تبخیر از از مخازن پشت سد به طور میانگین 10 درصد از حجم کل مخزن سد است که حدود 8/4 میلیارد متر مکعب در کشور ما برآورد می شود. از جمله راهکار‌های مهم در بحث منابع آبی روباز، کاهش تلفات تبخیر از این سطوح است. کنترل تبخیر از سطح آب با روش‌های مختلف، راه حل مهمی در حفاظت از آب است و در بسیاری از موارد از جمع آوری و ذخیره همان مقدار آب از منابع دیگر اقتصادی‌تر است.  لذا یکی از راه حل‌های مهم در بحث حفاظت از منابع آب، جلوگیری از تبخیر آب است که در این تحقیق با توجه به پتانسیل بالای نانوفناوری در صنعت آب اقدام به تولید پوشش‌های پلیمری بر پایه فناوری نانو برای جلوگیری و کاهش از تبخیر آب از سطح آزاد مخازن شده است.  برای این منظور ابتدا خواص ساختاری، مکانیکی، حرارتی، تخریب پذیری نوری پوشش های تولیدی بررسی گردید و در ادامه با توجه به اهمیت حفظ کیفیت آب علاوه بر حفظ کمیت آب، به بررسی خواص ضد جلبک، ضد باکتری و پارامترهای کیفی آب پرداخته شد. نتایج گویای آن است که با افزودن تنها 1 درصد وزنی از نانوذرات سبب خواص مکانیکی نانوکامپوزیت پلیمری شده و همچنین در قسمت تخریب پذیری نوری با توجه به روش تولید سبب افزایش خواص مکانیکی  شده است. در نهایت در بحث بررسی پارامترهای کیفی آب، کیفیت آب با توجه به استاندارد‌های EPA، WHO، FAO که به ترتیب برای آب شرب، محیط زیست و کشاورزی در محدوده استاندارد قرار گرفت و نانوکامپوزیت ها تا حدودی از خود خواص ضد جلبک و ضد باکتری نشان داده اند اما با توجه به گستردگی گونه های جلبک و باکتری لازم است در این زمینه تحقیقات گسترده تری صورت پذیرد.

شرح تجربه
کمبود آب از جمله مهمترین و بزرگترین چالشهای قرن حاضر است (6) و در بسیاری از امور حیاتی برای جامعه مثل غذا، انرژی، امنیت و محیط زیست تاثیرگذار است. رشد جمعیت پیش بینی شده در دهه‌های آتی و افزایش تقاضا برای آب، افزایش فشار به منظور رسیدن به  توسعه پایدار آب را تشدید می‌کند (14). 
آب یکی از عوامل اصلی تعیین کننده در توسعه کشاورزی و صنعتی مناطق خشک و نیمه خشک محسوب می‌شود. مصرف بی‌رویه و نادرست منابع آب و نیز هدر رفت آن‌ها از طرق مختلف باعث ایجاد بحران‌های بسیاری شده است. این بحرانها موجب شده‌اند که نیاز به یک راه حل مناسب جهت پایش و مدیریت منابع آبی بیش از پیش احساس شود. یکی از منابع آب مهم تامین کننده نیاز آب شرب، کشاورزی و صنعت، به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک، آب ذخیره شده در دریاچههای پشت سدهای احداث شده بر روی رودخانهها است. از جمله روشهای هدر رفت آب در دریاچههای آب شیرین و مخازن سدها، تبخیر از سطح آنها بوده و این مورد به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک می تواند نقش تعیین کنندهای در مدیریت منابع آب ایفا کند(6). 
با توجه به افزایش جمعیت ایران و محدود شدن دسترسی به منابع آبی مناسب، تغییرات اقلیمی و گرم شدن فلات ایران می‌تواند سبب اعمال فشار مضاعف بر محیط زیست و منابع آبی کشور شوند(7). از جمله راهکار‌های مهم در بحث منابع آبی روباز، کاهش تلفات تبخیر از این سطوح است. کنترل تبخیر از سطح آب با روش‌های مختلف، راه حل مهمی در حفاظت از آب است و در بسیاری از موارد از جمع آوری و ذخیره همان مقدار آب از منابع دیگر اقتصادی‌تر است (1). 
نانو فناوری به عنوان یکی از جدیدترین اصلاحات علمی، چند سالی است که وارد عرصه دانش و علم بشری شده و در همین مدت کوتاه کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است (3) و استفاده از روش ‌های حاصل از این فناوری در  صنعت آب به عنوان یکی از مهم‌ترین پایه‌های حیات و صنعت انسان‌ها به یکی از ملزمات دانش و علم قرن حاضر تبدیل شده است. ابعاد کوچک و ویژگی‌های منحصر به فرد نانو مواد مهندسی شده  (ENMs) به خصوص برای پرداختن به چالش‌های فنی در توسعه و مدیریت پایدار از منابع آب  که مربوط به کیفیت  و کمیت آب هستند، از اهمیت بالایی برخوردار بوده (14) و ایجاب افق‌های جدیدی از این فناوری را در صنعت آب برای ما فراهم می‌سازد.
یکی از اهداف توسعه پایدار آب از طریق  نانوفناوری این است که از ویژگی‌های منحصر به فرد نانومواد مهندسی شده برای ایجاد دستاوردهای مهم در حل چالش‌های آبی ملی بهره مند شوند و برای کمک به توسعه راه حل‌های تکنولوژیکی مطرح شده است که می‌تواند تنش‌های موجود بر تامین آب را کاهش داده و روش‌هایی برای بهره برداری پایدار از منابع آب در آینده فراهم آورد. سه محور مشخص در راستای استفاده از نانوفناوری در صنعت آب به  شرح زیر است:

