چکیده:

در 15 سال گذشته، آهن فلزی نانومقیاس (nZVI) به عنوان ابزار جدیدی برای تصفیه‌ی آب ها و خاک آلوده مورد بررسی قرار گرفته است. این تکنولوژی در بسیاری از کشورهای جهان به حالت تجاری در آمده است. به هر حال این مقوله هنوز دارای مقبولیت جهانی نیست. این مقاله‌ی مروری علوم موجود در زمینه‌ی خوردگی محلول nZVI، تولید وتوسعه و روش های افزایش فعالیت ذرات، پایداری و موبیلیته‌ی سطحی را مورد بررسی قرار داده است. دلایل فقدان مقبولیت جهانی نیز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. فاکتورهای کلیدی عبارتند از: مشکلات بوجود آمده در دراز مدت، تبدیلات و اثرات سمیت nZVI بر روی محیط زیست، فقدان مطالعات مقایسه ای برای مواد nZVI مختلف و استراتژی های توسعه ای. این مسئله مورد تأکید قرار گرفته شده است که امروزه بررسی های اندکی بر روی سیستم هایی انجام شده است که به طور مستقیم با شیمی، بیولوژی و ساختار محیط این دنیا مربوطند. مطالعات اندکی که در این زمینه انجام شده اند، مسائل جدیدی را مطرح می کنند مثلا پیش بینی ها در زمینه‌ی رفتار فلزات سنگین و رادیونوکلییدها در برابر این مواد جدید (در طی زمان). اهمیت اصلی این موارد به این دلیل است که با آگاهی از آنها قادر خواهیم شد فیزیک، شیمی و بیولوژی استفاده از nZVI (به منظور تصفیه‌ی آب)در دراز مدت را بدانیم.

مقدمه

نانوذرات مهندسی شده: یک ابزار جدید برای تصفیه‌ی آب
نانوذرات با توجه به اندازه‌ی شان، دارای ویژگی های شیمیایی، کاتالیزوری، الکترونیکی، مغناطیسی، مکانیکی و نوری مختلفی هستند. در کمتر از 15 سال، خاصیت میان رشته ای نانو (multidisciplinary) منجر به توسعه‌ی تکنولوژی های جدیدی هم در زمینه‌ی کاربردهای خانگی و هم در زمینه‌ی کاربردهای صنعتی شده است. مثلا توسعه‌ی سیستم های رسانش دارویی یا تصفیه‌ی آب های آلوده را می توان از این قبیل کاربردها دانست.
همین طور که اندازه‌ی ذرات کاهش می یابد، نسبت اتم های موجود در سطح ماده افزایش می یابد.اینمسئله منجر می شود تا تمایل به جذب، واکنش و میان کنش میان اتم ها با اتم های دیگر، مولکول ها و ترکیبات پیچیده افزایش یابد. علاوه بر این اندازه‌ی کوچک به نانوذرات اجازه می دهد تا در داخل سوسپانسیون های آبی آمیخته شوند و سوسپانسیون تشکیل گردد. یک چنین ویژگی های ممتازی برای بسیاری از کاربردها مفید می باشد. برای مثال نقره‌ی با اندازه‌ی بزرگ از لحاظ شیمیایی خنثی است اما نقره‌ی در ابعاد نانو این گونه نیست و برای بسیاری از کاربردها مانند استریلاسیون میکروب ها، جذب نور خورشید و کاربردهای کاتالیستی مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه نانومواد مهندسی شده در بسیاری از محصولات که به طور روزانه از آنها استفاده می کنیم وجود دارد. لیست موجودی محصولات مصرفی تولید شده بر پایه‌ی نانو که بوسیله‌ی Woodrow Wilson منتشر شده است، بیش از 1000 محصول را در لیست مواد بر پایه‌ی نانوتکنولوژی قرار داده است. برای مثال نانولوله‌ی کربنی برای افزایش استحکام وسایل ورزشی و مواد ساختاری مهم مورد استفاده قرار می گیرد. نانوذرات تیتانیوم اکسید برای سطوح خود تمیز شونده و محافظ های نور UV مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین نانو سیلیکون برای افزایش سرعت و بازده پروسسورهای کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرد.
به عنوان جنبه ای از انقلاب جهانی نانو، استفاده‌ی بالقوه از نانومواد مهندسی شده برای تصفیه‌ی آب های آلوده بسیار مد نظر بوده است. در مقایسه با مواد ماکرومقیاس، نانومواد دارای مساحت سطح بسیار بزرگی نسبت به جرم خود هستند. با استفاده از جرم کم از ماده می توان هدف یکسانی را بدست آورد از این رو از لحاظ تئوری، هم در مصرف ماده و هم انرژی صرفه جویی می شود. همچنین به خاطر اندازه‌ی کلوییدی این مواد، تصفیه با سرعت و دقت بالایی انجام می شود و عمق سیستم آب زیرزمینی نیز مسئله ساز نمی باشد.
از لحاظ مفهومی، ویژگی کلیدی مورد نیاز برای استفاده از هر نانوذره‌ی مهندسی شده برای ایجاد واسطه در آب های زیر زمینی آلوده عبارتند از:
واکنش بالای برای زدایش آلودگی
موبیلیته‌ی سطحی بالا در داخل سطوح متخلخل
طول عمر واکنش مؤثر
سمیت کم
این ویژگی ها مشوق های عملی هستند اما در همان زمان ماده باید تولید شود و قیمت آن باید به گونه ای باشد که با سایر تکنولوژی های موجود قابل رقابت باشد. نانوذرات زیادی وجود ندارند که تمام این ویژگی ها و نیازمندی ها را داشته باشند. برای مثال نانوذرات نقره واکنش بالایی با آلودگی های آبی دارند اما پایداری آنها در حالت سوسپانسیون کلوییدی پایین است. به هر حال برای تمیز کردن آب های زیر زمینی هزینه‌ی تولید این مواد در مقادیر کیلوگرم و همچنین مسئله‌ی سمیت آنها، مانع استفاده از آنها می شود. آهن فلز ی، به دلیل قیمت ارزان ، سازگاری با محیط زیست و واکنش پذیری بالای آن، به طور گسترده برای تصفیه‌ی آب مورد بررسی قرار گرفته است.

