الک‌های نانومتری(2)

قسمت اول

انواع فیلتراسیون

میکروفیلتراسیون

میکروفیلتراسیون فرایندغشایی کم فشاری است که برای جداسازی ذرات، جامدات معلق کوچک و موادی دیگر مثل باکتری‌ها و کیست‌ها از آب استفاده می شودو مولکول‌هـا و ذراتی بزرگتر از 2/0 میکرون راجدا می کند.این فرایند با اختلاف پایین تر از 2barصورت می گیرد.

آلترافیلتراسیون

آلترافیلتراسیون جهت جداسازی پروتئین ها ومواد آلی استفاده می شود ودر آلترافیلتراسیون مولکول‌هایی بزرگ‌تر از 005/0 میکرون جدا می‌شوند. ابعاد حفره‌های فیلتر بین 2 تا 50 نانومتر است.فرایند دیالیز در این محدوده قرار می گیرد.این فرایند با اختلاف فشار بین 1barتا10barصورت می گیرد. این فرایند برای جداسازی و تغلیظ مواد کلوئیدی و سوسپانسیونی به کار می‌رود.موادی با تخلخل نانومتری در دستگاه های آلترافیلتراسیون برای تصفیه آب استفاده شده است.

اسمز معکوس

اسمز معکوس فرایندغشایی پرفشاری است که آب در اثر اختلاف فشار از یک غشای نازک عبور می‌کند تا محتویات و مواد معدنی شامل نمک، ویروس‌ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیر آلی را جدا کند و اتم ها و مولکول‌هایی در مقیاس کوچکتر از 001/0 میکرون را در محدوده یونی جدا می‌کند .بااعمال فشاری بالاتراز فشاراسمز به محلول نمکی آب ازغشا عبورمی کندویون ها پشت غشا می مانند.پربازده ترین روش ازنظرکیفی برای پاکسازی آب اسمز معکوس است .فرایند اسمز معکوس با اختلاف بین 10barتا100barصورت می گیرد.درفیلترهای مربوط به اسمز معکوس ،ابعاد حفرات به صفر می رسدوعبور محتویات از فضاهای بین مولکولی است.

اسمز معکوس تکنیکی است که در دیالیز طبی هم از آن استفاده می‌شود. دیالیز مورد استفاده‌ی افرادی است که مشکل کلیوی دارند. کلیه‌ها باعث تصفیه خون شده، مواد زائد مثل اوره و آب را از خون جدا، و به شکل ادرار از بدن خارج می‌کنند. یک دستگاه دیالیز به تقلید از عملکرد کلیه‌ها، کار می‌کند. خون از بدن عبور کرده، وارد دستگاه دیالیز شده و از فیلتر اسمزی عبور می‌کند تا مواد زائد از آن جدا شود و خون تصفیه شده دوباره به بدن برگردد.

نانوفیلتراسیون

نانوفیلتراسیون برای جداسازی مواد آلی طبیعی استفاده می شود وابعاد بزرگتر از 1نانومتر را جدا می کند.ابعاد حفره‌های نانوفیلتر بین 5/0 تا 2 نانومتر است. روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. در نانوفیلتراسیون جداسازی بر اساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد.این روش از نظر هزینه انرژی ودفع یون وابعاد سوراخ در بین روش های دیگر شرایط بهینه ای را ایجاد کرده است.این فرایند با اختلاف فشار بین 5barتا40bar صورت می گیرد. اساساً این روش، جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده‌کننده‌هایی در اندازه میکرونی و یون‌های چند ظرفیتی می‌باشد.

از دیگر کاربردهای نانوفیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده‌اند، حذف فلزات سنگین مانند جیوه، تصفیه‌ی آب‌های مصرفی، رنگ‌زدایی و حذف آلوده‌کننده‌ها اشاره کرد. نانوفیلتراسیون می‌تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری‌های موجود در آب را حذف کند. 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.

فناوری نانو وفیلتراسیون

همان طور که بیان کردیم 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. از فناوری نانو در تهیه فیلتر استفاده می‌شود. این فیلترها با کاربردهای مختلف برای استفاده در یخچال، اتومبیل، محیط خانه و بیمارستان‌ها و مراکز درمانی برای حذف باکتری، قارچ، بو و ترکیبات آلی فرار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

گازهای مضری مانند فرمالدئید، تولوئن و بنزن که از مبلمان، موکت، فرش، لوازم چوبی و چرمی، وسایل پلاستیکی، سطوح رنگ شده، لوازم آرایش و ... متصاعد می‌شوند سبب بسیاری از سردردها، سرگیجه، سوزش چشم، مشکلات تنفسی و تشدید آسم می‌گردند و مقدار این گازها در محیط خانه 2 تا 5 برابر محیط خارج است که نانو فیلتراسیون می تواند نقش مهم و موثری در رفع این مشکلات داشته باشد.