• افزایش قابلیت دسترسی آب با استفاده از فناوری نانو؛
• بهبود راندمان انتقال آب با استفاده از فناوری نانو؛
• فعال سازی نسل جدیدی از سیستم‌های نظارت بر آب با استفاده از فناوری نانو (14).

توسعه پایدار آب از طریق نانوفناوری، بر افزایش دسترسی به آب (محور 1) و بهبود بهرهوری آب و انرژی مرتبط با انتقال و تحویل آب (محور 2) تا کید دارد. سومین محور با عنوان نسل جدید سیستم‌های نظارت بر آب در آینده، مدیریت آب هوشمند را در پیگیری اهداف مشخص شده در محورهای ۱ و ۲ را قادر خواهد ساخت. علاوه بر مقابله با چالشهای فنی کاربرد نانو فناوری در مسائل مربوط به آب، مسائل ایمنی  استفاده از نانوتکنولوژی ها در زمینه مباحث  هر 3 محور عنوان شده  باید تضمین شود؛ زیرا مسائل زیست محیطی، سلامت و ایمنی در مرکز همه محورهای ذکر شده قرار دارند (14).
بنابراین با توجه به مطالب ذکر شده در زمینه اهمیت جلوگیری از تبخیر و پتانسیل بالای نانوفناوری در زمینه حل چالش‌های به روز و پر اهمیت مدیریت منابع آب، در این تجربه اقدام به تولید پوشش‌های پلیمری بر پایه فناوری نانو برای جلوگیری و کاهش از تبخیر آب  از سطح آزاد مخازن شده است.