خوردگی آهن در محلول های آبی

از دیدگاه ساده، خوردگی تخریب ماده بواسطه‌ی عوامل محیطی است که در آن واقع شده است. تولید تمام فلزات از اکسید آنها نیازمند یک ورودی انرژی است و به عنوان یک نتیجه این ماده دارای یک نیروی محرک ترمودینامیکی قوی است تا بدین وسیله به حالت فطری با دمای پایین خود برگردد. این فرایند بازگشت به طور عمومی خوردگی نام دارد. خوردگی یک فرایند اجتناب ناپذیر است اما این فرایند با استفاده از روش های مختلفی می تواند کنترل شود. آهن فلزی همچنین آهن صفر ظرفیتی نامیده می شود. این آهن در محیط های آبی مستعد خوردگی است. خوردگی آن در ابتدا از طریق فرایند الکتروشیمیایی (ایجاد آند و کاتد) انجام می شود. این واکنش آندی از حل شدن آهن (و تشکیل محصولات یونی محلول یا اکسید یا هیدروکسیدهای غیر محلول) انجام می شود. این فرایند با احیای گونه های متمایل به اکسایش- کاهش در کاتد انجام می شود. در آب های طبیعی اجزای اولیه برای واکنش های خوردگی محیا هستند و اکسیژن حل شده (DO) و آب باعث می گردند تا شرایط از لحاظ ترمودینامیکی مهیا گردد (معادلات 1 و 2):

آهن فروس () محصول اولیه‌ی حاصل از این واکنش هاست. همچنین فرایند تبدیل اکسایشی به صورت واکنش های زیر نیز می تواند انجام شود (معادله‌ی 3 و 4):

مفهموم اشاره شده در واکنش های بالا این است که در زمانی که پروتون ها مصرف شوند و یا یون های هیدروکسیل تولید شوند، یک افزایش در پی اچ محلول اتفاق می افتد. این مسئله معمولا در طی مراحل اولیه‌ی آزمایشات انجام شده بر روی محلول های آبی nZVI که در مقیاس آزمایشگاهی انجام می شود، دیده می شود. به طور مشابه به دلیل سطح بسیار واکنش پذیر nZVI ها (این مساحت بالاتر از 100 m2/g است)، وقتی یک جرم قابل توجه از ماده به یک سیستم آبی اضافه شود، کاهش وضعیت ها می تواند با سرعت زیاد حاصل شود (از طریق تولید هیدروژن) (معادلات 2 و 4).

