چگونه می توانید یک تصفیه خانه بسازید؟ - جلسه هشتم
عناصر پایه در فناوری نانو
نویسنده : شایان فروزنده دل
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : جمعه 1396/11/06 ساعت 08:16
اهداف
·المان های نانو طراحی تصفیه کننده ها
وسایل مورد نیاز
·دسترسی به اینترنت
مقدمه
تفاوت اصلی فناوری نانو با دیگر فناوری ها، درمقیاس مواد و ساختارهایی که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند ، می باشد.
در دنیای امروز که صنایع مدرن و پیشرفته است، محیط زیست ما با انواع مختلف آلاینده ها از فعالیت های انسانی یا فرآیندهای صنعتی پر شده است. نمونه هایی از این آلودگی ها عبارتند از: مونوکسید کربن، کلروفلوئوروکربن ها، فلزات سنگین (آرسنیک، کروم، سرب، کادمیم، جیوه و روی)، هیدروکربن ها، اکسید نیتروژن، ترکیبات آلی (ترکیبات آلی فرار و دیوکسین)، دی اکسید گوگرد و ذرات حاصل از فعالیت های انسانی، مانند احتراق نفت، ذغال سنگ و گاز، پتانسیل قابل توجهی برای تغییر انتشار گازهای طبیعی دارند. علاوه بر آلودگی هوا، آلودگی آب ناشی از عوامل مختلفی همچون دفع زباله، نشت نفت، نشت کود، علف کش ها و آفت کش ها، فرآورده های فرآوری صنعتی و احتراق و استخراج سوخت های فسیلی است.
آلاینده ها عمدتا در هوا، آب و خاک مخلوط می شوند. بنابراین، ما نیاز به تکنولوژی داریم که قادر به نظارت، تشخیص و در صورت امکان آلاینده ها را از هوا، آب و خاک تمیز می کند. در این زمینه، فناوری نانو طیف گسترده ای از قابلیت ها و فن آوری ها را برای بهبود کیفیت محیط موجود فراهم می کند.
فناوری نانو، توانایی کنترل ماده در نانومواد را فراهم می کند و موادی را تولید می کند که خواص خاصی با عملکرد خاص دارند. نظرسنجی از رسانه های انتخاب شده در اتحادیه اروپا (EL) نشان می دهد که خوش بینی نسبتا بالا نسبت به درجه شانس / ریسک مربوط به فناوری نانو است، که بیشتر آنها به چشم انداز بهبود کیفیت زندگی و سلامت مربوط می شود.
نانومواد بسیار کوچک هستند و نسبت سطح به حجم نسبتا بالایی دارند تا بتوان آن را برای تشخیص آلاینده های حساس استفاده کرد. فناوری نانو همچنین برای جلوگیری از تشکیل آلاینده ها یا آلاینده ها با کاربرد تکنولوژی مواد، فرایندهای صنعتی و دیگران استفاده می شود. بنابراین، سه کاربرد عمده فناوری نانو در زمینه های محیط زیست می توان طبقه بندی کرد: (1) تصفیه مواد آلوده، (2) تشخیص آلودگی (حساسیت و تشخیص) و (3) جلوگیری از آلودگی. با افزایش سریع گونه ها و غلظت آلاینده، توسعه ابزارهایی که قادر به درمان و جلوگیری از آن هستند ضروری است.
تصفیه آب با فریتین
فریتین یک پروتئین حاوی آهن است که قادر به کنترل تشکیل تشکیلات معدنی است. فریتین را می توان در حیوانات و گیاه یافت و عملکردهای آن برای ذخیره آهن است. فریتین زمانی تشکیل می شود که 24 پلی پپتیدی که ساختارا مشابه یکدیگرند، یک ساختار پروتئینی قفس مانند را تشکیل می دهند. هنگامی که قفس شکل می گیرد، مولکول های آهن می توانند از طریق پوسته پروتئین وارد حفره شوند، در حالی که فرایند کانی سازی مولکول های آهن را به نانوذرات فرای هیدریت تبدیل می کند.