زمان و موقعیت جغرافیایی
تبیین مسائل و چالش‌های پروژه
با توجه به وضعیت اقلیمی ایران (بیشتر شامل مناطق خشک و نیمه خشک)، لازم است بررسی وضعیت منابع آب کشور با دقت لازم گزارش شود و اطلاعات مورد نظر با توجه به خشکسالی‌ها و افزایش مصرف آب در سال‌های اخیر ارائه گردد. در بسیاری موارد، میزان بارش سالانه به طور میانگین 400 میلیارد مترمکعب در سال گزارش شده و گفته می‌شود نزدیک به 270 میلیارد مترمکعب آن به طور مستقیم تبخیر می‌شود و حدود 130 میلیارد متر مکعب از آب‌های تجدیدپذیر، آب‌های سطحی و زیر زمینی می‌باشند. از این مقدار نزدیک به 92 میلیارد مترمکعب به صورت جریان سطحی در کشور جاری شده و حدود 38 میلیارد متر مکعب سفره‌های آب زیرزمینی را تغذیه می‌نماید. این موضوع در نشست هم اندیشی مشترک فرهنگستان علوم جمهوری اسلامی ایران و گروه منابع آب کمیته آبیاری و زهکشی ایران بررسی و گزارش شد که برآورد 130 میلیارد مترمکعب آب‌های تجدید پذیر برای سال 1370 معتبر بوده، به طوری که در ده سال اخیر این رقم به 115 میلیارد در 5 سال اخیر (خشک ترین دوران) به 104 میلیارد متر مکعب رسیده است (4). بنابراین کاهش میزان تبخیر آب و ذخره سازی این میزان از لحاظ کاهش تلفات آب و مدیریت بهینه منابع آب حائز اهمیت می باشد.
یکی از چالش های مهم این تجربه انتخاب مواد اولیه می باشد؛ بدین ترتیب که علاوه بر در نظر گرفتن تاثیر پوشش‌ها بر کمیت آب، بایستی به کیفیت آب نیز توجه کرد و پوشش‌های ساخته شده به هیچ عنوان بر پارامتر‌های کیفیت آب تاثیر منفی نداشته باشند. از طرفی با توجه ملاحظات اجتماعی-اقتصادی طرح بایستی مواد منتخب اقتصادی بوده و در نهایت با بررسی جنبه‌های اقتصادی طرح، هزینه‌های ساخت و تولید پوشش ها مقرون به صرفه باشد. 
یکی از چالش های مهم این تجربه انتخاب مواد اولیه می باشد. بنابراین  ابتدا این پوشش باید دارای چگالی کمتر از آب بوده که بتواند بر روی سطح آب مستقر شود، همچنین به علت اینکه در برابر تنش‌های طبیعی نظیر نور خورشید، رطوبت، تغییرات دمایی و ... قرار می‌گیرد، مواد مورد استفاده در این پوشش در برابر تنش‌های محیطی مقاوم و پایدار باشند. پارامتر موثر دیگر در انتخاب مواد اولیه  مورد استفاده این است که به  اقتصادی و مقرون به صرفه بودن مواد نیز باید توجه داشت؛ زیرا دامنه کاربرد این پوشش‌ها وسیع بوده و در مخازن با وسعت زیاد اولین و مهم‌ترین محدودیت عملی صرفه اقتصادی پوشش‌ها می‌باشد. در نهایت برای حفظ قطره‌های با ارزش آب نه تنها به کمیت بلکه به کیفیت نیز بایستی توجه ویژه‌ای داشت؛ بنابراین مواد انتخابی نباید بر روی کیفیت آب و در نتیجه اکوسیستم آبی و محیط زیست اطراف تاثیر سوء داشته باشند و قابل بازیافت و استفاده مجدد نیز باشند.
یکی دیگر از چالش های مهم این تجربه در نظر گرفتن آب مجازی برای تولید هریک از این پوشش ها می باشد. بنابراین باید به میزان آب و انرژی مصرفی که در پروسه تولید پوشش ها و مواد اولیه آنها  توجه ویژه ای داشت. همچنین از آنجایی که تولید این پوشش ها بر پایه مواد پلیمری بوده و در نتیجه  تولید این مواد نیازمند نفت خام، گاز طبیعی و انرژی الکتریکی می‌باشد. بنابراین با در نظر گرفتن این دیدگاه استخراج نفت و گاز طبیعی نیازمند انرژی زیادی می‌باشد و جز صنایع به شدت آب بر می باشند؛  هم چنین هنگام استخراج نفت، امکان آلودگی آب به مواد نفتی افزایش می‌یابد و درنتیجه به صورت غیر مستقیم بر روی کیفیت آب تاثیر می‌گذارد. بنابراین در محاسبه جنبه های اقتصادی طرح و همچنین پارامترهای زیست محیطی باید چنین اثرات غیر مستقیم و میزان آب مجازی مصرفی نیز لحاظ گردد.

