تبلیغات
مقالات کاربردی مهندسی شیمی - آشنائی با فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست و صنعت سیمان

آشنائی با فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست و صنعت سیمان

دوشنبه 28 مرداد 1392 09:36 ق.ظ

نویسنده : محمد حسین فردیار
ارسال شده در: سیمان ،
نانو تکنولوژی یکی از علوم بسیار با اهمیت و فعال در عصر حاضر است به گونه ای که در تمام زمینه ها از جمله صنعت مواد غذائی، داروئی ، پزشکی،الکترونیک، محیط  زیست،هوا فضا و ... دخالت داشته و باعث تحولات جالبی در ساخت مواد گردیده است به گونه ای که به کمک این تکنولوژی می توان بتن هوشمند،انعطاف  پذیر ،خود تمیز کن، خود تعمیر شونده و بتن نیمه شفاف ساخت.

در این مقاله سعی بر آن شده است تا به طور خلاصه و مفید فناوری نانو معرفی شده و سپس برخی از کاربردهای آن در صنعت سیمان  وحفظ  و کنترل محیط زیست مرور گردد.


فناوری نانو(نانو تکنولوژی) یا فناوری ساخت مولکولی:

واژه نانو یک کلمه یونانی است به معنای کوتوله. یک نانومتر (1nm) معادل با یک میلیاردم) متر می باشد که 4 برابر قطر یک اتم و 80000 بار کمتر از ضخامت موی انسان است . مهندسی و طراحی در مقیاس مولکولی اولین بار(سال 1954) توسط ریچارد فاینمن (R.Feynnman)مطرح شد که برنده جایزه نوبل فیزیک گردید. در واقع ایده آقای فاینمن این بود که می توان به کمک ماشینهای کوچک ماشینهای  کوچکتر ساخت سپس این کاهش اندازه را تا سطح خود اتمها ادامه داد.

فناوری نانو از دیدگاه موسسه ابداعات نانو تکنولوژی آمریکا و پژوهشگاه نانو در انگلستان، عبارت است از تحقیق، جستجو و کاوش در سطوح اتم ها ومولکولهای مواد در محدوده 1 تا 100 نانو متربه شرطی که بتوانند نقش مهمی در خواص مواد ایجاد کنند.

به کمک فناوری نانو می توان اتم ها و مولکولها را به دلخواه چیدمان کرد تا به ماده مورد نظر با خواص ویژه نائل شد.  با ایجاد نانو ساختارها امکان تغییر خواص ذاتی مواد از جمله دمای ذوب،خواص مغناطیسی ، رنگ ... وجود دارد.

به عبارتی همان گونه که در طبیعت ، تعدادی مولکول در کنار هم قرار گرفته اند تا یک جسم بوجود آید در فضای نانو تکنولوژی تعدادی ذره در حد نانومتر(نانو ذرات) با هم دیگر جمع شده اند تا ماده ای را بوجود آورند. البته صرف ریز بودن ذرات کافی نیست بلکه مهم این است که ماده حاصل دارای خواص مورد نظر نیز باشد.
نانو ذره چیست؟

نانو ذره، ذره ای است با ابعاد نانومتری در هر سه بعد . نانو ذرات به صورت پودر خشک و یا به به صورت پخش در مایع در بازار به فروش می رسند. این ذرات دارای شکلهای گوناگونی از جمله کروی ، پولکی، ورقه ای، لوله ای و میله ای یافت می شوند. از معروف ترین و مشهور ترین پودر نانوذرات  که ده ها سال است استفاده می شود همان دوده یا کربن سیاه است که در تایر اتومبیلها مصرف می گردد. این ذرات دارای نسبت سطح به حجم بالائی هستند که آنها را برای استفاده در کاتالیست ها ، مواد کامپوزیتی و ... مناسب می سازد. مواد نانو ذره به صورتهای زیر تولید می شوند:

1.خردایش و کار مکانیکی

2. روش شیمی مرطوب(روش سل- ژل، روش کلوئیدی)

3. روش تولید نانو ذرات از فاز گاز

4. روش چگالش بخارات شیمیائی
کاربرد نانو تکنولوژی در محیط زیست:

همان گونه که می دانیم دو راه برای مبارزه با آلاینده ها در فضا وجود دارد. یکی حذف منبع آلودکننده که بهترین روش برای کاهش آلاینده هاست  و دیگری  کنترل منابع تولید آلاینده. به کمک فناوری نانو می توان خود سرچشمه آلودگی را حذف کرد . در این راستا می توان به تولید پارچه های ضد لک ، شیشه های خود تمیز کن، بتن خود تمیز شونده و ... اشاره کرد.

از موارد استعمال نانو تکنولوژی در محیط زیست :

    نانو فیلتر ها (برای تصفیه پساب های صنعتی)
    نانو پودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از دودکش و اگزوز اتومبیل ها)
    نانو لوله ها ( برای ذخیره سازی سوخت کاملا" تمیز هیدروژن)
    نانو کاتالیست ها

نانو فیلتر ها:

 

نانو فیلتر، یک غشاء پلیمری بسیار نازک با حفرات نانو متری (1 تا 10 نانو متر) است که قابلیت جداسازی اجزای یک محلول از همدیگر و یا از حلال را دارد. این در حالی است که فیلتر های معمولی ذرات 100 تا 1000 نانو متر را جداسازی می کنند. به عنوان مثال به کمک نانو غشاء می توان نمک های موجود در آب مانند یونهای منیزیم و کلسیم – که باعث سختی آب می گردند -  را تا 90% کاهش داد و یا می توان عناصر فلزی سمی از جمله کرم شش ظرفیتی و آرسنیک را به کمک یک نانوغشاء از آب حذف کرد. همان گونه که می دانید در مناطقی از خراسان جنوبی و بیرجند وجود رگه های فلزات سنگین در لایه های زیر زمینی باعث آلودگی آبهای زیرزمینی می گردد که خطر جدی برای ساکنین به حساب می آید. یکی از راههای حذف فلزات سمی از آب استفاده از نانو فیلتر ها می باشد. در صنعت سیمان نیز به دلیل استعمال آجرهای منیزیت – کرومیتی ، کرم سه ظرفیتی در مجاورت قلیائی ها به کرم شش ظرفیتی تبدیل می شود. تبدیل کرومیت به کرومات و حل شدن آن در آب سبب آلودگی آبهای زیرزمینی می شود. این آجرها بعد از تعمیرات از کوره خارج می شوند و به عنوان ضایعات در محیط و در معرض بارش قرار می گیرند. کرومات سمی در اثر تماس با پوست نیز مستقیما" جذب می شود. به کمک  نانو فیلتر ها هوا را هم می توان تصفیه کرد.

به طور کلی از نانو فیلتر ها می توان در موارد زیر استفاده کرد:

    تصفیه پساب رختشوی خانه ها
    تصفیه پساب های اسیدی واحدهای صنعتی
    رنگ زدائی از آب آشامیدنی
    بازیابی آب از فاضلاب
    تصفیه زباله های کشاورزی
    خالص سازی الکلها
    تصفیه آب پنیر

و...
نانو کاتالیستها:

 

دراجسام  نانو ذره ای ، علاوه بر کوچک بودن اندازه ذرات ، نسبت تعداد اتمهای سطحی به اتمهای داخلی افزایش می یابد به گونه ای که سطح ویژه بیشتری را فراهم می کنند لذا این ویژگی در نانو کاتالیست ها باعث افزایش سطح تماس بیشتری با مواد اولیه و در نتیجه افزایش کارائی کاتالیست می شود . به عنوان مثال از نانو کاتالیست ها در تصفیه گازهای خروجی اگزوز اتومبیلها استفاده می شود.

