بخشی از مقاله
چکیده
بیشتر سطح زمین پوشیده از آب است. بشر تقریبا %1 کل آب روی زمین را مورد بهرهبرداری قرار میدهد. امروزه همه کشورهای جهان آب را سرمایه ملی میدانند. در پارهای از فرایندهای صنعتی، از آب بعنوان حلال یا ماده اولیه استفاده میشود ولی خاصیت مهم آب گرمای ویژه بالای آن است و بهمین خاطر بعنوان واسطه انتقال حرارت، در بسیاری از صنایع بکار میرود.
آب، فاکتور تاثیرگذار مهمی در زندگی روزمره ما است، اما آلودگی آب، شهرنشینی و رشد سریع جمعیت منجر به کمبود منابع آب آشامیدنی برای انسان گردیده است. برای رفع این مشکل، تصفیه و همچنین نمکزدایی آن مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. اخیرا گرافن بعنوان یک ماده دوبعدی جدید با خواص و ویژگیهای منحصر به فرد، در زمینه تصفیه آب و نمکزدایی مناسب بنظر میرسد. در این مقاله مروری بر پیشرفتهای اخیر در زمینه کاربرد گرافن در تصفیه آب با روشهای نوین مانند نانو گرافن متخلخل و یونزدایی خازنی شده است. بطوریکه ورقههای نانو گرافن متخلخل در تصفیه آب و نمکزدایی بازده حذفی 33 تا % 100 بسته به اندازه منافذ و فشار مصرفی داشتهاند و سرعت جریان آب در حدود 10 -100 L/cm2/day/Mpa میباشد که میتوان با انجام اصلاحاتی در سایز حفرات به نتایج بهتری نیز رسید.
ایراد عمدهای که استفاده گسترده از ورقههای گرافن را محدود نموده، مقاومت مکانیکی این ورقههاست که با تعداد منافذ مرتبط است بطوریکه با افزایش منافذ در جهت افزایش نفوذ پذیری به آب از مقاومت مکانیکی ورقهها کاسته میشود. مشکل دیگر نیز تولید انبوه این ورقهها میباشد. در روش یونزدایی خازنی، فیلتراسیون با بکارگیری اختلاف پتانسیل در دو الکترود انجام میگیرد.
روش مذکور بازده حذفی متوسط اما راندمان انرژی بالاتری در مقایسه با روش اسمز معکوس - بدلیل نیاز کم انرژی در حدود 0/1 تا 0/23 کیلو وات بر مترمکعب - دارد. نمکزدایی با استفاده از اکسید گرافن روش نوین دیگری است که بدلیل ساخت آسان، تولید در مقیاس صنعتی و مقاومت مکانیکی بالا مورد توجه قرار گرفته است که از اثر جذب یونی استفاده شده و یونهای هیدراته با شعاع بزرگتر از 4/5 آنگستروم بلوکه میشوند. اما این روش نیز بدلیل عبور نمکهای کوچک آب دریا از منافذ اکسید گرافن نیاز به اصلاحات بیشتری دارد.
مقدمه
آب همواره یکی از نیازهای اساسی بشر بوده است. با رشد سریع جمعیت، آب آشامیدنی بسیار کمیاب شده و انتظار میرود این شرایط تا سال 2040 بدتر نیز شود، لذا تدابیر جدیدی باید بکار گرفته شود. مقدار مواد معلق و آلی در آبهای زیرزمینی کم بوده ولی ممکن است حاوی شن، آهن و منگنز محلول، بیکربنات کلسیم، دی اکسید کربن بالاو میکروبها و غیره باشند. مقدار املاح نیز در آب شور زیاد بوده و معمولا بیشتر از 1000 ppm میباشد
باکتریهایی نظیر پسودوموناس، ویبریو، فلاووباکتریوم، باسیلوس و دسولفو ویبریو در دریا وجود دارند ولی درصد زیادی از باکتریهای اعماق دریا جز آرشی باکتریها هستند وجود برخی کپکها نیز در دریا گزارش شده است. اولین کوشش برای تصفیه میکروبی و ضدعفونی آب آشامیدنی بصورت کلرزنی از سال 1908 آغاز شد
استفاده از آبهای زیرزمینی و دریایی بدلیل آلودگی و هزینههای زیاد حذف آلودگی، جداسازی نمک و ذرات ناخواسته محدود میشوند. لذا توسعه تکنیکهای تصفیه آب با هزینه پایین برای خالصسازی آب آلوده و همچنین شیرین کردن آب دریا ضروری میباشد. اصلیترین راههای جداسازی مواد محلول در آب شامل: آهکزنی سرد و گرم، نرم کنندهها - زئولیتهای مدار سدیمی - ، بسترهای تبادل یونی کاتیونی و آنیونی، اسمز معکوس - RO - 1، الکترودیالیز، اولترافیلتراسیون، تقطیر یا تبخیر میباشند.