مراحل اجرا
 
1. انتخاب مواد اولیه
2. روش تولید مناسب و مقرون به صرفه
3. بررسی خواص نانوکامپوزیت تولید شده

• خواص ساختاری 
• خواص مکانیکی 
• خواص حرارتی
• بررسی تخریب پذیری نوری

4. خواص ضد جلبک
5. بررسی کیفیت آب
6. بررسی خواص ضد باکتری
 

فرآیندها و روش اجرا
1. انتخاب مواد اولیه
همانطور که ذکر گردید در مرحله اول انتخاب مواد اولیه حائز اهمیت بوده و در این تجربه پژوهشی اقدام به تولید نانو کامپوزیت پلیمری شده است. پلیمر منتخب با توجه به کاربرد در این پژوهش، یک ماده بسیار پر کاربرد برای استفاده در محیط بیرون  میباشد که دارای کاربرد‌های مختلف صنعتی است؛ همچنین مانع خوبی برای ورود رطوبت بوده و مقاوم به سایش و خوردگی می‌باشد، علاوه بر این دارای وزن سبک و هدایت حرارتی کم است (12). از طرف دیگر به علت کم بودن سختی، عدم مقاومت در برابر تاثیر عوامل تنش‌های محیطی نظیر نور خورشید، آب و هوا و ... کاربرد آن با محدودیت‌هایی به همراه است. برای برطرف کردن این معایب و بهبود خواص ذکر شده می‌توان مواد پلیمری را  با نانو ذرات معدنی تقویت کرد. 

2. روش تولید مناسب و مقرون به صرفه
به طور کلی سه روش برای تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری وجود دارد. این روش‌ها شامل مخلوط سازی مستقیم، فرآوری محلول و پلیمریزاسیون درجا می‌باشد که در این پژوهش از روش مخلوط سازی مستقیم استفاده شده است.

3. بررسی خواص نانوکامپوزیت تولید شده

• خواص ساختاری : خواص ساختاری با استفاده از آزمایش های FESEM، XRD  و FTIR مورد بررسی قرار گرفت.
• خواص مکانیکی : خواص مکانیکی با استفاده از تست های خمش و کشش مورد بررسی قرار گرفت.
• خواص حرارتی: با استفاده از تست DSC  مورد بررسی قرار گرفت.
• بررسی تخریب پذیری نوری: در ابتدا به بررسی پارامترهای هواشناسی نظیر دمای بیشینه، ساعت خورشیدی و تابش خورشیدی در بازه‌ی زمانی 25 سال پرداخته‌ شد. سپس با اعمال میزان ساعت و تابش خورشیدی در کابینت UV به بررسی میزان تخریب پذیری نوری نانوکامپوزیت ها پرداخته شد.
• خواص ضد جلبک: در این قسمت به بررسی خواص ضد جلبک پس از 35 روز رشد  و مقایسه با چند ماده متفاوت دیگر پرداخته شد.

4. بررسی کیفیت آب: کیفیت آب پس از قرارگیری نانوکامپوزیت ها به مدت 35 روز مورد بررسی قرار گرفت.
5. بررسی خواص ضد باکتری: خواص ضد باکتری نانوکامپوزیت ها تحت اثر باکتری‌های اشرشیا کلی، استافیلوکوک مورد بررسی قرار گرفت.

