فناوری نانو در محیط زیست

[Mohammad Aref 120454]

نانوحسگرها می توانند سموم و آلاینده ها را شناسایی کرده و نمایش دهند. نانو*****ها و پوشش های نانوذرات در حذف آنها کمک می کنند. اما فناوری نانو می تواندکاری پایه ای تر انجام دهد و به پاکسازی و بهینه کردن یا جایگزینی فرایندهای تولید انرژی که معمولاً آلودگی جزیی از آنها است، کمک کند. برای رعایت بهداشت محیطی باید منابع آلودگی را شناخت و آنها را اصلاح نمود. نکات زیر در این فصل باید مطالعه شود.

مراقبت و آشکارسازي

بر اساس نظر همگان روشن شده است كه جامعه، اثر بسزايي بر محيط زيست دارد. به موازات كاهش اين اثر، نياز است كه اثرات فعاليت انساني بر محيط و چگونگي تغيير آن بر حسب زمان بررسي شود تا مؤثرترين تصميمات اتخاذ گردد. در حالي که سيستم‌هايي براي نمايش آلودگي وجود دارد، معمولاً آن‌ها اطلاعات كلي مي دهند و اطلاعات كمي درباره تغييرات آلودگي در زمان تغيير آن به دست مي آيد. برای کنترل دقیق آلاینده ها ابتدا باید به سراغ منابع آنها برویم.

 

به کمک فناوری نانو تغييرات آلودگي به صورت موضعي قابل بررسي خواهد بود

معمولاً وقتي متوجه مي شويم چه ضرري به محيط زده ايم كه خيلي دير شده است. فناوری نانو بر اساس تحليل نقطه اي و سيستم‌هاي حسگر پيشرفته ابزاري براي دستيابي به داده‌هاي سريعتر فراهم مي کند.

[Mohammad Aref 120454]

گزارش سريع از وضعيت آلاينده ها

فناوري موجود از ايستگاه‌هاي بازرسي بزرگ و ثابت استفاده مي‌كند. حتي در مناطق بسيار آلوده مثل شهرها، اين ايستگاه‌ها معمولاً بيش از يک کيلومتر از هم فاصله دارند. اين در حالي است که آلودگي مي‌تواند به‌ شدت در يک نقطه مثل محل ترافيك‌ و کارخانجات صنعتي متمرکز شود. بنابراين تعيين موضع آن اهميت دارد.

ايستـگـاه هاي کنترل آلودگـي در فواصل بسـيار دور از هم قـرار دارند و اثـرات موضعـي را نمي سنجند.

براي اين‌كار به شبكه‌اي از سيستم‌هاي ردياب نياز است كه بتواند داده هاي موضعي را به موقع نشان دهد. لايه‌هاي نازک از مواد نيمه رساناي نانوساختار مثل اكسيد قلع در حسگرهاي كوچكي به اندازه يک سكه قرار داده شده‌اند. اين حسگرها در سطوح بالاتر از مقدار استـاندارد آلاينده‌هاي هـوا مثـل مونـواكسيدكربـن و اكسيـدهاي نيتروژني آنها را مي گيرند و وقتي سطح آلودگي كاهش پيدا کرد، مجدداً آنها را رها مي‌سازند و اين کار بارها قابل تکرار است. اين اتصال به موقع به صورت الكتريكي تشخيص داده مي شود و اين اطلاعات مي‌توانند مستقيماً به كامپيوتر مركزي براي تحليل فرستاده شود. ممكن است در آينده امكان نصب اين‌ نوع حسگرها با دستگاه هاي سيار مثل موبايل و ماشين براي فراهم كردن جزئيات بيشتر ايجاد شود.

