نانوتکنولوژي در علوم زمين

بررسي نانولوله‌هاي ساخته شده جهت ذخيره سازي هيدروژن: فعاليت‌هاي انجام‌شده در اين بخش شامل طراحي و ساخت سيستم آزمايشگاهي جهت ذخيره‌سازي هيدروژن و سرعت جذب گازها مي‌باشد. آزمايش‌هاي مربوط به ذخيره‌سازي و جداسازي گازها بر روي نمونه‌هاي نانولوله كربني ساخته شده در حال انجام است.
مطالعات آتي طرح
- ادامه فعاليتهاي آزمايشگاهي ساخت با كاتاليستهاي مختلف جهت افزايش راندمان سيستم.
- بهينه‏سازي روش ساخت جهت توليد نانولوله‌هاي كربني با مشخصات مطلوب.
- بررسي روش‌هاي توليد به صورت بستر سيال نانولوله‌هاي کربني.
- ادامه بررسي كاربردهاي نانولوله‌هاي کربني در راستاي ذخيره‏سازي هيدروژن.
- استفاده از نانولوله‌هاي کربني به عنوان پايه كاتاليستي فرآيند gtl.

صنايع آب
نانوفيلتراسيون يکي از کاربردهاي مهم نانوتکنولوژي است. فناوري نانوفيلتراسيون امکان جداسازي ذرات را از آب در مقياس نانو فراهم مي‌کند. به‌ اين ‌ترتيب، امکان توليد آب تصفيه‌شده در مقياس انبوه فراهم مي‌شود. با استفاده از نانوفيلترها، مواد معدني لازم براي سلامتي انسان، در آب باقي مي‌ماند و مواد سمي و مضر از آن حذف مي‌شود.
با توجه به اين که پنجاه درصد آب‌هاي زيرزميني و هفتاد و هشت درصد آب رودخانه‌ها در مناطق شهري، غيرقابل شرب است، کاربرد اين فناوري براي تصفية آب، طرفداران زيادي دارد. تحقيقات در چين نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانوفيلترها در مدت طولاني، شيوع بيماري‌هاي قلبي و عروقي و سرطان به‌ترتيب به‌ميزان چهل و بيست درصد کاهش يافته‌است.

محيط زيست
يكى از پراهميت ترين كاربردهاى فن آورى نانو مى تواند استفاده گسترده از آن در بهبود اوضاع زيست محيطى باشد. اين فن آورى همانند هر فن آورى نوين ديگرى مى تواند تغييرات شگرفى در زندگى بشر به وجود آورد. تاثيرات مستقيم و غير مستقيم فن آورى نانو بر محيط زيست، از جنبه هاى مختلفى قابل بررسى است. در حال حاضر مى توان به موارد متعددى از كاربرد نانوماشين ها در حفظ محيط زيست اشاره كرد. بعضى از اين نانوماشين ها، ريزفيلترها (براى تصفيه پساب هاى صنعتي، نانوپودرها (براى تصفيه گازهاى آلاينده خروجى از خودروها و واحدهاى صنعتي) و نانوتيوب ها (براى ذخيره سازى سوخت كاملا پاك هيدروژن) هستند، اما اينها بخش كوچكى از استفاده هاى گوناگونى است كه مى توان از فن آورى نانو در بخش محيط زيست داشت. يكى از مهمترين اهداف متوليان و طرفداران محيط زيست، حذف مواد سمى و خطرناك از چرخه طبيعت است. مواد سمى معمولا از اتم هايى تشكيل شده اند كه ذاتا مضر نيستند، بلكه نحوه اتصال آنها به يكديگر، مواد سمى را به وجود مى آورد. حال اگر بتوان وسيله اى ساخت كه قادر به تغيير اتصالات اتم ها در مولكول باشد، مى توان به سهولت و با قيمت ارزان، مواد سمى را خنثى كرد يا حتى با اندكى تغيير از آنها محصولات مفيد به دست آورد. با وجود اينكه فن آورى نانو تاكنون در زمينه محيط زيست كاربرد صنعتى نداشته است، اما بسيارى معتقدند كه اين فن آورى مى تواند راه هاى جديدى براى بهبود و ارتقاى فن آورى هاى زيست محيطى ارائه كند. از سوى ديگر برخى عقيده دارند كه استفاده از فن آورى نانو خود مى تواند منجر به بروز مشكلات جديد زيست محيطى از قبيل مواد سمى جديد و خطرات زيستى مربوط به آن شود. برخى از مهمترين كاربردهاى عملى شناخته شده فن آورى نانو در محيط زيست، نانوحسگرها، نانوفيلترها و كاتاليزورهاى زيست محيطى هستند.