تجارب جهانی مرتبط
1. بلوک‌های سیمانی شناور که از مواد سبک مانند پرلیت ساخته شده‌اند در کاهش تبخیر از مخزن آبی به وسعت یک هزار متر مربع در آفریقای جنوبی نتایج مثبتی به بار آورده است (5).
2. استفاده از تایرهای پرشده پلی استایرن در دریاچه سد بلایت در استرالیای جنوبی منجر به کاهش تبخیر از سطح آب گردید (2). 
3. از قطعه های شناور پلی استایرن برای کاهش تبخیر از سطح آب رودخانه نیل در مصر استفاده شد و با پوشش 50% سطح آب 39% تبخیر از سطح آب کاهش یافت (10).
4.گنت و روهنر گزارش کردند که پوشش‌های کروی شناور در مخزن کوچک، تبخیر را به میزان 80% کاهش داد. سفید بودن این پوشش‌ها سبب افزایش بازتاب انرژی خورشیدی شده و باعث کاهش بیشتر تبخیر می‌شود (13).
5. پژوهش‌هایی در هند انجام شده که در آنها اثر اجسام شناور دیگر از قبیل روغن‌های خوراکی، موم، کاه، گندم، شلتوک برنج، قطعات چوب، خاک اره و قطعات زغال در مدت زمان محدود(حدود 15 روز) روی کاهش تبخیر بررسی شد. از بین این اجسام شناور، روغن خردل با 42% کاهش تبخیر بیشترین تاثیر را داشته است. اثر بقیه اجسام به ترتیب عبارتند از قطعه های زغال، موم، شلتوک برنج، کاه گندم، خاک اره و قطعه‌های چوب. با این وجود کاربرد اقتصادی آنها در مقیاس وسیع توصیه نشده است، چون هنوز بررسی‌های اقتصادی برای مصرف آنها انجام نشده است (13).
6. ورقه‌های پلاستیکی شناور روی مخزن های آب در یوتا (آمریکا) به کار برده شد. این ورقه‌ها در برابر خوردگی بسیار مقاوم هستند و وقتی که 95% سطح آب را پوشاندند موجب کاهش تبخیر به میزان 75% شدند (11).
7. موادی که توسط شرکت GHDPty Ltd استرالیا تولید شده است:

• یکی از این مواد ای-واپ-کپ  است. این ماده ورقه چند لایه‌ای پلی اتیلن ب ضخامت تقریبی 5/0 میلی متری است که حاوی سلول های شناورکننده در لایه‌های آن است. سطح بالایی این پوشش دارای رنگ سفید است که تابش را منعکس کرده و از تخریب اشعه فرابنفش می‌کاهد. لایه زیرین آن دارای سنگ سیاه است تا از نفوذ به نور به داخل آب جلوگیری کرده و از فعالیت زیستی جلوگیری کند. این پوشش با دو کیفیت تولید می‌شود که یکی از آنها معمولی و دیگری در بسته بندی مواد غذایی کاربرد دارد که قیمت آن 10 % بیشتر است. به نظر می‌رسد که هیچ گونه آلودگی به آب وارد نمی‌کند. این ورقه ها در صورتی که تمام سطح مخزن را بپوشاند 100% از تبخیر کاهش می‌دهد. لبه این ورقه در اطراف مخزن زیر خاک محکم می‌شود.
• اجسام شناور آکواکپ  ، این اجسام پوشش های گنبدی شکل هستند و هنوز در مرحله تحقیقاتی قرار دارند و آماده استفاده تجاری نیستند.
• هیدروتکت  ، این ماده شیمیایی مخلوطی از 60% آب و 40% الکل آلیفاتیک است. ادعا شده است این شیرابه سمی نبوده، تجزیه پذیر بوده و برای مخزن های آب شرب هم کاربردی است. ساده‌ترین روش پخش آن استفاده از قایق است که باید در جهت وزش باد پخش شود تا باد به پخش آن روی سطح آب کمک کند (7).

8. Craig و همکاران (2005) نشان دادند که تکنولوژی¬های کاهش تبخیر به منظور کاهش تلفات تبخیر و صرفه¬جویی آب، به لحاظ اقتصادی قابل قبول هستند. نتایج تحقیقات آن¬ها نشان می¬دهد که برای منطقه¬ای با تبخیر سالانه 2200 میلیمتر از سطح باز آب و هزینه¬های نصب و بهره¬برداری، هزینه پوشش¬ها (به ازای هر مگا¬ لیتر آب ذخیره شده) به کارایی محصولات در کاهش تبخیر وابسته است. بنابراین صرفه¬جویی در آب با استفاده از کاهش تبخیر می¬تواند در بسیاری از موارد گزینه مناسبی باشد (9).

