نانوتکنولوژی ومحیط زیست
آنچه از توانمنديهاي آتيِ فناوري نانو در اين بخش ارائه ميشود، به معني آن نيست كه در آيندة بسيار نزديك يا طي يك برنامة زمانبنديشدة كاملاً مدون قرار است محقق شود، بلكه برخي از اين موارد ممكن است در حال حاضر بسيار دور از دسترس به شمار بيايند. با وجود اين، بايد يادآور شد كه پرواز انسانها در آسمان هم تا دو سدة قبل كاملاً دستنيافتني به نظر ميرسيد و بعدها افراد و مللي در زمينة پرواز پيشتاز شدند كه ايدههاي مذكور را جديتر تلقي كردند.
انسانها از گذشتههاي دور در آرزوي پرواز در آسمان بودند. اين رؤيا را برادران رايت محقَق كردند.
1. كاربردهاي مواد نانوساختار در حفظ محيط زيست
از نانوساختارهايي مثل پليمرهاي زيستي مي توان براي توليد تراشههاي الكترونيكي استفاده كرد.
| پليمر يا مولكول درشت، از اتصال چند ملكول كوچك به وجود ميآيد. اين مولكول هاي كوچك بايد پيوندهاي دو يا چندگانه داشته باشند و به اين منظور بايد بتوانند به يكديگر متصل شوند. براي اطلاعات بيشتر به وبگاه زير مراجعه كنيد:http://www.btinternet.com/~chemistry.diagrams/polymer.htm |
طبق اطلاعات موجود، براي توليد هر گرم ريزتراشة 32 مگابايتي، به مصرف 850 گرم سوخت فسيلي و مواد شيميايي و 16 كيلوگرم آب نياز است. با استفاده از فرآيندهاي نانو ميتوان شيوة مرسوم در توليد تراشههاي نيمههادي را تا حد بسيار زيادي بهبود بخشيد. علاوه بر اين، استفاده از فناوري نانو منجر به توليد مواد بيخطر به جاي مواد سمي موجود ميشود.
نمونة ريزتراشهاي که با استفاده از فرايندهاي نانوفناوري به دست آمده است
براي مثال، مانيتورهاي ساختهشده از مواد نانوساختار بسيار كمخطرتر از انواع مشابه ساختهشده از لولههاي اشعة كاتدي (كه حاوي مواد سمياند) است و راندمان بالاتري هم دارد. نمايشگرهاي ساختهشده از بلور مايع ضمن كوچك بودن، حاوي سرب نيستند و مصرف انرژي آنها بسيار كمتر از انواع مشابه كاتدي است. علاوه بر اين، استفاده از نانولولههاي كربني در نمايشگرهاي كامپيوتري به كاهش مصرف فلزات سنگين در آنها كمك ميكند و از اين طريق از آسيب به محيط زيست ميكاهد.
نمايشگرهاي ساختهشده از بلور مايع. اين نمايشگرها به حفظ محيط زيست کمک ميكنند
گزارشهاي زيادي دربارة استفاده از نانوذرات براي تصفية آلايندههاي زيستمحيطي ارائه شده است. در صورت استفاده از روشهاي متداول براي تصفية حلالهاي آلي حاوي تركيبات كلردارمانند تري كلرو اتيلن، همواره مقداري دي كلرو اتيلن و وينيل كلرايد در اثر واكنشهاي جانبي ايجاد ميشوند كه بسيار مضرند. با استفاده از ذرات دوفلزي نانوساختار (دوفلز با ابعاد نانو) توليد اينگونه محصولات جانبيِ نامطلوب عملاً به صفر ميرسد.
نانو ذرات کربني. اين نانوذرات مي توانند انقلابي در فناوري به وجود آورند
علاوه
بر موارد فوق، نانوذراتي مانند دياكسيد تيتانيم و اكسيد روي كه به وسيلة
نور فعال ميشوند، استفادههاي گوناگوني در حذف آلودگيهاي آلي از
محيطهاي مختلف يافتهاند. اينگونه مواد بسيار فراوان و ارزانند و سمّيت
آنها ناچيز است.