در واکنشهای حاصل از آهکزنی به آب، برخی از یونهای محلول در آب حذف میشوند. نرمکنندهها فقط قادر به جداسازی کاتیونهای آب هستند
بسترهای تبادل یونی یک پایه ثابت پلیمری دارند. آب با درصد خلوص زیادی که میتوان از این روش تهیه کرد عملا حتی با چندین بار تقطیر هم نمیتوان تهیه نمود
الکترودیالیز نیز روش دیگری است که غشاهای بکار رفته در آن باردار بوده و نسبت به یون مخالف بار خود نیمه تراوا هستند. یعنی یون همنام خود را دفع نموده و یون مخالف را از خود عبور میدهند. متاسفانه در این روش همواره بخشی از آب دورریز میشود و مصرف برق آن بسیار بالاست. روش اسمز معکوس یک روش نسبتا معقول برای جداسازی ذرات محلول از حلال میباشد. حلال معمولا آب است.
فرایند اسمز معکوس برای تولید آب آشامیدنی بوسیله نمکزدایی از آب دریا و حتی در منازل برای تامین آب شرب با طعم بهتر بکار میرود. این فرایند در تغلیظ و بازیافت پسابها و حتی بمنظور تغلیظ محلول شکر در صنایع غذایی بکار میرود. منافذ ریز موجود در این سیستم، RO را قادر به جداسازی مواد جامد معلق، باکتریها و آندوتوکسین از آب مینماید
استفاده گسترده برخی از این روشها بدلیل خود آلودگی2، برق مصرفی بالا، بکارگیری منابع زیاد و عدم توجیه اقتصادی محدود شده است
روش اسمز معکوس در سال 1990 میلادی جایگزین روش تقطیر سریع چند مرحلهای و تقطیر چند اثری بدلیل مصرف برق بالای آنها گردید
روش تقطیر تنها روش تصفیه آب است که بطور صددرصد تمام عوامل بیماریزا - باکتری، ویروس و غیره - را از آب ورودی حذف میکند
در روش اسمز معکوس از یک غشا پلیمری استفاده میشود و آب دریا از یک سمت غشا با فشار وارد شده و بدلیل ساختار متخلخل غشا تنها آب قادر به عبور از آن بوده و یونهای هیدراته مانند یونهای سدیم و کلراید فیلتر شده و قادر به عبور نخواهند بود. بعلاوه با این روش میتوان بطور متوسط 250 میلیون گالن آب شیرین در روز تولید کرد. اما هنوز این روش در برخی نقاط بعنوان مثال در آلمریا - استانی در کشور اسپانیا - بدلیل مصرف بالای الکتریسیته موفق نبوده است
در این راستا بایستی به مواردی از قبیل بکارگیری فرایندهایی با هزینه پایین در تصفیه و نمکزدایی آب، حذف مشکل خودآلودگی روشهای تصفیه و از همه مهمتر قابل اجرا بودن آنها در مقیاس صنعتی توجه نمود. عملا مشاهده گردیده است که هزینه تعمیر و جبران خسارت ناشی از تصفیه نکردن آب، اغلب بیشتر از هزینه تصفیه آب است
در نیل به این هدف، نانوتکنولوژی امکان تحقیق در مورد تصفیه آب و بهبود محیط زیست با مطالعه در انتخاب مواد جدید را فراهم کرده است - Xu et al., . - 2012 از طرفی ناکارامدی بسیاری از این مواد نیز به اثبات رسیده است. بعنوان مثال یک مشکل جدی در غشاهای بر پایه نانو لولههای کربنی3 - CNT - راندمان پایین آن در حذف نمک و از طرفی دشواری تولید این غشاها با نظم و چینش بیشتر اتمها و چگالی بالا در ساختار نانو لوله میباشد
ماده دیگری که در این راستا مد نظر قرار گرفت ولی بدلیل نفوذپذیری نسبتا کم آن به آب موفقیت آمیز نبود، زئولیت نام داشت . - Hu et al., 2011 - در سال 1905 میلادی یک شیمیدان آلمانی بنام گانس مواد مصنوعی آلومینیوم سیلیکات را که بعنوان زئولیت شناخته میشدند، در نخستین سیستم تبادل یونی بکار گرفت. این مواد جایگزین مواد طبیعی که شن سبز نامیده میشدند، گردید. تحقیقات برای رفع عیوب زئولیت ادامه یافت و زئولیتهای اصلاح شده متعددی وارد بازار شدند
در شکل 1 میزان حذف نمک در مقابل نفوذپذیری به آب گرافن نشان داده شده است . - Aghigh et al., 2015 - همانگونه که در شکل مشخص است گرافن هیدروکسیله و هیدروژنه در مقایسه با زئولیت نوع MFI - که مرسومترین و پرکاربردترین نوع زئولیت برای مطالعات غشایی است - و اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون بالاترین میزان نفوذپذیری به آب و نسبت به زئولیت بیشترین درصد حذف نمک را داشته است. در نتیجه گرافن بعنوان یک ماده جدید با اهداف و خواص معین و مناسب برای تصفیه آب مورد بررسی قرار گرفته است.
