دانلود رایگان ترجمه مقاله مروری بر استفاده از نانوکامپوزیت ها در تصفیه آب – وایلی ۲۰۱۴

دانلود رایگان مقاله انگلیسی نانوکامپوزیت ها برای تصفیه آب: یک مقاله مروری به همراه ترجمه فارسی

 

عنوان فارسی مقاله نانوکامپوزیت ها برای تصفیه آب: یک مقاله مروری
عنوان انگلیسی مقاله Nano-Composites for Water Remediation: A Review
رشته های مرتبط  محیط زیست، فیزیک، مهندسی پلیمر، آلودگی محیط زیست، مهندسی بهداشت محیط، نانو فناوری، نانو فیزیک و فیزیک کاربردی
فرمت مقالات رایگان

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

کیفیت ترجمه کیفیت ترجمه این مقاله متوسط میباشد 
نشریه وایلی – Wiley
مجله مواد پیشرفته – Advanced Materials
سال انتشار ۲۰۱۴
کد محصول F538

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

دانلود رایگان مقاله انگلیسی

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

دانلود رایگان ترجمه مقاله

خرید ترجمه با فرمت ورد

خرید ترجمه مقاله با فرمت ورد
جستجوی ترجمه مقالات جستجوی ترجمه مقالات

  

فهرست مقاله:

چکیده

۱٫مقدمه

۲- نانوذرات ایستا

۲-۱ ممبران ها و مت ها

۲- ۳ ساختار های سه بعدی متخلخل

۴- نتیجه گیری و مطالعات آینده

 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

 مقدمه
آلودگی آب، یکی از مسائل مهم بین المللی است که ناشی از فرایند های صنعتی ، مصارف خانگی و نیز زیست محیطی است. سازمان ملل براورد کرده است که ۳۰۰ تا ۵۰۰ میلیون تن فلزات سنگین، حلال و سایر پسماند ها به منابع آب دنیا هر ساله وارد می شوند(۱). آلودگی آب می تواند منشا طبیعی داشته باشد. برای مثال، آلودگی ارسنیک یک مسئله جدی در کشور هایی نظیر بنگلادش، بنگال غربی و نپال به دلیل هوازدگی سنک هایی است که به طور طبیعی دارای آرسنیک هستند(۲-۶). به علاوه، با رشد حمعیت جهان، فشار وارده بر منابع آبی نیز تشدید می شود.
در طی دهه اخیر، فناوری نانو به طور روز افزونی به صورت یک جایگزین بالقوه برای روش های درمانی سنتی و عوامل واکنشی برای ارایه آب سالم با هزینه پایین تبدیل شده است ضمن این که به طور هم زمان استاندارد های کیفیت جهانی آب را نیز رعایت می کند(۷). با این حال،تعاریف دقیق مربوط به مواد مقیاس نانو و نانومقیاس به شدت مورد بحث هستند.
در سال ۲۰۱۰، مرکز تحقیقات مشترک کمیسیون اروپا(JCR) یک گزارشی را منتشر کرده است که تعاریف بین المللی را ارایه کرده است(۸). در بریتا نیا، دو تعریف برای اصطلاح نانومقیاس گزارش شده است. وزارت محیط زیست، امور روستایی و غذا(DEFRA) به صورت ۲۰۰ نانومتر تعریف شده است، در حالی که سایر سازمان ها ۱۰۰ نانومتر را در نظر گرفته اند. بر اساس توصیه های ارایه شده توسط JCR، در اکتبر ۲۰۱۱، کمیسیون اروپا تعریف زیر را از نانومواد برای اهداف قانونی پذیرفته است(۹)
یک ماده طبیعی، تصادفی یا تولید شده حاوی ذرات در حالت محدود و یا حالت ترکیبی در نظرگرفته شده و ۵۰ درصد ذرات در توزیع اندازه دارای ابعاد متناسب با ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است.
نانومواد به دلیل اندازه بسیار کوچک خود، ویژگی های مختلف فیزیکی، شیمیایی و زیستی را در مقایسه با انواع بزرک تر، میکرو و بزرگ مقیاس نشان داده اند(۸، ۱۰-۱۳). نانو مواد دارای نسبت سطح به حجم بوده و در نتیجه تراکم بالایی از مناطق وکنش سطحی به ازای واحد وزنی وجود دارد. به علاوه، انرزی آزاد سطحی برای نانو مواد بزرگ تر از مواد میکرو و ماکرو مقیاس است. از این روی نانومواد، واکنش پذیری بالایی را برای فرایند های سطحی نشان می دهد. با این حال، چون اندازه ذره به مسیر الکترونی نزدیک می شود و در مقیاس طول موج است( پایین تر از ۳۰ نانومتر)، اثرات اندازه کوانتوم مشخص تر شده و ویژگی های فیزیکی اساسی، به طور معنی داری تغییر می کنند. ااین اثرات موجب خنثی سازی واکنش پذیری بالا می شود که توسط شارما و همکاران با یک سری مطالعات در خصوص ویژگی های نانومواد اثبات شده است.
وقتی که نانومواد در چارچوب دامنه با اندازه بهینه قرار گیرد، آن ها به عنوان یک چایگزین مناسب و کارامد تر برای مواد فعلی مورد استفاده برای تصفیه آب است(۷). یک فناوری نو ظهور وتجاری در امریکا، تزریق نانوذرات NP است(۱۰ ، ۱۵-۱۸). NP ها که معمولا نانوذرات آهن صفر ظرفیتی (INP) می باشند، به یک زمین به صورت یک پودر خشک و یا دو غاب برای تصفیه مستقیم آب تزریق می شوند. نانوذرات را می توان به طور مستقیم تثبیت کرده و آن را به یک مانع واکنشی تراوا زیر زمینی PRB تبدیل کرد و یا آن را منتشر کرد به طوری که نانوذرات بتواند با توده آب آلوده مهاجرت کنند. (ش کل ۱)
با این حال این روش دارای معایبی در استفاده از NP های آزاد برای تصفیه می باشند و این که رفتار نانوذرات به خوبی درک نشده است. این مسئله به خوبی شناخته شده است که انتشار NP در سیستم آب زیر زمینی با فرایند های مختلف محدود می شود: جذب مواد معدنی، فعالیت میکرو بیولوژیکی، توده ای شدن و تشکیل محصولات خوردگی( ۱۰، ۱۳، ۱۸۲۴). INP ها به طور ویژه ای به دلیل خواص مغناطیسی قوی (۲۱،۲۲) علاوه بر جاذبه های الکترو استاتیک NP-NP که به طور موثری در محلول های ذره ای غلیظ عمل می کنند، در معرض رسوب گذاری قرار می گیرد( دوغاب ها). مطالعات مختلف در منابع روش هایی را برای اجتناب از این مسائل با استفاده از NP ارایه کرده اند که در شکل ۲ نشان داده شده است.
سورفکتانت [۱۰،۱۸،۲۶-۳۲] یا پلیمرها [۲۲،۳۳-۶۲] را می توان به سطوح نانوذرات برای افزایش بازدارندگی استری و تغییر بار سطحی برای پیش گیری از جاذبه الکترواستایتک افزود. نانوذرات را می توان در سایر ساختار های سیار نظیر اشکال کربن(۶۳-۷۸)، سیلیس(۷۹-۸۹) و رس های کلوییدی(۸۸) قرار داد. با این حال، سازو کار ها و مکانیسم های انتقال و تاخیر واقع در زیر زمین، برای هر یک از سناریو های تصفیه ای منحصر به فرد است و با چندین عامل متغیر همراه است. از جمله ترکیب خاک، سرعت های جریان، تعادل اسیدیته و EH و جوامع باکتری. پیش بینی این متغیر ها سخت است و نیازمند استفاده از NP برای هر یک از شرایط می باشد . تغییرات در آب زیر زمینی می تواند موجب جذب الاینده ها به سطح نانوذرات شود و به این ترتیب با در نظر گرفتن سختی حذف نانوذرات از زمین، این مسئله نیز باید مورد توجه قرار گیرد. به علاوه، اطلاعات نسبتا کمی در خصوص اثرات سم بلند مدت NP در محیط وجود دارد. این ویژگی های کیفی موجب می شوند تا آن ها برای موجوداات زنده مضر باشد. اگر نانوذرات سمی باشند، آنگاه بایستی از NP های پاک سازی شده استفاده کرد.
از آن جا که روش های تصفیه بایستی دارای عوامل واکنش غیر سمی باشند، تا مکانیسم های حذف بلند مدت و پایدار را ارایه کنند، با این حال معایب آن باعث شده است تا استفاده از این فناوری مشکل شود. از این روی، اگرچه هیچ گونه استدلال برای سمیت وجود دارد، بریتانیا در حال استفاده از رویکرد هایی برای معرفی NP مهندسی شده در محیط است. این عمل از گزارش های جامعه پادشاهی و آکادمی پادشاهی مهندسی و CL:AIRE برای وزارت محیط زیست، غذا و امور روستایی(۲۰۱۱) تبعیت می کند. هر دو گزارش نشان دهنده نیاز به تحقیقات اساسی در زمینه رفتار NP و نانو توکسیکولوژی در سیستم های محیطی زیر زمینی است.
به منظور اجتماب از محدودیت های مطرح شده، توسعه یک روش تصفیه ای برای استفاده از فعالیت نانوذرات ضمن اجتناب از آزاد سازی NP در محیط ، می تواند بسیار سود مند باشد. یک مسیر و شیوه احتمالی، توسعه یک نانوکامپوزیت است که به صورت زیر تعریف می شود:
یک ماده چند فازی که در آن حداقل یکی از فاز های تشکیل دهنده دارای یک بعد کم تر از ۱۰۰ نانومتر است.
تحقیقات اخیر تغییراتی را در نانوکامپوزیت های مختلف ارایه کرده اند، که در آن به طور کلی نانوذرات با مواد میکرو و ماکرو ترکیب می شوند. در این آرایش، واکنش پذیری نانو نشان داده شده و با ویژگی های مواد همراه مکمل است.
این مقاله به بررسی نانوکامپوزیت های حاوی اکسید آهن و آهن مورد استفاده در سیستم های تصفیه آب ساکن می پردازد که شامل موانع واکنشی تراوا، سیستم های راکتور بچ و فیلتر های نقطه ای است. این سیستم ها بایستی از مسائل مربوط به انتشار NP کنترل نشده اجتناب شود و از این روی جاذب ها بایستی در چارچوب یک ساختار پایدار باشد. نانوذرات آهن و آهن اکسید ، از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا آهن در روش های تصفیه ای به مدت زمان طولانی استفاده شده است و به نانوذرات به طور کامل برای اهداف تصفیه ای استفاده شده است. از همه مهم تر این که آن ها موجب تصفیه طیف وسیعی از آلاینده ها از فلزات سنکین از طریق جذب تا تجزیه حلال های کلر از طریق کاهش شیمیایی می شود.
اگرچه این نوع فناوری بسیار مفید به نظر می رسد ولی این مقاله به بررسی زمیته های تحقیق و توسعه ای می پردازد که نیازمند پیشرفت بیشتری است به خصوص اگر نانوکامپوزیت ها به عنوان یک فناوری پاک کننده آب واقعی در نظر گرفته شوند. یکی از مسائل مهم در این مقاله این است که هیچ گونه پیوستگی در ازمایش عملکرد برای نانوکامپوزیت های توسعه یافته توسط گروه های مختلف وجود ندارد. به این ترتیب مقایسه محصولات و تصمیم گیری برای تامین سرمایه و توسعه لازم است.

بخشی از مقاله انگلیسی:

۱٫ Introduction

Water contamination is a major international problem caused by industrial, domestic and environmental infl uences. The United Nations estimates that 300–۵۰۰ million tons of heavy metals, solvents and other waste are released into the world’s water supplies each year as a harmful by-product of industrial activity. [ 1 ] Water contamination can also be naturally derived. For example, arsenic contamination is a serious issue in countries such as Bangladesh, West Bengal (India) and Nepal due to the weathering of rocks that naturally contain arsenic. [ 2–۶ ] Furthermore, as global populations continue to grow the human pressure exerted on our water supplies is expected to intensify with potentially greater likelihood of pollution. Over the past decade nano-technology has been increasingly investigated as a potential replacement for traditional treatment methods and reactive agents in order to deliver clean water at a reduced cost whilst simultaneously meeting increasingly stringent water quality standards. [ 7 ] However, the exact defi nitions of ‘nano-scale’ and ‘nano-material’ are still subjects of controversy. In 2010, the Joint Research Centre (JCR) of the European Commission published a report highlighting the international range of defi nitions. [ 8 ] Just within the UK two defi nitions were found for the term nano-scale; the UK Department for Environment, Food and Rural Affairs (DEFRA) defi ned it as 200 nm, whilst other organizations used 100 nm. Following recommendations made by the JCR, in October 2011 the European Commission adopted the following defi nition of ‘nano-material’ for regulatory purposes; [ 9 ] A natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as an aggregate or as an agglomerate and where, for 50% or more of the particles in the number size distribution, one or more external dimensions are in the size range 1 nm – ۱۰۰ nm. Due to their miniscule size, nano-materials exhibit different physical, chemical and biological characteristics when compared to their larger, micro- and macro-scale counterparts (<100 nm). [ 8,10–۱۳ ] The nano-materials have a larger surface area to volume ratio and consequently a higher density of surface reaction sites per unit mass. Furthermore, surface free-energy is observed to be greater for nano-materials than for micro- or macro-scale counterparts. Nano-materials, therefore, display a higher reactivity for surface mediated processes. However, as the particle size approaches the electron mean-free path and wavelength scales (below approximately 30 nm), quantum size effects become apparent and fundamental physical characteristics are signifi cantly changed again. These effects can counteract the increased reactivity as demonstrated by Sharma et al., [ 14 ] with many further comprehensive studies of properties specifi c to nano-materials readily found in literature. When within the optimum size range, nano-materials potentially represent a more effi cient alternative to current materials used for water treatment. [ 7 ] A rapidly emerging technology already achieving commercial use in America is nano-particle (NP) injection. [ 10,15–۱۸ ] The NPs, usually zero valent iron nanoparticles (INPs), are injected into the ground as a dry powder or slurry to directly treat contaminated groundwater. The NPs can be either deliberately immobilized, and hence perform as a deep underground permeable reactive barrier (PRB), or mobilized, allowing the NPs to migrate with the contaminated plume of water ( Figure 1 ). This technique, however, highlights multiple disadvantages of using ‘free’ NPs for remediation including the important fact that NP behavior is still not fully understood. It is well recognized that the dispersion of NPs through a groundwater system will be limited by multiple processes; mineral sorption, microbiological activity, aggregation and formation of voluminous corrosion products. [ 10,13,18–۲۴ ] INPs are particularly prone to aggregation and sedimentation because of their strong magnetic properties [ 21,25 ] in addition to electrostatic NP-NP attractions which operate most effectively in concentrated particle suspensions (i.e. slurries). Multiple studies in the literature have developed methods for avoiding these problems by adapting the NPs themselves, as illustrated in Figure 2 , to limit or negate inter-particle attractions. Surfactants [ 10,18,26–۳۲ ] or polymers [ 22,33–۶۲ ] can be added to the NP surfaces to encourage steric hindrance and alter the surface charge to prevent electrostatic attraction. The NPs can also be incorporated into other mobile structures such as carbon forms, [ 63–۷۸ ] silica [ 79–۸۷ ] and colloidal clays. [ 88–۹۳ ] However, the exact transport and retardation mechanisms occurring within the ground are unique to each treatment scenario and dictated by multiple factors that can vary over time, including soil composition, fl ow rates, pH and Eh balance and bacterial communities. These variables are diffi cult to predict and would require unique tailoring of the NPs for each situation. Changes in the groundwater system (natural or otherwise) may also cause contaminants adsorbed to the surface of NPs to become remobilized and surface adaptations to be reversed or become redundant – consequences that become inevitable when considering the operational diffi culty of removing the NPs from the ground. Furthermore, there is relatively little known about the long-term ecotoxicological effects of freely dispersed NPs in the environment [ 49,94–۱۰۱ ] – the same properties that provide the remediative qualities could also make them hazardous for living organisms. If, in the future, NPs themselves are proven as an unacceptable toxic risk then contractors that have deployed NPs via injection may subsequently become liable for NP clean-up. As remediation methods need to have non-toxic reaction agents providing long term and stable removal mechanisms, the disadvantages highlighted make it diffi cult to establish whether this technology, as it currently exists, can be safely applied. Hence, although there is currently no argument for or against toxicity, the UK is taking a precautionary approach for introducing engineered NPs into the environment. This action follows reports by the Royal Society and Royal Academy of Engineering (2004) [ 99 ] and CL:AIRE (Contaminated Land: Applications in Real Environments), for the UK Department for Environment, Food and Rural A airs (2011). [ 96 ] Both reports highlight the need for more fundamental research into nanotoxicology and NP behavior in subsurface environmental systems. To avoid the limitations outlined it would be highly advantageous to develop a remediation method that utilizes the reactivity of NPs whilst avoiding the release of free NPs into the environment. One possible route is to develop a ‘nano-composite’, a product defi ned as; [ 102 ] A multiphase material where at least one of the constituent phases has one dimension less than 100 nm. Recent research has spawned a multitude of different permutations of nano-composite, where generally the NPs are combined with a micro- or macro-scale support material. In this arrangement the nano-reactivity is still exhibited and complemented by the properties of the accompanying material. The current article provides a review of emerging iron and iron oxide containing nano-composites that can be used in static water treatment systems, including permeable reactive barriers, batch reactor systems and point-of-use fi lters. These systems should avoid the problems associated with uncontrolled NP dispersions by holding them, and sorbed contaminants, securely within a stable structure. Iron and iron oxide NPs [ 103 ] are of particular interest because bulk iron has been used in treatment methods for many years and, as a miniscule derivative, INPs have been thoroughly studied for remediation purposes (see Crane and Scott (2012), [ 10 ] Zhang [ 104 ] and all references therein), although primarily for synthetic laboratory solutions. Most signifi cantly, they have been shown to remediate an impressive range of contaminants, [ 105 ] from heavy metals via adsorption [ 2–۶,۱۰۶–۱۱۴ ] to the degradation of chlorinated solvents via chemical reduction, [ 115–۱۲۱ ] and at much greater rates than bulk iron. Although this type of technology looks promising, this review will also highlight areas for research and development that require further improvement if nano-composites are to be a viable realistic water clean-up technology. One major issue that becomes apparent within this article is that there is little to no consistency in performance testing for nano-composites developed by different groups. This makes it very diffi cult to compare products and decide which are the most promising for further funding and upscaling.