بخشی از مقاله
فناوری نانو و نقش آن در کاهش آلودگی هوای شهر اهواز
چکیده
با توجه به رشد روز افزون جمعیت بشر و افزایش آلودگی هوای ناشی از صنایع و وسایل نقلیه موتوری، نیاز به پاکسازی و نیز پیشگیری از آلودگی هوا بیش از گذشته احساس می شود. کلانشهر اهواز با داشتن صنایع مختلف و وسیع سهم عمده ای در افزایش آلودگی هـوا دارد. علاوه بر این وقوع پدیده گرد و غبار در چند سال اخیر وضعیت کمیت و کیفیت هوا در این شهر را چندین بار به خارج از حـد اسـتاندارد رسانده است. فناوری نانو عرصه اقتصادی و علمی نسبتا جدیدی است که تأثیرات اساسی روی اقتصاد، جامعه و محـیط زیسـت دارد. ایـن فناوری در علوم مهندسی محیط زیست و ساخت تجهیزات محافظ محیط زیست در مقابل انواع آلودگی های زیست محیطـی(آب، خـاک، هوا و صوت) بسیار کاربرد دارد. استفاده از این فناوری باعث صرفه جویی در مصرف، هزینه، انرژی، حفاظت از منابع محیط زیسـت، پـیش گیری و رفع آلودگی های زیست محیطی و در نهایت دستیابی به توسعه پایدار می شود. در این مقاله ابتدا منابع عمده آلاینده هوای شهر اهواز ذکر شده و سپس به معرفی آئروژل ها، سوخت های کاتالیزوری، نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم و کاربردهای مختلـف فنـاوری نـانو و پتانسیل بالای این فناوری جهت کاهش آلودگی هوای شهر اهواز پرداخته شده است.
واژه های کلیدی : فناوری نانو، کاهش آلودگی هوای شهر اهواز، آئروژل ها، سوخت های کاتالیزوری، نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم
-1 مقدمه
آلودگی هوا که ارمغان پیشرفت تکنولوژی و توسعه صنعتی انسانهاست در قالب گرمایش جهانی، باران اسیدی و تغییر اقلیم، به عنوان یکی از بزرگترین مشکلات زیست محیطی، یک معضل ملی و جهانی بوده و تهدیدی جدی علیه سلامت انسان هـا و محـیط زیسـت مـی باشد. مونوکسیدکربن، دی اکسید گوگرد، دی اکسید نیتروژن، هیدروکربورها و ذرات معلق آلاینده هایی هسـتند کـه وجـود آنهـا در هـوا بیشترین تأثیر را بر روی سلامت انسان ها گذاشته و موجب بروز انواع بیماری ها می گردند. آلودگی هوا چهارمین عامل مـرگ و میـر در جهان است .[14] آلودگی هوا یک معضل اجتماعی است که از فعالیت های انسانی ایجاد می شود و اثرات مضری بـر سـلامت جسـمی و روانی افراد می گذارد. در ایران میزان انتشار آلاینده های هوا در بسیاری از شهرها از جمله تهران، مشهد، اصـفهان، اراک، اهـواز، شـیراز و تبریز به میزان بالایی از خطر رسیده است. در بین بخش های مختلف آلوده کننده هوا در ایران، بخش حمل و نقـل و صـنعت بـه ترتیـب مهمترین بخش های آلوده کننده هوا هستند .[8]
شهر اهوازتقریباً در محاصره کامل مراکز صنعتی آلوده کننده و پائین دست یک منطقه بزرگ کشـاورزی قـرار گرفتـه اسـت. وجـود کارخانجات مختلف صنعتی اعم از صنایع گاز، فولاد، شیمیایی و لوله سازی و بسیاری از صنایع بزرگ و کوچک و از همه مهمتر حجم فوق العاده زیاد دوده های حاصل از سوخت گاز مشتعل در اطراف شهر، شرایط نامساعدی را برای هوای مناطق شهری که خود نیـز بـه لحـاظ طبیعی از شرایط آب و هوای نامطلوب برخوردار می باشند پدید آورده است. خشک شدن مرداب ها و تالاب های جنوب غربی کشور ایران و جنوب شرقی کشور عراق، کاهش شدید پوشش گیاهی، تخریب خاک های سطحی منطقه با ماشین آلات سـنگین نظـامی، قطـع اکثـر درختان خصوصا نخیلات منطقه در دوره جنگ تحمیلی، دوره گرمای بسیار طولانی و نبود ارتفاعات طبیعی در مناطق فوق از عوامل مهـم در ایجاد پدیده ی گرد و غبار در اهواز می باشند .[12]
