بخشی از مقاله
چکیده:
نانولولههای کربنی میتوانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگیها، انتخاب شوند. تخلخلهای نانومتری نانو لولهها، این فیلترها را از دیگر فناوریهای فیلتراسیون بسیار انتخابپذیرتر نموده است. همچنین آن ها دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند، لذا استفاده ازآن ها در استفاده طولانی مدت،نسبتاً کم هزینه است؛ چرا که آنها میتوانند بدون از دست دادن قابل توجه ظرفیت جذب، احیا شده، استفاده شوند. این غشاها هزینههای مرتبط با خرید و ذخیرهسازی مواد شیمیایی احیاکننده و تعلیم کاربران را ندارند و آلودگیهای ثانویه خطرناک تولید نمیکنند.
.1 مقدمه
آب شیرین بعد از نفت و الکتریسیته بزرگترین صنعت در جهان است 97 آب موجود در جهان شور و 3 آن شیرین است و در کشورمان ایران، مسئله آب به ویژه آب شیرین با توجه به وضعیت جغرافیایی و قرار گرفتن آن در منطقه خشک ونیمه خشک از حساسیت زیادی برخوردار است، افزایش جمعیت و شهر نشینی ،کاهش ذخایر آب کشور و شور شدن آبهای سطحی و آلودگی آنها ، نیاز ما را به فناوری هایی که کارایی بالا و هزینه پایین دارند را بیشتر می کند. یکی از بزگترین کاربردهای نانو فناوری حل مشکل جهانی آب شیرین است. می توان از نانو فناورهای چون ، نانو سنسورها، نانو فیلترها، نانو فتوکالیتها، مواد نانو حفره ای و نانو ذرات در تصفیه و شیرین سازی آب کمک گرفت که در این مقاله استفاده از نانو لوله های کربنی بررسی شده است
.2 نانو لوله های کربنی
کربن دارای عدد اتمی 6 بوده و در جدول تناوبی عناصر در گروه چهارم قرار می گیرد و عنصر اصلی تشکیل دهنده بدن موجودات زنده است.به خاطر نقش مهم پیوند کربن در مولکول های آلی وماهیت منحصر به فرد خود پیوند کربن در شیمی آلی بررسی می شود . در واقع ماهیت متنوع این پیوند است که به کربن امکان می دهد برخی نانو ساختار های جالب ترمخصوصاً نانو لوله های کربنی را شکل دهد.[2]کربن به چهار شکل، کربن بی شکل - دوده - ، الماس، گرافیت و فلورن و نانو لوله های کربنی وجود دارد
تفاوت ساختار ها فقط در طرز چیدمان اتم های کربن است. در این جا به اختصار مهمترین خواص نانو لوله های کربنی و علت مولکولی آنها اشاره می کنیم. نانولولههای تکدیواره به طور معمولی از نظر شیمیایی خنثی هستند. لذا برقراری پیوندهای کوالانسی بین مولکولهای خارجی و اتمهای کربن کار مشکلی است. در عین حال، جذب مولکولها بر روی نانولولهها از طریق پیوندهای غیرکوالانسی، راحت بوده و اثرات زیادی بر روی خواص فیزیکی و قابلیتهای کاربرد آنهاخواهد داشت.
اولین اثر جذب مولکولی بر روی تکدیواره ها درخلال اندازهگیری خواص هدایت الکتریکی نانولولهها دیده شد. مقاومت نانولولههای نیمههادی در هوا و خلاء متفاوت است.اندازهگیری خواص الکتریکی نانولولهها در محیطهای مختلف نشان می دهد که ضریب هدایت الکتریکی نانولولهها در معرض مقادیر اندک NO2 سه برابر نانولولههای معمولی است. ضریب هدایت در معرضNH 3 دو برابر NO 2 و O2 به شدت جذب فیزیکی نانولولهها شده و سرعت دفع آنها در دمای اطاق ناچیز است ،جذب فیزیکیNH 3 ضعیف بوده و میتوان آنرا با پمپ ساده در خلاء از روی نانولولهها جدا نمود، زیرا NH3 با پیوندهای ضعیف واندروالس به نانولولهها متصل میشود. علیرغم این پیوندهای ضعیف،NH 3 تغییرات زیادی در ضریب هدایت الکتریکی نانولولهها ایجاد میکند
نانو لوله های کربنی ، هم از نظر مقاومت کششی و هم از نظر ضریب کشسانی، یکی ازمحکم ترین موادی هستندکه تا کنون شناخته شده اند.دلیل این امر رامی توان چنین بیان کرد پیوندهای کربن-کربن هستند واین پیوند ها در صورت شکسته شدن دوباره هیبرید می شود.[5] به دلیل تقارن و ساختار منحصر به فرد گرافیت ، خواص الکتریکی نانولوله به شدت تحت تأثیر ساختار نانولوله است.بسته به بردار کایرال آن ها ، نانولوله های کربنی با قطر کم می توانند نیمه رسانا یا رسانا باشند.
