نانولوله های کربنی به عنوان عضو جدیدی از خانواده کربن اولین بار در سال 1991توسط ایجیما کشف شدند . توجه جامعه علمی در ابتدا به سمت خواص الکترونی بسیار خوب آنها جلب شد تا در نهایت پس از کشف تمامی خواص یکتای این نانوساختار کاربردهای آن روز به روز گسترده تر شد. یک نانو لوله را می توان به شکل شبکه شش وجهی از اتم های کربن در نظر گرفت که به شکل استوانه ای با قطر چند نانومتر و طولی برابر با ده ها میکرون به دو صورت تک جداره و چند جداره پیچیده شده است. نانولوله های چند جداره شامل دو یا بیشتر از صفحات گرافنی هستند که به طور هم محور در آرایهای استوانه ای با فاصله بین صفحه ای ( 0/34نانومتر) قرار گرفته اند (شکل زیر).
خواص مکانیکی و الکتریکی نانولوله های کربنی توجه بسیاری از محققین در سراسر دنیا را به خود جلب نموده است. فهم و درک این خواص و اکتشاف کاربردهای بالقوه آن همواره نیرومحرکه اصلی این بخش از علم مواد بوده است. از طرفی، استحکام و انعطاف پذیری نانولوله های کربنی از جمله ویژگی هایی است که نقش این نانوساختارها را در مهندسی فناوری نانو پر رنگ تر می کند؛ هم چنین مقاومت چنین مواد مرکبی می تواند برای بسیاری از کاربردها کاملاً مناسب باشد. خواص ویژه و منحصربه فرد نانولوله های کربنی از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی آنها (به این دلیل که کربن مادهای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرآیندها با هزینه تولید ارزان تر نسبت به فلزات) از طرف دیگر، باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در به کارگیری نانولوله های کربنی در زمینه های مختلف باشیم. در حقیقت نانولوله های کربنی کاندیدای مناسبی برای گستره وسیعی از کاربردها در زمینه های فیزیک، پزشکی، شیمی، علم مواد و علوم محیط زیستی شناخته شده اند.
در بین جاذب های معمول، مانند کربن فعال، زئولیت و رزین ها، کربن فعال به دلیل مزایای بسیار از جمله توانایی حذف گسترده آلاینده ها، ساختار خنثی و مقاومت حرارتی از جمله پرکاربردترین جاذب ها در تصفیه پساب شناخته شده است. هر چند کارایی کربن فعال در تصفیه پساب معایبی نیز دارد که شامل سینتیک جذب آهسته و توانایی احیا پایین است. به منظور رفع این مشکلات، فیبرهای کربنی فعال به عنوان نسل دوم جاذب های کربنی ارائه شدند، ساختار حفرهای در سطح ماتریس کربنی در این ساختارها فاصله نفوذ آلاینده ها در مکان جذبی را کمتر نموده و به جذب بیشتر می انجامد. در نتیجه فیبرهای کربنی در مقایسه با کربن فعال از سینتیک جذب سریع تری برخوردار هستند. این در حالی است که نانو لوله های کربنی با ساختار تک بعدی مانند فیبرهای کربنی کوچک شدهای هستند که تمامی مکان های جذبی در آنها بر روی سطوح داخلی و خارجی لایه ها قرار گرفته است. با ساختار توخالی و لایه ای و همچنین شیمی سطحی قابل تغییر، نانولوله ها به عنوان نسل سوم جاذب های کربنی معرفی شدند. در واقع به دلیل مساحت سطح بالا، ساختار متخلخل، چگالی کمتر و ساختار اتمی خوش تعریف در قیاس با کربن فعال، نانولوله های کربنی به عنوان یکی از بهترین جاذب های کربنی برای حذف آلاینده های مضر از فاز گازی و همچنین به طور گسترده در فاز مایع شناخته شده اند. به طور کلی نانولوله های کربنی دارای چهار مکان جذبی ممکن برای حذف آلاینده های مختلف هستند:
مطالعات بسیاری به منظور تعیین مکان های جذبی اشغال شده توسط مولکول های مختلف پس از جذب انجام شده است. در اکثر این بررسی ها مشخص شد که برای نانولوله های کربنی با انتهای بسته (نانولوله های سنتز شده،) جذب بیشتر در شیارها یا سطوح خارجی و یا کانال های بینابینی با فضای بیشتر رخ می دهد اما برای مولکول های بزرگی مانند زنون این جذب فقط در شیارها محتمل است. برای نانولوله های کربنی خالص سازی شده با انتهای باز، جذب برای مولکول های کوچکتر در فضاهای داخلی و توخالی نانولوله های کربنی نیز رخ می دهد. مشاهده شده است که جذب در سطوح بیرونی (شیارها و انحنای خارجی سطح نانولوله) با سرعت بیشتری نسبت به مکان های داخلی (کانال های بینابینی و فضاهای توخالی) تحت شرایط یکسان دما و فشار رخ می دهد. نکته ای که در اینجا حائز اهمیت است درصد نانولوله های کربنی با انتهای باز است که در مورد نانولوله های کربنی خالص سازی نشده بسیار اندک بوده و در نتیجه مکان های جذبی محدود تر خواهند بود، در حقیقت نانولوله های کربنی خالص سازی شده با انتهای باز مکان های در دسترس بیشتری را برای آلاینده ها فراهم می نمایند. در مورد آلاینده های آلی در فاز مایع، بر هم کنش های ذاتی موجود بین نانولوله های کربنی و جزء آلاینده جذب مناسبی را به دنبال خواهد داشت، این در حالی است که برای آلاینده های غیر آلی مانند فلزات سنگین حضور این مکان ها نقش اصلی را در حذف از محیط ندارند. به علاوه حضور گستره وسیعی از انواع آلاینده های آلی و غیر آلی در محیط های آبی لزوم خالص سازی و اصلاح ساختاری نانولوله ها را پر رنگ تر می نماید.