علاوه بر این، گرافن بسیار سبک است و نیز میتواند در مقابل فشار بالای آب بخوبی مقاومت کند که این خود یکی از برتریهای گرافن نسبت به سایر مواد نانو فیلتراسیون میباشد - Cohen-Tanugi . - et al., 2013 در این مقاله به تحقیقات اخیر در زمینه تصفیه و نمکزدایی آب با استفاده از گرافن و نتایج تفصیلی کاربرد آن شامل توصیف گرافن، ویژگیهای آن، ساخت و خواص روش کاربردی پرداخته خواهد شد. در بخش بعدی روشهای نمکزدایی آب بر پایه گرافن با نامNG 4 همچنین گرافن بر پایه CDI5 و امکان استفاده از غربالهای اکسید گرافن بحث خواهد شد و نهایتا به خلاصهای از نتایج گزارش شده و انتخاب بهترین معیار و هدف برای تصفیه آب اشاره خواهد شد.
1-1 گرافن: ویژگیها، ساخت، مزایا
گرافن ماده جدیدی است که برای اولین بار در سال 2004 با استفاده از یک نوار چسب و یک تکه از گرافیت سنتز شد - روش نوار اسکاچ - ، اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1986 توسط بوئم و همکارانش بعنوان یک تکلایه از گرافیت معرفی شد . - Boehm et al., 1986 - گرافن یک ساختار لانه زنبوری - شبکه شش وجهی - دارد و طول پیوند کربن-کربن در آن 0/142 نانومتر است - Slonczewski and Weiss, 1958 - و مزایای دیگری نسبت به سایر مواد معمولی دارد یکی از جالبترین خواص گرافن این است که تنها یک اتم ضخامت دارد و در نتیجه بجای اینکه ماده سه بعدی باشد گرافن دارای دو بعد است. از خاصیت رسانایی حرارتی - 5300 W/mK - و رسانایی الکتریکی بالایی برخوردار بوده - 2000S/cm زیمنس بر سانتیمتر - و نیز سریعترین حرکت الکترونی را دارد.
استحکام گرافن 30 برابر الماس و 200 برابر استیل است . - Novoselov and Geim, 2007 - خواص نوری جالبی دارد و میتواند %2/3 از نور سفید را جذب کند که آن را به گزینهای عالی در رابطه با تولید سلولهای خورشیدی کارامد تبدیل میکند. با تمام مزایای ذکر شده یک مشکل در مورد گرافن وجود دارد و آن عدم وجود باند گپ - شکاف انرژی - و خاموش نشدن است در نتیجه باید باند گپ مهندسی تولید گردد و سپس در زمینههای مختلف استفاده شود .