بسياري از محققان علاقهمندند تا با دستكاري سطوح
ذرات نانوساختار بتوانند آنها را نسبت به نور مرئي حساس کنند. در حال حاضر
اين ذرات تنها با کمک اشعة ماوراء بنفش (تنها 5% از نور خورشيد را نور
ماوراء بنفش تشكيل مي دهد) حساسيت نشان ميدهند. اين امر باعث افزايش
حساسيت فتوكاتاليستها
و در نتيجه بهبود حذف آلاينده ها و خواص پاک کنندگي سطح ميشود. علاوه بر
اين، ذرات نانوساختار انعطافپذيري زيادي در تصفية آلايندهها دارند. به
عنوان مثال، از ذرات نانوساختار براي تصفية فوري خاك، رسوبات، ضايعات
جامد، تصفية آب و پسماندهاي مايع استفاده ميشود. تحقيقات نشان ميدهند كه
ذرات دوفلزي نانوساختار مانند آهن ـ پالاديُم، آهن ـ نقره و روي ـ
پالاديُم كاربردهاي زيادي در تصفيه و پالايش آلودهكنندههاي محيط زيست،
مانند آفتكش هاي كلرينه با منشأ آلي و حلالهاي آلي هالوژنه، يافتهاند.
تجربه نشان داده است كه استفاده از ذرات نانوساختارِ دوفلزي موجب ميشود
تا كليه هيدروكربنهاي حاوي تركيبات كلردار كه بسيار سمياند، به
هيدروكربنهاي بيخطر براي محيط زيست تبديل شوند. بهعلاوه، شواهد بسياري
مبيّن اين واقعيت است كه ذرات نانوساختار با پاية آهني، قادر به تجزية
آلودگيهاي بسيار پايدار همچون تركيبات پركلراتها، نيتراتها، فلزات
سنگين (نيكل و جيوه) و مواد راديواكتيو مانند دياكسيد اورانيوم هستند.
آلودگيهاي ناشي از ترکيبات راديواکتيو را مي توان با استفاده از فناوري نانو برطرف كرد
2. رنگزدايي از آب آشاميدني
رنگ موجود در آب آشاميدني نهتنها به خاطر ظاهر آن بايد از آب زدوده شود،
بلكه چون اين رنگها ميتوانند منشأ توليد تري هالو متان ( مانند CHCl3)
نيز باشند، خطرناك محسوب ميشوند. اين ماده هنگام تركيب با كلر موجب تشكيل
كلروفرم و ديگر تركيبات هالوژنة مضر و سرطانزا ميشود. رنگ موجود در آب
طبيعي معمولاً ناشي از وجود اسيدهاي معدني با جرم مولكولي 800 تا 50000 gr/mol
است. اسيدهاي مذكور در اثر تجزية مواد آليِ موجود در آب حاصل ميشوند.
اغلب روشهاي متداول براي تصفية آب قادر به جداسازي مواد فوق نيستند، ليكن
با استفاده از غشاهاي نانو ميتوان تا 99 درصد اينگونه مواد را بهسهولت
از آب جدا كرد ( اين پيوند را ببينيد)
آب آشاميدني
انسانها براي سلامتي خود احتياج به آشاميدن آب سالم دارند. آب سالم آبي است که نه بو داشته باشد و نه مزه و بايد زلال هم باشد
آيا مي دانيد هزينة تصفية آب آشاميدني چندين برابر هزينه اي است که ما به عنوان آببها ميپردازيم؟ تحقيقات نشان مي دهد استفاده از فناوري نانو در تصفية آب، مي تواند هزينههاي تصفيه را تا حدود زيادي کاهش دهد.
کاربردهای مختلفی از فناوری نانو برای حفظ محیط زیست را در بخش اول و دوم این مجموعه مقاله خوانده اید. در بخش سوم و پایانی برخی دیگر از کاربردهای فناوری در نانو در زمینه محیط زیست معرفی ميشوند.