نتایج

1. خواص ساختاری مورد نظر با توجه به مواد اولیه مصرفی مشاهده گردید.
2. خواص مکانیکی در تست کشش و خمش تنها با افزودن 1 درصد وزنی از نانوذرات مورد استفاده افزایش یافت.
3. تحت تاثیر تخریب پذیری نوری و اشعه UV خواص مکانیکی افزایش معنی داری پیدا نمود.
4. میزان رشد جلبک بر روی نانوکامپوزیت ها نسبت به پلیمر خالص و در مقایسه با چند ماده متفاوت بعد از گذشت 35 روز کاهش پیدا کرد.
5. کیفیت آب با توجه به استاندارد‌های EPA، WHO، FAO که به ترتیب برای آب شرب، محیط زیست و کشاورزی در محدوده استاندارد قرار گرفت.
6. خواص ضد باکتری تحت اثر باکتری‌های اشرشیا کلی، استافیلوکوک اورئوس مشاهده گردید.

سایر توضیحات تکمیلی
بررسی خواص ضد جلبک و ضد باکتری در این تجربه پژوهشی از جمله نوع آوری های با اهمیت ، ارزشمند و جدید می باشد که تاکنون در پژوهشهای علمی گزارش نشده است. با توجه به گستردگی گونه های جلبک و باکتری تنها بر روی جلبک سبز و دو باکتری اشرشیا کلی، استافیلوکوک اورئوس مورد بررسی قرار گرفته است و با توجه به گستردگی گونه ها لازم است که گونه های متفاوت دیگر در شرایط متفاوتی نیز مورد بررسی قرار گیرد.

نتیجه‌گیری و جمع‌بندی
با توجه به مطالب ذکر شده همانطور که ذکر گردید یکی از راه حل‌های مهم در بحث حفاظت از منابع آب، جلوگیری از تبخیر آب است که در این تجربه با توجه به پتانسیل بالای نانوفناوری در صنعت آب اقدام به تولید پوشش‌های پلیمری بر پایه فناوری نانو برای جلوگیری و کاهش از تبخیر آب  از سطح آزاد مخازن شده است. در این تجربه ابتدا خواص ساختاری، مکانیکی ، حرارتی، تخریب پذیری نوری پوشش های تولیدی بررسی گردید و در ادامه با توجه به اهمیت حفظ کیفیت آب علاوه بر حفظ کمیت آب، به بررسی خواص ضد جلبک، ضد باکتری و پارامترهای کیفی آب پرداخته شد. نتایج گویای آن است که با افزودن تنها 1 درصد وزنی از نانوذرات سبب خواص مکانیکی نانوکامپوزیت پلیمری شده و همچنین در قسمت تخریب پذیری نوری با توجه به روش تولید سبب افزایش خواص مکانیکی  شده است. در نهایت در بحث بررسی پارامترهای کیفی آب، کیفیت آب با توجه به استاندارد‌های EPA، WHO، FAO که به ترتیب برای آب شرب، محیط زیست و کشاورزی در محدوده استاندارد قرار گرفت و نانوکامپوزیت ها تا حدودی از خود خواص ضد جلبک و ضد باکتری نشان دادند که تاکنون در پژوهشهای علمی گزارش نشده است و می تواند برای ساخت توپهای شناور برای جلوگیری از تبخیر در مخازان آزاد استفاده شود. اما با توجه به گستردگی گونه های جلبک و باکتری لازم است در این زمینه تحقیقات گسترده تری صورت پذیرد.

تقدیر و تشکر
بدینوسیله از حمایت تدارکاتی و مالی دانشگاه صنعتی اصفهان، سازمان جهاد کشاورزی استان اصفهان و بویژه کارشناسان مدیریت آب و خاک جهاد کشاورزی استان اصفهان تشکر و قدردانی می شود.