بخشی از مقاله
چکیده
آیروژلها در سال 1931 توسط kistler ابداع شد. برای سنتز آیروژلها از تکنیک سل ژل و تکنیک خشک کردن فوق بحرانی استفاده میگردد که با داشتن ویژگیهایی مثل سبک وزنی، متخلخل بودن، چگالی کم و... برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. آیروژلها در زمینه محیط زیست به عنوان جاذبها برای حذف یا کاهش آلودگی نفتی از سطح آب مورد استفاده قرار میگیرد. محققان موفق به ساخت آیروژلهایی از کاغذهای بازیافتی به عنوان منبع زیست تخریب پذیر برای تولید این جاذبها شدند.
مقدمه
نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی زندگی بشر بوده است. از آرزوهای قدیمی انسان تلاش برای دست یافتن به یک منبع انرژی تمام نشدنی محسوب میشود .[1] در دنیای امروز منابع اصلی تولید انرژی به شش دسته : ذغال سنگ،نفت، گاز، انرژی هستهای،انرژی آبی وانرژیهای تجدیدپذیر طبقه بندی میشوند.[2] نفت خام یک منبع بسیار مهم برای تامین انرژی و مواد شیمیایی پایه میباشد که نقش خیلی مهمی در پیش برد اقتصاد کشورها ایفا میکند حوادثی که در هنگام جابجایی و حمل و نقل نفت خام به وقوع میپیوندد باعث مشکل آلودگی در آبهای بزرگ میگردد.
قسمت بزرگی نشت نفت از تانکرهای حاوی سوخت، عملیات حفاری در اقیانوسها، شکستن لولههای نفتی و کلیهی اتفاقاتی که در زمان عملیات تضفیهی نفت به وقوع میپیوندد به طور جدی و موثر بر اکولوژی محیط زیست طبیعی اقیانوسها تاثیرگذار میباشد 3]،.[4 بدین منظور همواره جستجوی یک راهکار مناسب برای حذف این آلودگیها و بازیابی این ماده با ارزش، با کمترین هزینههای اقتصادی- اجتماعی و محیطزیستی بسیار امری اجتناب ناپذیر به نظر خواهد رسید.[5]
-1وضعیت تولید ضایعات کاغذ
باتوجه به جهانی شدن و رونق جمعیت،صنعت کاغذ به سرعت توسعه یافته است. در سال 2010 حدود 400 میلیون تن محصولات مرتبط با کاغذ مصرف شد و انتظار میرود تولید جهانی کاغذ تا سال 2020 به 500 میلیون تن برسد. تحقیقات نشان میدهد که 25 تا 40 درصد از زبالههای جامد شهری هرساله در سراسر جهان مربوط به کاغذ است.[6]
طبق گزارشات تنها نیمی از کاغذ تولید شده بازیافت میشود، یعنی 200 میلیون تن کاغذ در سال 2012 در سطح جهان بازیافت شد.[7] زبالههای کاغذی به عنوان یک ماده خام برای تولید محصولات مفید مورد بررسی قرار گرفته است[8]جدول شماره 1 بر اساس اطلاعات بهدست آمده Fao در سال 2011 مقدارتولید و سهم قارهها را در تولید کاغذ و مقوا در سال 2011 نشان میدهد.