خالصسازي الكلهاي سبك با استفاده از نانوفيلترها
الكلهايي مانند اتانول و متانول
به عنوان حلال يا مادة پاككننده بهوفور در صنايع مورد استفاده قرار
ميگيرند. اين مواد در حين مصرف مقادير زيادي از ناخالصيهاي مختلف را به
خود جذب ميکنند. با توجه به اينكه دور ريختن آنها پس از مصرف، اثرات
زيانباري بر محيط زيست دارد، بايد براي استفادة مجدد تصفيه شوند. روشهاي
متداول از قبيل تقطير، ضمن آلوده کردن محيط زيست، انرژي زيادي را تلف
ميکنند. استفاده از نانوفيلترها گام مؤثري در حفاظت از محيط زيست و
صرفهجويي در مصرف انرژي است.
دستگاه خالصسازي الکلها با استفاده از نانوفيلتراسيون
نانوپوشش ها
پوشش هاي نانوساختاري پيشرفته بهخوبي بر سطوح مختلف از قبيل فلزات،
شيشه، سراميك و پلاستيك ميچسبند و تنها چندميكرون ضخامت دارند. ويژگي
بارز اين نانوپوشش ها، خاصيت ضدّ خوردگي آنهاست كه کاربرد پوششي آنها را
در فلزات سبك از قبيل آلومينيوم و منيزيم افزايش داده است. پوششهاي
يادشده، در مقابل حرارت بسيار مقاوماند و ميتوانند دما را تا 700 درجة
سانتيگراد تحمل کنند. استفاده از اين نوع پوششگرها منجر به كاهش خوردگي
فلزات ميشود و در نهايت، محيط زيست را با كاهش ميزان مصرف مواد خام حفظ
خواهد کرد.
| از بين رفتن تدريجي يك فلز را كه در معرض آب و هوا، رطوبت و مواد شيميايي قرار گرفته باشد، «خوردگي فلز» گويند. |
نحوة ايجاد پوشش نانو روي سطوح
كاربرد ديگر پوششگرهاي نانوساختاري، در حذف گرد و غبار از روي سطوح مختلف و كاهش مصرف پاككنندههاست. اين نانوذرات را به صورت يك لاية بسيار نازك براي روكش کردن سطوح مختلف از قبيل شيشة اتومبيلها به كار ميبرند.
هزينة تميز کردن شيشههاي اين ساختمان چه قدر است؟ شيشههاي نانويي، نياز به تميز کردن ندارند.
بدين ترتيب كشش سطحي اين سطح نسبت به محلولهاي آبدار بهشدت كاهش مييابد. در نتيجه، مايع مذكور سطح پوششدادهشده را خيس نميکند و به صورت قطراتي بر روي آن باقي ميماند و بهسرعت زدوده ميشود. اين عمل فرآيند خشك شدن را سرعت ميدهد. بديهي است كه مصرف مواد شوينده بهشدت كاهش مييابد و از آلودگي محيط زيست جلوگيري به عمل ميآيد.
نانوپودرها
نانوپودرها موادي
بهشدت فعالاند كه در دماي پايين ذوب يا آلياژ ميشوند. اين پودرها در
فرآيندهاي قالبگيريِ تزريقي و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار
ميگيرند. نوعي از پودرهاي نانوساختاري ياشدده كه حاوي ذرات ريز آلومينيوم
است، در صورت افزوده شدن به سوختهاي جامد موشكها شدت سوختن آنها را تا
دو برابر افزايش ميدهد. اضافه كردن اين پودر به نفت سفيد باعث تسريع در
احتراق آن و در نتيجه كاهش توليد آلايندههاي مختلف ميشود.
سرعت موشکهايي که سوخت حاوي نانوپودر دارند، سريعتر از موشکهاي معمولي است.
نانولولههاي جاذب گازهاي سمي
طبق تحقيقات وسيع انجامگرفته، نانولولههاي كربني مناسبترين وسيله براي جذب آلايندههاي سمي از قبيل ديوكسينها
و ديگر آلايندههاي موجود در گاز خروجي از دودكشهاي كورههاي زبالهسوز
به شمار ميروند. مواد سمي از نوع ديوكسين عموماً محصول جانبي بسياري از
فرآيندهاي صنعتياند كه ضمن پايداري فراوان، باعث آلودگي بلندمدت هوا،
خاك، آب و در نهايت زنجيرة غذايي موجودات زنده ميشوند. برخي از
ديوكسينها سرطانزا هستند و بسياري از آنها باعث اختلال در سيستم ايمني
بدن انسانها ميشوند. اگرچه در سالهاي اخير بسياري از كشورها توليد اين
ماده را بهشدت تحت كنترل قرار دادهاند، ليكن هنوز خطرات زيستمحيطي آن
كماكان تهديدكننده به شمار ميآيند. اگرچه نانولولههاي كربني مناسبترين
وسيله براي جذب آلايندههاي سمي مانند ديوكسيناند، ولي در حال قيمت بسيار
زيادي دارند. تحقيقات دامنهداري براي توليد ارزان نانولولهها در جريان
است.