امروزه روش های علمی مختلفی در جهت کاهش یا حذف آلاینده های هوا در سراسر دنیا توسط متخصصان پیشنهاد و مورد ا ستفاده قرار گرفته اند که هر کدام مبتنی بر اصول خاصی بوده و نتایج متفاوتی را ارائه می نمایند . یکی از این روشـها اسـتفاده از فـن آوری نـانو است .[4] فناوری نانو در بین فنون پا به عرصه گذ اشته در جهان با ارائه یک رویکـرد جدیـد در توسـعه علـوم و فنـون مختلـف یکـی از امیدبخش ترین فناوریهای قرن حاضر لقب گرفته است که علاوه بر تعامل با محیط زیست، ابزار مؤثری در جهـت رفـع و کـاهش آلاینـده های به جا مانده در محیط که بر اثر فعالیت سایر تکنولوژی ها بوجود آمده اند نیز می باشد .[9]
نفوذ دانش فناوری نانو در بخش های مختلف زندگی بشری به سرعت در حال افزایش اسـت. از فنـاوری اطلاعـات گرفتـه تـا صـنایع دفاعی و تکنولوژی هوا-فضا، حتی تا مهندسی ژنتیک و زیست شناسی مولکولی این نفوذ گسترش یافته است. کلمه نانو به معنـای انـدازه ای برابر یک میلیاردم یک متر می باشد که فاصله ای به اندازه 10 اتم است. اگر بخواهیم مقایسه ای انجام دهیم اندازه قطر یک تار مـوی انسان 150000 نانومتر می باشد. طراحی و تولید موادی که اندازه ای کمتر از 100 نانومتر دارنـد و همچنـین بررسـی خـواص و کـاربرد سیستم های مینیاتوری که از این مواد ساخته می شوند در حوزه فناوری نانو می باشند. همه فعالیت هـا و تحقیقـات علمـی کـه در ایـن حوزه انجام می شوند نیز مربوط به فناوری نانو می باشد .[2] در این مقاله سعی شده کاربردهای مختلف نانوتکنولوژی، نقـش و پتانسـیل بالای این فناوری جدید و نوظهور به منظور کاهش آلودگی هوا شهر اهواز و در جهت ساختن آینده ای مطلوب تر و اقتصادی پویاتر مـورد بررسی قرار گیرد.
.2 منابع آلوده کننده هوا در شهر اهواز
-1-2 صنایع ومعادن:
وجود کارخانجات بزرگ صنعتی، تاسیسات اداری و صنعتی شرکت مناطق نفتخیز جنوب و شرکت ملی حفاری ایران، اهواز را به یکی از مهم ترین مراکز صنعتی ایران تبدیل کرده است. شهر اهواز به عنوان یکی از هفت شهر کلان کشور دارای مشکلات متعدد آلودگی هوا ناشی از صنایع می باشد به طوری که تعداد قابل توجهی از مهمترین و بزرگترین صنایع تولیدی شامل 80 درصد از صنایع سنگین کشور در این استان وجود دارد که بیش از 20 درصد از صنایع بزرگ و کوچک در محدوده ی شهر اهواز مستقر می باشد. که بلطبع آلودگی خروجی از این صنایع بسیار زیاد می باشد .[12]
-2-2 وسایل نقلیه موتوری:
افزایش چشمگیر تعداد خودروها و محدودیت ظرفیت شبکه و معابر باعث ایجاد ترافیک سنگین به خصوص در بعضی از ساعات شبانه روز در نقاط خاصی از شهر اهواز شده است. مونواکسید کربن، هیدروکربن ها، اکسیدهای نیتروژن، ازن و سرب که ناشی از تردد ماشین ها می باشند آلاینده های اصلی هوا در این شهر را تشکیل می دهند .[12]
-3-2 منابع آلاینده خانگی و تجاری
از منابع دیگر آلوده کننده هوا در شهر اهواز می توان به وسایل تولید گرمای خانگی و تجاری مانند بخاری و سوزاندن زباله ها اشاره کرد به جز گازها، بو نیز می تواند باعث آلودگی هوا شود .[12]
-4-2 منابع کشاورزی
آتش زدن مزارع نیشکر در شمال و جنوب شهر اهواز از جمله مهمترین منابع آلاینده کشاورزی در این شهر می باشند .[12]
-5-2 گردوغبار:
گرد و غبار ناشی از بادهای گرم صحرای عربستان و جنوب عراق از عوامل طبیعی آلودگی هوا در استان می باشد. عوامل متعددی در بوجود آمدن پدیده ریزگردها در استان خوزستان دخالت دارد که از جمله آن می توان به خشک شدن مرداب ها و تالاب های جنوب غربی کشور ایران و جنوب شرقی کشور عراق، کاهش شدید پوشش گیاهی، تخریب خا کهای سطحی منطقه با ماشین آلات سنگین نظامی، قطع اکثر درختانخصوصاً نخیلات منطقه در دوره جنگ تحمیلی، دوره گرمای بسیار طولانی و نبود ارتفاعات طبیعی در مناطق فوق الذکر اشاره نمود. فعالیت سد سازی در کشورهای ترکیه، اردن و سوریه، کاهش محسوس دبی آب رودخانه های دجله و فرات و تغییر مسیر این رودخانه ها نیز از دیگر عوامل مهم مربوط به تشدید پدیده ذرات معلق در منطقه است. میزان گردوغبار دراهواز درفصل بهار بیشترین مقدار و غلظت را دارد .[12]
.3 کاربردهای مختلف فناوری نانو در کاهش آلودگی هوا
-1-3 آئروژل ها :
این ماده که غالبا با عنوان دود یخ زده از آن یاد می شود، سبکترین ماده ساخت بشر است. وزن آن دو برابر وزن هوا، و از مخلوط هوا 90- 99/5) درصد) و سیلیکا تشکیل شده است. در فرآیند ساخت آن، حفره های بسیار ریزی به اندازه 5-150 نانومتر در درون ساختار ماده شکل گرفته و باعث می شود تا این ماده به عایقی مناسب 2-8) بار بهتر از عایق های فایبرگلاس یا فوم های پلیمری) تبدیل شود .[7] آئروژل ها کمترین مقدار هدایت گرمائی را نسبت به دیگر عایقها دارند، آتشگیر نبودن و شفاف بودن از دیگر مزایای آنها است .[5] آنها همچنین جایگزینی مناسب برای شیشه در کاربردهای معماری مانند پنجره های سقفی و پوشش بام ها هستند. عایق کاری خطوط انتقال گاز طبیعی مایع، از کاربردهای دیگر آئروژل ها است. در این روش به دلیل عایق کاری، انرژی کمتری برای مایع نگه داشتن گاز صرف می شود، با این کار می توان حجم گاز بیشتری را حمل کرد .[7] این عایقها در سیستم های گرمایش و سرمایش، باتری های با کاربرد دمای بالا، عایق لوله ها، مخازن تحت گرما و سرما، لوله اگزوز ماشین، به عنوان پوشش جاذب انرژی خورشید در سلول های خورشیدی جهت ذخیره سازی انرژی و... می توانند به کار برده شوند .[5] بدیهی است که کاهش مصرف انرژی بواسطه این عایق ها، حجم تولید گازهای گلخانه ای را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
-2-3 پیل های خورشیدی فیلم نازک :
در فناوری های کنونی، پیل های خورشیدی مبتنی بر سیکلون بوده و نسبتا گران و شکننده هستند. به همین دلیل پس از سه سال توسعه، هنوز این فناوری ها نتوانسته اند جایگزین منبع اصلی تأمین انرژی شوند. با این حال، استفاده از این پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی یا پلاستیکی با توجه به استفاده از مواد ارزان (عمدتا مبتنی بر نانو ذرات و پلیمر)، نویدبخش به نظر می رسد. پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی، روی یک زیر لایه پلیمری (که تولید و فرآوری آن ارزان است) تولید می شود. استفاده از زیر لایه انعطاف پذیر به این معنی است که می توان این پیل ها را طی فرآیند فرآوری لوله ای تولید نموده، هزینه تولید را به میزان بسیار قابل توجهی کاهش داد. بازدهی چنین پیل هایی مشابه و یا حتی بیشتر از فناوری های موجود است و با توجه به سرمایه گذاری انبوه در
فناوری های نانو و انرژی های تجدیدپذیر، توسعه ی آن بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پیل های خورشیدی راندمان انرژی بالایی داشته و به دلیل مصرف انرژی خورشید آلودگی تولید نمی کنند .[7]
-3-3 پیل های سوختی بیولوژیکی :
پیل سوختی بهترین پیشنهاد برای جایگزینی بنزین میباشد. سیستم های پیل سوختی هیچ گونه آلودگی نداشته و اجزای متحرک ندارند. راندمان پیل های سوختی بیش از سه برابر موتورهای احتراق داخلی است. علیرغم آن که بنزین توسط موتورهای احتراق داخلی مصرف می شود اکثر پیل های سوختی از هیدروژن به عنوان منبع تجدیدپذیر استفاده می کنند . کاربرد پیل های سوختی وابستگی به منابع محدود سوخت های فسیلی را کاهش می دهد و مزایای بسیار دیگری نیز دارد .[10] عمده ی پیشرفت ها در حوزه ی پیل های سوختی بیولوژیکی طی ده سال گذشته به توسعه و کاربرد مواد جدید منجر شده است. این مواد عبارتند از نانولوله ها و گرافن که کار انتقال الکترون بین بیوکاتالیست و سطح الکترود را بهبود می بخشند؛ موادی که پایداری و عدم تحرک بیشتری برای بیوکاتالیست ها به ارمغان می آورند و موادی که به تسهیل انتقال جرم کمک می کنند .[3]