فعالیت محیطی: آهن فلزی یا اکسید آهن؟

در طی خوردگی در محلول های آبی، هر دو نوع آهن () یک منبع تولید ،H_2 ، و انواع مختلف رسوبات شامل و لجن سبز رنگ می شوند. بنابراین این واکنش های خوردگی و محصولات خوردگی هستند که مسئول تبادلات کاهنده و یا از بین رفتن فیزیکی نمونه های شیمیایی موجود هستند. همین طور که رسوبات اکسید آهن و یا هیدروکسید آهن بر روی سطح تشکیل می شود، سطح متخلخل گشته و ماده در طی مراحل اولیه‌ی واکنش ساختار پوسته- هسته پیدا می کند (در این حالت هم جذب (در اکسید یا هیدروکسید) وهم کاهش شیمیایی (در سطح مشترک آهن فلزی- اکسید/ هیدروکسید) داریم). به هر حال همین طور که واکنش پیش می رود، افزایش مقادیر محصولات خوردگی و یک کاهش متناسب در تخلخل ماده می تواند به طور قابل توجهی واکنش های آلوده کننده‌ی مستقیم و را محدود کند. در این مرحله این را باید تذکر داد که به دلیل کینتیک مراحل اولیه‌ی اکسیداسیون ، این فرایند بسیار سریع است. و خوردگی حتی در شرایط بسیار کنترل شده نیز ادامه پیدا می کند. در نتیجه که به یک سیستم محیطی وارد می شود (خواه گرانول باشد خواه به صورت nZVI) دارای یک لایه‌ی سطحی اکسیدی است که به طور خود به خود پس از سنتز ایجاد می شود. بنابراین از این مسئله این باید نتیجه شود که اگرچه این نانومواد فلزی نامیده می شوند، اما هر کدام از ذرات دارای یک لایه‌ی اکسیدی در اطراف خود است.