[Mohammad Aref 120454]

نانو ذرات

ذرات نانو در همه سوي ما در طبيعت وجود دارند: از نانو ذرات معدني در آب گرفته تا نانوذرات معلق در هوا كه از طريق آتش واحتراق به دست مي‌آيند. با اين همه منشاء خيلي از آنها بشري است. حدود 60% از ذرات نانو در محيط به علت حمل و نقل جاده اي است و 27% ديگر ناشي از ساير فرآيندهاي احتراقي (مثل فعاليت نيروگاه‌ها) مي‌باشد. ذرات نانويي معلق در هوا بيشترين تأثير را روي سلامت انسان دارند. مشخص شده است که افزايش ميزان ذرات بسيار ريز در هوا كه قطر كمتر از 10 ميكرومتر دارند(هر ميكرومتر معادل 1000 نانومتر است)، مي‌تواند به افزايش بيماري‌هاي قلبي و تنفسي نسبت داده شود و شواهد روبه رشد حاکي از آن است که نانوذرات در اين محدوده مي‌توانند به شش‌ها نفوذ كنند و التهاب ايجاد كنند و مي توانند در ساير اندام‌هاي بدن پخش شوند. براي به‌كنترل درآوردن اين موقعيت به دو چيز احتياج داريم: كاهش يا جلوگيري از آزاد شدن نانو ذرات حاصل از احتراق و شناسايي دقيق آلاينده هاي محيط زيست.

كاهش نانوذرات مي‌تواند با بهره گيري از *****هايي با منافذ نانومتري براي فرآيندهاي احتراق دست‌يافتني باشد. به‌تازگي كمپاني اگزونيكا ذرات نانويي از اكسيد سريوم توليد كرده است كه راندمان موتورهاي ديزلي را افزايش و مقدار ذراتي را كه به بيرون پخش مي شوند‌ كاهش داده است. رديابي نيز با شماري از روش‌هاي تحليلي كه قبلاً وجود داشته‌اند و هنوز هم به کار مي روند و دانشمندان نانو در حال توسعه‌ بيشتر آنها هستند، قابل حصول است. اين روش ها اندازه ذرات، شكل و واكنش‌پذيري شيميايي آن‌ها (تمام جنبه‌هايي که فعاليت نانوذرات را نشان مي دهد) را مي‌سنجند.

کاهش تاثير

رديابي و پاکسازي آلاينده ها مشکلي است که در حال حاضر با آن مواجه هستيم. ما بايد به تأثيرات بلندمدتمان بر محيط نيز توجه كنيم. اطمينان از كاهش آلاينده‌هاي جديد و استفاده ما از منابع تمام نشدني از اين مواردند. فناوری نانو مي تواند باعث استفاده موثرتري از مواد موجود شود. همچنين مي‌تواند مواد زيادي را براي کاربردهاي خاص توسعه دهد. فناوری نانو اين امکان را ايجاد کرده است که مواد طوري مصرف شوند که به طور موثري ورود آلاينده هاي ناشي از فعاليت هاي انساني به محيط زيست را کم کنند.

حرکت با برنامه به سمت برخي صنايع منجر به کاهش آسيب به طبيعت خواهد شد. اين کار به کمک فناوری نانو امکان پذير است.

[Mohammad Aref 120454]

فيـلترها

فيلتـرها مي توانند به طرق مختلف براي جامعه و محيط مفيد باشند. آنها مي‌توانند آلودگي ناشي از احتراق را، هم در فرآيندهاي صنعتي و هم در وسايل نقليه كاهش دهند. همچنين مي‌توانند در حذف آلودگي ها از آب آشاميدني مورد استفاده قرار گيرند.

يکي از شرکت هاي اصلي اروپا در زمينه فيلتـرهاي نانويي فعاليت مي کند. محصولات آنها مي‌تواند در خالص‌سازي آب آشاميدني، تصفيه آب آلوده و براي جداسازي آب و نفت مورد استفاده قرار بگيرد. نانومواد تأثير به سزايي در فناوري جداسازی دارند. اندازه سوراخ *****‌ها مي‌تواند آنقدر كوچك ساخته شود كه حتي كوچكترين ذرات ويروسي را نيز به دام بياندازد. فيلتـرها مي‌توانند با مواد فعالي مثل نانوذرات دي‌اكسيد تيتانيوم همراه شوند كه مي‌تواند مولكول‌هاي آلي شامل باكتري‌ها و ويروس‌ها را متلاشي كند.