محققان توانایی فریتین را برای ردگیری فلزات سمی و کلر کربن در نور قابل مشاهده یا تابش خورشیدی کشف کرده اند. مزایای فریتین بر روی کاتالیزور معمولی آهن عبارتند از: (1) فریتین با کاهش نور واکنش نشان نمی دهد. و (2) پایدارتر است.
تصفیه آب با استفاده از نانوذرات پلیمری
نانوذرات پلیمری دارای کاربردهای متنوعی هستند از جمله تصفیه آب و کرم های ضد آفتاب. با استفاده از یک اصل مشابه به عنوان تشکیل میسل های سطحی، نانوذرات پلیمری دارای خواص دوگانه دوستی هستند، که هر مولکول دارای قطعات ضد آب و آب دوست است. هنگامی که آب در دسترس است، پلیمر یک سلول پلیمری با قطر چند نانومتر در داخل بخش هیدروفوب ایجاد خواهد کرد، در حالی که بخش هیدروفیل خارج است. در نانو ذرات پلیمری، اتصال عرضی قبل از جمع شدن ذرات به وجود می آید تا ثبات آنها حفظ شود. نانوذرات پلی یورتان (APU) چشم انداز خوبی به عنوان عامل تصفیه آب دارند.
نانوفیلترها
تاریخچه نانو فیلتراسیون به دهه هفتاد میلادی زمانی که غشاهای اسمز معکوس با فشارهای نسبتاً پایین همراه با جریان آب تصفیه ای قابل قبول، بسط و توسعه پیدا کردند باز می گردد. استفاده از فشارهای بسیار بالا در فرآیند اسمز معکوس، اگر چه منجر به تهیه آب با کیفیت بسیار عالی می شد، ولیکن به همان نسبت هزینه گزاف انرژی مصرفی عاملی نگران کننده به شماره می آمد. در نتیجه، تهیه آب با استفاده از این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود. بنابراین استفاده از غشاهایی با میزان درصد حذف پایین تر ترکیبات محلول، اما با قدرت نفوذ آب بیشتر و به طبع آن، افزایش حجم آب تصفیه شده با کیفیتی مطلوب (درحد استانداردهای مورد نظر) در فناوری جداسازی یک پیشرفت قابل ملاحظه، به شمار می آمد. از ین رو غشاهای اسمز معکوس با فشار پایین، بعنوان غشاهای نانو فیلتراسیونی شناخته شدند. نانو فیلتراسیون فرآیند غشایی جدیدی است که خواص آن بین فرآیندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون قرار دارد و در اختلاف فشار پایین (10-20 بار) قابل استفاده می باشد. به علت عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه های عملیاتی و نگه داری این فرآیند به مواد شیمیایی نیاز نبوده و پساب تولیدی فشرده و غلیظ می باشد. لذا هزینه حمل و نقل و دفع آن کمتر است. به کمک تجهیزات خاص غشاء ها به طور خودکار تمیز می شود. در مورد فرآیند نانو فیلتراسیون، هزینه انرژی به مراتب از اسمز معکوس کمتر می باشد. نکته حائز اهمیت در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب گری در حذف یون هاست.
غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از دو لایه تشکیل می شود. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً در دو نوع باردار و غیرباردار موجود هستند. مکانیسم اصلی در حذف ملکول های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربالسازی استوار می باشد. در حال که حذف ترکیبات یونی به دلیل بر عم کنش های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه های باردار، حذف می شوند.
امروزه غشاهای نانویی تجاری، در اشکال متفاوتی استفاده می گردند. این اشکال شامل، سیستم های مارپیچی، صفحه ای، جعبه ای، لوله ای و فیبری می باشد. شکل هر یک از غشاهای نانویی براساس نوع غشا و نانویی براساس نوع غشا و به منظور بالا بردن بازده و عملکرد آن انتخاب می گردد.