nZVI: یک ماده‌ی تطبیق پذیر برای تصفیه‌ی آب

بر اساس کارهای اولیه ای که بوسیله‌ی Glavee و همکارانش انجام شده است، nZVI اولین بار بوسیله‌ی Wang و Zhang برای تصفیه‌ی آب های آلوده مورد استفاده قرار گرفت (این کار در دانشگاه Lehigh آمریکا انجام شد). سپس این مسئله به اثبات رسید که nZVI یک ماده‌ی مؤثر برای زدایش گستره‌ی وسیعی از آلودگی های شیمیایی مانند بتا لاکتام، آنتی بیوتیک های بر پایه‌ی نیتروایمیدازول، رنگ های آزو، حلال های کلر دار، آفت کش های کلردار، ارگانوفسفات ها، نیتروآمین ها، نیتروآروماتیک ها، پی کلروفنول، دی فنیل اتر پلی بروماته، بی فنیل کلردار، آنیون های معدنی (مانند نیترات ها، پرکلرات ها، فلزات قلیایی خاکی مانند باریم و برلیوم)، فلزات انتقالی (مانند کرم، کبالت، نیکل، نقره، سرب، مولیبدن، تکنتیوم، و وانادیوم)، فلزات انتقالی دیگر (مانند روی و کادمیوم)، شبه فلزها (مانند آرسنیک، سلنیوم)، آکتنیدها (مانند اورانیوم و پلوتونیوم) است. به دلیل تغییر زیاد در ترکیب شیمیایی آلودگی ها، روش های زدایش بسیاری برای زدایش این مواد ابداع شده است (مثلا روش های جذبی، کمپلکس سازی، هم رسوبی، و کاهش شیمیایی با میانجی گری سطح (جدول 1)).
بر اساس پیشنهاد Li و Zhang برای یون های فلزی مانند یون های کادمیوم و روی، که دارای پتانسیل های الکترودی استاندارد کاهشی نزدیک یا اندکی منفی تر از پتانسیل استاندارد آهن هستند، مکانیزم زدایش با nZVI به طور غالب از طریق کمپلکس سازی سطحی یا جذبی انجام می شود. در مقایسه، با یون هایی مانند جیوه‌ی (II) و مس (II) که دارای پتانسیل کاهشی استاندارد بسیار مثبت تری نسبت به آهن هستند، زدایش به طور غالب از طریق هم رسوبی کاهشی در محیط سطحی رخ می دهد. در جایی که کاتیون های فلزی (مانند نیکل (II) و سرب (II) )تنها اندکی از آهن الکتروپازیو تر هستند، جذب با اندکی کاهش شیمیایی جزئی بوقوع می پیوندد. به هر حال این تشخیص داده شده است که سیستم های تصفیه‌ی nZVI آبی در شرایط استاندارد نیستند و در نتیجه مقایسه‌ی بالا در مورد پتانسیل های، نادرست است. در عوض معادله‌ی نرنست مربوط به پتانسیل های سلولی استاندارد ممکن است برای این وضعیت های حقیقی مورد استفاده قرار گیرد. همانگونه که درجدول 1 می بینید، حضور یک مقدار اضافی از یون های آبی آهن (II) که از حل شدن آندی و سریع nZVI بوجود می آید، می تواند به طور قابل توجهی پتانسیل سلولی را از حالت استاندارد تغییر دهد (زیرا کسر واکنشی ترمودینامیکی تغییر می کند) و از این رو واکنش های کاهشی در آلودگی ها را مطلوب تر می کند.
قابل تشخیص ترین مکانیزمی که بوسیله‌ی آن مواد جامد ، آلودگی ها را از آب های زیر زمینی می زدایند، کاهش شیمیایی است. همچنین در این مکانیزم نیاز است تا آلودگی ها بر روی سطح آهن جذب شوند و یا در نزدیکی سطح فلز قرار گیرند. برای تصفیه‌ی مواد آلی مانند مواد آلی کلردار و بی فنیل های پلی کلرینی، زدایش عموما از طریق تخریب کاهشی ماده‌ی شیمیایی رخ می دهد یعنی آلودگی به طور فیزیکی تخریب می شود. در مقایسه، برای تصفیه‌ی بسیاری از فلزات سنگین و شبه فلزها، از طریق عملیات تثبیت انجام می شود. در این روش آلودگی ها صرفا جداسازی گشته و به صورت فیزیکی تخریب نمی شوند. برای جداسازی فلزات سنگین و مواد پرتوزا، این باید مورد توجه قرار گیرد که همانند بازیافت نانوذرات پس زده شده (با آلودگی های مربوطه) امکان پذیر نمی باشد. این آلودگی ها نه تخریب می شوند و نه از سیستم خارج می شوند. این مسئله چشم اندازی برای بسیج مجدد آلودگی ها در آینده را ارائه می دهد که در این حالت وضعیت های ژئوشیمیایی تغییر می کند. با در نظر گرفتن اختلال های ژئوشیمیایی وسیع که بوسیله‌ی تزریق nZVI بوجود می آید، نقاط تصفیه‌ی زیرلایه اغلبا نیمه پایداری دارند و حتی یک بازگشت تدریجی در شرایط آب های زیر زمینی به سمت حالت پیش از تزریق، ممکن است برای اتفاق افتادن بسیج مجدد کافی است. این یک موضوع کلیدی است که ممکن است توسعه‌ی تکنولوژی را محدود کندکه در بخش بعدی به طور کامل در مورد آن صحبت خواهد شد.
سنتز NZVI
امروزه روش های متعددی برای تولید نانوذرات فلزی وجود دارد. این روش ها عبارتند از روش رسوب دهی از حالت بخار، سایش لیزری-پالسی، روش تخلیه‌ی جرقه ای، کندانس شدن گاز نجیب، روش کندوپاش گازی- تجمعی، تجزیه‌ی گرمایی، کاهش گرمایی ترکیبات اکسیدی، هیدروژن دار کردن کمپلکس های فلزی و کاهش نمک های آهنی در محیط آبی. این روش های تولید را می توان هم به عنوان روش بالا به پایین و هم روش پایین به بالا در نظر گرفت. روش پایین به بالا روشی است که در آن نانوماده از بلوک های ساختاری اساسی و با روش شیمیایی یا فیزیکی تولید می شود. روش بالا به پایین روشی شیمیایی یا فیزیکی است که در آن ماده‌ی بالک شکسته شده و نانوذرات را ایجاد می کند. شکل 1 تفاوت در مرفولوژی ذرات بدست آمده از روش های مختلف را نشان می دهد.
برای تولید مقادیر در حد گرم از nZVI (در حالتی که از وسایل آزمایشگاهی استفاده می شود)، روش کاهش بروهیدراتی نمک های آهنی متداول ترین روش می باشد (شکل 1A). این روش nZVI هایی با واکنش پذیری بالا تولید می کنند. به هر حال این نانوذرات اغلبا دارای توزیع ابعاد متنوعی هستند و گستره‌ی ابعاد آنها از 10 ها تا صدها نانومتر متغیر است و بنابراین بسیار مستعد کلوخه ای شدن هستند. واکنشگرهای گران بها و تولید مقادیر زیادی از گاز هیدروژن نیز از جمله موانع استفاده از این روش در کاربردهای صنعتی می باشد.