 

 

فيلـترهاي سراميکي با ابعاد متنوع

[Mohammad Aref 120454]

استفاده كمتر از ماده و انرژي

فناوري نانو دو راه براي كاهش مصرف ماده و انرژي ارائه مي‌دهد: راه اول استفاده از قدرت نانومواد است. مواد نانو عمدتاً فعال‌تر از مواد حجيم هستند و بنابراين يا مقدار كمتري از آنها مورد نياز است يا توانايي آن مواد (مثل عايق‌ها) به‌طور چشمگيري افزايش يافته است. راه دوم بهره گيري از مواد و انرژي کم ارزش به جاي مواد و انرژي گران قيمت و پر هزينه است. به واسطه فناوری نانو اغلب مواد فراوان‌ مي‌توانند به جايگزيني خوب براي مواد كمـيـاب تبديل ‌شوند (بـه عنـوان مثال جايگزيني پلاتينيـوم در مبـدل‌هاي کاتاليستي مثل پيل هاي سوختي با نانوساختارهاي اكسيدهاي فلزي معمولي). اين كاربردهاي جديد اغلب مي‌توانند بازده انرژي بالايي را طي توليد و مصرف نهايي داشته باشند، با اين حال لازم است كه تحليل يك چرخه زندگي اين مواد صورت گيرد تا تعيين شود که كاربرد جديد تا چه حد پايدار مي ماند و اين ماده در نهايت چه تاثير مفيد يا مخربي بر محيط زيست دارد. به اين معنا که تمام هزينه هاي تحميل شده در توليد، مصرف، استفاده مجدد و بازيافت تعيين شود. براي مثال اينديوم به‌طور گسترده در صفحات LCD در فناوري پيل‌هاي خورشيدي جديد استفاده شده است، هرچند هميشه فقط مقادير ناچيزي ‌مورد استفاده قرار گرفته است. براي مثال يك صفحه لپ‌تاپ حاوي 50 ميلي‌گرم اينديوم است؛ اينديوم فقط در شش معدن جهان استخراج مي‌شود و توليد سالانه آن فقط350 تن است. پس واضح است كه تنها ذخيره‌ محدودي از آن وجود دارد (براي مثال در مقايسه با آهن). چه اتفاقي مي‌افتد اگر اينديوم تمام شود؟ اينديوم چطور مي‌تواند به‌ طور موثر بازيافت شود در حالي‌كه تا اين حد پخش شده است؟ کاملاً واضح است که يک نياز حقيقي به توسعه نانوموادي وجود دارد كه بتوانند جاي موادي نظير اينديوم را بگيرند و از اين نمونه بسيار است. در مورد اينديوم، نانوساختار اكسيد روي براي كاربردهاي مشخص جايگزين بسيار مناسبي است.

جايگزيني يک لامپ حبابي با لامپ فلورسنت به اندازه تلي از ذغال سنگ در انرژي صرفه جويي خواهد داشت.

[Mohammad Aref 120454]

پاکسازي

صنعتي شدن فوايد زيادي را با خود آورد، اما آلودگي را نيز در پي داشت. با وجود تلاش‌هاي صورت گرفته در طول چند دهه گذشته‌ براي محدود ساختن آلودگي‌هاي جديد، هنوز مسئله حذف آن دسته از آلاينده‌هاي سابق در محيط و پاكسازي آنها بعد از پخش اتفاقي در محيط باقي مي‌ماند. فناوري نانو راهكارهاي جديدي براي سيستم‌هاي جداسازي ذرات و *****اسيون ارائه مي‌دهد كه کنترل، از بين‌ بردن يا غيرفعال كردن آلاينده‌ها را در زمين، هوا و دريا به راحتي انجام مي دهند. استفاده كاراتر از منابع، انرژي قابل تجديد، نمايش آلاينده ها محيطي از کاربردهاي اصلي فناوری نانو در اين زمينه هستند. با وجود تمام اين مزايا بايد دانست كه نانوذرات هنوز حوزه اي نسبتاً ناشناخته‌ هستند، لذا اثرات آن‌ بايد هر چه زودتر به‌طور كامل بررسي شود.