شکل بالا جذب ديوکسين را توسط نانولولههاي کربني نشان مي دهد.
نانولولههاي کربني مناسبترين وسيله براي جذب آلايندههاي سمي مانند
ديوكسين هستند.
پليمرهاي نانومتخلخل
هنگامي كه آلايندههاي آليِ آبگريز از طريق آب وارد خاك ميشوند،
بهراحتي توسط ذرات جامدِ غيرمحلول در آب جذب و از آب جدا ميشوند. پديدة
جذب و دفع اينگونه آلايندهها از آب به خاك و از خاك به هوا بسيار پيچيده
است و به عوامل متعددي از قبيل حلاليت در آب، آب موجود در شبكة خاك و
رقابت اجزاي مختلف خاك براي جذب اين ذرات بستگي دارد. هنگامي كه بيش از يك
مولكول آبگريز در محيط وجود داشته باشد، مولكولهاي آلاينده به جسمي متصل
ميشوند كه از لحاظ شيميايي بيشترين شباهت را به آنها داشته باشد. به همين
علت، نانوپليمرهاي متخلخل كه شباهت زيادي به مولكولهاي مواد آلاينده
دارند، مناسبترين وسيله براي جداسازي اين نوع آلايندههاي آلي از آب و
خاك به شمار ميروند.
امروزه برخي از قطعات رايانهها را از نانوپليمرهاي متخلخل مي سازند، مانند صفحه کليد، موسپد و غيره.
نانوپليمرهاي متخلخل، مناسبترين وسيله براي موسپد هستند!
با استفاده از سيكلودكسترينها به عنوان اجزاي اصلي اين مواد پليمري، دستة جديدي از پليمرهاي آلي با تخلخلهاي بسيار ريز (قطر تخلخل اين تركيبات حدود 0.7 تا 1.2 نانومتر است) توليد شدهاند. اينگونه نانوپليمرهاي متخلخل قادرند که غلظت آلايندههاي موجود در آب شُرب را تا حد چند قسمت در تريليون (ppt) كاهش دهند. ويژگيهاي ديگر نانوپليمرهاي متخلخل به شرح ذيل است:
خصوصيات
قدرت چسبندگي مولكولهاي آلي به اين نوع پليمرها حدود صدهزار برابر قويتر
از اتصال آنها به جاذبهاي معمولي از قبيل كربنهاي فعال است. عملكرد
مناسب آن در آب و هوا تقريباً يكسان است.
تودة نانوپليمرهاي متخلخل
كاربردهاي زيستمحيطي
1. اغلب آلايندههاي آلي را از آب آشاميدني جدا ميکند.
2. با استفاده از نانوپليمرهاي متخلخل ميتوان پسابهاي مصرفي واحدهاي صنعتي مانند نيروگاههاي هستهاي را تصفيه کرد و مورد استفادة مجدد قرار داد.
3. در صورت آلوده شدن منابع آبي به آلايندههاي آلي مانند نشت نفت از تانكرها به اقيانوس، اين پليمرها قادر به پاكسازي منابع مذكور هستند.
4. در صورت آلوده شدن منابع آبيِ زيرزميني، اين مواد ميتوانند آلايندههاي آلي را حذف کنند.
انفجار زمين در اثر انباشته شدن آلايندهها در زمين
مزايا:
1. توجه به استفادة مكرر از پسابهاي واحدهاي صنعتي، كمك شاياني به حفظ منابع آب موجود ميكند.2. با توجه به اينكه نانوپليمرهاي متخلخل بهكرات مورد استفاده قرار ميگيرند، بنابراين، هزينههاي تصفيه بهمراتب كمتر ميشود