قیمتnZVI چقدر است؟

اگرچه آهن بالک ماده ای ارزان است نانوذرات واکنش پذیر بسیار گران هستند زیرا مواد و فرایند های مورد نیاز برای ساخت آن گران بهاست. علاوه بر این، میانجی گری مکانی یکی از بارهای مالی ناخواسته است و همین طور این تکنولوژی های محیطی به طور نمونه وار دارای بازار فروش کمی است. در سال 2004 قیمت nZVI 15 تا 100 پوند بر هر کیلوگرم بود در حالی که آهن میکرونیزه یا گرانول دارای قیمتی کمتر از 1 پوند بر هر کیلوگرم قیمت دارد. بر اساس نوع و مقدار تقاضای بازار امروزی برای nZVI، قیمت این ماده در گستره‌ی 50 تا 150 پوند بر هر کیلوگرم است. برای رقابت با روش های تصفیه‌ی کنونی آب، مانند اکسیداسیون شیمیایی در داخل محیط آبی، قیمت nZVI باید به کمتر از 10 پوند بر کیلوگرم کاهش یابد. در نتیجه در سال های اخیر بررسی های زیادی بر روی توسعه‌ی روش های تولید ارزان قیمت و با مقادیر تولید در حد چند کیلوگرم از این نانوذره انجام شده است؛ علاوه بر تولید انبوه و ارزان قیمت بودن، باید ویژگی فعالیت این نانوذرات نیز حفظ شود.
در سال 2006، شرکت Toda kogyo روشی را توسعه داد که در آن با استفاده از هیدروژن (به عنوان عامل کاهنده)، نانوذرات آهن از نانوذرات اکسید آهن تولید می شوند (در دمای 350 تا 600 درجه‌ی سانتیگراد). اگر چه این فرایند پیچیده ای است و برای رسیدن به مقادیر تجاری از این ماده نیاز است تا از تعدادی مراحل برای تولید نانوذرات اکسیدی استفاده شود و سپس این نانوذرات اکسیدی تولید شده بوسیله‌ی یک فرایند مجموعه ای کاهش یابد. در سال های اخیر شرکت Golder Associates شرکت پیش گام در زمینه‌ی تولید مقیاس بزرگ nZVI بوده است. این شرکت با استفاده از روش سایش مکانیکی آهن بالک در سیستم های آسیاب سیاره ای- گلوله ای، این نانوذرات را در مقیاس بزرگ تولید می کند. در حالی که این روش، روشی مناسب است اما انرژی بالایی نیاز دارد و نانوذراتی تولیدی با این روش دارای انرژی سطحی بالایی بوده، بنابراین مستعد کلوخه ای شدن هستند.

کاهش گرمایی آهن فروس

کاهش کربوترمال آهن فروس اخیرا به عنوان روشی بالقوه در تولید nZVI ارزان قیمت، مورد بررسی قرار گرفته است (شکل 1D). مشابه روش تولید آهن و فولاد از سنگ معدن، روش اشاره شده از انرژی گرمایی و عوامل کاهنده‌ی گازی (مانند هیدروژن، دی اکسید کربن، مونوکسید کربن و ... ) برای تولید نانوذرات بهره می برد. در واقع با استفاده از یک ماده‌ی بر پایه‌ی کربن مانند کربن بلک، پودر گرافیت و ... برای کاهش نانوذرات اکسید آهن استفاده می شود. کربن ماده ای ارزان قیمت است و مساحت سطح بالایی دارد. این روش روشی ارزان قیمت در تولید انواع مختلفی از nZVI ها می باشد. علاوه بر این، با وجود دمای بالای مورد نیاز برای تشکیل آهن صفر ظرفیتی در حضور اکسید آن، این واکنش گرماگیر است و محصولات فرعی آنها را گاز تشکیل می دهد و بنابراین این فرایند، فرایندی قابل توسعه به مقیاس بزرگ می باشد.

الکترولیز

به عنوان یک روش صنعتی مناسب برای تجزیه‌ی فلزات از محلول های یونی، الکترولیز اخیرا برای سنتز nZVI نیز مورد استفاده قرار گرفته است. تنها چیزهایی که مورد نیاز است محلول یون های دو بار مثبت آهن، زیرلایه‌ی رسانا، یک جریان مستقیم و یک روش برای رسوب دهی الکتریکی نانوذرات است. برای تولید nZVI، این روش بسیار ساده ، ارزان قیمت و سریع سیر است. تنها موضوعی که باقی می ماند تعیین روشی مناسب برای پراکنده سازی نانوذرات فلزی تشکیل شده در کاتد است. تلاش هایی که اخیرا برای این کار انجام شده اند عبارتند از استفاده از روش التراسونیک (توسط Chen و همکارانش)، و استفاده از فیلم های تبادل گر یونی (توسط Wang و همکارانش) است. روش آخر روش بسیار مناسبی می باشد.

عصاره های گیاهی پلی فنولیک

شاید بهترین و تطبیق پذیرترین روش با محیط زیست، روش کاهش با استفاده از عصاره های گیاهی فنولیک است (شکل 1E). این روش که بوسیله‌ی محققین VeruTEK و US EPA توسعه پیدا کرده است، در مورد آماده سازی یک محلول پلی فنولیک با استفاده از عصاره های گیاهی در حال حرارت دیدن است (قهوه، چای سبز، بادرنجویه، سبوس ذرت و غیره). این عصاره سپس با یون های در تماس قرار داده می شود. این روش همچنین قابلیت انجام شدن در دمای محیط را دارد. و دارای پتانسیل استفاده شدن در تولید nZVI در جا را دارد. با استفاده از این روش درجا نیاز به تولید و ذخیره سازی و انتقال این ماده از بین می رود. به دلیل اینکه توسعه ها در زمینه‌ی یک کاتالیزور جامد در جا برای بهبود کارایی اکسیداسیون شیمیایی در جا هنوز در مراحل ابتدایی است، این مسئله باعث شده تا استفاده از این فرایند در تصفیه‌ی آب هنوز با مشکلاتی مواجه باشد.
آیا nZVI به حدی که در مطالعات از آن تعریف می شود، خوب است؟
اگر چه میزان تأثیر بالای زدایش گونه های مختلف آلودگی از محلول های سنتزی ساده با استفاده از nZVI ها اثبات شده است، کارهای بعدی بر روی تعیین کارایی این ماده در تصفیه‌ی ترکیبات پیچیده‌ی شیمیایی و یا محلول های حقیقی تمرکز یافته است. این را باید به طور مختصر گفت که برخی از مطالعات قبلی که بر پایه‌ی محلول های ساده بوده است، در مورد میزان اثربخشی nZVI اغراق کرده است. همچنین ثابت شده است که با استفاده از مطالعات میدانی محدود نمی توان در مورد تصفیه‌ی چندگانه‌ی و موقیت در تمیزکاری کامل این مواد صحبت نمود.
این رفتار به طور واضح مطالعات اخیر نشان داده شده است. در مطالعات اخیر بر روی زدایش U از آب های زیر زمینی با استفاده از nZVI کار شده است (در این آب ها مقادیر بالایی بی کربنات محلول وجود داشته است). این فهمیده شده است که nZVI با سرعت بالا و میزان اثربخشی بالا، اورانیوم را از آب های زیر زمینی می زداید حتی در حالتی که در آب ترکیبات پیچیده ای وجود داشته باشد. به هر حال در طی مدت های مدید (بیش تر از یک هقته) تقریبا تمام U باز آزاد شده از سیستم آب زیر زمینی حذف می شود. این مسئله که در حضور محلول های پیچیده اتفاق افتاده است در محلول ساده‌ی اورانیوم دیده نمی شود (حتی پس از 3 ماه). (شکل 2)
این مکانیزم به دلیل کاهش شیمیایی غیر کامل اورانیوم رسوب کرده در سطح (در نمونه های آب زیر زمینی اتفاق می افتد. و اجازه می دهد تا یون اورانیوم (IV) در طی خوردگی نانوذرات دوباره آزاد گردد و کمپلکس های اورانیوم بسیار پایدار دوباره تشکیل می شود. با در نظر گرفتن اورانیوم به عنوان یک مثال، جدول 2 افزایش پایداری آبی اورانیوم 6 بار مثبت را در حضور عوامل کمپلکس ساز معین نشان می دهد. این عوامل کمپلکس ساز معین معمولا در داخل آب های طبیعی وجود دارند.
یک آب زیر زمینی موجود در عمق زمین دارای یک فشار CO_2 به اندازه ‌ی ?10?^(-2) bar است. که این فشار با توجه به رودخانه ها و سایر آب های سطحی افزایش پیدا می کند. برای اورانیوم، حضور CO_2 و هچنین بی کربنات در آب، تشکیل کمپلکس های پیچیده‌ی اورانیوم کربنات را تسریع می کند. این فهمیده شده است که این مسئله دارای یک اثر عمیق بر روی رفتار جذبی و موبیلیته‌ی متناسب با اورانیوم حل شده در حالت 6 ظرفیتی است.
همانگونه که مطالعاتی که تاکنون انجام شده است، از اثر عوامل ترکیبی که در همه‌ی آب های طبیعی وجود دارند، صرفه نظر کرده است، تست های نزدیک به واقعیت بیشتری برای شناسایی نحوه‌ی عملکرد فلزات سنگین و مواد رادیواکتیو در این محیط ها مورد نیاز است. یک استراتژی کاهشی در کاربردهای میدانی می تواند یکی از موارد زیر باشد:
استفاده از یک مقدار nZVI که بیش تر از حد نیاز است
فرستادن nZVI ها در داخل نقطه‌ی آلوده با یک رویه‌ی منظم
هر دو استراتژی به طور آزمایشی یک روش مناسب برای بهبود بازده است. اما این رویه ها از جنبه‌ی ژئوشیمیایی دارای ابهاماتی است. با توجه به این مسئله نیازهای اساسی دیگری برای آزمودن طبیعت برگشت پذیری میانیج گری دوباره در آب های طبیعی و یا آب های دارای ترکیب پیچیده با استفاده از nZVI ها وجود دارد. این مسئله اعتبار استفاده از این تکنولوژی را در مکان هایی می دهد که زدایش دراز مدت و یا میان مدت فلزات سنگین و مواد رادیو اکتیو مورد نیاز باشد.