نانوحسگر: وسيله اى است بسيار ريز كه قادر به شناسايى و ارائه پاسخ به محرك هاى فيزيكى در مقياس نانومتر باشد. اين نانوحسگرها خود به دو دسته مواد نانوساختارى (مانند سيليکون متخلخل) و نانوذرات تقسيم مى شوند. از كاربردهاى نانوحسگرها مى توان به استفاده از آنها در كنترل آلودگى اشاره كرد.
نانوفيلترها: از كاربردهاى اين نانوماشين ها مى توان به استفاده از آنها براى تصفيه آب اشاره كرد. كاتاليزورهاى زيست محيطي: از موارد استفاده از اين نانوماشين ها مى توان به استفاده از آنها براى تصفيه گازهاى خروجى اتومبيل ها و پالايش آب و هوا اشاره كرد.

تصفيه پساب هاي صنعتي
با استفاده از نانوتكنولوژي، مي‌توان مواد سمي پساب‌هاي آلوده را كاهش داد. يك تيم از دانشمندان و صنعتگران كشورهاي آلمان، ايرلند و انگلستان، فرآيندي را توسعه داده‌اند كه فلزات سنگين پساب‌هاي صنعتي را با استفاده از نانوذرات جدا مي‌نمايد. دراين فرآيند، از يك محيط مغناطيسي ساده نيز كمك گرفته مي‌شود.
محققان مؤسسه مواد جديد (inm)، به‌منظور توليد ذرات كامپوزيت فوق‌مغناطيسي (spmc)، نانوذرات اكسيد آهن را در يك محيط شيشه‌اي قرار دادند. با استفاده از خاصيت مغناطيسي اين ذرات ميكروني و نانومتري، به‌راحتي مي‌توان فلزات سنگين را جذب نمود. اين ذرات كه داراي خاصيت فوق‌مغناطيسي هستند، به درون آب فرستاده مي‌شوند و فلزات سنگيني را كه در آنجا وجود دارند، جذب مي‌كنند. سپس اين آب از ميان يك ميدان مغناطيسي عبور داده مي‌شود و ذرات فوق‌مغناطيس حاوي فلزات سنگين، از جريان خارج مي‌شوند. يكي از مزاياي اين روش آن است كه بر خلاف روش‌هاي قبلي، مانند فرآيندهاي ته‌نشيني يا شيميايي، در پايان عمل تصفيه، مي‌توان به خلوص بالايي رسيد. اين موضوع به‌خصوص زماني مهم است كه فلزات موردنظر خيلي سمي باشند، مانند جيوه يا سرب.
البته اين‌گونه روش‌هاي جداسازي، خيلي سخت و پرهزينه هستند. هر چند اين روش‌ها در آزمايشگاه به نتيجه رسيده است، اما براي صنعتي کردن آنها، سه سال زمان نياز است. مشکل اين روش در درست ‌مخلوط‌نمودن ذرات كامپوزيت، به‌منظور جداسازي يك فلز خاص است. در حال حاضر، اين روش براي تمام صنايع مفيد نيست؛ اما مي‌تواند راه حل بسيار خوبي براي حدود نيمي از صنايعي باشد كه فلزات سنگين توليد مي‌كنند. شركت‌هاي آلماني، سالانه حدود 15هزار تن از اين نوع فلزات را توليد مي‌كنند. اين رقم در آمريكا بالاتر است.

ضررها و خساراتي که توسط فلزات سنگين متوجه جامعة کشاورزي مي شود، همچنان در سال هاي آينده نيز پابرجا خواهد بود؛ زيرا فلزات سمي و سنگين هنوز بوسيله بسياري از صنايع اصلي، مانند صنايع الکترونيک و فولاد، توليد مي‌شوند.
اين موضوع بسياري از مراکز بهداشتي را به خود مشغول نموده است؛ زيرا ضمن اينکه بيشتر فلزات سنگين را نمي توان در بدن اشخاص پيدا نمود، افزايش اين فلزات در بدن سبب کمبود اکسيژن، افزايش فشار خون، نازايي و سقط جنين مي شود. همچنين اين فلزات به سيستم عصبي و کليه ها آسيب مي رسانند.
آنچه در اين زمينه در کشور ما قابل توجه است، روند توسعة صنايع سنگين در کشور، به خصوص در مناطق ساحلي و در مسيرهاي آبي است. صنايع داراي آلودگي فلزات سنگين، منحصر در صنايع برق و فولاد نيز نيستند و صنايع پتروشيمي که روند توسعة آنها در کشور سريع است نيز يکي از توليدکنندگان اينگونه آلودگي ها هستند.
بنابراين اگر با کمک گرفتن از فناوري نانو، بتوان آلودگي‌هاي ناشي از سرب و جيوه و ساير فلزات سنگين سمي را کاهش داد، اين کاربرد فناوري نانو مي تواند به عنوان يک اولويت در کشور ما مطرح شود.