-2 تعریف و تاریخچه آیروژل
اولین آیروژلها در سال 1931 توسط kistler که از ژلهای مایع ساخته شده بودند گزارش شدند.آیروژل حاصل، از طریق جابهجایی حلال مایع با هوا در ژل بدون تغییر ساختار شبکه و حجم ژل تولید شد. Aerogel یک اصطلاح عمومی است که به هر ماده مشتق شده از پیشسازهای مولکولی آلی، غیرآلی یا هیبریدی اشاره دارد که معمولا از طریق فرآیند سل ژل و یک تکنیک مناسب خشک کردن که از طریق آن شبکه سه بعدی و متخلخل باید حفظ شود تهیه میشود[9]
از نقطه نظر علمی مشکل این است که آیروژلها را به منظور کم کردن هزینه باید بدون خشک کردن فوق بحرانی تهیه کرد که یک جایگزین آن میتواند روش خشک کردن انجمادی باشد، روش خشک کردن انجمادی1 روشی است که حلال موجود در ژل ، ابتدا باید منجمد شود سپس بدون تشکیل مایع تصعید میشود.[10-12] برای سنتز آیروژلها از تکنیک سل ژل و تکنیک خشک کردن فوق بحرانی استفاده می گردند و به دلیل داشتن ویژگی های ساختاری نظیر سبک وزن بودن، ساختار متخلخل، چگالی کم، هدایت حرارتی کم،سطح ویژه زیاد - بیش از 1000متر مربع برگرم - و پخش اندازه منافذ آن از دامنه باریک تا پهن برای کاربردهای مختلف بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.[15-13]
-3انواع و کاربرد آیروژلها
اگرچه بیشترین مطالعات در ارتباط با آیروژلها به بخش معدنی اختصاص داده شده است، رایجترین آیروژلها،آیروژلهای غیرآلی هستند آیروژلهای غیرآلی معمولا شکننده هستند اما مقاومت فشاری زیادی دارند.[12] آیروژلهای برپایه سلولز به دلیل داشتن خواص منحصربه فردی همانند ساختار اسفنجی و بسیار متخلخل، عایق حرارتی خوب، دانسیته کم و سطح داخلی زیاد مورد توجه قرار گرفته اند.
علاوه بر این ویژگی هاکه انتخاب سلولز برای ساخت آیروژل را توجیه میکند این است که سلولز به عنوان یک ماده تجدیدشدنی، دوستدار محیط زیست1، ارزان قیمت و تخریب پذیر زیستی مورد توجه خاصی قرار گرفته است16]،.[17 در ارتباط با کاربرد آیروژلها می توان گفت که با توجه به ویژگی های خاص آیروژلها به واسطه جذب عالی و قابلیت ونفوذ مایعات و گاز ها، عایق بودن نسبت به حرارت و صوت، کاربردهای نوری و آزادسازی دارو متصور شد.[18] علی رغم این مزایا، معمولا آیروژلها هنوز برخی از معایب مانند تردی و شکنندگی را به دلیل انعطاف پذیری ضعیف داراست. برای تولید آیروژلهای زیستی با خواص جدید همانند زیستسازگاری، آیروژلهای سلولزی اخیرا توجه زیادی را جلب کرده است.[19-22]
-4روشهای کاهش یا حذف آلودگی از سطح آب
درحال حاضر روشهایی که برای تمیز کردن نشت نفت استفاده میشود عمدتا به سه گروه تقسیم میشوند: روشهای شیمیایی، زیست شناسی و روشهای مکانیکی24]،[25 روشهای شیمیایی از جمله پراکندگی، احتراق و استقرار یا سفت سازی در محل هستند که هزینه های بالایی دارند و دوستدار محیط زیست نیستند[26] روش بیولوژیکی با استفاده از میکرو ارگانیسم ها برای تخریب هیدروکربن در روغن موثر است ولی زمان بر است واثر بخشی آن به وضوح تحت تاثیردما، اکسیژن و گونه های ارگانیک تاثیر میگذارد.
روشهای فیزیکی برای ریز کردن روغن از skimmers و booms استفاده میشود با این حال کارایی آنها برای از بین بردن نفت بسیار محدود است.[29-27] در سال های اخیر جذب فیزیکی برای مسائل مربوط به پاکسازی نشت نفت به دلیل هزینه کم، عملیات آسان و مصرف کم انرژی مورد توجه زیادی قرار گرفته است30]،.[31 انواع آیروژلهای زیستی و غیر زیستی در زمینه جذب آلایندهها، جذب حلال ها وآب کاربرد دارند.[32] آیروژل سلولزی از سلولز حاصل از الیاف بازیافتی برای اولین بار توسط Feng و همکاران - 2015 - ساخته شد که در جذب نفت کاربرد یافت.[33]
مطالعات انجام شده
Nguyen وهمکاران - 2013 - در تحقیقی موفق به تولید آیروژلی با استفاده از ضایعات کاغذ و MTMS شدند که دارای دانسیته کم و تخلخل بالا با زاویه تماس بیش از 140 را نشان داد و ظرفیت جذب روغن تقریبا دو برابر مقادیر آن با پلی پروپیلن است. مشخص شد که ویسکوزیته نفت خام عامل اصلی جذب آیروژل است.آزمایش جذب نفت خام توسط آیروژل مورد بررسی قرار گرفت که بالاترین ظرفیت جذب 24/4 گرم / گرم بود.[34]