به‌دام انداختن آلاينده‌ها

مساله امروز اين است كه زندگي انسان مولد آلودگي است. اين آلودگي مي تواند ناشي از سوخت خودروها، کارخانجات شيميايي، كودها در خاك يا هر عامل بشري ديگري باشد، با اين حال آلاينده‌هاي طبيعي زيادي نيز وجود دارند. بسياري از فناوري‌هاي موجود نتوانسته اند خود را با اين مساله وفق دهند. با اين وجود نانومواد جديدي مي‌توانند ساخته شوند كه به آلاينده‌ها بچسبند و سپس تميز شوند (همانطور كه ممكن است شما براي تميز کردن آب آن را از يك اسفنج عبور دهيد).

آبهاي آلوده در بنگلادش

براي مثال آرسنيك در آب‌هاي زيرزميني در بسياري از كشورها از ‌جمله بنگلادش به سطحي بالاتر از حدود تعيين شده توسط سازمان بهداشت جهاني رسيده است. هيچ روشي وجود ندارد كه بتواند سطح آلودگي را تا زير مرز استاندارد كاهش دهد. اخيراً يك سيستم پيشرفته جديد توسط دانشگاه رايس طراحي شده كه در آن با استفاده از نانوذرات مغناطيسي اكسيد آهن، آرسنيك موجود در آب را تا 99% به دام انداخته و سپس آن‌ها را با اعمال ميدان مغناطيسي از آب خارج مي‌كنند.

[Mohammad Aref 120454]

خرد کردن مواد فعال

اصلاح محيطي مي‌تواند از کاربردهاي فناوری نانو بهره بگيرد. در خط مقدم اين کاربردها استفاده از ذرات دي‌اكسيد تيتانيوم است. آنها مانند كـاتـاليـزور عمـل مي‌كنند که كمك مي کند مولكول‌هاي بزرگتر يا فعالتر به مولكول‌هاي كوچكتر يا با فعاليت كمتر شكسته شوند. براي مثال دي‌اكسيد نيتروژن و تركيبات آلي فرار موجود در دود اگزوزها مي‌توانند به تركيبات بي‌خطري مثل نيترات‌ها، تركيبات کم كربن و آب تنزل پيدا كنند كه به‌راحتي توسط محيط اطراف جذب مي‌شود. مثال‌هايي از اين دست را در محصولات تجاري مي‌توان ديد. بتن‌هاي جديدي حاوي نانوذرات دي‌اكسيد تيتانيم توسط یک شركت اروپایی ساخته شده و در تعدادي از پروژه‌هاي ساختمان نيز از اين بتن‌ها استفاده شده است. وجود دي‌اكسيد تيتانيم در اين مواد باعث تخريب آلودگي هاي هوا شده و به‌تميز ماندن سطح كمك مي‌كند. نتيجه آن‌ها، ساختمان‌هاي سفيد و بدون لك و شیشه های تمیز است.

وجود دي‌اكسيد تيتانيم در مصالح روکار ساختمان باعث خردکردن آلودگي هاي هوا شده و به‌تميز ماندن سطح كمك مي‌كند. نتيجه آن‌ها، ساختمان‌هاي سفيد و بدون لك است.

پيلکينگتون نوعي شيشه است كه سطح آن را با يك لايه اكسيد تيتانيوم مي پوشانند، تا آلودگي‌ به آن نچسبد. فرايند ابتدا با نور آفتاب شروع مي شود و با آب باران کامل مي شود، که سطح شيشه را از آلودگي ها مي زدايد. لايه كاتاليست موجود روي شيشه باعث شكسته شدن اتصال شيشه و غبار شده و سپس آب باران آنها را شسته و تميز مي‌كند.

 

منبع: آموزش نانو