انرژي
كاربرد نانولوله ها در جذب گاز
اتمهــاي نانولولــه هــاي كربنــي بــه نحــوي كنــار هــم چيــده شــده انــد كــه عمــلا امكــان عبــور بــدون اصــطكاك مولكولهـاي گــاز را فــراهم مـي آورنــد. از نظــر تئـوري ـ سـطح صــاف ايـن مــواد باعــث مـي شــود كــه ميـزان عبــور گــاز از درون آنهــا بــه مراتــب بيــشتر از غــشاهاي ريــز حفــره كــه بــراي جداســازي گــاز مــورد اســتفاده قــرار مــي گيرنــد، باشد. نانولوله هايي كه بـا انـدازه مناسـب توليـد مـي شـوند، مـي تواننـد بـا صـرف انـرژي كمتـر وبـدون نيـاز بـه افـزايش فشار، گازهاي آلوده کننده مثل CO2 را بــه صــورت انتخــابي از گازهــاي حاصــل از احتــراق بزداينــد . از طرفــي نانولولــه هــا داراي كانالهــايي در ابعــاد نــانو هــستند كــه امكــان جــذب گـازهـــا را دا رنـــد. در واقـــع نـانـولـــوله هـــاي تـك لايـه اي مـواد ريـز حـفـره خـوبـي بـا مـسـاحـت سـطح حـدود 400 m /gr مي باشند.
آزمايــشهاي انجــام شــده بــراي جــذب N 2 و O 2 نــشان مــي دهــد كــه اصــلاح گرمــايي هــوايي در دمــاي 350درجــه ســانتيگراد دو انتهــاي كــربن نانولولــه را بــاز كــرده و ظرفيــت جــذب آنهــا را بــه دو برابــر افــزايش مــي دهــد. تحقيقــات نــشان مــي دهــد كــه جــذب در ســطح خــارجي نانولولــه هــاي " تــه بــسته " صــورت مــي گيــرد. بــا اينحــال وقتــي كــه دو انتهــاي نانولولــه بــاز باشــد، مولكولهــاي گــاز فقــط پــس از اشــباع ســطح داخلــي بــر روي ســطح خــارجي جـذب مـي شـوند . مطالعـه ديگـري اثر تكنيـك هـاي ليچينگ اسـيدي بـراي تهيـه نانولولـه هـاي تـك لايـه خالص را بررسي نموده اند. نانولوله هاي تــك لايــه اصــلاح شــده ظرفيــت جــذب گــاز بيــشتري نــسبت بــه مــوارد اصلاح نشده را دارند.

ذخيره‌سازي متان در نانولوله‌هاي کربني
يکي از مسائلي که امروزه در مبحث انرژي مطرح است، چگونگي ذخيره سازي سوخت‌هاي پاکي مانند هيدروژن، متان و... براي كاربردهاي مختلف است. در حالت عمومي ذخيره سازي گاز طبيعي فشرده در وسايل نقليه در سيلندرهاي استيل سنگين و در فشارهاي بالا (20 تا 30 مگا پاسكال) صورت مي‌پذيرد، در حاليكه ذخيره سازي گاز به روش (ANG(adsorbed natural gas در محفظه‌هاي سبك و با فشارهاي نسبتا پائيني (در حدود 4 مگا پاسكال) صورت مي‌پذيرد، بنابراين ذخيره سازي گاز طبيعي به روش ANG مي‌تواند يك انتخاب بسيار موثرتر باشد، زيرا در فشارهاي پايين هزينه‌هاي كمتري صرف ذخيره سازي مي‌شود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب‌هاي متنوعي مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقي كربيد (CDC)، زئوليت‌ها و نانولوله‌هاي كربني تك ديواره (SWCNT)، نانولوله‌هاي كربني چند ديواره (MWCNT)و... صورت مي‌پذيرد. در اين گزارش مروري داريم بر مكانيزم ذخيره سازي گاز متان با استفاده از نانولوله‌هاي كربني و در نهايت نتايج كار محققان مختلف را در زمينه ذخيره سازي گاز‌ها با استفاده از نانو ساختارهاي كربني، مورد ارزيابي و مقايسه قرار مي‌دهيم. مقدمه جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليت‌ها، كربن فعال شده (AC) غربال‌هاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولوله‌هاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله‌‌هاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) مي‌باشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولوله‌هاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولوله‌هاي كربني چند ديواره محدود مي‌باشد. اما در بررسي‌هاي انجام شده به نظر مي‌رسد، خواص جذب گاز روي SWCNT ها و MWCNT ها كاملاً متفاوت مي‌باشد. مکانيزم جذب متان توسط نانولوله‌هاي کربني در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرين‌ها و نانولوله‌هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن‌هاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس مي‌دهد. Xianren از روش DFT) Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNT ها استفاده نمود. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکول‌هاي CH4 در SWCNT ها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قوي‌تر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننت‌هاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيف‌تر در 70 تا 129 درجه کلوين است.

بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله‌هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد مي‌باشد. همچنين گزارش شده است که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي / خارجي (H-CNT زيگزاگي) 55/0 eV پايدارتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژن‌هاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكول‌هاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر مي‌گيرد. به‌طوري كه متان به‌طور قوي‌تري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه‌هاي پيوندي H-C-H در حدود 5/109 درجه است، کشيدکي الکترون‌هاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر مي‌گذارد به صورتي که روي اتم‌هاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود مي‌آيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله‌هاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد مي‌باشد. در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور مي‌کند. دراين حالت چون اتم‌هاي هيدروژن مولکول‌هاي متان به خاطر کشيده شدن الکترون‌ها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل مي‌دهند. اين يون مي‌تواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني در واکنش‌هاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد مي‌کند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT مي‌شود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکول‌هاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب مي‌شوند. اين پديده مي‌تواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود، زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.

ذخيره سازي گاز به روش ANG: به منظور كنترل دماي فرايند، سلول بارگيري (Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطي در يك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمايش بايستي ناخالصي‌هاي سلول جذب را توسط يك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گيري كرد، زمانيكه دما در سلول‌هاي بارگيري و جاذب به حد مطلوب رسيد (حالت تعادل اوليه) آزمايش شروع مي‌شود. ميزان فشار و دما در سلول‌ها به يك ركوردر موبايل گزارش مي‌شود و به اين صورت زمان تعادل واكنش در هنگاميكه فشار و دماي فرايند ثابت باقي ماند (حالت تعادل دوم) مشخص مي‌شود. سپس با موازنه جرم بر مبناي دما و فشار اندازه گيري شده قبل و بعد از حالت تعادل مي‌توان ظرفيت جاذب را تعيين كرد.
مروري بر ذخيره سازي گاز متان در نانو ساختارها: Elena Bekyarova توسط اشتعال ليزري گرافيت، نانوهورن‌هاي (نانوشاخ) كربني تك ديواره‌اي (SWNH) را براي ذخيره سازي گاز متان، در دماي اتاق و بدون كاتاليست، توليد كرد. سايز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل مي‌شود. اين ساختارهاي كربني در آرگون با فشار760 تور آماده مي‌شوند. بخار كربن ذرات گرافيتي را با سايز يكنواختي در حدود 80 نانومتر توليد مي‌كند كه از SWNHs با قطر حدودا 2 تا 3 نانومتر تركيب شده‌اند. دانسيته توده كه در اين روش ذخيره سازي گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار 50 مگا پاسكال زير خلاء)، 97/0 گرم بر سانتيمتر مكعب مي‌باشد. همانطور كه در شكل مشاهده مي‌شود، ايزوترم‌هاي جذب متان با دماي 303 كلوين در اين آزمايش بر اساس طبقه بندي BDDT از نوع I مي‌باشند. داده‌هاي آزمايشگاهي جاذب SWNHs با داده‌هاي SWNT هاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي شبيه سازي شده، مقايسه شدند. ايزترم‌هاي نانولوله‌هاي سرباز (opened-end) آرايه مربعي و آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 34/0 نانومتر (فاصله بين ديواره‌ها و لوله‌هاي مجاور) با استفاده از روش GCMC شبيه سازي شده اند. در فشارهاي كم، ظرفيت جاذب SWNH ها مشابه با SWNT هاي آرايه مربعي مي‌باشد، اما در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال نانولوله‌هاي تك ديواره آرايه مثلثي ظرفيت بيشتري را براي جذب گاز متان نشان مي‌دهند، بنابراين آرايش لوله ‌ها در SWNT ها مي‌تواند فاكتور مهمي در ذخيره سازي گاز متان باشد. ظرفيت ذخيره سازي جاذب‌هاي SWNH فشرده شده در دماي 303 كلوين و فشار 5/3 مگا پاسكال، حدود 160 cm3/cm3 و ظرفيت ذخيره سازي جاذب‌هاي SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دماي اتاق و فشار 4 مگا پاسكال 198 گرم بر متر مكعب مي‌باشد و اين در حالي است كه ظرفيت ذخيره سازي كربن فعال شده در دماي 303 درجه كلوين و فشار 5/3 مگا پاسكال در حدود 96 cm3/cm3 است.