نانو فیلترها برای حذف محدوده وسیعی از ترکیبات به کار گرفته شده است، از جمله :
- حذف آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
- حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن
- حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
- حذف کاتیون ها و سختی
- حذف کروم (VI)، اورانیم، آرسنیک
- حذف آنیون ها
- حذف پاتوژن ها
لازم به ذکر است که این فیلترها از دقت بسیار زیادی برخوردارند و می توانند ویروس هایی به اندازه 25 نانومتر را بخوبی عوامل بیماری زای بزرگتر مانند باکتری ای – کولای از آب حذف کنند . کاهش هزینه ها و همچنین کنترل مقدار آلاینده ها در آب تصفیه شده از دیگر مزایای کاربرد این روش به شمار می آید .
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت
·المان های نانو طراحی تصفیه کننده ها
وسایل مورد نیاز
·دسترسی به اینترنت
مقدمه
تفاوت اصلی فناوری نانو با دیگر فناوری ها، درمقیاس مواد و ساختارهایی که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند ، می باشد.
در دنیای امروز که صنایع مدرن و پیشرفته است، محیط زیست ما با انواع مختلف آلاینده ها از فعالیت های انسانی یا فرآیندهای صنعتی پر شده است. نمونه هایی از این آلودگی ها عبارتند از: مونوکسید کربن، کلروفلوئوروکربن ها، فلزات سنگین (آرسنیک، کروم، سرب، کادمیم، جیوه و روی)، هیدروکربن ها، اکسید نیتروژن، ترکیبات آلی (ترکیبات آلی فرار و دیوکسین)، دی اکسید گوگرد و ذرات حاصل از فعالیت های انسانی، مانند احتراق نفت، ذغال سنگ و گاز، پتانسیل قابل توجهی برای تغییر انتشار گازهای طبیعی دارند. علاوه بر آلودگی هوا، آلودگی آب ناشی از عوامل مختلفی همچون دفع زباله، نشت نفت، نشت کود، علف کش ها و آفت کش ها، فرآورده های فرآوری صنعتی و احتراق و استخراج سوخت های فسیلی است.
آلاینده ها عمدتا در هوا، آب و خاک مخلوط می شوند. بنابراین، ما نیاز به تکنولوژی داریم که قادر به نظارت، تشخیص و در صورت امکان آلاینده ها را از هوا، آب و خاک تمیز می کند. در این زمینه، فناوری نانو طیف گسترده ای از قابلیت ها و فن آوری ها را برای بهبود کیفیت محیط موجود فراهم می کند.
فریتین یک پروتئین حاوی آهن است که قادر به کنترل تشکیل تشکیلات معدنی است. فریتین را می توان در حیوانات و گیاه یافت و عملکردهای آن برای ذخیره آهن است. فریتین زمانی تشکیل می شود که 24 پلی پپتیدی که ساختارا مشابه یکدیگرند، یک ساختار پروتئینی قفس مانند را تشکیل می دهند. هنگامی که قفس شکل می گیرد، مولکول های آهن می توانند از طریق پوسته پروتئین وارد حفره شوند، در حالی که فرایند کانی سازی مولکول های آهن را به نانوذرات فرای هیدریت تبدیل می کند.
محققان توانایی فریتین را برای ردگیری فلزات سمی و کلر کربن در نور قابل مشاهده یا تابش خورشیدی کشف کرده اند. مزایای فریتین بر روی کاتالیزور معمولی آهن عبارتند از: (1) فریتین با کاهش نور واکنش نشان نمی دهد. و (2) پایدارتر است.