باند گپ به منطقهای از طیف انرژی در یک جامد گفته میشود که در آن منطقه از طیف هیچ حالت الکترونیکی نمیتواند وجود داشته باشد. در نیمهرساناها و نارساناها نوار بدون انرژی یا باند گپ شامل سطوح انرژیای است که الکترونها امکان برانگیزش به آنها را ندارند. این نوار در نیمهرساناها در مقایسه با نارساناها بسیار کوچکتر است. یک چالش مهم دیگر در مورد گرافن، سنتز و تولید گرافن خالص با کیفیت و در مقیاس بالا میباشد
با وجود این محدودیتها، گرافن برای بسیاری از برنامههای کاربردی مانند ساخت ترانزیس اتور،بَر خازن، باتری پیشرفته، سلولهای خورشیدی و تصفیه آب مناسب در نظر گرفته شده است. گرافن با استفاده از دو روش پایین به بالا و بالا به پایین ساخته میشود. تهیه گرافن با واکنشهای شیمیایی از مولکولهای آلی و کوچک روش پایین به بالا نامیده میشود - مثل ساختن یک دیوار با کنار هم قرار دادن آجرها - . رشد همبافته با استفاده از سیلیسیوم کاربید ، CVD6 - رسوب شیمیایی بخار - حرارتی و PECVD7 - رسوبدهی - لایه نشانی - شیمیایی بخار به کمک پلاسما - میتواند برای رشد گرافن در بسیاری از بسترها مورد استفاده قرار گیرد
در روش رشد همبافته با تبخیر یک عنصر غیرکربنی از یک ترکیب کربنی اقدام به تولید گرافن میکنند. به طور مثال با افزایش دمای بستری از سیلیکون کاربید - SiC - تا 1000 درجه سانتیگراد در محیط خلاء، سیلیکون شروع به واجذب شدن از سطح میکند در نتیجه مناطقی از سطح دارای غلظت بیشتری از کربن خواهند بود. حال در مناطقی که غلظت کربن بیشتری دارد جزایر گرافنی شروع به رشد میکنند. عواملی از جمله ضخامت لایههای گرافن، مقدار لایههای گرافن، ابعاد لایههای گرافن و کیفیت تولیدی بر روی رشد لایهها موثر هستند.
روشهای لایهنشانی – سنتز نانو ساختارها به معنی نشاندن لایهای نازک - Thin film - از ذرات بر روی اجسام مورد نظر در یک محیط دارای خلأ نسبی میباشد. این عمل به واسطهی پلاسمای ایجاد شده در این محیط صورت میگیرد . عمل لایهنشانی به روشهای مختلفی قابل انجام است یکی از این روشها، لایه نشانی بخار شیمیایی - CVD - است .اساس روش CVD ورود گازهای واکنشگر به داخل محفظه اتمسفر کنترل شده از جنس کوارتز یا آلومینا - بسته به دمای کاری - و انجام واکنشهای شیمیایی در شرایط کنترل شده و ایجاد محصول بر روی سطح سوبستراست
روش رسوبدهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما نیز یکی دیگر از روشهای لایه نشانی است که برای تولید مواد کربنی مانند الماس، نانولوله های کربن، گرافن بکار گرفته میشود. PECVD فرایندی برای لایه نشانی - رسوب دهی - فیلمهای نازک از یک ماده در حالت گاز - بخار - بر روی یک بستر میباشد.
در این فرآیند با کمک تشکیل پلاسما - بیشتر تحت عنوان پلاسمای سرد شناخته میشود - در محفظه لایهنشانی، دمای کلی برای انجام فرآیند پایین میآید . از طرفی برخلاف روشهای رسوبدهی فیزیکی بخار، در طی فرایند PECVD واکنشهای شیمیایی انجام میپذیرند. پلاسما معمولا توسط تخلیه الکتریکی بین دو الکترود ایجاد میشود که فضای بین آنها با گازهای واکنش دهنده پر شده است. پلاسما میتواند با جریان مستقیم و یا با فرکانس رادیویی و یا جریان متناوب به وجود آید.
در روش تولید بالا به پایین - مثل تراشیدن یک قطعه سنگ بزرگ برای رسیدن به یک مجسمه ظریف کوچک - ، گرافن خوب با بازده مناسب با استفاده از روشهای زیر قابل تولید است: روش کاهش شیمیایی، روش سنتز الکتریکی و مشتقات شیمیایی
در شکل 2 برخی روشهای اشاره شده برای تولید گرافن نشان داده شده است. روشهای زیادی برای تهیه گرافن توسعه یافته که میتوان خواص متفاوتی را در آن ایجاد نموده و برای مقاصد خاصی از آن بهره برد. بنوان مثال برای تهیه فیلمهای پلیمر گرافن با ابعاد بزرگ که صاف و تکلایه باشد از روش لایه نشانی لانگمویر- بلاجت - که یکی از معمولترین روشهای ساخت لایههای نازک آلی میباشد.
این روش شامل انتقال تکلایهای از ماده مورد نظر، به زیرلایه انتخاب شده میباشد. این تک لایهها اساسا در فصل مشترک بین مایع و گاز تشکیل میشوند. در این روش لایه با ساختار تک لایه مولکولی در روی سطح ایجاد میشود، لذا از یکنواختی و نظم درمقیاس مولکولی برخوردار است. با استفاده از این روش بر روی سطح، چند لایه - با ضخامت مولکولی - بر روی یکدیگر تشکیل میشود و بدین ترتیب ضخامت کنترل شدهای از پوشش ایجاد می گردد. - استفاده میشود