محرک های عملیاتی بر ای تصفیه‌ی آب

ساختار، ژئوشیمی و هیدورژلوژی هر مکان آلوده مورد نیاز است. در نتیجه این استراتژی که برای توسعه‌ی nZVI مورد استفاده قرار می گیرد، باید پارامترهای عملیاتی مختلفی را مد نظر قرار دهد.
متغیرهایی که باید در مورد بررسی کارایی nZVI بهینه شوند، عبارتند از: گستره‌ی اندازه‌ی ذرات، موبیلیته، فعالیت و طول عمر، استراتژی تزریقو مسئله‌ی سمیت مواد.

اندازه‌ی nZVI

این منطقی است که پیشنهاد گردد با ایجاد بیشترین سطح برای واکنش، کوچکترین nZVI می تواند بهترین کارایی را برای زدایش آلودگی ها فراهم آورد. به هر حال این امکان وجود دارد که در این گستره‌ی اندازه (زیر 20 نانومتر)، ذرات ایجاد شده بسیار واکنش پذیر باشند و از این رو برای کاربردهای درجا مناسب باشند. در عوض با بدست آوردن کارایی بهینه‌ی nZVI ها در هر مکان داده شده، این باید تأیید گردد که یک رابطه‌ی مفهومی میان واکنش پذیری و طول عمر مواد وجود دارد. ذرات با اندازه‌ی مناسب باید به گونه ای انتخاب گردد که فعالیت درجای آنها تضمین گردد و در طی ذخیره سازی و حمل و نقل میزان فعالیت آنها تحلیل نرود.
وقتی ظرفیت فعالیت nZVI ها را در نظر می گیریم، یک فاکتور دیگر که باید مورد تأیید قرار گیرد نسبت ذراتی است که در مقایسه با آهن با والانس صفر اکسید می شوند (به عنوان تابعی از اندازه). با در نظر گرفتن این موضوع که ضخامت اکسید بر روی اندازه‌ی نانوذرات اثر ندارد، در برخی پیشامدها این کمیت به عنوان نسبتی از آهن با والانس صفر در نظر گرفته شود. برای مثال یک ذره‌ی کروی از nZVI که دارای قطر کلی 25 نانومتر و پوسته ای اکسیدی به ضخامت 3 نانومتر است، دارای 56% حجمی اکسید است (شکل 3). در نتیجه در شرایط معمولی اندازه‌ی کوچک تر ذرات باعث می گردد تا کسر حجمی اکسید بیشتر شود. و این مسئله بر این دلالت دارد که در اندازه های بسیار کوچک (زیر 10 نانومتر) تنها بخش کوچکی از ماده را نانوذره‌ی فلزی تشکیل داده است.