تفاوت در رسانش الکتریکی به دلیل ساختمان مولکولی آنها است که ساختار نوار انرژی متفاوت و در نتیجه شکاف نوار متفاوت را نتیجه می دهد.[6] نانو لوله ها در راستای طول خود ، رسانای گرما بوده ولی در راستای عرض عایق هستند و به این ترتیب می توانند گرما را از مسیرهای هدایت شده انتقال دهند.
.3 کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب:یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانو فیلترها است که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی شناخته می شود. به طور معمول یکی از مراحل تصفیه آب و پسابها افزودن مواد شیمیایی مختلف به آنهاست که این مواد برای سلامتی انسان مضر و دارای اثرات زیست محیطی نامطلوب است.
به طور مثال باقیمانده ترکیبات آلومینیم که به عنوان منعقد کننده در تصفیه آب استفاده می شود، می تواند باعث بیماری آلزایمر - فراموشی - شود. با استفاده از نانو-فیلتراسیون کلیه ذرات معلق، ویروس ها و باکتری های آب بدون نیاز به هیچ گونه مواد افزودنی از بین خواهد رفت
نانو فیلترها براساس منافذشان به سه دسته ی میکرو، اولترا و نانوفیلترها طبقه بندی می شوند.غشاهای نانو فیلتراسیونمعمولاً از2 لایه تشکیل می شود. لایه های نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاها در اشکال مختلف مارپیچی، صفحه ای، لوله ای و فیبری هستند.
نانوفیلتراسیون یک فرآیند جداسازی تحت فشار ما بین اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون است. نانو فیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون برتری دارد، چرا که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آب حاصله بیشتر از حد محصول است که پیامد آن افزایش قیمت این روش است
شکل:1 روش های مختلف فیلتراسیون غشایی و توانایی آن ها در حذف آلاینده های مختلف
به کمک نانو فیلترها می توان آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن ، ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن، محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها، کاتیون ها و سختی آب، کروم ، اورانیم، آرسنیک و آنیون های الاینده آب را حذف کرد.
نانولوله های کربنی به دلیل قطر داخلی بسیار کوچکشان، بر جدا سازی ذرات بر اساس قطر ذره بسیار مفید هستند. نانولوله های کربنی به دلیل دارا بودن سطح زیاد و فضاهای مختلف برای جذب گاز و...، به عنوان جاذب بسیار مناسبی شناخته شده اند. می توانند مولکول ها را در فضای داخل لوله، سطح خارجی و فضاهای بین لوله ها جای دهند و به این ترتیب حجم زیادی از ماده جذب شونده در مقدار کمی از این مواد ذخیره می شود
فیلترهای نانو قادرند باکتری ها، نمکها عناصر کدر کننده، مواد رادیو اکتیو و فلزات سنگین را از آب حذف کنند.این نوع فیلترها در 5PH تا 9 بهترین عملکرد را دارند. حداکثر4 بار فشار را می توان به فیلترها اعمال کرد که منجر به شدت جریان9 تا10 لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی متر مربع از فیلتر خواهد شد. در حال حاضر، هزینه هر مترمربع فیلتر یک دلار است که ممکن است این مقدار به 3 دلار نیز برسد. بنا به گفته کارشناسان، فیلترهای نانو سرام، نیازی به تصفیه پیشین یا پسین، تمیز کردن و شارژ مجدد فیلتر ندارند.