در طول دهه ی گذشته علاقه ی روز افزونی نسبت به پیل های سوختی بیولوژیکی به وجود آمده است که نوعی از پیل های سوختی با کاتالیستِ کاتد یا آند از نوع زیستی هستند. پیل های سوختی بیولوژیکی را به دو دسته کلی پیل های سوختی میکروبی و آنزیمی طبقه بندی می نمایند . تا کنون نانو مواد هادی و عامل دار گوناگونی به عنوان مواد سازنده بیوالکترودها مورد آزمایش قرار گرفته اند. برای افزایش عمده ی سطوح مشترک هادی برای انتقال الکترون بیومولکولی می توان از نانو مواد کربن به ویژه کربن سیاه (دوده)، نانولوله های
کربن((CNTS و گرافن استفاده کرد .[3]
-4-3 سوخت های کاتالیزوری :
وجود کاتالیزور در این سوخت ها، باعث بیشتر شدن بازدهی احتراق آنها در موتور و در نتیجه صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش آلایندگی می شود. افزودن نانو موادی از قبیل اکسید سریم به سوخت، احتراق آن را آسان تر و مدت زمان مصرف را بیشتر می کند. استفاده از ذرات کاتالیزوری چند نانومتری، بازدهی سوخت را به شدت افزایش می دهد.
آزمایش هایی که شرکت انگلیسی Oxonica در دراز مدت انجام داده، حاکی از بهبود بازده سوخت تا ده درصد و کاهش انتشار دوده تا 15 درصد است که در واقع همان کاهش میزان کربن ورودی و خروجی است. انتظار می رود با توجه به قراردادی که اخیرا Oxonica با شرکت Petrol Ofisi A.S (بزرگترین توزیع کننده سوخت ترکیه) امضا کرده است، انتشار CO2 به اندازه 200 هزار تن در سال کاهش یابد. اعمال همین فناوری در صنایع خصوصی اتومبیل سازی آمریکا می تواند انتشار این آلاینده را 30 میلیون تن دیگر کاهش دهد .[7]
-5-3 نانو لوله های کربنی :
این نوع جاذب ها دارای مزایایی هستند که استفاده از آن ها را در جذب دی اکسید کربن مورد توجه قرار می دهد. از آن جمله می توان به زیاد بودن سطح در دسترس در این گونه مواد اشاره کرد. نانو لوله های کربنی را می توان به دو دسته تک دیواره و چند دیواره تقسیم بندی کرد. هزینه سنتز نانو لوله های کربنی بسیار زیاد است و به نظر می رسد تهیه آن ها تنها در مقادیر کم و جهت مصارف آزمایشگاهی به صرفه می باشد. ظرفیت جذب دی اکسید کربن در نانو لوله های کربنی تک دیوارهتقریباً دو برابر ظرفیت جذب کربن فعال است که البته با توجه به قیمت بالای آن ها، استفاده از این مواد، محدود به فرآیندهای خاص زیستی و نانو حسگرها شده است. بر اساس تحقیقات انجام شده استفاده از نانو لوله های کربنی چند دیواره، ابزاری موثر جهت جداسازی گاز دی اکسید کربن از گاز نیتروژن است. نتایج نشان می دهند که این مواد برای جداسازی دی اکسید کربن از گازهای خروجی دودکش در دماها و فشارهای زیاد موثر می باشند. از آنجا که جذب دی اکسید کربن با افزایش دما و غلظت دی اکسید کربن در حالت گازی، افزایش می یابد، این مواد برای جذب دی اکسید کربن در دماهای زیاد، از جریان گازهای خروجی دودکش، مناسب به نظر می رسند. همچنین بستر پرشده نانو لوله های کربنی چند دیواره، یک جدا کننده موثر دی اکسید کربن از نیتروژن است و استفاده از رویکرد جدیدی را جهت انجام این جداسازی ارائه می کند .[8]
6-3اَبُرخازن- ها :
اَبَر خازن ها ابزارهایی الکتریکی هستند که به واسطه کاربرد نانو مواد، سطح ویژه آنها افزایش یافته، می توانند چگالی انرژی بیشتری را در مدت زمان کوتاهی در خود ذخیره نمایند. چگالی انرژی قابل ذخیره در این ابر خازن ها صد برابر خازن هایی است که فویل دی الکتریک
