تجزیه و تحلیل سریع و دقیق آلایندهها در پسابهای صنعتی و شهری، جزء حیاتی نظارت مدرن بر محیط زیست و کنترل آلودگی است. با افزایش نگرانیها در مورد آلودگی آب و اجرای دقیق مقررات زیستمحیطی، روشهای سنتی آزمایش که اغلب زمانبر و پرزحمت هستند، دیگر برای برآورده کردن نیازهای نظارت در زمان واقعی کافی نیستند. فناوریهای پیشرفته برای تجزیه و تحلیل سریع آلایندهها در پساب به عنوان ابزارهای قدرتمندی برای تشخیص طیف وسیعی از آلایندههای شیمیایی و بیولوژیکی در پسابها ظهور کردهاند. در این بررسی از وبسایت «رسوب آب» به معرفی فناوریهای پیشرفته برای تجزیه و تحلیل سریع آلایندهها در پساب میپردازیم.
۱. تکنیکهای طیفسنجی برای تشخیص بلادرنگ
روشهای طیفسنجی مانند UV-Vis، مادون قرمز (IR) و طیفسنجی رامان به طور فزایندهای برای تشخیص سریع آلایندهها در فاضلاب استفاده میشوند. این تکنیکها تجزیه و تحلیل غیر مخرب و بدون معرف ارائه میدهند و برای نظارت مداوم بسیار مناسب هستند. به عنوان مثال، طیفسنجی UV-Vis با تجزیه و تحلیل جذب در طول موجهای خاص، در اندازهگیری نیترات، نیتریت و مواد آلی مؤثر است.
طیفسنجی IR میتواند پیوندهای شیمیایی مختلف را در ترکیبات آلی و معدنی شناسایی کند. طیفسنجی رامان به ویژه در تشخیص هیدروکربنهای آروماتیک، حتی در غلظتهای پایین، مفید است. قدرت این فناوریها در توانایی آنها در ارائه نتایج در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه است که نیاز به آمادهسازی نمونه را کاهش میدهد. ادغام با پروبهای فیبر نوری امکان نظارت در محل را فراهم میکند و راندمان عملیاتی را بیشتر افزایش میدهد.
اگرچه هزینههای اولیه تجهیزات میتواند بالا باشد، اما مزایای بلندمدت تجزیه و تحلیل سریع، خودکار و دقیق، طیفسنجی را به انتخابی مناسب برای تاسیسات فاضلاب صنعتی و شهری با هدف رعایت مقررات سختگیرانه زیستمحیطی تبدیل میکند. این تکنیکها همچنین با الگوریتمهای هوش مصنوعی ترکیب میشوند تا امکان تشخیص الگو و تجزیه و تحلیل پیشبینیکننده را برای مدیریت هوشمندتر کیفیت آب فراهم کنند.
۲. تشخیص آلایندهها بر اساس حسگر زیستی
حسگرهای زیستی، پلتفرم قدرتمندی را برای تشخیص سریع، حساس و خاص آلایندههای مختلف فاضلاب از جمله فلزات سنگین، آفتکشها و عوامل بیماریزا ارائه میدهند. این دستگاهها از عناصر تشخیص بیولوژیکی مانند آنزیمها، آنتیبادیها یا میکروارگانیسمها، استفاده میکنند که با آلایندههای خاص تعامل دارند و سیگنال قابل اندازهگیری تولید میکنند.
حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی به دلیل قابلیت حمل، هزینه کم و زمان پاسخ سریع، که اغلب نتایج را در عرض چند دقیقه ارائه میدهند، به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند. از سوی دیگر، حسگرهای زیستی نوری از سیگنالهای فلورسانس یا لومینسانس استفاده میکنند و میتوانند برای نظارت مداوم در محل، در سیستمهای میکروفلوئیدیک ادغام شوند. یکی از مزایای کلیدی حسگرهای زیستی، توانایی آنها در تشخیص آلایندهها در غلظتهای بسیار پایین، اغلب در محدوده نانومولار، است.
حسگرهای زیستی مدرن را میتوان برای آلایندههای صنعتی یا کشاورزی خاص تنظیم کرد و تجزیه و تحلیل هدفمند ارائه داد. چالشهایی در تضمین پایداری بلندمدت و جلوگیری از تداخل با ماتریسهای پیچیده فاضلاب همچنان وجود دارد، اما پیشرفتها در فناوری نانو و علم مواد به بهبود عملکرد و دوام کمک میکند. حسگرهای زیستی به ویژه برای سیستمهای هشدار اولیه و نظارت از راه دور بر محیط زیست در واحدهای تصفیه آب غیرمتمرکز یا سیار نویدبخش هستند.