کاتالیست های رایج که پایه پلاتینی دارند بسیار گران قیمت هستند ولی کاتالیستهای نانو ساختاری هم ارزانند و هم از راندمان کافی برخوردارند.
نانو پودرها:

به طور کلی پودرها ذرات ریزی هستند كه از خُرد کردن قطعات بزرگ جامد ، یا ته نشین شدن ذرات جامدِ معلق در محلولها به دست می آیند. نانوپودر، پودری است که اندازه ذرات  آن کمتر از 100 نانومتر باشد. برای تولید  نانوپودرها ازدو روش پایین به بالا یا بالا به پایین استفاده می گردد.  در روش بالا به پایین قطعه را از اندازه‌های بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد می‌كنیم تا به اندازه‌های نانومتری برسد. در روش پایین به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه كنار هم می‌چینیم تا یك ساختار نانومتری به وجود آید.

یکی از روشهای کاربرد نانو پودر ، مخلوط آنها با یک ماده نرم دیگر مانند سیمان می باشد . در این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» می‌نامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است. ملموس‌ترین مثال برای كامپوزیت، كاه‌گل است.

در نانوپودرهای كامپوزیتی نیز ذرات نانومتری در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراكنده شده‌اند. علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب می‌شود. در این صورت، هنگامی‌ که به ماده نیرو وارد می‌شود، زمینه نیرو را به رشته یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌كند تا بتواند در برابر نیروی واردشده‌ مقاومت بیشتری داشته باشد.
فناوری نانو در صنعت سیمان و بتن:

نانو سیمان چیست؟

سیمانی با اندازه ذرات نانومتری(کمتر از 500 نانو متر)می باشد . جهت تولید سیمان با اندازه نانو دو روش وجود دارد:

1. سنتز نانو سیمان که در این روش از ابزارهای مکانیکی به منظور سنتز شیمیائی و جداسازی ذرات با اندازه نانو از ذرات بزرگ سیمان استفاده می شود.

2. این روش مربوط به ساختار هیدراته سیمان است.

با استفاده از نانو سیمان می توان یک نانو بتن ساخت. نانو بتن، بتنی است که از سیمانی با ذرات کوچکتر از 500 نانومتر ساخته شده باشد. بتن معمولی از سیمانی با ذرات چند نانومتری تا حداکثر 100 میکرومتر تشکیل شده است. البته شایان ذکر است که بتن معمولی هم دارای ذرات بسیار ریز و در حد نانو می باشد اما مسئله اینجاست که داشتن ذراتی با ابعاد نانو برای تولید نانو مواد کافی نیست بلکه باید مقدار و موقعیت این ذرات در مواد قابل کنترل باشد به عبارتی در فناوری نانو کنترل ویژگی ها از دستیابی به ابعاد نانو مهم تر است. از کاربردهای نانو بتن می توان به تولید محصولات بتن نیمه شفاف، پوششهای بتنی مقاوم( در مقابل خراش، نور، مواد شیمیائی و...)بتن خود تمیز شونده، بتن خود تعمیر شونده و ... اشاره کرد.

 


 

بتن خود تمیز شونده

 


بتن نیمه شفاف

 

از مخلوط فیبرهای شیشه با مخلوط خرده سنگ،سیمان و آب و با بکار بردن نانوتکنولوژی می توان به تولید بتن نیمه شفاف دست یافت که از آن برای ساخت پلها و ساختمانها می توان استفاده کرد. البته محصول فوق بسیار پرهزینه بوده و فعلا" در حد آزمایشگاهی تولید می شود. همچنین گفتنی است که به کارگیری فناوری نانو  در بتن به دو روش امکان پذیر است:

1.استفاده از نانو سیمان

2.استفاده از نانو افزودنی ها

اختلاط مناسب نانو ذرات با سیمان شرط مناسب ایجاد و کنترل خواص مورد نظر است. نانو سیمان ها برای ساخت برجهای بلند ،نظامی(ضد گلوله)، ساختمان ریاست جمهوری و ... مصرف می گردند. استفاده از این افزودنی ها در تولید سیمان ، علاوه بر بهبود خواص سیمان موجب مصرف کمترسیمان ،کاهش مصرف انرژی و کاهش گازهای گلخانه ای می گردد.