فیلترهای نانو لوله های کربنی

دانشمندان روش ساده ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانو لوله های کربنی ابداع کرده اند که حتی قادر به حذف هیدروکربن های سنگین از نفت خام می باشد. ساخت فیلترها از نانولوله های کربنی فوایدی مانند سهولت نظافت، افزایش استحکام، قابلیت مصرف مجدد و مقاومت آنها در برابر حرارت، دارا می باشد.نانو لوله های کربنی می توانند به طور انتخابی برخی از مواد را از محیط جدا کنند .این قابلیت برای جداسازی مواد شیمیایی خاص قابل استفاده است.

فیلترهایی از جنس نانو الیاف

نانو الیاف در فیلتراسیون آب ،هواوروغن استفاده می شوند .این الیاف به خاطر داشتن مساحت سطح بالا کارایی بیشتری از فیلترهای پیشین دارد.برخلاف فیلترهای معمولی ، لایه های نانوالیاف توانایی فیلتراسیون ذرات در مقیاس میکرون را دارد که با استفاده از آن می توان فیلترهای ارزان قیمت و با کارایی بالا به دست آورد.

مکانیزم فیلتراسیون نانو الیاف با الیاف معمولی متفاوت است. همین ویژگی سبب گسترش محدوده کاربرد این الیاف در جوانب مختلف زندگی روزمره انسان ها شده است. با کاهش قطر الیاف پلیمری از میکرومتر به نانومتر، خواص منحصر به فردی مانند نسبت سطح به حجم بسیار بالا، انعطاف پذیری و خواص مکانیکی عالی در الیاف ایجاد می شود که سبب گسترش کاربرد آنها خواهد شد.

فیلترهای ساخته شده ازنانو الیاف  قابلیت بسیار بالایی در فیلتراسیون ذرات آلوده دارند و از راندمان بالاتری در مقایسه با فیلترهای سلولزی معمولی برخوردارند. با استفاده ازنانو الیاف می توان فیلترهای تمیز شونده با راندمان بالا و وزن کمتر طراحی و تولید کرد که در نتیجه سبب می شود تفاوت محسوسی را در روش فیلتراسیون نسبت به استفاده از فیلترهای متداول الیافی ایجاد کنیم. تاکنون روشهای متعددی برای تولید الیاف نانومتری در نظر گرفته شده است که از میان آنها روش الکتروریسندگی علاوه بر سادگی از  بازده بالاتری برخوردار است و در واقع می توان گفت این روش تنها روشی است که در آینده می توان از آن برای تولید نانو الیاف به صورت هم جهت و پیوسته استفاده کرد.

پیش بینی می شود استفاده از نانو الیاف در فیلتراسیون تحول عظیمی را در این بخش به وجود آورد و فیلترهایی با ویژگی های متفاوت خواهیم داشت.

به عنوان مثال اگر از یک فیلتر با کیفیت بالا در فرآیند فیلتراسیون هوا استفاده شود، ذرات تا مقیاس 300 نانومتر در این سطح محبوس خواهند شد و بازده این فرآیند به 99.97 درصد ارتقاء خواهد یافت.

هر چند اندازه منافذ قرار گرفته روی این گونه فیلترها کوچک و ضخامت فیلتر در محدوده ای است که اجزای فوق العاده کوچک را نیز به دام می اندازد؛ اما در این نوع فیلتراسیون لازم است جریان هوا با فشار وارد شود. در غیر این صورت توانایی فیلتراسیون کاهش می یابد و همانند یک فیلتر معمولی عمل می کند.با استفاده از لایه نازکی از نانو الیاف می توان فرایند فیلتراسیون را در فشار هوای معمولی و جریان هوای کم با کیفیتی مشابه فیلترهایی از جنس الیاف شیشه ای انجام داد.

قطرنانو الیاف مورد استفاده در این نوع فیلترها به کمتر از یک میکرون می رسد که همین امر باعث زیاد شدن نسبت سطح به حجم ، کوچک شدن منافذ و در نهایت تخلخل بالا می شود. این فیلترها می توانند با وجود کارایی بسیار بالا در فیلتراسیون ذرات ریز، افت فشار را نیز به حداقل برساند. این ویژگی سبب افزایش کارایی فیلتر، کاهش افت فشار و افزایش طول عمر آن می شود.

برای مثال ، نانو فیلترهای مورد استفاده در صنایع خودروسازی سبب صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی ، سوختن کامل بنزین در موتور، کاهش آلودگی هوا و مشکلات زیست محیطی و کاهش هزینه ها می شود. این در حالی است که با ورود هوای تمیز به داخل موتور اتومبیل ، بازده موتور افزایش و ورود ذرات آلوده به داخل موتور کاهش می یابد.

منبع nanowerk-sciencedaily-nanoforum-nano-nanoclub -hupaa

کتاب آشنایی با فناوری نانو(کاربردها)2-سلیمی،طاهری،احمدوند