رنگهای موجود در اب به منظور بهبود ظاهر و تولید هلومتان ها بایدحذف شوند که این مواد اگر بوسیله کلر یا سایر مواد شیمیایی حذف شوند که اکثرا بصورت کامل حذف نمی شوند و امکان سرطان زایی دارند در حالیکه بوسیله ی غشاهای نانو متری تا 99 درصد حذف می شوند. با استفاده از غشاهای فیلتری و با استفاده از نانو لوله های کربنی می توان هزینه نمک زدایی آب ها را تا %75 کاهش داد. این غشاها به گونه ای است که مولکول آب می تواند از درون آن عبور کند ولی یون های نمک نمی توانند از آن عبور نمایند.
نانولولههای کربنی میتوانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگیها، به طور یکنواخت همراستا شوند، تخلخلهای نانومتری نانولولهها این فیلترها را از دیگر فناوریهای فیلتراسیون بسیار انتخابپذیرتر نموده است. مطالعات آزمایشگاهی نشان میدهد که غشاهای نانولولهای میتوانندتقریباً همه انواع آلودگیهای آب را حذف کنند؛این آلودگی شامل باکتری، ویروس،ترکیبات آلی و رنگدانه ها است. همچنین این غشاها نویدی برای فرایند نمکزدایی و گزینهای برای غشاهای اسمز معکوس هستند
.4مزایای نانولوله های کربنی:
با توسعه روشهای جدید و بسیار مؤثر برای تولید نانولولههای کربنی، هزینه تولید غشاهای نانولولهای به طور پیوسته کاهش می یابد. بر اساس پیشبینی برخی منابع، به دلیل کاهش قیمت نانولولههای کربنی، غشاهای نانولولهای بسیار ارزانتر از سایر غشاهای فیلتراسیون، غشاهای اسمز معکوس، سرامیک و غشاهای پلیمری خواهد شد. از آن جا که نانولولههای کربنی شدت جریان بالایی را نشان میدهند، فشار مورد نیاز برای انتقال آب نسبت به فرایند نمکزدایی با اسمز معکوس، کاهش می یابد و به دلیل این ذخیره انرژی، نمکزدایی با استفاده از فیلترهای نانولولهای بسیار ارزانتر از اسمز معکوس خواهد بود
انتظار میرود غشاهای نانولولهای بسیار بادوامتر از غشاهای متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهی فیلتراسیون را کاهش ندهد. غشاهای نانولولهای میتوانند در گزینههای مشابهی به عنوان غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترا فیلتراسیون استفاده شوند.
شکل: 2 عملکرد غشای نانوفیلتری در حذف آلاینده ها
نانوغربال از نانولولههای کربنی جفت شده با یکدیگر تشکیل میشود که روی یک زیرلایه متخلخل و منعطف قرار گرفتهاند. از نانوغربال ها میتوان در حذف گستره وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی استفاده کرد. این فیلتر میتواند از چندین لایه نانولوله کربنی ساخته شود که هر لایه قابلیت حذف نوع متفاوتی از ترکیبات را دارد. برخی از نانوغربالهای مورد استفاده توانایی حذف بیش از 99/99 درصد از باکتریها، ویروسها، کیستها، میکروبها، کپکها، انگلها، و همچنین کاهش قابل توجه آرسنیک و سرب را دارند. نانوغربال های چند عملکردی نیز مانند ترکیبات معدنی اعم از فلزات سنگین، کودها، فاضلابهای صنعتی و دیگر مواد میتوانند ترکیبات آلی را حذف نمایند. همچنین میتوان فیلتر را با یک لایه ضدباکتری برای جلوگیری از تشکیل فیلم بیولوژیکی پوشاند
.5 نتیجه گیری
فن آوری در مقیاس های نانومتری ، بدون شک در آینده ای نزدیک سهم ارزنده ای در حذف آلاینده های زیست محیطی بالاخص آلاینده های آب - از جمله نیتراتها ، فلزات سنگین ، مواد آلی ، رنگ و... - که سهم بسزایی از آسایش روانی جامعه از آن نشات می گیرد را ایفا خواهند کرد. تحقیقات نشان می دهد استفاده از فناوری نانو و به کار گرفتن نانو لوله های کربنی در تصفیه آب می تواند باعث، افزایش کیفیت آب تصفیه شده و کاهش هزینه های تصفیه تا حدود زیادی شود.