نانو ذرات مورد استفاده در صنعت سیمان عبارتند از:

1.نانو آلومینا:

افزودن این نانو ذره به سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته نسبت به سیمانهای معمولی می گردد. به عنوان مثال مدول الاستیسیته سیمان حاوی 5% نانو آلومینا در طی 28 روز، 143% افزایش یافته در حالی که در سیمانهای حاوی میکروسیلیکا این عدد معادل 15% می باشد. همچنین نتایج نشان می دهد که مقاومت فشاری 7 روزه سیمانهای حاوی نانو آلومینا 30% نسبت به سیمان پرتلند معمولی بیشتر است.

2.نانو اکسید آهن:

 

استفاده از این نانو ذره در سیمان نیزباعث افزایش مقاومت فشاری سیمان میشود. البته برای استفاده از نانو اکسید آهن حد بهینه وجود دارد زیرا مقدار بیشتر باعث عدم پراکندگی مناسب و تجمع نانو ذرات در سیمان گشته و موجب کاهش مقاومت فشاری می گردد.

3. نانو اکسید روی:

مصرف این نانو ذره بجای درصدی از cao موجود در کلینکر سبب پایداری فاز c3s شده و افزودن 5% از این نانو ذرات به سیمان موجب حداکثر رشد مقاومت فشاری 166 مگا پاسکال می گردد.

4.نانو سیلیکا:

سیلیکا نقش مهمی در چسبندگی و پرکنندگی بتن ایفا می کند. نانوذرات سیلیکا دارای شکل گلوله ای با قطر کمتر از 100nm هستند که به صورت ذرات خشک پودری یا به صورت معلق در مایع محلول قابل انتشار  می باشند. تحقیقات نشان می دهدکه واکنش پذیری و مقاومت فشاری 7 روزه و 28 روزه سیمانهای حاوی ذرات نانو سیلیکا بیشتر از سیمانهای حاوی ذرات میکرو سیلیکا می باشد. همچنین نانو سیلیکا به عنوان یک ماده پرکننده در ساختار بتن عمل کرده و افزودن 3% نانو سیلیکا به ملات سیمان باعث کاهش اندازه کریستالهای CH شده و به عبارتی جمع تر شده و در نتیجه سطح مشترک مواد واکنش دهنده مناسبتر می باشد. اضافه کردن نانو سیلیکا زمان گیرش را هم تحت تاثیر قرار می دهد به گونه ای که گیرش اولیه سریعتر شده  و تفاوت بین زمان گیرش اولیه و گیرش نهائی به دلیل کاهش نفوذپذیری (متراکم بودن ساختار نانوسیمان) بیشتر می باشد.

بحث و نتیجه گیری:

جهت پی بردن به اهمیت فناوری نانو فقط کافی است بگوئیم که این دانش در عرصه جهانی سبب کاهش 10 درصدی مصرف انرژی در دهه اول هزاره جدید خواهد شد به طوری که ارزش آن معادل یک میلیارد دلار می باشد.طبعا" به دنبال آن انتشار آلاینده های زیست محیطی نیز کاهش می یابد. هر چند برخی معتعقدند که استفاده از این تکنولوژی معضلات جدید زیست محیطی ایجاد می کند مانند تولید مواد سمی جدید.

به هر حال توسعه این دانش در تمام زمینه ها می تواند چاره گشا باشد. درایران نانو تکنولوژی بیشتر به سمت تولید مواد شیمیائی و داروئی گرایش دارد و در زمینه تولید مصالح ساختمانی و سیمانی چندان پیشرفتی نداشته است.




دیدگاه ها : نظرات
آخرین ویرایش: - -