علاوه بر تخلخل، سطح در معرض و ساختار منحصر به فرد، شیمی سطحی نانولوله های کربنی نیز در افزایش ظرفیت جذب و کارایی آنها در حذف فلزات سنگین نقش به سزایی دارد. عامل دار کردن نانوله های کربنی خواص سطحی و ترشوندگی آنها را تغییر داده و در نتیجه آنها را آبدوست می نماید که باعث می شود نانولوله های کربنی اکسید شده نسبت به نانولوله های کربنی اکسید نشده به راحتی در محیط آبی پراکنده شوند. اصلاح سطحی نانولوله های کربنی در حقیقت خواص سطحی آنها از جمله مساحت سطح، بار سطحی، آبدوستی/آبگریزی و توانایی پراکندگی در محیط آبی را تحت تأثیر قرار می دهد.
برخی روش های اصلاح سطحی نانولوله های کربنی که در مطالعات گزارش شده است شامل عامل دارکردن با پلاسما، اسید شویی با اکسید کننده هایی از جمله H2SO4 ,HNO3 KMnO4 ,H2O2 ,NaOCl2و HCl یا ترکیب آنها، پوشاندن با مولکول ها و گروه های عاملی ازجمله گروه های تیول، مولکول های کیتوسان، و پلیمرهایی مانند پلی رودانین، پلی پیرول و پلی آنیلین، و یا نشاندن فلزات یا اکسیدهای فلزی مانند اکسید تیتانیوم، آلومینا، و اکسید منگنز هستند. شکل زیر سه نوع از پرکاربردترین روش های عامل دار سازی را نشان می دهد:
در سال های اخیر، پتانسیل نانولوله های کربنی (خام و اصلاح سطحی شده) به عنوان نانوجاذب در تصفیه پساب ها بسیار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است. نانولوله های کربنی به عنوان جاذب های قابل اطمینانی شناخته شده اند که شاخص اصلی شان ظرفیت جذب بالا در حذف انواع آلاینده ها است. در یک جمع بندی کلی، جاذب ایده آل به جاذبی با مشخصات زیر گفته می شود:
نانولوله های کربنی به دلیل ظرفیت جذب بسیار خوب، سینتیک جذب سریع و قابلیت احیای بالا حتی با توجه به هزینه های بالاتر تهیه آنها نسبت به جاذب های طبیعی همچنان به عنوان یکی از برترین جاذب های موجود محسوب می شوند. اما نکته اصلی برای بهینه سازی هر چه بهتر سیستم جذبی بر پایه نانولوله های کربنی مدیریت جداسازی آنها از محیط آبی پس از انجام فرآیند جذب می باشد. در واقع در هر سیستم جذبی، پس از انجام عملیات جذب آلاینده توسط جاذب، محلول پاکسازی شده می بایست از جاذب پودری جدا شود تا از به وجود آمدن آلودگی های ثانویه در محیط جلوگیری نماید. روش های معمول برای این کار نوعاً شامل فیلتراسیون و سانتریفیوژ می باشد، اما با توجه به مشکلات مرتبط با بسته شدن حفره ها فیلترها و یا هزینه های بالای به کارگیری سانتریفیوژ در مقیاس بالا، فناوری جداسازی مناسب در یک سیستم جذبی همچنان چالش برانگیز به شمار می رفت تا زمانی که فناوری جداسازی مغناطیسی در سیستم های جذبی معرفی شد. در واقع این فناوری شامل به کارگیری نانومواد با خواص مغناطیسی بوده است که جداسازی سیستم جاذب از جذب شونده را تنها با اعمال میدان مغناطیسی خارجی امکان پذیر سازد.