۳. کروماتوگرافی همراه با طیفسنجی جرمی (GC-MS، LC-MS)
کروماتوگرافی گازی-طیفسنجی جرمی (GC-MS) و کروماتوگرافی مایع-طیفسنجی جرمی (LC-MS) روشهای بسیار دقیقی هستند که برای شناسایی و تعیین کمیت آلایندههای آلی در فاضلاب استفاده میشوند. این فناوریها مخلوطهای پیچیده را به اجزای جداگانه تفکیک میکنند و شناسایی در سطح مولکولی را بر اساس نسبت جرم به بار ارائه میدهند.
GC-MS برای ترکیبات آلی فرار و نیمهفرار مانند فنولها، PAHها و آفتکشها ایدهآل است، در حالی که LC-MS در تجزیه و تحلیل مواد غیرفرار یا ناپایدار از نظر حرارتی مانند داروها و هورمونها برتری دارد. این تکنیکهای ترکیبی حساسیت و گزینشپذیری بالایی را ارائه میدهند و آلایندهها را در سطوح قطعات در تریلیون (ppt) تشخیص میدهند. پیشرفتهای اخیر در LC-MS با کارایی فوقالعاده، زمان تجزیه و تحلیل را به طور قابل توجهی به چند دقیقه کاهش داده است و این فناوری را برای غربالگری با توان عملیاتی بالا مناسب میکند.
در حالی که این سیستمها پیچیدهتر و پرهزینهتر از سایر روشها هستند، دقت بینظیر آنها، آنها را به استاندارد طلایی برای رعایت مقررات و تحقیقات پزشکی قانونی تبدیل میکند. ابزارهای خودکار آمادهسازی نمونه و پردازش دادهها، سرعت و قابلیت اطمینان نتایج را بیشتر بهبود میبخشند. روندهای نوظهور شامل سیستمهای میکروسکوپی جرمی مینیاتوری و قابل حمل و انتقال دادههای بلادرنگ هستند که این ابزارها را برای تجزیه و تحلیل در محل در آینده قابل دسترستر میکنند.
۴. سیستمهای آزمایشگاه روی تراشه و میکروفلوئیدیک
فناوری آزمایشگاه روی تراشه (LOC) چندین عملکرد آزمایشگاهی را در یک میکروچیپ واحد ادغام میکند و تجزیه و تحلیل سریع و در محل مورد نیاز نمونههای فاضلاب را امکانپذیر میسازد. این سیستمهای میکروفلوئیدیک حجمهای بسیار کمی از مایعات را از طریق کانالهایی کوچکتر از موی انسان دستکاری میکنند و مصرف معرف و زمان تجزیه و تحلیل را به شدت کاهش میدهند.
پلتفرمهای LOC میتوانند آمادهسازی نمونه، مخلوط کردن، واکنش و تشخیص را همه در یک دستگاه جمع و جور ترکیب کنند. آنها به ویژه برای تشخیص عوامل بیماریزا، سموم و فلزات سنگین در زمان واقعی مفید هستند. دستگاههای LOC همراه با سیستمهای تشخیص نوری یا الکتروشیمیایی میتوانند نتایج بسیار حساسی را در عرض چند دقیقه ارائه دهند. یکی از مهمترین مزایا، قابلیت حمل و پتانسیل آنها برای استقرار میدانی، به ویژه در محیطهای دورافتاده یا با منابع محدود است.
سازگاری آنها با حسگرهای زیستی و نانومواد، گزینشپذیری و زمان پاسخ را افزایش میدهد. دستگاههای LOC به دلیل تولید حداقل زباله، سازگار با محیط زیست نیز هستند. در حالی که هنوز از نظر تجاری در حال ظهور هستند، تحقیقات مداوم در حال بررسی مسائل مربوط به مقیاسپذیری، هزینه و استحکام است. در آینده، انتظار میرود این سیستمها به بخشهای جداییناپذیر شبکههای هوشمند آب تبدیل شوند و نظارت مداوم و تشخیص زودهنگام حوادث آلودگی را ارائه دهند.