بهبود موبیلیته‌ی nZVI

شواهد بسیاری وجود دارد و همچنین در حال حاضر اجماع نظر وسیعی وجود دارد که بر طبق آن موبیلیته‌ی nZVI در محیطهای متخلخل بسیار محدود است (تحت هر شرایطی). بدون استفاده از پوشش های سطحی به منظور کمک به پایداری کلوئیدی، کلوخه ای شدن سریع nZVI اتفاق می افتد. براستی آزمایشات پایلوت اولیه نشان داده اند که میزان مهاجرت زیرلایه ای در nZVI ها بسیار کم است. و اندازه‌ی انتقال ماکزیمم در ذرات پوشش داده نشده‌ی موجود در رسوبات اشباع، تنها چند متر است. کلوخه ای شدن ذرات و لخته ای شدن آنها به عنوان مکانیزم های ایجاد کننده‌ی این رویداد تلقی می شوند. این موبیلیته‌ی بسیار کم nZVI با سه مکانیزم اولیه توصیف می شود:
کلوخه ای شدن ذرات و ژلاتینی شدن متعاقب که بوسیله‌ی پایداری کلوئیدی ضعیف ایجاد می شود.
تشکیل خوردگی حجمی که بوسیله‌ی ایجاد رسوب حاصل از ذرات اکسیدی بوجود می آید.
زدایش ذرات از محلول بوسیله‌ی میان کنش با اجزای زیرلایه مثلا اتصال سطوح مینرالی و مواد کربنی و یا زدایش میکروبی.
یک مثال گویا از کلوخه ای شدن سریع در محلول آبی در شکل 4 نشان داده شده است. در این شکل تصویر الکترون های برگشتی توسط میکروسکوپ الکترونی آورده شده است. این تصویر nZVI های اصلاح نشده را در آب Milli- Q نشان می دهد که این آب در پی اچ 7 قرار دارد. این تصویر با استفاده از یک کپسول Quanto-mix گرفته شده است. در واقع محلول در داخل این کپسول قرار داده شده است.
این مسئله اثبات شده است که در آب های زیر زمینی میان کنش nZVI ی تزریق شده با سطوح مینرال ها پیوسته است. تخمین زده می شود که ادغام ذره با این اجزای متحرک زیرلایه در حد 100 ها بار در هر متر حرکت، انجام می شود. بنابراین برای ذراتی که به طور مؤثر و در نزدیکی تمام این برخوردها عبور می کنند، این ادغام ها موفقیت آمیز است. یعنی پایداری چسبندگی باید بسیار کم باشد. درنتیجه کلید بهبود موبیلیته‌ی ذرات در اصلاح ویژگی های سطحی آن نهفته است به نحوی که این nZVI دارای پایداری کلوئیدی بهبود یافته و یک کاهش مربوط به آن در نزدیکی چسبندگی به سطوح مینرالی، وجود دارد. هنوز هم چالش در مورد اصلاح nZVI و وجود کارایی فعالیت ذره به طور هم زمان وجود دارد. یک روش جایگزین برای بهبود موبیلیته‌ی ذرات بدون تغییر دادن ویژگی های سطحی، افزایش اندازه‌ی ذره است. اتفاق نظر کلی در صنعت این است که بسته به نفوذپذیری جامد، ذرات دارای اندازه‌ی 0.1 – 3 میکرون دارای بالاترین موبیلیته هستند. یک مزیت دیگر در استفاده از یک چنین اندازه‌ی ذره ای این است که هر موضوع زیست محیطی و اقتصادی در مقوله‌ی نانو یک سد تلقی میگردد. علاوه بر این کسر اندازه‌ی ذره‌ی بزرگتر (بزرگتر از 5 میکرون) این امکان را فراهم می کند که بتوان از پودر استفاده کرد (نه از دوغاب) و بدین وسیله حجم ماده‌ی مورد استفاده کاهش یابد و بنابراین نحوه‌ی استفاده از ماده بهبود یابد. آزمون های در مقیاس بزرگ به گونه ای طراحی می شوند که در آن یک مجموعه‌ی بزرگ مورد بررسی قرار گیرد. برای اجرای این کار بررسی های مفهومی بر روی اثرات افزایش اندازه ذره، فعالیت آن و میزان زدایش آلودگی مورد نیاز است.

مواد فعال کننده‌ی سطح (surfactants)

این به خوبی مورد قبول قرار گرفته است که موبیلیته‌ی ذره ممکن است از طریق استفاده از مواد فعال کننده‌ی سطح یا سایر پوشش های پلیمری بهبود یابد. این کار اولین بار در دهه‌ی 1960 و بر اساس یک فروفلویدها انجام شده است که قابل استفاده در معناطیس، اپتیک، بیوفیزیک، پزشکی، رئولوژی و حتی ترمودینامیک است. این کار پایه های تکنولوژی کنونی nZVI را پایه گذاری نموده است. فروفلویدها به عنوان مخلوط های کلوییدی پایدار شده ای از جنس نانوذرات طبقه بندی می شوند که در یک حامل سیال
پراکنده شده اند. این مواد در حضور میدان مغناطیسی به شدت پلاریزه می شوند. پایداری ذره از طریق استفاده از مواد فعال کننده‌ی سطحی، پوشش های سطحی پلیمری و مواد شیمیایی، انجام می شود (از طریق کنترل بار سطحی).
در مورد nZVI ها، ممانعت فضایی بوسیله‌ی یک چنین مولکول های پوششی، به میان کنش های دوقطبی و الکتریکی میان ذرات پاسخ می دهد و پایداری کلوییدی را افزایش می دهد. این مسئله وقتی حاصل می شود که وقتی یک مقدار مناسب از مواد پوششی یا ماده‌ی فعال کننده‌ی سطحی به صورت یک میسل کامل حضور داشته باشد. در نتیجه استفاده از مواد فعال کننده‌ی سطحی در تکنولوژی تزریق nZVI ها دارای محدودیت در کاربردهای محیطی است زیرا در تزریق این مواد، پراکندگی ذرات با جذب سریع مواد فعال کننده های سطحی در آب های زیرزمینی، متناسب است و این مسئله پایداری قبلی ذرات را از میان می برد.