تصفیه آب با استفاده از نانوذرات پلیمری
نانوذرات پلیمری دارای کاربردهای متنوعی هستند از جمله تصفیه آب و کرم های ضد آفتاب. با استفاده از یک اصل مشابه به عنوان تشکیل میسل های سطحی، نانوذرات پلیمری دارای خواص دوگانه دوستی هستند، که هر مولکول دارای قطعات ضد آب و آب دوست است. هنگامی که آب در دسترس است، پلیمر یک سلول پلیمری با قطر چند نانومتر در داخل بخش هیدروفوب ایجاد خواهد کرد، در حالی که بخش هیدروفیل خارج است. در نانو ذرات پلیمری، اتصال عرضی قبل از جمع شدن ذرات به وجود می آید تا ثبات آنها حفظ شود. نانوذرات پلی یورتان (APU) چشم انداز خوبی به عنوان عامل تصفیه آب دارند.
نانوفیلترها
تاریخچه نانو فیلتراسیون به دهه هفتاد میلادی زمانی که غشاهای اسمز معکوس با فشارهای نسبتاً پایین همراه با جریان آب تصفیه ای قابل قبول، بسط و توسعه پیدا کردند باز می گردد. استفاده از فشارهای بسیار بالا در فرآیند اسمز معکوس، اگر چه منجر به تهیه آب با کیفیت بسیار عالی می شد، ولیکن به همان نسبت هزینه گزاف انرژی مصرفی عاملی نگران کننده به شماره می آمد. در نتیجه، تهیه آب با استفاده از این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود. بنابراین استفاده از غشاهایی با میزان درصد حذف پایین تر ترکیبات محلول، اما با قدرت نفوذ آب بیشتر و به طبع آن، افزایش حجم آب تصفیه شده با کیفیتی مطلوب (درحد استانداردهای مورد نظر) در فناوری جداسازی یک پیشرفت قابل ملاحظه، به شمار می آمد. از ین رو غشاهای اسمز معکوس با فشار پایین، بعنوان غشاهای نانو فیلتراسیونی شناخته شدند. نانو فیلتراسیون فرآیند غشایی جدیدی است که خواص آن بین فرآیندهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون قرار دارد و در اختلاف فشار پایین (10-20 بار) قابل استفاده می باشد. به علت عمل نمودن در فشار پایین و بازیابی بالاتر، هزینه های عملیاتی و نگه داری این فرآیند به مواد شیمیایی نیاز نبوده و پساب تولیدی فشرده و غلیظ می باشد. لذا هزینه حمل و نقل و دفع آن کمتر است. به کمک تجهیزات خاص غشاء ها به طور خودکار تمیز می شود. در مورد فرآیند نانو فیلتراسیون، هزینه انرژی به مراتب از اسمز معکوس کمتر می باشد. نکته حائز اهمیت در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب گری در حذف یون هاست.
غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از دو لایه تشکیل می شود. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً در دو نوع باردار و غیرباردار موجود هستند. مکانیسم اصلی در حذف ملکول های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربالسازی استوار می باشد. در حال که حذف ترکیبات یونی به دلیل بر عم کنش های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه های باردار، حذف می شوند.
امروزه غشاهای نانویی تجاری، در اشکال متفاوتی استفاده می گردند. این اشکال شامل، سیستم های مارپیچی، صفحه ای، جعبه ای، لوله ای و فیبری می باشد. شکل هر یک از غشاهای نانویی براساس نوع غشا و نانویی براساس نوع غشا و به منظور بالا بردن بازده و عملکرد آن انتخاب می گردد.
نانو فیلترها برای حذف محدوده وسیعی از ترکیبات به کار گرفته شده است، از جمله :
- حذف آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
- حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن
- حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
- حذف کاتیون ها و سختی
- حذف کروم (VI)، اورانیم، آرسنیک
- حذف آنیون ها
- حذف پاتوژن ها
لازم به ذکر است که این فیلترها از دقت بسیار زیادی برخوردارند و می توانند ویروس هایی به اندازه 25 نانومتر را بخوبی عوامل بیماری زای بزرگتر مانند باکتری ای – کولای از آب حذف کنند . کاهش هزینه ها و همچنین کنترل مقدار آلاینده ها در آب تصفیه شده از دیگر مزایای کاربرد این روش به شمار می آید .
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت
