دانلود کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران 60 ص (docx) 66 صفحه
دسته بندی : تحقیق
نوع فایل : Word (.docx) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحات: 66 صفحه
قسمتی از متن Word (.docx) :
کاربرد فناوری نانو
در مهندسی عمران
فهرست
فناوري نانو چيست؟ -------------------------------------------------------------------3
مقياس نانو -------------------------------------------------------------3
کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران(آسفالت)-------------------------------4
کاربرد فناوری نانو در صنعت ساختمان --------------------------------------9
استفاده از فناوري نانو براي پيشگيري از ريزش پل‌ها --------------------------12
انقلاب فناوري‌نانو در معماري---------------------------------------------14
فناوري نانو در تصفيه آب-------------------------------------------------19
استفاده از فناوري نانو در ساخت سيمان ------------------------------------38
نانو تكنولوژي براي سيمان در حجم زياد------------------------------------41
كاربرد مواد نانو در صنعت بتن---------------------------------------------47
كاربرد فناوري نانو در زلزله-----------------------------------------------52
فناوری نانو چیست؟
فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوري‌هاي پيشرفته در عرصه كار با مقياس نانو اطلاق ميشود. معمولاًمنظور از مقياس نانوابعادي در حدود 1nm تا 100nm مي‌باشد. (1 نانومتر يک ميليارديم متر است).اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال ريچارد فاينمن طي يك سخنراني با عنوان «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقيم دستكاري كنيم.
http://www.mohand.es/story/308
مقياس نانو
سازمان بين‌المللي استانداردها يك متر را بدين گونه تعريف كرده است:
طولي كه توسط نور در خلأ در بازه زماني 29979457/1 ثانيه طي ميشود، يك متر مي‌باشد ويك نانومتر 10-9متر مي‌باشد.با ايجاد ارتباط ميان اندازه اتم‌ها و مقياس نانو مي‌توان يك نانومتر را راحت‌ترتصوركرد. يك نانومتر برابر قطر 10 اتم هيدروژن و يا 5 اتم سيلسيم مي‌باشد. درك اين موضوع براي افراد معمولي نيز راحت‌تر مي‌باشد.
همچنين :
يک نانو متر يک ميلياريم متر است.
يک گلبول قرمز داراي عرض تقريبي هفت هزار نانومتر است.
يك مولكول آب داراي قطري حدود 1 نانو متر است.
مولكول اندازه پروتئينها بين 1 تا 20 نانومتر است .
طبق تعاريف مقياس طولي بين 1 نانومتر تا 100 نانومتر را مقياس نانو مي گويند
تصور كنيد كه در یکی از گرمترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشيد مستقیما به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هايی با شیشه های دودي برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک های فتوکرومیک دودی شوند.
کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران(آسفالت)
واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كي اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو»بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در کتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
خلاصه
در سال 1870 يک شيميدان بلژيکي با نام دسمت(Desmedt) اولين سنگفرش آسفالت واقعي را، که مخلوطي از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نيويورک ايجاد نمود. طراحي دسمدت در بزرگراهي در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداري قرار گرفت. سپس دسمدت خيابان پنسيلوانيا در واشينگتن را آسفالت کرد که سطح اين پرژه 45149 متر مربع بود.يکي از نمايندگان محلي کنگره به دسمدت گفت: ”اين کار هرگز عموميت نخواهد يافت.“ با اين حال، بر اساس تقاضاي رو به‌رشد بازار، پيش‌بيني ميشود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قير معدني به 107 ميليون تن برسد. در اين ميان آسفالت معلق بيشترين رشد را دارد. همچنين به عنوان نشانه‌اي از رشد اين محصولات در آينده، چندي است كه کار بر روي آسفالتي که در موقع خرابي خودش را تعمير کند، آغاز شده است. به کارگيري فناوري نانو در ساخت زيربناهاي مربوط به حمل ونقل، تقريباً معادل با تلاش بشر براي فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.
تاريخچه
در سال 1870 يک شيميدان بلژيکي با نام دسمت(Desmedt) اولين سنگفرش آسفالت واقعي را، که مخلوطي از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نيويورک ايجاد نمود. طراحي دسمدت در بزرگراهي در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداري قرار گرفت. سپس دسمدت خيابان پنسيلوانيا در واشينگتن را آسفالت کرد که سطح اين پرژه 45149 متر مربع بود.يکي از نمايندگان محلي کنگره به دسمدت گفت: ”اين کار هرگز عموميت نخواهد يافت.“
با اين حال، بر اساس تقاضاي رو به‌رشد بازار، پيش‌بيني ميشود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قير معدني به 107 ميليون تن برسد. در اين ميان آسفالت معلق بيشترين رشد را دارد. همچنين به عنوان نشانه‌اي از رشد اين محصولات در آينده، چندي است كه کار بر روي آسفالتي که در موقع خرابي خودش را تعمير کند، آغاز شده است.
به کارگيري فناوري نانو در ساخت زيربناهاي مربوط به حمل ونقل، تقريباً معادل با تلاش بشر براي فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.در سال 2005 ايده ساخت آسفالتي براي بزرگراه‌ها که بتوانند خودشان را تعمير کنند براي بسياري دور از ذهن به نظر مي‌رسيد. بنابراين صنعت آسفالت-قير به يک تحول نياز دارد تا مردم بتوانند امکانات فناوري نانو را ديده و مزاياي آن را درک نمايند.
دکتر ليوينگستون، فيزيکدان برنامه تحقيقات زيربنايي پيشرفته در اداره کل بزرگراه‌هاي فدرال (FHWA)، مي‌گويد: ”آسفالت و سيمان هر دو جزء نانومواد مي‌باشند. تاکنون ما نتوانسته‌ايم بفهميم که در اين سطح چه اتفاقي مي‌افتد، اما اين اثرات بر عملکرد مواد تاثير مي‌گذارند.“
بنا بر گفته ليوينگستون، يک ماده پليمري ساختاري که مي‌تواند به طور خود به خودي ترک‌ها را اصلاح نمايد، قبلاً توليد شده است. اين پيشرفت قابل ملاحظه با استفاده از يک عامل اصلاح کننده کپسوله شده و يک آغازکننده شيميايي کاتاليستي درون يک بستر اپوکسي ايجاد شده است.
يک ترک در حال ايجاد موجب گسستن ميکروکپسول‌هاي موجود شده، در نتيجه عامل اصلاح‌کننده با استفاده از خاصيت مويينگي درون ترک رها ميشود. با تماس عامل اصلاح‌کننده با کاتاليزور موجود، اين عامل شروع به پليمريزه شدن نموده، دو طرف ترک را به هم مي‌چسباند.
اين روش مي‌تواند منجر به توليد آسفالتي شود که ترک‌هاي خود را اصلاح ميکند. ليوينگستون مي‌گويد: ”هيچ‌کس نمي‌تواند براي رشد اين فناوري زماني را پيش‌بيني کند، اما پيشرفت واقعي در حال انجام است و قابليت‌هاي موجود بسيار هيجان‌آور مي‌باشند.“
با اين حال، براي استفاده‌کنندگان فعلي آسفالت، تصور نبود دست‌انداز، يا نبود تأخير به خاطر تعميرات آسفالت، بسيار دور از دسترس بوده و نگراني‌هاي جدي آنها را برطرف نمي‌سازد.
محيط زيست عامل اصلي تأثيرگذار در فرايند تصميم‌گيري براي پروژه‌هاي بزرگراه در بسياري از کشورها است. مزاياي يک آسفالت متفاوت براي جاده‌ها از ديدگاه زيست‌محيطي و مصرف انرژي، تنها يک بخش مهم از فرآيند تصميم‌گيري است. ديدگاه‌هاي زيست‌محيطي موجب تسريع پيشرفت‌هاي فني و اجتماعي مي‌شوند. نيازهاي چندگانه حفاظت از محيط زيست شامل: محدود نمودن انتشار گازهاي گلخانه‌اي، مصرف کمتر انرژي، کاهش سر و صداي ترافيک و اطمينان از سلامتي و راحتي در رانندگي، اهدافي هستند که به دليل ايجاد مسئوليت مشترک، مهم‌تر از تمام پيشرفت‌هاي علمي مي‌باشند.
يکي از اين اهداف بستن چرخه مواد يا استفاده صد در صدي از مواد قابل بازيافت در ساخت جاده است. صنعت در اين زمينه تجربه زيادي در مورد استفاده از محصولات فرعي در آسفالت به دست آورده است.
مثال‌هايي از مواد زايدي که در مخلوط آسفالت مورد استفاده قرار گرفته‌اند، عبارتند از: تفاله کوره شيشه‌دمي، خاکستر حاصل از سوزاندن زباله‌هاي شهري، خاکستر موجود در مراکز توليد برق به وسيله زغال، آجر‌هاي خرد شده، پلاستيک حاصل از سيم‌هاي برق قديمي و لاستيک حاصل از تايرهاي کهنه.
با اين حال، استفاده موفقيت‌آميز از اين محصولات وابسته به تحقيقات کامل در زمينه منابع و ويژگي‌هاي آنها بوده و معمولاً در سطح پاييني قابل انجام است. در اين حالت امکان بررسي پيوسته عملکرد آسفالت نيز وجود دارد که خود موضوعي مورد بحث است.
با اين حال، مطابق گفته‌هاي مارك بلشه، مدير آسفالت لاستيک در پروژه آسفالت‌سازي آرام آريزونا، حمايت عمومي - نه تحقيقات علمي- کليد توسعه صنعت توليد آسفالت با استفاده از محصولات فرعي است.
پرژه آريزونا ارزشي معادل 34 ميليون دلار داشته و در همين سال به پايان خواهد رسيد. اين پروژه تقريباً 70 درصد (185 کيلومتر)آزادراه ناحيه فونيكس را دربرگرفته و آسفالت آن قادر خواهد بود تا مدت طولاني صداي ناشي از اصطکاک را در جاده کاهش دهد.
آسفالتِ داراي لاستيک تنها درصد بسيار کم و تقريباً بي‌اهميتي از درآمد صنعت ساختماني را به خود اختصاص ميدهد، اما بلشه مي‌گويد که با افزايش رغبت عمومي اين درصد افزايش خواهد يافت.
به عنوان مثال در ژاپن، گروه تحقيقات آسفالت لاستيک (JARRG)، که شامل مجموعه‌اي از توليدکنندگان تاير و شرکت‌هاي آسفالت‌سازي مي‌باشد، يک اتصال‌دهنده آسفالت بسيار ويسکوز را توسعه داده‌اند که از انبساط و پخش تايرهاي کهنه‌اي که به صورت بسيار ريز ساييده شده‌اند، توليد ميشود. اين اتصال دهنده در مخلوط آسفالت پخش شده و سپس پخته ميشود.اين ماده مي‌تواند به عنوان يک ماده الاستيک مابين مواد متراکم ديگر عمل نموده و از اين طريق، ارتعاش و صدا را کاهش دهد. بنا بر اعلام JARRG اقبال عمومي به اين محصول بسيار خوب است.
بلشه مي‌گويد: ”افرادي که در صنعت آسفالت لاستيک درگير بوده‌اند، همواره سعي کرده‌اند که آن را به دليل ويژگي‌هاي مهندسي بسيار عالي‌اش به فروش برسانند. امّا بيش از هر چيز اين محصول به عنوان کاهش دهنده صدا شناخته شده است و در پشت اين قضيه، استقبال عمومي قرار دارد.“
وزارت حمل و نقل آريزونا (ADOT) سه سال پيش يک نوع آسفالت را در بزرگراه سوپر استيشن در ناحيه آريزونا به کار برد. بلشه مي‌گويد كه به محض اتمام آسفالت اين بزرگراه، ADOT و مسئولين محلي سيل عظيمي از تلفن‌ها و ايميل‌ها را دريافت نمودند که از اشتياق مردم نسبت به اين جاده کمصداتر حکايت داشت.
البته همه چيز آسفالت لاستيک کامل نيست. اين مخلوط باعث ايجاد بخار و بو در فرآيند آسفالت کردن شده، هنوز در مورد قابل بازيافت بودن آن بحث وجود دارد. اين آسفالت نسبت به آسفالت‌هاي معمول بسيار گران‌تر بوده و آسفالت‌کاراني که تا به حال با اين ماده چسبناک کار نکرده‌اند، ممکن است در کار کردن با آن، که بايد در يک بازه دمايي معين انجام شود، دچار مشکل باشند.
ممکن است نظر بلشه در مورد نظر عمومي درست باشد، اما روي ديگر سکه اين است که خواست استفاده‌کنندگان از جاده کمصداتر و در عين حال داراي اثرات زيست‌محيطي کمتر، افزايش يافته است. اين امر باعث تمرکز بيشتر تحقيقات بر روي مسائل مربوط به حمل و نقل، از جمله مواد مورد استفاده در جاده شده است.
افزايش عمومي در ميزان حمل و نقل، بار بيشتر بر روي محور، و فشار بيشتر تاير بر روي جاده، تقاضا براي آسفالت‌هاي قوي‌تر وبادوام‌تر را افزايش ميدهد. حمل و نقل بيشتر به اين مفهوم نيز مي‌باشد که ايجاد مشکل در حمل و نقل براي تعميرات جاده‌اي مطلوب نيست و اين امر موجب ايجاد تقاضاي بيشتر براي تحقيق و توسعه مؤثر مي‌گردد.
http://emjm.blogfa.com/cat-7.aspx
کاربرد فناوری نانو در صنعت ساختمان
طبق برآوردهاي انجام شده تجهيزات ساختماني سالانه 1000 ميليارد دلار درآمد ايجاد مي‌نمايند. صنعت مربوط به تجهيزات ساختماني يكي از صنايعي است كه فناوري نانو و نانومواد مي‌توانند در آن كاربرد وسيعي داشته باشند. در حال حاضر فناوري نانو در برخي محصولات و تجهيزات ساختمان‌سازي مانند پنجره‌هاي خود تميزشونده و صفحات خورشيدي منعطف براي رنگ‌آميزي ساختمانها، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. البته كاربردهاي بسياري؛ مانند بتن‌هاي خود ترميم شونده، مواد ضد اشعه UV و IR، پوشش ضدمه و سقف‌ها و ديوارهاي منتشر كننده نور
نيز در حال توسعه مي‌باشند
امروزه حسگرهاي توانمند فناوري نانو قادرند درجه حرارت، رطوبت و ذرات سمي معلق در هوا را كنترل كنند. تا سال 2012 انتظار مي‌رود بازار حسگرهاي فناوري نانو به 2/17 ميليارد دلار برسد. به زودي حسگرهاي ارزان‌قيمت براي كنترل لرزش‌ها، پوسيدگي‌ها و ديگر ملاحظات عملكردي در ساختمان‌سازي ، وارد بازار خواهند شد. فناوري نانو به سرعت باطري‌ها و وسايل بدون سيم مورد استفاده در اين حسگرها را بهبود ميدهد.
در آينده‌اي نه چندان دور حسگرها در ساختمانها، جمع‌آوري اطلاعات درباره محيط و كاربردهاي
ساختمان‌سازي، مورد استفاده قرار مي‌گيرند. عناصر تشكيل‌دهنده ساختمانها و بناها، هوشمند خواهند شد. البته نانوحسگرها و مواد ساختمان‌سازي نانويي سئوالاتي را براي طراحان، سازندگان، مالكان و استفاده‌كنندگان از ساختمانها ايجاد كرده است. اما آنچه كه بديهي به نظر مي‌رسد اين است كه ساختمانها، هوشمند مي‌شوند و
نانومواد به عنوان يکي از عناصر اصلي ساختمان مد نظر قرار مي‌گيرد
ريسك‌هاي مربوط به سلامتي و محيط زيست
بدون شك ساختمانها يكي از حوزه‌هاي اصلي تماس انسانها با نانوذرات از طريق تنفس يا جذب از طريق پوست مي‌باشد. هم‌اكنون در سيستم‌هاي تصفيه هواي ساختمان از كاتاليست‌هاي فلزي نانومقياس و ديگر كاربردهاي فناوري نانو براي از بين بردن آلوده‌كننده‌هاي هوا، استفاده ميشود. نانوذرات موجود در اين *****ها مي‌توانند از طريق هوا در ساختمان منتشر شده و وارد بدن انسان شوند. بايستي درباره اثرات سلامتي نانوذرات كه از طريق تنفس به بدن نفوذ مي‌كنند تحقيقات دقيقي انجام گيرد. ممكن است نانو ذرات از طريق محصولات تميز كننده وروكش‌ها نيز منتشر شوند
توليدكنندگان نانو*****ها، محصولات تميز كننده و روكش‌ها اظهار مي‌كنند فناوري نانو اين محصولات را از نظر محيطي نسبت به ساير محصولات بي‌خطر‌تر مي‌كند. ما هم اكنون نانوذرات را از طريق دامنه گسترده‌اي از محصولات، از صفحات خورشيدي تا وسايل آرايش، بدون داشتن اثرات مضر آشكار جذب مي نماييم.
اگر آب مورد استفاده در ساختمانها از طريق نانو*****هاي موجود در بازار تصفيه شوند ممكن است نانوذرات وارد بدن شوند. انتشار نانوذرات در محيط ممكن است اثرات مخربي بر محيط زيست داشته باشد. ممكن است كه پاك كننده‌ها نيز از طريق سيستم‌هاي دفع فاضلاب ساختمانها وارد محيط‌زيست شوند. در حالي كه نانو*****ها پاك بودن آب و هواي خروجي از ساختمانها را تضمين مي‌كنند، اثرات زيست‌محيطي نانوذرات بايستي به وسيله
معماران و محققان مورد بررسي قرار گيرد
ریسکهای اجتماعی
در صورتي كه حسگرها بسيار رايج شوند نوع كاملاً متفاوتي از ريسك ممكن است به وجود آيد
ممكن است با استفاده گسترده از عناصر هوشمند در ساختمان‌سازي، حريم خصوصي افراد در معرض خطر قرار گيرد. هم‌اكنون فناوري‌هاي بدون سيم مانند تلفن‌هاي همراه براي استفاده‌كنندگان در حال گسترش مي‌باشد. در اسپانيا، مكزيك و آمريكا ساكنان ساختمانها از طريق تراشه‌‌هاي كار گذاشته شده در ساختمانها كنترل مي‌شوند. با گسترش فناوري‌هاي كنترل كننده پاسخ استفاده كنندگان چه خواهد بود؟
درباره حريم خصوصي افراد، سئوالي كه مطرح ميشود اين است كه چه كسي محيط ساختمانها را كنترل مي‌كند و اين عمل را چطور انجام ميدهد؟ اگرچه عناصر ساختمانها مناسب با سلايق استفاده كنندگان و شرايط محيطي مي‌گردد ولي مسائل مربوط به كنترل ساختمان ها مي‌تواند به عنوان يكي از مشكلات اساسي مطرح باشد. براي مثال فناوري نانو اين امكان را به وجود آورده است تا ميزان شفافيت شيشه‌هاي پنجره‌هاي ساختمان ها مطابق با سلايق استفاده‌كنندگان تغيير كند، ولي سؤالي كه مطرح است اين است كه چه كسي ميزان شفافيت شيشه‌ها را كنترل مي‌كند؟
معضلاتي كه پذيرندگان اوليه کاربردهاي اين فناوري با آن مواجه‌اند
با استفاده از نانومواد و فناوري نانو در ساختمان‌سازي همه استفاده‌كنندگان اين فناوري نوظهور با مشكلاتي مواجه خواهند شد. سؤالي كه در اين جا مطرح است اين است اگر حادثه بدي رخ دهد آيا ريسك‌هاي فناوري نانو مورد توجه قرار مي‌گيرد؟ بايد به خاطر داشت كه توسعه‌دهندگان فناوري نانو در ابتدا از مزاياي اين فناوري بسيار صحبت نمودند. اما آنچه كه بديهي به نظر مي‌رسد اين است كه تا به امروز به همه جنبه‌هاي نانومواد و فناوري‌نانو توجه نشده است. لذا بايستي ترسي از توسعه نانومواد و فناوري‌نانو نداشته باشيم زيرا كه فناوري‌نانو دربرگيرنده فرصت‌هاي ارزشمندي براي بهبود عملكرد ساختمانها، سلامت استفاده‌كنندگان و كيفيت محيط‌زيست مي‌باشد .
منبع:interestingphysic
http://www.iran-eng.com/showthread.php?t=12514
استفاده از فناوري نانو براي پيشگيري از ريزش پل‌ها
محققان دانشگاه «ميشيگان» موفق به ساخت پوششي از جنس نانو لوله‌هاي كربني شده‌اند كه به ادعاي آنها مي‌توانند مانع از تكرار سوانحي مانند ريزش پل I-35 بر روي رودخانه «مي سي سي پي» و يا وارد شدن آسيب به هواپيماها و فضاپيماها شود.
به گفته جروم لينچ، استاديار دانشگاه ميشيگان و مسؤل اين تحقيق، اين پوشش فناوري برتر از لايه‌هايي از پليمر با شبكه‌هايي از نانو لوله‌هاي كربني ظريف ساخته شده است و مي‌تواند الكترون‌ها را در سرعت‌هاي پرتابي هدايت كند.
اين لايه باريكتر از يك تار موي انسان است اما به بازرسان و متخصصان امكان ميدهد كه بدون آزمايش كردن فيزيكي بتوانند از نزديك صحت و سلامت يك پل يا يك ساختمان را كنترل كنند.
در اين روش هيچ نيازي به مداخله انسان نيست، فقط وقتي اين فناوري نانو در جايي به كار گرفته شود، پوششي در اختيار خواهيم داشت كه در هر زماني كه تحريك شود، در برابر عوامل محيطي واكنش نشان خواهد داد.
اين لايه‌ها ويژگي‌هاي حسي متفاوتي دارند، براي مثال يك لايه ممكن است نسبت به خاصيت اسيدي فلز و لايه ديگر به شكستگي‌ها يا كشيدگي‌ها حساسيت داشته باشد.
وقتي شكستگي يا كشيدگي بر روي پل يا ساختمان اعمال شود رفتار الكترون‌هايي كه از ميان لايه عبور مي‌كنند تغيير مي‌كند.
به منظور جمع‌آوري اين تغييرات كه در صورت بروز حادثه ايجاد مي‌شوند دانشمندان از الكترودها يا گره هاي بي‌سيم استفاده مي‌كنند كه در طول ساختار پل تعبيه شده‌اند.
هر گره داراي يك رايانه ظريف است كه اطلاعات به دست آمده از شبكه هاي نانولوله را تحليل و بررسي مي‌كند و به صورت دوره‌يي سيگنال‌هايي را از طريق يك شبكه بي‌سيم به نزديكترين سرور رايانه‌يي ارسال مي‌كند.
به اين ترتيب متخصصان مي‌توانند از راه دور هر گونه آسيب احتمالي وارد شده به پل را در همان مراحل بسيار اوليه و پيش از وقوع حادثه شناسايي و در نتيجه پيشگيري كنند.
در مورد فضاپيماها هم به اين ترتيب است كه فضانوردان مي‌توانند با استفاده از اين پوشش از داخل شاتل و بدون نياز به پياده روي‌هاي خطرناك فضايي، آسيب‌هاي احتمالي وارد شده به شاتل را بازرسي كنند
انقلاب فناوري‌نانو در معماري
دانشجويان دانشگاه ايالتي بال با همكاري موسسه فناوري ايلينويز ساختمان‌هايي را طراحي مي‌كنند كه در آنها از نانومواد استفاده ميشود. انتظار مي‌رود اين ساختمانها در طي 20 سال آينده به طور انبوه ساخته شوند.
اين ساختمانها در برگيرنده قطعات مبتني بر ساختار نانولوله‌هاي كربني، روشنايي مبتني بر نقاط كوانتومي و نانوسنسورهايي است كه به همراه هم ساختمان‌هايي مستحكم‌تر، هوشمندتر و حساس‌تر نسبت به محيط را ايجاد خواهند كرد.
در پروژه اين دانشجويان قطعات مبتني بر نانولوله‌ها، ساخت ديوارهاي شفا ف و مقاوم در برابر فشار، بدون نياز به ستون و حايل را ممكن مي‌سازند.
با استفاده از نقاط كوانتومي مي‌توان ديوارها و سقف‌هاي روشن يا با رنگ متغير از طريق زدن يك كليد، ساخت.
نانوسنسورها در عناصر ساختمان محيط هوشمندي را ايجاد مي‌كند كه درآن ساختمانها دائما با محيط خود منطبق مي‌شوند.
لازم به ذكر است كه اين دانشجويان در پروژه خود ملاحظات اجتماعي و محيطي ناشي از فناوري‌نانو را نيز مدنظر قرار داده‌اند.
فناوري نانو در تصفيه آب
اين گزارش مروري بر انواع کاربردهاي فناوري‌نانو در تصفيه آب است و براي نشان دادن هر يک از آنها، به مثال‌هاي ويژه‌اي از نوآوريهاي فناوري‌نانو اشاره ميشود. بايد توجه داشت که در حوزه فناوري‌نانو محصولات و روش‌هاي بسيار ديگري توسعه يافته، يا مي‌توانند موجود باشند و اينکه بسياري از اطلاعات موجود درباره اين مثال‌ها مبتني بر اطلاعاتي است که توليدکنندگان منتشر کرده‌اند. از آن جايي که اين محصولات هنوز در بازار موجود نبوده، يا مدت زيادي از حضورشان در بازار نمي‌گذرد، مطالعات پراکنده‌اي نسبت به عملکرد آنها در حال انجام است. اين متن به اطلاعات موجود درباره خطرات ناشي از اين فناوري براي سلامت بشر يا محيط‌زيست اشاره ندارد؛ چرا که اين موضوع نيازمند بحث جداگانه‌اي است.
1. فناوري‌نانولوله‌هاي کربني
1-1. غشاهاي نانولولهاي
نانولوله‌هاي کربني مي‌توانند براي تشکيل غشاهايي با تخلخل نانومتري و داراي قابليت جداسازي آلودگي‌ها، به طور يکنواخت هم‌راستا شوند. تخلخل‌هاي نانومتري نانولوله‌ها اين فيلترها را از ديگر فناوري‌هاي فيلتراسيون بسيار انتخاب‌پذيرتر نموده است. همچنين نانولوله‌هاي کربني داراي سطح ويژه بسيار بالا، نفوذپذيري زياد و پايداري حرارتي و مکانيکي خوبي هستند. اگر چه چندين روش براي سنتز نانولوله‌هاي کربني استفاده شده است، غشاهاي نانولولهاي مي‌توانند به وسيله پوشش‌دهي يک ويفر سيليکوني با نانوذرات فلزي به عنوان کاتاليست، که موجب رشد عمودي و فشردگي بسيار زياد نانولوله‌هاي کربني ميشود، سنتز شوند و پس از آن براي افزايش پايداري، فضاي بين نانولوله‌هاي کربني را با مواد سراميکي پر نمود.
حذف آلودگي‌ها
مطالعات آزمايشگاهي نشان ميدهد که غشاهاي نانولولهاي مي‌توانند تقريباً همه انواع آلودگيهاي آب را حذف کنند؛ اين آلودگي شامل باکتري، ويروس، ترکيبات آلي و تيرگي است. همچنين اين غشاها نويدي براي فرايند نمک‌زدايي و گزينه‌اي براي غشاهاي اسمز معکوس هستند.
مقدار تصفيه آب
اگر چه تخلخل نانولوله‌هاي کربني به طور قابل توجهي کوچک است، غشاهاي نانولولهاي نشان داده‌اند که به خاطر سطح داخلي صاف نانولوله‌ها، شدت جريان بيشتر يا يکساني نسبت به تخلخل‌هاي بسيار بزرگ‌تر دارند.
هزينه
با توسعه روش‌هاي جديد و بسيار مؤثر براي توليد نانولوله‌هاي کربني، هزينه توليد غشاهاي نانولولهاي به طور پيوسته کاهش مي‌يابد. بر اساس پيش‌بيني برخي منابع، به دليل کاهش قيمت نانولوله‌هاي کربني، غشاهاي نانولولهاي بسيار ارزان‌تر از ساير غشاهاي فيلتراسيون، غشاهاي اسمز معکسوس، سراميک و غشاهاي پليمري خواهد شد. از آن جا که نانولوله‌هاي کربني شدت جريان بالايي را نشان مي‌دهند، فشار مورد نياز براي انتقال آب نسبت به فرايند نمک‌زدايي با اسمز معکوس، کاهش مي‌يابد و به دليل اين ذخيره انرژي، نمک‌زدايي با استفاده از فيلترهاي نانولولهاي بسيار ارزان‌تر از اسمز معکوس خواهد بود. انتظار مي‌رود غشاهاي نانولولهاي بسيار بادوام‌تر از غشاهاي متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهي فيلتراسيون را کاهش ندهد.
روش مصرف
غشاهاي نانولولهاي مي‌توانند در گزينه‌هاي مشابهي به عنوان غشاهاي ميکروفيلتراسيون و اولترا فيلتراسيون استفاده شوند. مطالعات نشان ميدهد که اين مواد بادوام و در برابر گرما مقاومند و تميز کردن و استفاده مجدد از آنها ساده است و با استفاده از فرايند اولتراسونيک و اتوکلاو درC ْ121 در مدت 30 دقيقه تميز مي‌شوند.
توضيحات تکميلي
انتظار مي‌رود در پنج الي ده سال آينده، شاهد ورود غشاهاي نانولولهاي نمک‌زا به بازار باشيم. اخيراً محققان براي غلبه بر چالش‌هاي مرتبط با افزايش مقياس فناوري، فعاليت‌هاي تازه‌اي را مدنظر قرار داده‌اند.
1-2. نانوغربال‌ها
آزمايشگاه‌هاي سلدن (Seldon)، چندين طرح مبتني بر فيلترهاي نانوغربال را توسعه داده‌اند. نانوغربال از نانولوله‌هاي کربني جفت شده با يکديگر تشکيل ميشود که روي يک زيرلايه متخلخل و منعطف قرار گرفته‌اند. و مي‌توان براي تشکيل فيلترهاي شبه‌کاغذي، آنها را روي يک زيرلايه صاف و يا لوله‌اي قرار داد، با اين کار توانايي پيچيده شده شدن به اطراف هر ساختار استوانه‌اي متداول و يا هر ساختار ديگري را به دست مي‌آورند، همچنين براي افزايش سطح فيلتر مي‌توان نانوغربال‌هاي مسطح را تا زد. اخيراً در آزمايشگاه‌هاي مذکور چندين نمونه فيلتر قابل حمل مبتني بر اين فناوري، براي خالص‌سازي آب ساخته شده‌اند؛ اين فيلترها در اندازه قلم بوده و تحت عنوان ابزارهاي فيلتراسيون ني‌مانند به نام water stick معروف هستند.
حذف آلودگي‌ها
از نانوغربال‌ها مي‌توان در حذف گستره وسيعي از ترکيبات آلي و معدني و يا مواد زيستي استفاده کرد. اين فيلتر مي‌تواند از چندين لايه نانولوله کربني ساخته شود که هر لايه قابليت حذف نوع متفاوتي از ترکيبات را دارد. نانوغربال‌هاي مورد استفاده در Water stick توانايي حذف بيش از 99/99 درصد از باکتري‌ها، ويروس‌ها، کيست‌ها، ميکروب‌ها، کپک‌ها، انگل‌ها، و همچنين کاهش قابل توجه آرسنيک و سرب را دارند. نانوغربال‌هاي چند عملکردي نيز مانند ترکيبات معدني اعم از فلزات سنگين، کودها، فاضلاب‌هاي صنعتي و ديگر مواد مي‌توانند ترکيبات آلي از قبيل Pesticideها و herbicideها را حذف نمايند. همچنين مي‌توان فيلتر را با يک لايه ضدباکتري براي جلوگيري از تشکيل فيلم بيولوژيکي پوشاند. در حال حاضر آزمايشگاه‌هاي سلدن مشغول ارتقاي اين فناوري براي استفاده از آن در نمک‌زدايي از آب دريا هستند.
مقدار تصفيه آب
نانوغربال‌ها در مقايسه با ديگر ابزارهاي فيلتراسيون که داراي همان اندازه تخلخل هستند، به دليل خواص انتقال جرم سريع نانولوله‌ها، بدون استفاده از فشار، شدت جريان مناسبي را تأمين مي‌کنند. در يک فيلتر نمونه با قطر پنج سانتي‌متر شدت جريان شش ليتر بر ساعت مشاهده شده است. همچنين water stick براي تصفيه يک ليتر آب آلوده در 90 ثانيه طراحي شده است. اين فيلتر، در طول عمر مفيدش 200 تا300 ليتر آب توليد ميکند؛ اگر چه اين مقدار مي‌تواند با تغييرات پيش از فيلتراسيون افزايش داده شود.
هزينه
آزمايشگاه سازنده براي قيمت‌گذاري water stick يک طرح رقابتي را با ديگر فناوري‌هاي مشابه در نظر دارد، تا اين فناوري براي مردم کشورهاي در حال توسعه قابل استفاده باشد.
روش مصرف
Water stick که شبيه ني نوشيدني طراحي شده آب تميز آشاميدني توليد ميکند. اخيراً نمونه‌اي از Water stick به گونه‌اي طراحي شده است که مي‌توان وسيله‌اي با فيلتر قابل تعويض را طراحي کرد. علاوه بر اين هنگامي که عمر مفيد اين فيلتر به پايان مي‌رسد، به طور اتوماتيک جريان را متوقف ميکند. نانوغربال‌ها توان ترکيب با ديگر ابزارهاي فيلتراسيون را دارند.
توضيحات تکميلي
آزمايشگاه‌هاي سلدن، سيستم توليدي را براي توليد نانوغربال‌ها توسعه داده‌اند؛ اين سيستم داراي صرفه اقتصادي، ظرفيت توليد 276 متر مربع بر ماه است که هر متر مربع براي 396 فيلتر کافي است. در حال حاضر پزشکان آفريقايي نمونه‌اي از water stick را مورد استفاده قرار داده‌اند.
2. روش‌هاي ديگر نانوفيلتراسيون
2-1. فيلتر آلوميناي نانوليفي
شرکت Argonide فناوري جاذب‌هاي نانوليفي را به صورت کارتريج فيلترهاي نانوسرام عرضه کرده است. اين جاذب‌ها از نانوالياف آلومينا با بار مثبت روي زيرلايه شيشه‌اي تشکيل شده‌اند. نانوالياف آلومينا سطح بيشتري نسبت به الياف متداول داشته و بار مثبت بالايي دارند که باعث جذب سريع‌تر آلودگيهاي باردار منفي از قبيل ويروس‌ها، باکتري‌ها و کلوئيدهاي آلي و غيرآلي ميشود.
حذف آلودگي‌ها
فيلترهاي نانوسرام بيش از 99/99 درصد ويروس‌ها، باکتري‌ها، انگل‌ها، ترکيبات آلي طبيعي، DNA و کدري را حذف ميکند، همچنين داراي قابليت جذب 9/99 درصد از نمک‌ها، مواد راديواکتيو و فلزات سنگين از قبيل کروم، آرسنيک و سرب را هستند، حتي اگر ذرات، نانومقياس و يا حل شده باشند. فيلترهاي نانوسرام در PH بين پنج تا 9 بهتر عمل مي‌کنند.
مقدار تصفيه آب
شدت جريان فيلترهاي نانوسرام بدون استفاده از فشار حدود يک تا 5/1 ليتر بر ساعت، به ازاي هر سانتي‌متر مربع از فيلتر است. حداکثر فشار چهار bar مي‌تواند به فيلتر اعمال شود که منجر به شدت جريان 9 تا ده ليتر بر ساعت به ازاي هر سانتي‌متر مربع از فيلتر خواهد شد. کارتريج فيلترهاي نانوسرام داراي يک طراحي تاخورده است که سطح آنها را افزايش ميدهد. همچنين طبق گزارش فيلتر به طور متوسط مقاومت عملکردي بالايي نسبت به غشاهاي بسيار متخلخل دارد.
هزينه
شرکت آرگونايد (Argonide) هزينه توليد فيلترهاي نانوسرام را ارزان اعلام کرده است؛ چرا که آنها مي‌توانند با استفاده از فناوري کاغذسازي توليد شوند. در حال حاضر هر متر مربع فيلتر ده دلار هزينه برمي‌دارد، که ممکن است اين مقدار به سه دلار برسد. کار تريج فيلترها به ازاي 20-200 فيلتر، وابسته به قطر آنها در حدود 37 دلار هزينه دارند. صفحات فيلتر مي‌توانند با قرار گرفتن در اطراف لوله‌هاي فلزي، بين دو فيلتر متداول و يا در يک نگهدارنده مجزا، هزينه نهايي فيلتر را کاهش دهند. فيلترهاي نانوسرام به جاي جمع‌آوري ذرات بسيار ريز بر روي سطح، آنها را جذب مي‌کنند؛ بنابراين نسبتاً عمر مفيد و طولاني‌تري دارند.
روش مصرف
مطابق با توصيه‌هاي شرکت آرگونايد، فيلترهاي نانوسرام به تصفيه‌هاي پيشين و يا پسين، تميز کردن، شارژ مجدد فيلتر و يا از بين بردن مواد زايد خطرناک نياز ندارند. اين فيلترها به طور همزمان ترکيبات شيميايي و بيولوژيکي را بدون استفاده از مواد گندزداي شيميايي و يا مواد منعقدکننده، حتي در آب‌هاي شور بسيار کدر حذف مي‌کنند.
توضيحات تکميلي
به گفته شرکت آرگونايد، فيلترهاي نانوسرام مي‌توانند پودرهاي بسيار ريز فلزي حذف شده را براي کاربردهاي صنعتي بازيافت کنند.
2-3. نانوالياف جاذب جريان
شرکت KX طرحي از فيلترهاي جاذب جريان شامل نانوالياف را با هدف استفاده در کشورهاي در حال توسعه بهره‌برداري کرده است. فيلتر شامل يک لايه پيش فيلتراسيون براي حذف چرک‌ها، يک لايه جاذب براي حذف آلودگيهاي شيميايي و يک لايه نانوالياف براي حذف آلودگي‌ها و ذرات کلوئيدي است. نانوالياف از چندين پليمر آب‌دوست، رزين‌ها، سراميک‌ها، سلولز، آلومينا و ديگر مواد ساخته مي‌شوند. اين فناوري در مقياسهاي خانگي و شهري قابل دسترسي است.
حذف آلودگي‌ها
طبق گزارش‌ها، فيلترهاي سطح فعال بيش از 99 درصد از باکتري‌ها، ويروس‌ها، انگل‌ها، آلودگيهاي آلي و ديگر آلودگيهاي شيميايي را حذف مي‌کنند.
مقدار تصفيه آب
طبق اعلام شرکت سازنده، مقياس خانگي فيلترهاي سطح فعال مي‌تواند به ازاي هر فيلتر375 ليتر آب را با سرعت چهار تا شش ليتر بر ساعت توليد کند. در مقياس روستايي بيش از 7500 ليتر بر روز با سرعت 6/5 ليتر بر دقيقه توليد ميکند. در مقياس روستايي هر فيلتر براي بيش از 95 هزار ليتر آب مؤثر است.
هزينه
انتظار مي‌رود فيلترهاي خانگي شش تا11 دلار فروخته شوند و فيلترهاي جايگزين براي آنها 8/0تا9/0 دلار هزينه دربر خواهد داشت؛ يعني 002/0 دلار به ازاي هر ليتر آب. همچنين فيلترهاي روستايي بين 100 تا 150 دلار هزينه خواهند داشت که تقريباً 0003/0 دلار به ازاي هر ليتر است.
روش مصرف
طراحي فيلترهاي سطح فعال به گونه‌اي است که بدون استفاده از تجهيزات وسيع، يا نگهدارنده به‌آساني قابل استفاده باشند.
3. سراميک‌هاي نانوحفرهاي، کِلِي‌ها و ديگر جاذب‌ها
3-1. غشاي سراميکي نانوحفرهاي
شرکت آلماني AG Nanovation، طرحي از فيلترهاي سراميکي نانوحفرهاي را تحت عنوان Nano pore و سيستم‌هاي فيلتراسيون غشايي را با مقياسهاي متنوعي عرضه نموده است. فيلترهاي غشايي Nano pore از نانوپودرهاي سراميکي روي مواد پايه از قبيل آلومينا تشکيل شده‌اند و در اندازه‌هاي متفاوت و در دو شکل لوله‌اي و مسطح موجود هستند. اين محصولات با استفاده از نانوپودرهاي سراميکي شرکت و تحت فرايندهاي پيوسته توليد مي‌شوند.
حذف آلودگي‌ها
طبق ادعاي شرکت سازنده، فيلترهاي غشايي Nanopore باکتري‌ها، ويروس‌ها و قارچ‌ها به طور مؤثر از آب حذف مي‌کنند. علاوه بر اين آزمايش‌هاي کيفي آب، Coliformها، fecal coliformها، Salmonella يا streptococci را در آب تصفيه شده نشان نمي‌دهند.
مقدار تصفيه آب
مقدار آب توليدي وابسته به اندازه و شکل فيلتر و کيفيت آب تصفيه شده است. يک واحد فيلتراسيون با ابعاد cm 15× 60×120 سطحي معادل با 2 m 11 ايجاد کرده، مي‌تواند 8 هزار ليتر آب آلوده را در روز تصفيه کند.
هزينه
توليد سيستم‌هاي فيلتراسيون غشايي بر مبناي pore Nano با فرايندهاي پيوسته که همزمان تمامي لايه‌هاي فيلتر مونتاژ مي‌شوند، ارزان است؛ هنگامي که تمامي هزينه‌هاي فيلتراسيون که شامل حفظ، جايگزيني فيلترها، تميز کردن عوامل و هزينه‌هاي عملياتي است، با مواردي از قبيل عمر طولاني‌تر فيلتر، پايداري بيشتر و تميز کردن کمتر همراه شوند، هزينه اين فيلترها با فيلترهاي پليمري قابل رقابت مي‌گردد.
روش مصرف
فيلترهاي غشايي Nano pore با توجه به خواص ضدرسوبي بسيار شديد خود نياز به تميزسازي مکرر ندارند. همچنين مي‌تواند به جاي پاکسازي شيميايي با بخار استرليزه شود. غشاهاي Nano pore نسبت به آلودگيهاي قارچي و باکتريايي، اصطکاک، اسيد و بازهاي غليظ شده، دماي بالا و اکسيداسيون مقاوم هستند.
3-2. تک‌لايه‌هاي خودآرا روي پايه‌هاي مزوپروس (SAMMS)
آزمايشگاه ملي پاسيفيک نورث وست (PNNL) تک‌لايه‌هاي خود آرا روي پايه‌هاي مزوپروس را توسعه داده است. اين فناوري از مواد سراميکي يا شيشه‌اي با تخلخل نانومتري شکل گرفته است؛ به طوري که تک‌لايه‌اي از مولکول‌ها مي‌توانند به يکديگر متصل شوند. تک‌لايه و لايه مزوپروس، قابليت برنامه‌ريزي شدن براي حذف آلودگيهاي خاصي را دارند. SAMMS نسبت به بسياري از غشاها و فناوري‌هاي جاذب ديگر، جذب سريع‌تر، ظرفيت بالاتر و انتخاب‌پذيري بهتري را از خود نشان داده است. SAMMS براي حذف آلودگيهاي فلزي از آب آشاميدني، آب‌هاي زيرزميني و فاضلاب‌هاي صنعتي طراحي شده است.
حذف آلودگي‌ها
PNNL مدعي است که SAMMS 9/99 درصد از جيوه، سرب، کروم، آرسنيک، کادميم، فلزات پرتوزا و ديگر سموم فلزي را جذب ميکند. همچنين طبق گزارش‌ها، SAMMS مي‌تواند براي حذف فلزات خاصي برنامه‌ريزي شود؛ ولي برخي فلزات از قبيل کلسيم، منيزيم و روي را حذف نمي‌کند. SAMMS براي حذف آلودگيهاي زيستي، يا آلي مؤثر نيست.
مقدار تصفيه آب
از SAMMS مي‌توان در گستره وسيعي از کاربردها از تصفيه آب مصرفي گرفته تا تصفيه فاضلاب‌هاي صنعتي، استفاده کرد. اين فيلترها سطح ويژه‌اي در حدود 600 تا هزار متر مربع به ازاي هر گرم دارند. توليد هر کيلوگرم SAMMS، 150 دلار هزينه دارد که با نمونه‌اي از رزين تعويض يوني با هزينه 42 دلار و کربن فعال با هزينه 78/1 دلار به ازاي هر کيلوگرم قابل مقايسه است. همچنين براي حذف يک کيلوگرم جيوه، 13 کيلوگرم SAMMS مورد نياز است و در مقابل، 154 کيلوگرم رزين تعويض يوني و 40 هزار کيلوگرم کربن فعال مورد نياز خواهد بود.
روش مصرف
SAMMS به پودري شکل و اکسترود شده است که مي‌تواند براي فيلترهاي تعويض يوني مناسب باشد. اين فيلترها گاهي اوقات به منظور حذف آلودگيهاي جذب شده با يک محلول اسيدي احيا مي‌شوند. آلودگيهاي ايجاد شده از احياي SAMMS طبق استانداردهاي سازمان حفظ محيط زيست آمريکا غيرسمي بوده، مي‌توانند به عنوان يک آلودگي متداول تصفيه شوند.
3-4. Arsenx
Arsenx، يک رزين جاذب متشکل از نانوذرات اکسيد آهن آب دار روي يک زيرلايه پليمري است و براي حذف آرسنيک و ديگر آلودگيهاي فلزي به‌کار مي‌رود. نانوذرات، سطح ويژه بالا، ظرفيت بيشتر و سينتيک جذب سريع‌تري فراهم مي‌نمايد. Arsenx مي‌تواند براي کاربردهاي مصرفي کوچک و يا استفاده‌هاي صنعتي و شهري بزرگ طراحي شود، همچنين در و نيز در ابزارهاي طراحي شده براي رزين‌هاي تعويض يوني مورد استفاده قرار گيرد.
حذف آلودگي‌ها
Arsenx موادي از قبيل آرسينک، واناديم، اورانيوم، کروم، آنتيموان و موليبدن را حذف و سولفات‌ها، کربنات‌ها، فلوريدها، کلريدها، سديم، منيزيم و يا آلودگيهاي زيستي را حذف نمي‌کند.
مقدار تصفيه آب
شدت جريان عبوري آن بسيار وابسته به نوع ابزاري است که Arsenx استفاده ميکند. بدون در نظر گرفتن طراحي سيستم، براي تماس بين Arsenx و آب 5/2 تا سه دقيقه زمان نياز است. هر گرم Arsenx حدوداً 38 ميلي‌گرم آرسنيک را نگه مي‌دارد.
هزينه
شرکت Solmetex اشاره ميکند که با توجه به کم شدن ظرفيت Arsenx در طول احياء، مي‌تواند نسبت به جاذب‌هاي ديگر در طي حياتش هزينه کمتري داشته باشد. هزينه اوليه سيستم وابسته به طراحي‌هاي متفاوت آن است، اما به طور متداول از 07/0 تا 2/0دلار به ازاي هر هزار ليتر گزارش شده است که شامل هزينه‌هاي استهلاک و هزينه‌هاي عملياتي و حفظ و نگهداري است.
روش مصرف
Arsenx به گفته شرکت Sometex مي‌تواند به عنوان رزين‌هاي تعويض يوني در زمينه‌هاي مشابه مورد استفاده قرار گيرد. اين فيلتر نياز به پيش يا پس تصفيه نداشته و گاهي اوقات با محلول سود سوزآور احيا ميشود و متناسب با سطح آلودگي، بعد از سه ماه تا يک سال خاصيت خود را از دست خواهد داد. گزارش‌ها حاکي از آن است که زيرلايه پليمري Arsenx بادوام بوده و مي‌تواند در گسترده دمايي يک تا 80 درجه سانتي‌گراد عمل کند.
3-5. پليمر حفره‌اي سيکلودکسترين
سيلکودکسترين يک ترکيب پليمري است که از ذراتي با حفره‌هاي استوانه‌اي تشکيل شده است؛ اين ذرات مي‌توانند آلودگيهاي آلي را جدا کنند.
پليمر سيکلودکسترين را مي‌توان به صورت پودر، دانه‌اي و يا لايه نازک براي استفاده در ابزارها و کاربردهاي متفاوت توليد کرد. به هر حال پليمر سيکلودکسترين براي تصفيه آب مصرفي استفاده شده و همچنين مي‌تواند براي تصفيه در جاي آب‌هاي زيرزميني يا پاکسازي فاضلاب‌هاي شيميايي آلي و نفتي نيز مورد استفاده قرار گيرد.
حذف آلودگي‌ها
سيکلودکسترين گستره وسيعي از آلودگيهاي آلي شامل بنزن، هيدروکربن‌هاي پلي‌آروماتيک، فلورين‌ها، و آلودگيهاي حاوي نيتروژن، استن، کودها، Pesticidها و بسياري ديگر را حذف ميکند. آزمايش‌ها نشان مي‌دهند که پليمرسيکلودکسترين اين آلودگي‌ها را تا حد ppt کاهش ميدهد، در حالي که کربن فعال و زئوليت اين آلودگي‌ها را تا حد ppm کاهش ميدهد. همچنين پليمر صدهزار مرتبه بيشتر از کربن فعال، ترکيبات آلي پيوند ميدهد و بازدهي حذف يکساني براي آب با غلظت آلودگي پايين را نشان داده است. پليمرسيکلودکسترين تحت تأثير رطوبت هوا قرار نگرفته، مي‌تواند در نواحي مرطوب بدون اشباع يا غيرفعال شدن، مورد استفاده قرار گيرد. همچنين آلودگيهاي جذب شده را از خود عبور نمي‌دهد.
مقدار تصفيه آب
پليمرسيکلودکسترين ظرفيت بارگذاري 22 ميلي‌گرم از آلودگيهاي آلي به ازاي هر گرم از پليمر را دارد، که با 58 ميلي‌گرم به ازاري هر گرم کربن فعال قابل مقايسه است. اين پليمر براي تماس با آب آلوده حدوداً به پنج ثانيه زمان نياز دارد. و در حين احيا ظرفيت خود را از دست نداده، مي‌تواند به طور نامحدودي استفاده شود.
هزينه
توليد پليمرسيکلودکسترين، ارزان بوده است و مي‌توان آن را مستقيماً از نشاسته، با تبديل 100 درصد توليد شود. انتظار مي‌رود که توليد انبوه، هزينه آن را پايين‌تر از قيمت کربن فعال و زئوليت آورد. شرکت پژوهشي محصولات پليمري اشاره ميکند که روشي را جهت افزايش مقياس اين فرايند براي توليد مواد توسعه داده است. اخيراً شرکت پژوهشي Manhattan يک فناوري را براي کاربردهاي مصرفي توسعه داده و اظهار مي‌دارد که توليد انبوه موجب ارزان‌تر شدن پليمر نسبت به ساير روش‌هاي حذف آلودگيهاي آلي خواهد شد.
روش مصرف
پودر سيکلودکسترين مي‌تواند در ستون، کارتريج و يا فيلترهاي بستري به گونه‌اي متراک شود که آب از آن بگذرد. سيکلودکسترين دانه‌اي مي‌تواند مستقيماً در منبع يا لوله‌هاي آب به‌کار رود و لايه نازک آن مي‌تواند روي زير‌لايه‌اي از شيشه براي تشکيل غشاء قرار گيرد.
از همه اشکال متفاوت سيکلودکسترين مي‌توان در ابزارهاي طراحي شده براي فيلترها، غشاها و يا جاذب‌ها استفاده کرد.
پليمرسيلکودکسترين هم آب‌دوست و هم آب‌گريز است؛ لذا مي‌تواند بدون استفاده از فشار براي جذب آب از ميان تخلخل‌ها مورد استفاده قرار گيرد. پليمر گاهي اوقات به احيا با استفاده از يک الکل ساده از قبيل اتانول يا متانول نياز خواهد داشت و ممکن است به خاطر به ظرفيت بارگذاري پائين آن نسبت به کربن فعال و جاذب‌هاي ديگر به عمليات بيشتري نياز داشته باشد.
توضيحات تکميلي
آلودگي‌هايي که پليمر سليکودکسترين جذب ميکند، مي‌تواند بعد از احيا، براي کودها، Pesticideها و محصولات صنعتي ديگر بازيافت شود.
3-6. نانوکامپوزيت‌هاي پلي‌پيرون- نانولوله‌کربني
آزمايشگاه ملي پاسيفيک نورث وست يک غشاي نانوکامپوزيتي شامل لايه نازکي از يک پليمر جاذب موسوم به پلي‌پيرون را روي ماتريسي از نانولوله‌هاي کربني که سطح مخصوص و پايداري غشا را افزايش مي‌دهند، توسعه داده است. برخلاف جاذب‌هاي ديگر که به احياي شيميايي نياز دارند اين غشاها مي‌توانند به طور الکتريکي احيا مي‌شوند.
حذف آلودگي‌ها
غشاهاي پلي‌پيرون داراي نانولوله کربني با بار مثبت است و مي‌توان پرکلرات‌ها، سزيم، کروم و ديگر آلودگيهاي باردار منفي را حذف کند. همچنين غشاهاي نانوکامپوزيتي مي‌توانند براي حذف نمک طراحي شوند. از آنجا که پلي‌پيرون مي‌تواند به طور منفي باردار شود، بنابراين اين غشاء ذرات باردار مثبت از قبيل کلسيم و منيزيم را حذف ميکند.
مقدار تصفيه آب
غشاهاي نانوکامپوزيتي پلي‌پيرون- نانولوله‌کربني قابل استفاهه مجدد هستند آزمايش‌ها نشان ميدهد که اين غشاها بعد از صد دوره استفاده بسيار کم بازدهي خود را از دست مي‌دهند. همچنين به خاطر خواص انتقال جرم سريع نانولوله‌هاي کربني شدت جريان بالايي دارند.
هزينه
انتظار مي‌رود که غشاهاي پلي‌پيرون- نانولوله کربني در استفاده طولاني مدت، نسبتاً کم هزينه باشند؛ چرا که آنها مي‌توانند بدون از دست دادن قابل توجه ظرفيت جذب، احيا شده، استفاده شوند. اين غشاها هزينه‌هاي مرتبط با خريد و ذخيره‌سازي مواد شيميايي احياکننده و تعليم کاربران را ندارند. علاوه بر اين، انتظار مي‌رود که هزينه نانولوله‌هاي کربني در پنج سال آينده بين ده تا صد برابر کاهش يابد.
روش مصرف
اين غشاها آلودگيهاي ثانويه خطرناک توليد نمي‌کنند. با بکارگيري جريان الکتريکي، بار پليمر خنثي شده و آلودگيهاي جذب شده، از غشا آزاد مي‌شوند. با حذف آلودگي‌ها، پليمر مي‌تواند دوباره باردار شده و مجدداً استفاده شود.
4. زئوليت
4-1. زئوليت‌هاي طبيعي، مصنوعي، زغال‌سنگ و ترکيبي
زئوليت‌ها مواد جاذب با ساختار شبکه‌اي جهت تشکيل تخلخل‌ها هستند. آنها مي‌توانند از منابع طبيعي به دست آمده و يا سنتز شوند. زئوليت‌هاي مصنوعي معمولاً از محلول‌هاي سيليکون-آلومينيوم يا زغال‌سنگ ساخته شده و به عنوان جاذب يا ابزار تعويض يوني در کارتريج يا فيلترهاي ستوني به‌کار مي‌روند. شرکت فناوري‌هاي AgION ترکيبي از زئوليت‌ها و يون‌هاي نقره طبيعي با خواص ضدباکتري توليد ميکند.
حذف آلودگي‌ها
زئوليت‌ها به طور متداول براي حذف آلودگيهاي فلزي به‌کار مي‌روند. زئوليت‌هاي طبيعي مکزيک و مجارستان، آرسنيک را از منابع آب آشاميدني تا حد مورد پذيرش سازمان بهداشت جهاني کاهش مي‌دهند. زئوليت‌هاي ساخته شده از زغال‌سنگ مي‌توانند گستره‌اي از فلزات سنگين شامل سرب، مس، روي، کادميم، نيکل و نقره را از آب آلوده جذب کنند. همچنين مي‌توانند تحت شرايط خاصي کروم، آرسنيک و جيوه را جذب کنند. ظرفيت جذب زئوليت‌ها متأثير از چند عامل؛ ترکيبشان، PH آب و غلظت انواع آلودگي‌هاست. به عنوان مثال تأثيرات PH آب بر روي سطح باردار شده منفي و يا مثبت زئوليت قابل ذکر است. همچنين با توجه جذب آسان سرب و مس در زغال‌سنگ، غلظت بالاي اين مواد، مقدار کادميم و نيکل حذف شده را کاهش ميدهد. ترکيبات زئوليت- نقره AgIoN، بازدهي را در مقابل ميکروارگانيسم‌ها که شامل باکتري‌ها و کپک‌هاست، ارتقا مي‌دهند. زئوليت نمي‌تواند آلودگيهاي آلي را به قدر کافي حذف کند، همچنين رطوبت هوا در اشباع زئوليت‌ها دخالت داشته، موجب کاهش بازدهي آنها ميشود.
مقدار تصفيه آب
مقدار آبي که زئوليت‌ها مي‌توانند تصفيه کنند، وابسته به منبع زئوليت و ابزاري است که آنها استفاده مي‌کنند. در مورد زئوليت‌هاي زغال‌سنگ، محتواي کربن اين ماده به طور قابل توجهي سطح مخصوص و در نتيجه ظرفيت جذب زئوليت را تحت تأثير قرار مي‌دهند.
هزينه
زئوليت‌ها را مي‌توان به طور ارزان توليد کرد زيرا منبع آنها به طور طبيعي و فراوان در دسترس است. در امريکا زئوليت‌هاي دانه‌اي براي کاربردهاي صنعتي و کشاورزي بين 30 تا 70 دلار به ازاري هر تن و براي محصولات مصرفي بين 5/0 تا 5/4 دلار به ازاي هر کيلوگرم هزينه دارند.
روش مصرف
چگونگي مصرف زئوليت‌ها بسيار وابسته به نوع ابزاري است که در آن استفاده مي‌شوند. اين ابزار مي‌تواند شامل رزين‌هاي تعويض يوني، کارتريج و ابزارهاي ستوني و غيره باشند. علاوه بر اين زئوليت‌ها گاهي اوقات به احيا با يک محلول اسيدي نياز دارند. مصرف زئوليت‌هاي زغال‌سنگ ممکن است مشکل‌ساز باشد، چرا که مطالعات نشان مي‌دهند مقاديري از آلودگيهاي سرب، کادميم، کروم، مس، جيوه، روي و ديگر آلودگي‌ها مي‌توانند از زغال‌سنگ گذشته و موجب آلودگي خاک، آب‌هاي زيرزميني و آب شوند. همچنين مشخص شده است که مقادير آرسنيک و منيزيم عبور کرده از Fly ash بسيار بيشتر از مقادير توصيه شده سازمان بهداشت جهاني است. ترکيبات زئوليت نقره AgION نياز به پاکسازي مکرر دارند، زيرا پوشش ضدباکتري نقره از تشکيل آلودگيهاي بيولوژيکي روي فيلتر جلوگيري ميکند و در اين صورت نياز به ذخيره‌سازي و مصرف احياء‌کننده‌هاي شيميايي مرتفع ميشود.
5. فناوري‌هاي مبتني بر نانوکاتاليست‌ها
5-1. نانوذرات آهن خنثي
نانوذرات آهن خنثي (NZVI) براي تصفيه درجا و غيردرجاي آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند. اين ماده همزمان يک جاذب و يک عامل احياکننده است، همچنين موجب ميشود که آلودگيهاي آلي به ترکيبات کربني با درجه سميت کمتري شکسته شوند و فلزات سنگين کلوخه شده، به سطح خاک بچسبند. NZVI را مي‌توان براي تصفيه درحا مستقيماً به منابع آب‌هاي زيرزميني تزريق کرد، يا مي‌توان از آن در غشاها براي کاربردهاي خارجي استفاده کرد. همچنين NZVI دو فلزي که در آن نانوذرات آهن با يک فلز ثانويه از قبيل پالاديم براي افزايش فعاليت آهن پوشيده مي‌شوند، موجود است. NZVI بسيار فعال بوده و سطح مخصوص بالايي نسبت به ZVI دانه‌اي دارد.
حذف آلودگي‌ها
NZVI مي‌تواند براي فرآوري گستره وسيعي از آلودگيهاي متداول زيست‌محيطي، مثل متان کلردار، بنزن کلردار، Pesticideها، رنگ‌هاي آلي، تري‌هالومتان‌ها، PCBها، آرسنيک، نيترات و فلزات سنگين از قبيل جيوه، نيکل و نقره استفاده شود. همچنين ممکن است توانايي کاهش پرتوهاي راديويي را داشته باشد. پالاديم پوشيده‌شده با NZVI نشان داده است که همه ترکيبات کلردار را در مدت هشت ساعت تا زير مقادير قابل رؤيت کاهش ميدهد. اين در حالي است که NZVI معمولي براي حذف بيش از 99 درصد از اين ترکيبات به 24 ساعت نياز دارد. نانوذرات نسبت به آلودگي‌ها، براي يک دوره شش الي هشت هفته‌اي، فعال باقي مي‌مانند. NZVI نشان داده است که در گستره وسيعي از PHها و دماهاي خاک و مقادير Nutrient مؤثر است.
مقدار تصفيه آب
مقدار آب زيرزميني که NZVI مي‌تواند فرآوري کند، وابسته به کيفيت آهن، شامل تعداد دفعاتي که استفاده مجدد شده است؛ نوع زيرلايه مورد استفاده، کيفيت آب معدني براي توليد محلول قابل تزريق، شامل مقدار اکسيژن، مقدار و نوع ذرات ريز در محلول، است. دريک مطالعه موردي، سطحي با مساحت صد مترمربع را 057/6 ليتراز محلول شامل kg 2/11 از NZVI تحت تأثير قرار ميدهد. مطالعه ديگري نشان ميدهد که در يک منطقه، مقدار 136 کيلوگرم NZVI براي فراوردي 6/11ميليون کيلوگرم از خاک کافي است؛ اما در منطقه ديگر همين مقدار از NZVI تنها براي فرآوري 102 ميليون کيلوگرم از خاک به‌کار مي‌رود. دلايل ذکر شده براي اين مطابقت نداشتن شامل حجم متفاوت آب مصرف شده در تهيه محلول، مقادير متفاوت کنش‌پذيري آهن به‌دليل تفاوت در مقدار اکسيژن آب و مقدار متفاوت فشار کاربردي در حين تزريق است.
هزينه
NZVI حدوداً 40 تا 50 دلار به ازاي هر کيلوگرم و پلاديم پوشش‌يافته با NZVI بين 68 تا 146 دلار به ازاي هر کيلوگرم هزينه دارد. اگر چه NZVI به طور قابل توجهي نسبت به ZVI دانه‌اي و ميکرومقياس که هر کدام به ترتيب 2/2 و 75/3 دلار به ازاي هر کيلوگرم هزينه دارند، گران است، اما از آن جا که مقادير کمي از NZVI به دليل سطح ويژه و واکنش‌پذيري بسيار بالاي آن مورد نياز است، از نظر اقتصادي به‌صرفه است. در مقابلِ هر گرم پودر تجاري ZVI که سطحي کمتر از يک متر مربع دارد، NZVI به ازاي هر گرم 5/33 مترمربع سطح واکنش‌پذير داشته و سرعت تصفيه آن ده تا صد مرتبه سريع‌تر است.
روش مصرف
استفاده درجا و غيردرجاي از NZVI نسبتاً آسان است. براي کاربردهاي درجا، پودر NZVI را براي تشکيل محلول آهن با آب در يک منبع مخلوط کرده، سپس با يک پمپ و چاه تزريق مستقيماً به خاک‌آلوده تزريق مي‌کنيم. از آنجا که تجهيزات مشابه مورد استفاده براي ديگر موارد تزريقي موجود است، تجهيزات چاهي خاص مورد نياز نيست. NZVI به دليل داشتن ذرات کوچک‌تر نسبت به ZVI دانه‌اي، راحت‌تر تزريق شده، مي‌تواند تا اعماق بيشتري نفوذ کند. همچنين نانوذرات NZVI مي‌توانند در يک ماتريس جامد از قبيل کربن فعال، زئوليت، نانولوله‌هاي کربني و ديگر مواد براي توليد غشاهايي با کاربرد غيردرجا ايمن شوند.
5-2. فتوکاتاليست‌هاي نانومقياس دي‌اکسيد تيتانيوم
دي‌اکسيد تيتانيوم هم به عنوان عامل احياي فتوکاتاليستي و هم به صورت يک جاذب عمل ميکند و به صورت درجا و غيردرجا در تصفيه آب استفاده ميشود. دي‌اکسيد تيتانيوم در حضور آب، اکسيژن و تابش UV، راديکال‌هاي آزاد توليد ميکند که اين راديکال‌ها آلودگيهاي متفاوت را به ترکيبات کربني با درجه سميت کمتري تجزيه مي‌کنند. دي‌اکسيد تيتانيوم نانومقياس، سطح بيشتر و فرايند فتوکاتاليستي سريع‌تري را نسبت به ذرات بزرگ‌تر فراهم مي‌نمايد. دي‌اکسيد تيتانيوم يا به صورت نانوپودر، براي استفاده در سوسپانيون‌ها و يا به شکل فيلترهاي دانه‌اي موجود است و در چندين شکل ديگر به عنوان پوشش براي غشاهاي ثابت، ميکروکره‌هاي نانوکريستالي و غشاهاي ترکيبي با سيليکا به‌کار مي‌رود.
حذف آلودگي‌ها
دي‌اکسيد تيتانيوم تقريباً همه آلودگيهاي آلي را تجزيه ميکند. اين ماده بسيار آب‌دوست است؛ و بنابراين توانايي جذب آلودگيهاي زيستي و فلزات سنگين از قبل آرسنيک را دارد. راندمان آن تابع کيفيت دي‌اکسيد تيتانيوم، شدت پرتو فرابنفش، PH آب، موجودي اکسيژن و غلظت آلودگي‌ها است.
مقدار تصفيه آب
سيستم‌هاي متفاوت دي‌اکسيد تيتانيوم، شدت جريان و سرعت‌هاي حذف متنوعي را فراهم مي‌کنند و ازهمه آنها مي‌توان محدوده استفاده کرد. نانوپودرهاي سوسپانسيون شده دي‌اکسيد تيتانيوم فرايند فتوکاتاليستي پُربازدهي را از خود نشان مي‌دهند؛ چرا که سطح داخلي آنها در معرض تابش اشعه فرابنفش و آلودگي‌ها قرار مي‌گيرد. به دليل ترکيب سطوح کنش‌پذير با مواد پايه و در نتيجه، کاهش سطح فعال، بازده نانوذرات دي‌اکسيد تيتانيوم که به عنوان پوشش استفاده شده يا روي زيرلايه‌هايي از قبيل شيشه و سراميک ثابت شده‌اند، پنج برابر درصد بازده فتوکاتاليستي نانوذرات سوسپانسيون شده است. همچنين تخلخل غشا يا زيرلايه، بر شدت جريان و عمر مفيد اين سيستم‌ها مؤثر است. ميکروکره‌هاي نانوکريستالي دي‌اکسيد تيتانيوم، سطحي قابل مقايسه با نانوپودرها دارند، اما فرايندهاي فتوکاتاليستي آهسته‌تري انجام مي‌دهند.
هزينه
هزينه نانوپودرهاي دي‌اکسيد تيتانيوم برحسب کيفيت آن چند صد دلار بر کيلوگرم است. به عنوان مثال اخيراً شرکت Altair يک سيستم توليدي به ثبت رسانده است، که مي‌تواند نانوپودرهاي دي‌اکسيد تيتانيوم را در مقياس انبوه و بسيار ارزان توليد کند. همچنين اين شرکت فروش محصولات کوچک مبتني بر اين فناوري را طراحي ميکند. اين محصولات در دو اندازه 40 کيلوگرم بر ساعت و يک تا دو کيلوگرم بر ساعت موجود خواهند بود. اين واحد، دي‌اکسيد تيتانيوم را از تتراکلريد تيتانيوم توليد ميکند که مي‌تواند حدوداً هزاروصد دلار به ازاي هر تن يا صد و ده دلار به ازاي هر کيلوگرم فروخته شود.
روش مصرف
به دليل سختي بازيافت و جداسازي ذرات بعد از تصفيه، استفاده از نانوپودرهاي دي‌اکسيد تيتانيوم سوسپانسيون شده مشکل است. ذرات سوسپانسيون معمولاً به وسيله اولترافيلتراسيون يا ميکروفيلتراسيون جدا مي‌شوند اما در حين اين فرايند مقدار قابل توجهي از ذرات از بين مي‌روند. استفاده از ميکروکره‌هاي نانوکريستالي آسانتر است. آنها در آب از طريق حباب‌سازي هوا سوسپانسيون شده و به طور طبيعي در ظرف آب براي بازيافت آسانتر ته‌نشين مي‌شوند.
5-4. اکسيدآهن نانوساختار جاذب
شرکت فناوري‌هاي Adedge آمريکا، اکسيدآهن نانوساختار دانه‌اي و خشکي به نام AD33، براي حذف آرسنيک عرضه نموده است. AD33 با ترکيبي خواص کاتاليستي و جذبي اکسيدآهن با هم، ضمن تبديل آرسنيک به موادي با سميت کمتر، به طور همزمان آن را از آب جدا مي‌نمايد، اين شرکت همچنين طرحي از لوازم مصرفي شامل فيلترهاي AD33 را ارائه نموده است.
حذف آلودگي‌ها
AD33 مي‌تواند بيش از 99 درصد آرسنيک را حذف کند، همچنين مي‌تواند مقادير سرب، روي، کروم، مس و ديگر فلزات سنگين را کاهش دهد و آلودگيهاي جذب شده را از خود عبور نمي‌دهد.
مقدار تصفيه آب
عمر مفيد فيلترهاي AD33 معمولاً دو تا چهار سال است. سيستم‌هاي تصفيه خانگي سري مداليون شرکت Adedge با سه دبي19، 26 و 38 ليتر بر دقيقه موجود است، همچنين شرکت Adedge کارتريج‌هاي حاوي AD33 با دبي متوسط دو ليتر بر دقيقه را عرضه نموده است. عمر مفيد اين کارتريج‌ها بين سه هزار و 800 تا 11 هزار و 400 ليتر است و به طوري که تخمين زده ميشود چهار تا شش برابر بزرگ‌تر از ديگر جاذب‌هاي تجاري موجود است.
هزينه
هزينه کارتريج‌هاي AD33 براي هر مورد حدوداً 50 دلار است و هزينه هر فيلتر مجزا وابسته به مقدار خريداري شده است؛ اما به طور نمونه بين هشت تا 13 دلار به ازاي هر ليتر تغيير ميکند.
روش مصرف
طبق توصيه‌هاي شرکت Adedge، فيلترها و محصولات AD33 نياز به جايگزيني مکرر داشته و مواد شيميايي يا احياءکننده‌ها براي آنها استفاده نمي‌شود. با توجه به خشکي ابزارهاي AD33، نسبت به ساير ابزارهاي فيلتراسيون مبتني بر آهن مرطوب، راحت‌تر استفاده مي‌شوند؛ به طوري که در گسترده وسيعي از سيستم‌ها استفاده مي‌شوند. علاوه بر اين، ابزارهاي AD33 مصرف‌شده خطرناک نيست مي‌توان آنها را طبق استانداردهاي سازمان حفاظت از محيط‌زيست آمريکا در زمين دفع کرد.
6. نانوذرات مغناطيسي
6-1. Magneto ferritin
نانوذرات مغناطيسي معمولاً به عنوان جاذب و نانوکاتاليست براي تصفيه آب بررسي شده‌اند. شرکت انگليسي Nano Magnetics، نانوذرات مغناطيسي را تحت عنوان Magneto ferritin ارائه کرده و مشغول بررسي توانايي آن براي انجام اسمز پيش‌رونده (forward osmosis) به عنوان گزينه‌اي با بازدهي انرژي براي اسمز معکوس است. در چنين سيستمي از نانوذرات مغناطيسي براي توليد فشار اسمزي مورد نياز براي راندن آب از ميان يک غشاي فيلتراسيون استفاده شده‌اند. برخلاف اسمز معکوس که براي توليد فشار اسمزي نيازمند انرژي ورودي است.
حذف آلودگي‌ها
Magneto ferritin با توانايي اسمز پيش‌رونده، براي نمک‌زدايي در نظر گرفته شده است؛ اگر چه با توجه به به نوع غشاي مصرفي قادر به حذف آلودگيهاي ديگر نيز هست.
مقدار تصفيه آب
شرکت Nano Magnetics اشاره ميکند که Magneto ferritin را مي‌توان از آب، بازيافت و بدون هيچ محدوديت ويژه‌اي دوباره استفاده کرد.
هزينه
اطلاعات خاصي نسبت به هزينه‌هاي Magneto ferritin در دسترس نيست؛ اما به گفته شرکت Nano Magnetics عمر طولاني و استفاده مجدد اين مواد آنها را نسبت به اسمز معکوس از لحاظ هزينه بسيار مناسب‌تر نموده است. همچنين اسمز پيش‌رونده هزينه‌هاي مرتبط با انرژي را تا 40 درصد هزينه‌هاي اسمز معکوس کاهش ميدهد.
روش مصرف
هنوز براي Magneto ferritin هيچ سيستم قطعي‌اي طراحي نشده است؛ اما برخي منابع اشاره مي‌کنند که نانوذرات مغناطيسي در يک طرف غشاء براي ايجاد غلظت، به صورت غيرتعادلي به منبع آب اضافه شده‌اند. اين اختلاف غلظت فشار اسمزي مورد نيار براي راندن آب منبع از ميان غشاء را ايجاد خواهد کرد. سپس نانوذرات مي‌توانند با استفاده از ميدان مغناطيسي از آب خالص‌سازي شده، بازيافت شوند.
استفاده از فناوري نانو در ساخت سيمان
امروزه سيمان با توجه به کاربردهاي مختلف و مصارف گوناگون، نقش مهمي در زندگي بشر ايفا مي‌كند. از سوي ديگر مسأله زمان نيز از موضوعات اقتصادي حائز اهميت براي صاحبان صنايع به شمار مي‌آيد و کاهش زمان ساخت و ساز، صرفه اقتصادي قابل توجهي را به دنبال خواهد داشت.
اخيراً توليدکنندگان سيمان دريافته‌اند كه کاهش اندازه ذرات سيمان تا ابعاد نانو مقياس، موجب تسريع در سفت شدن آن ميشود؛ لذا گروهي از محققان سوئيسي با استفاده از روش فاز گازي و سنتز به شيوه تزريق شعله‌اي، به روشي براي آماده‌سازي مستقيم و تک‌مرحله‌اي نوعي سيمان نانوذره‌اي از جنس نانوذرات سيليکات کلسيم(همان ترکيب سيمان پورتلند معمولي) دست يافته‌اند که واکنش‌پذيري اوليه آن ده برابر بيش از سيمان‌هايي است که به روش‌هاي معمولي تهيه شده‌اند؛ البته اين سيمان بسيار متخلخل بوده و پايداري‌اش نسبت به سيمانهاي معمولي كمتر است و هنوز براي کارهاي ساختماني مدرن كه مستلزم تحمل بار زياد است، مناسب نيست.
mW / رهايش انرژي
زمان بر حسب ساعت
سيمان ساخته‌شده به روش تزريق شعله
کل انرژي آزادشده = J/g 372
سيمان تجاري معمولي
کل انرژي آزادشده = J/g 377
(سمت چپ) واکنشگر تزريق شعله طي فرايند توليد مخلوط نانوذرات اکسيد فلزي که از ترکيبات سيمان پورتلند است. (بالا سمت راست) سيمان ساخته‌شده از نانوذرات پودري که به رنگ روشن با زمينه قهوه‌اي است. ( سمت راست پايين ) يک ميکروگراف الکتروني انتقالي(TEM) که پس از آماده شدن ذرات سيمان از آنها تهيه شده‌است . در اين ميکروگراف شکل نانوذرات باقي‌مانده شبيه سيليکايي است كه با شعله ساخته شده‌است.
(سمت راست) نمودار رهايش گرمايي از اين ذرات و ذرات سيمان معمولي که با يک کالريمتر هم‌دما اندازه‌گيري شده‌است. همان‌طور که ملاحظه ميشود رهايش گرمايي نانوسيمان(حدود يک دقيقه پس از تماس با آب) بسيار سريع‌تر از سيمان معمولي(حدود هفت دقيقه) است. در اين روش يک پيک ديگر هم پس از مدت ده ساعت وجود دارد که در اين شکل نشان داده نشده‌است
آنها براي توليد پيش‌سازهاي بسيار ارزان، از برخي مواد شيميايي مانند محصولات فرعي حاصل از پالايش نفت خام و فرايند آئروسل شعله‌اي( که در توليد رنگ‌دانه و کربن بلک به کار مي‌رود) استفاده کردند و موفق به فراوري کامل ترکيبات پچيده‌اي مانند سيمان پورتلند شدند.
اين نانوسيمان برخلاف سيمان پورتلند معمولي، متناسب با دماي محيط واکنش، نانوذراتي با اندازه‌هاي مختلف( به‌طور متوسط يک سوم ذرات مشابه در سيمان معمولي) دارد، همچنين اندازه کوچک اين ذرات موجب تغيير کامل رفتار هيدراسيون اين سيمان شده و در نتيجه ضمن حفظ همان واکنش‌هاي ترموديناميکي، واکنش‌هاي سينتيکي متفاوتي را خواهد داشت.
دانشمندان اميدوارند به‌رغم تخلخل بالاي اين مواد، بتوان با توجه به واکنش‌پذيري اوليه بسيار خوبي که دارند، کاربردهاي جديدي را به‌ويژه در مواردي که کوتاه بودن زمان سفت شدن حائز اهميت است، به وجود آورند.
هم‌اکنون از اين نانوسيمان متخلخل در نوسازي يا عايق‌کاري کاربردهايي که نياز چنداني به استحکام در برابر فشردگي ندارند و ترکيب آنها با مواد معمولي به بهبود سخت شدگي آنها کمک ميکند، استفاده ميشود، همچنين اين سيمان در کاربردهاي هزينه‌بر کوچک‌مقياس به‌ويژه اتصالات ساختماني يا به‌صورت ترکيبي با فرمو‌ل‌ها موجود که به تسريع کار آنها کمک ميکند نيز کاربرد دارد.
گفتني است مقاله‌اي هم در همين زمينه در شماره اخير نشريه Nanotechnology با عنوان
"Preparation of an ultra fast binding cement from calcium silicate-based mixed oxide nanoparticles"
به چاپ رسيده‌است.
http://www.nano.ir/newstext.php?Code=3429
نانو تكنولوژي براي سيمان در حجم زياد
نانوسم (NANOCEM) يك تحقيق جديد شبكه اروپاست كه بر روي مراحل توسعه اصول فني نانو (مقياس يك بيليوني) در مواد سيماني متمركز شده است.
نانوسم (nanocem) يك تحقيق جديد شبكه اروپاست كه بر روي مراحل توسعه اصول فني نانو (مقياس يك بيليوني) در مواد سيماني متمركز شده است.
بستهاي سيمان پورتلند ، اجزا اوليه فعال بتن هستند كه در بيشتر ساختمانهاي مدرن استفاده مي شوند . ديگر تشكيل دهنده هاي بتن ، آب و مصالح دانه اي ريز و درشت (مانند شن و سنگ) هستند.
بستها از جوش سيمان پورتلند با زمينه كمي از سولفات كلسيم ساخته شده اند و به طور متداول شامل پودرهاي ريز معدني مثل سنگ آهك ، پوزولان (معمولا خاكسترهاي آتش فشاني) ، خاكستر بادي (معمولا از زغال سوخته گياهان پر قدرت) و سرباره دانه اي كوره بلند ، هستند.
چنين گردهمايي به عنوان مواد سيماني تكميلي تلقي مي شوند زيرا آنها براي جايگزين شدن به جاي بيشتر چسب سيمانهاي گران استفاده مي شوند. مواد افزودني شيميايي مانند افزودني ها كاهنده آب ، فوق روان كننده ها (خمير كننده ها) ، كندگير كننده ها ، تند گير كننده هاي بتن و عوامل هوازا مي توانند به بتن در مقدار كم اضافه شوند تا خصلتهاي بتن را براي موارد استفاده خاص تغيير دهند.
توضيح درباره نانو :
گر چه سيمان پرتلند در مقدار وسيع در مواد دست ساز بشر بر روي زمين استفاده مي شود اما فهم مكانيزم اصلي ، حاوي خصوصياتش به طور طبيعي باقي مانده است . مراحلي كه در طول 1لحظات نخستين واكنش با آب اتفاق مي افتد ، مي تواند ساختارهاي بزرگ و ريز را تحت تاثير قرار دهد و اجراي طولاني مدت يك ساختار را در پي داشته باشد.
بيشتر واكنشهاي شيميايي كه عملكرد مواد سيماني را كنترل مي كند در مقياس نانو سنج (يك بيليون) اتفاق مي افتد ولي اكثر تحقيقات ، عمليات مهندسي گرفته اند و بر روي مرحله درشت (قابل ديد) متمركز شده اند. فقدان فهم جزييات مولكولي از رشد چشم گير تقريبا جلوگيري كرده و موج ناتواني در پيش بيني وضع آينده شده است. نياز براي آزمايش مكرر خصوصيات در تناسب درشت دانه اي مانع نوآوري و استخراج در scm هايي كه به طور گسترده اي در دسترس قرار دارند ، شده است كه به طور كلي در جا دادن انرژي اندك (جدول سمت راست را ببينيد) و غير سمي مي باشند.
در حال حاضر ، در هر ساختماني كه در آن از مواد سيماني جديد با عملكرد بالا استفاده مي شود ، نياز به تست زمان (طولاني كردن) دارد. با كسب دانش بنيادين ، اين مواد مي توانستند به جاي آزمايش و خطا با طراحي و پايه گذاري بر روي مدلهاي معتبر ، ساخته شوند.
هدايت در مسير صحيح :
در طول اين فعاليت بر روي اين مطلب يعني نانوسم ، 21 انجمن علمي به همراه 12 شريك صنعتي كه 5 شركت بزرگ توليد كننده سيمان را در بردارد بنا نهاده شد و در 11 كشور اروپايي گسترش يافت و در طول يك چهارم قرن گذشته انقلابي در تكــــنيكهاي تجربي براي رسيدگي به مواردي مثل تشـــديد طيف بيني مغناطيســــي هستـــــه اي (nmr) و نيروهــاي ميكروسكوپي بوجود آورده اند و به شركاي نانوسم امكان دسترسي به ابزارهاي پيشرفته را داده است.
شركتهاي صنعتي خط شروع مالي براي شبكه ارتباطي فراهم كرده اند و راهنمايي با احترام به پيش بيني علايق بازار فراهم نموده اند. اعضاي انجمن علمي مجبور هستند كه حداقل يكي از پروژه هاي تحقيقاتي مستقل مالي را با شبكه ارتباطي تسهيم كنند و بايد تحقيقاتشان را به روش تعاوني و مكمل توسعه دهند .
كارگاههاي اصلي برگزار مي شوند تا قسمتهاي مهم خالي علمي را پيدا كنند و با ارتباط دادن پروژه هاي تحقيقاتي ، سعي در پر كردنشان نمايند.
اين كميته هدايت كننده شامل 5 نماينده از شركاي صنعتي و 5 نفر از انجمن علمي است . جلسات تجاري دو بار در سال برگزار مي شود . برنامه تحقيقاتي شبكه ارتباطي ، چهار پروژه اصلي و پروژه شريكي در دست اجرا داد كه شامل موارد زير است :
مجموعه هيدرات كه خود متشكل از كربن ، سولفور هيدروژن (c-s-h) مي باشد. در حال حاضر مشخص كردن كمي تركيب وجهه هيدراتي ممكن نيست در حال حاضر مشخص كردن كمي تركيبي هيدراتي كه از هيدرات يك سيستم سيماني منتج شده است ، ممكن نيست ، مخصوصا زماني كه (scm) هايي مثل خاكستر بادي يا سرباره شامل آنها مي شود. هدف اين پروژه ها تعيين مواد تشكيل دهنده و استحكام تركيب وجهي هيدرات است كه انتظار مـي رود ، در دماي بالاتر از 50 درجه سانتي گراد اتفاق بيفتد. اين تحقيق شامل پروژه هاي دكتراي تخصصي است كه به طور پيوسته توسط دانشگاه هاي ابردين aberdeen بريتانيا ، امپا empa در سوئيس و espcl در فرانسه هدايت مي شود.
ساختار منفذ توسط nmr : اين پروژه اميدوار است تا تنظيم جامعي بر روي هنرهاي غير مخرب ، ابزارهاي تكنيكي غير تهاجمي داشته باشد و آنها را قادر مي سازد ، ساختار منفذ هيدرات سيمانها را در حدي كه در آن منافذ با آب پر مي شوند و قابليت جابجايي آب در مواد اشباع كننده را تحليل كنند. نتيجه كار اجازه خواهد داد كه دوام و عملكرد بتن به طور بهتري پيش بيني شود . دو گروه از گروههاي هدايت كننده در منطقه چرخش پروتني را دانشگاههاي سوري surrey در بريتانيا و پلي تكنيك فرانسه را شامل مي شود.
فعل و انفعالات تركيبات آلب آلومينيم با اكسيد فلز : اين امر يكي از مشكلترين مباحث مربوط به اثر سيمان و فوق روان كننده (خمير كننده) در بتن است. براي مثال شتاب فوق خميريازي بر روي فرمهاي غير فعال ( كه صورت تركيب آلي آلومينيم با اكسيد فلز ناميده مي شود) در طول مراحل اوليه تركيب سازي بتن مي باشد.
اين پديده شناخته شده ، منتهي به مصرف مقدار زياد فوق خميرساني در بسياري از بتن ها و بوجود آمدن مشكلات كاربردي جدي ، زماني كه مواد خام يا شرايط تركيب تغيير كرده اند ، مي شود. اين تحقيق توسط سيكا در سوئيس و espc هدايت مي شود.
واكنش پذيري سيستم سيماني : در پروژه دكتــــري تــوسط epfl در سوئيس و dtu در دانمارك و دانشگاه آرهوس aarhus دانمارك و دانشگاه ليدز leeds در بريتانيا در دست تحقيق است كه بر روي توسعه يك روش براي تشخـــــــيص درجه عكس العمل قسمت جوش سيماني و به طور مستقل scm ها در سيمانهاي چسبيده است.
شريك شدن :
پروژه هاي شركتي در محدوده شبكه ارتباطي ماننده تحقيقات در دست اجراي دانشگاههاي bourgogne فرانسه درباره اثر آهن بر روي پيوستگي و ساختار c-s-h در مقياس نانو از بنياد تا كاربرد است . براي مثال در موسسه تكنولوژي دنيش danish ، مطالعه اي بر روي مكانيزم زيباشناختي ظاهري بتن بر روي ساختار سرتاسري صورت پذيرفته است.
تحقيق و تعليم :
علاوه بر هسته تحقيقات نانوسم كه بوسيله شركاي صنعتي در حدود 500 هزار يورو در هر سال از لحاظ مالي تامين مي شود ، مركز مالي eu ، 2/3 ميليون يورو براي چهار سال تحقيق و تعليم پروژه (rtn) شبكه ارتباطي تحت برنامه ماري كوري ، برنده شده است.
اين پروژه فهم اساسي مواد سيماني براي بهبود عملكرد زيباشناختي فيزيكي و شيميايي نام نهاده شده و بين 10 پروژه دكتري و 5 پروژه فوق دكتري تقسيم شده است كه هر كدام بين دو يا چند شريك قسمت مي شود. محققان زماني براي هر منطقه شراكتي در طول پروژه صرف مي كنند .
موضوعات به چهار گروه تقسيم مي شود : كاستن قالب سيمان : اين موضوع بع طور اوليه فروسايي سيمان با تاكير بر حملات سولفات رامي پذيرد . نيروي سايش نيز در اين موضوع مد نظر گرفته مي شود . اين كار ساخت مدل كلي عملكرد سيمان را تامين مي كند.
بررسي فيزيكي و مكانيكي عملكرد : اين مقياسهاي طولاني ، بررسيهاي ارتباطي نانو ، ماكرو و ساختــــاري بزرگ براي توسعه ابزارهاي در جهت ارزش گذاري عملكرد مهندسي را احاطه مي كند. اين تحقيق به توسعه اصول تكنيكي و مدلها براي استفاده توسط مهندسين را متحمل مي شود.
مواد سيماني جديد : در اين گروه از پروژه ها ، مقدار عمده مواد علمي و مهندسي بكار گرفته مي شوند تا عملكرد مواد سيماني بر سطح و حجم را بهبود بخشند. اين كاريك رشته نوآوريهاي لازم براي بهبود عملكردي و زيباشناختي در طول افزودن محلي را مي پذيرد.
پروژه هاي متقاطع : اين پروژه ها وروديهاي مهم براي موضوعي كه در بالا اشاره شده است را تامين مي كند . آنها scmهايي را كه به طور افزايشي استفاده مي شوند ، در تركيب با جوش سيمان پورتلند ، در علايق قابل تحمل پوشش داده اند.
دستاوردهاي جاه طلبانه :
شبكه ارتباطي نانو ، خود يك منبع ساختماني جديد ذهني جاه طلبانه تنظيم كرده كه در دستاورد موثري بر تحقيقات اروپايي بر روي مواد سيماني مي باشد.
به طور كلي انجمنهاي علمي كوچك و اغلب مجزا ، طرحهايي براي انجمنهاي سرمايه گــذاري بين المللي مي سازند و در رقابت با ديگر گروههاي مواد علمي و ديسيپلين هاي مهندسين عمران ارزش گذاري مي شوند. اغلب مسائلي ناشناخته قابل توجهي درباره اين كار در ديگر كــشورها اتفاق مي افتد و چنين كارهايي هيچ گاه منتشر نمي شوند. اين امر منتهي به دو برابر شدن تلاشهاي تحقيقاتي و مطالعه زياد پارامتري شده است. جايي كه نتايج فقط براي تركيب خاصي از مطالعه مواد خام در دسترس هستند.
نانوسم تلاش بيشتري را براي روشن كردن پروژه ها و جمع آوري تجربيات همه شركا انجـــــام ميدهد.
كاربرد مواد نانو در صنعت بتن
۱. مقدمه
مواد نانو به عنوان موادي كه حداقل يكي از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زير 100nm باشد تعريف شده اند ، يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از موي انسان است . به طور كلي ،در يك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانو مواد را مي توان به صورت هاي زير بيان كرد: ·
فيلمهاي نانو لايه ( Nano Layer Thin Films ) براي كاربردهاي عمدتاً الكترونيكي · نانو پوششهاي حفاظتي (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابر خوردگي ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي · نانو ذرات به عنوان پيش سازنده (Precursor) يا اصلاح ساز (Modifier) پديده هاي شيميايي و فيزيكي · نانو لوله ها (Nanotubes) منظور از يك ماده نانو ساختار يا واضح تر يك بدنه نانو ساختار ( Nanostructured Solid ) جامدي است كه در آن انتظام اتمي ، اندازه كريستالهاي تشكيل دهنده و تركيب شيميايي در سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد
خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو (در شكل و فرمهاي متعددي كه وجود دارند از جمله ذرات ، الياف ، گلوله و . . . ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپي تفاوت اساسي دارند . تغييرات اصولي كه وجود دارد نه تنها از نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواص جديد آنها در سطح مقياس نانو مي باشد .
هدف نهايي از بررسي مواد در مقياس نانو ، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكرد بالا مي باشد ، كه آنها را مي توان به عنوان مصالحي با عملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چند منظوره ، ظهور خواصي جديد و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولي مي باشد به گونه اي كه مصالح بتوانند كاربردهاي گوناگوني را ارائه نمايند .
در مطالب بعدي كه خواهد آمد مواد نانو ساختاري معرفي خواهند شد كه با توجه به نوظهور بودن چنين موادي مي توانند تحولي شگرف در صنعت ساختمان سازي و صنايع وابسته به آن ايجاد كنند
2. مواد نانو كمپوزيت
مواد نانو كمپوزيت بر پايه پليمر (ماتريس پليمري ) اولين بار در سالهاي 70 معرفي شده اندكه از تكنولوژي سول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو كاني درون ماتريس پليمر استفاده شده است .
هرچند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه تجاري اين مواد توسط شركت تويوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورت گرفته است ، ولي رشته نانو كمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه مي باشد .
در اين شرايط نانو آلومينا ، بهترين ساختار نانوئي است كه افق جديدي را در صنعت سراميك نويد مي دهد . زيرا كاربرد اين مواد پديده اي است كه از نظر مكانيكي ، الكتريكي و خواص حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف كاربرد دارد . از جمله مي توان به چند نمونه اشاره كرد:· تكنولوژي نانو فلز آرتونايد كه اخيراً به طور تجاري ، الياف نانويي آلومينا ، انقلابي در رشته سراميك بوجود آورده است . · ذرات نانويي غير فلز مانند:نانو سيليكا ، نانو زيركونيا و مواد ديگر اصلاح كننده سراميك ها مي باشد .
3. بتن با عملكرد بالا ([1]HPC)
يكي از چالشهايي كه در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است ، بتن با عملكرد بالا(HPC ) مي باشد . اين نوع بتن مقاوم از نوع مصالح كامپوزيت بوده و از نظر دوام جزو مصالح كامپوزيت و چند فازي مركب و پيچيده مي باشد . خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو ساختار ماده زمينه بتن و سيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي آورد .
بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و كاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي باشد . روش معمولي براي توسعه بتن با عملكرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلح با انواع مختلف الياف مي باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملكرد با دوام و خواص مكانيكي بهتر ، بتن با عملكرد بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافه ديگري را دارا مي باشد ، از جمله مي توان به خاصيت الكترو مغناطيسي ، و قابليت به كار گيري در سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات ) و افزايش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمانها و ... را نام برد .
4. نانو سيليس آمورف
در صنعت بتن ، سيليس يكي از معروفترين موادي است كه نقش مهمي در چسبندگي و پر كنندگي بتن با عملكرد بالا (HPC) ايفا مي كند .
محصول معمولي همان سليكيافيوم يا ميكرو سيليكا مي باشد كه داراي قطري در حدود 1/0 تا 1 ميلي متر مي باشد و داراي اكسيد سيليس حدود 90% مي باشد . مي توان گفت كه ميكرو سيليكا محصولي است كه در محدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزايش عملكرد كامپوزيت مواد سيماني به كار برده مي شود .
محصول نانو سيليس متشكل از ذراتي هستند كه داراي شكل گلوله اي بوده و با قطر كمتر از 100nm يا بصورت ذرات خشك پودر يا بصورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي باشند ، كه مايع آن معمول ترين نوع محلول نانو سيليس مي باشد ، اين نوع محلول در آزمايشات مشخص در بتن خود تراكم([2]SCC) به كار گرفته شده است . نانو سيليس معلق كاربردهاي چند منظوره از خود نشان مي دهد مانند:
خاصيت ضد سايش
ضد لغزش
ضد حريق
ضد انعكاس سطوح
آزمايشات نشان داده اند كه واكنش مواد نانو سيليس (Colloidal Silica ) با هيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكرو سيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقدار بسيار كم اين مواد همان تاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميكرو سيليكا را در سنين اوليه دارا مي باشد .
تمام كارهاي انجام يافته بر روي كاربرد مواد نانو سيليس كلوئيدي (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ريولوژي ، كار پذيري و مكانيكي خمير سيمان بوده است . آنچه كه در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانو سيليس با قطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر مي باشد .
5. نانو لوله ها(NANOTUBES)
همان گونه كه در مقدمه مقاله مطرح شد معمولاً الياف براي مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانيكي بتن بكار برده مي شوند . امروزه از الياف فلزي ، شيشه اي ، پلي پروپلين ، كربن و . . . در بتن براي مسلح كردن استفاده مي شود و ليكن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربني (Carbon Nanotubes ) انتشار نيافته است تا بتوان از نتايج آن براي مسلح كردن بوسيله نانو لوله ها استفاده كرد .
نانو لوله كربني توسط LIJIMA در سال 1991 كشف شده است و كارهاي بسياري بر روي ساختار نانو در بخش فيزيك كوانتوم انجام يافته است بطوري كه تحقيقات نوين بر روي تكنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهاني نقش اساسي و اصلي بازي مي كند . كربن 60 و نانو لوله هاي نوين داراي ساختاري هستند كه آنها را از فولاد قوي تر و بسيار سبك مي كند بطوريكه مي توانند خميدگي و كشش را بدون شكستن تحمل نمايند و در آينده جايگزين الياف كربن خواهند شد كه در كامپوزيت ها به كار برده مي شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مركز تحقيقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ايران ) ، داراي مقاومت كششي بيش از هر نوع الياف بتني شناخته شده مي باشند و نيز نانو لوله ها خواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي و الكتريكي از خود نشان مي دهند ، بطوريكه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابر الماس و هادي بودن الكتريكي آنها در حدود 1000 برابر فلز مس مي باشد .
نانو لوله ها طبقه جديدي از محصولات مي باشند كه انقلابي جديد در زمينه مصالح و مواد پيشرفته را بوجود آورده اند . يك نسل جديد از نانو كامپوزيت هاي چند منظوره مي توانند به عنوان نانو لوله هاي كربني در نقش الياف مسلح كننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گيرند . بنابراين نانو لوله هاي كربني از اجزاي كليدي بدست آوردن هدف اصلي ذكر شده در فوق به عنوان مصالح ساختماني با عملكرد بالاي چند منظوره , بازي مي كنند .
6. نتيجه گيري
منظور از مقاله ارائه شده نشان دادن مصالح جديد ساختماني و بيان مزاياي استفاده از اين نوع مواد در صنعت ساختمان مي باشد ، البته به دليل نو بودن اين نوع مصالح زمينه هاي فراواني براي كارهاي نظري و عملي در دانشگاههاي كشور وجود دارد كه اميد است كه با معرفي مصالح با ساختار نانو راه براي گامهاي بلندتر در اين زمينه باز شود .
http://bamemaran.blogfa.com/post-23.aspx
كاربرد فناوري نانو در زلزله
1- کار بر روي ساخت و بهبود خواص سيالات هوشمند از جمله MR و ER با استفاده از فناوري نانو براي استفاده از اين سيالات درکنترل هاي فعال و نيمه فعال و ترکيبي (ميراگرها و محرک ها)؛
يکي از مهم ترين کاربردهاي سيالات هوشمند در کنترل سازه ها است، که کار بر روي اين سيالات شروع شده است. اين فکر شايد 5 يا 10 سال پيش مطرح شده است و غربي ها روي آن کار کرده اند و خيلي از اطلاعاتي که به ما مي رسد نتيجه مختصر اطلاعات آنهاست. هم اکنون دو مورد کارهاي تحقيقاتي روي کاربرد سيالات MR در کنترل سازه ها در پايان نامه دکتري دانشجويان در داخل ايران انجام شده است (دکتر زهرايي)
ميراگر MR در جاهاي خاصي استفاده مي شود. به طور کلي در مهاربندي هاي ساختمان ها نقش ميرايي و جذب انرژي را به قطعه اي که مي تواند يک قطعه پروفيل باشد مي دهند، که با نصب قطعات ميراگر سيال ويسکوز (MR) و استفاده از فناوري نانو در بهينه سازي رفتار آن مي توان انرژي را به خوبي مستهلک کرد، که اين روش براي سازه هاي خاص شايد مناسب باشد ولي براي سازه هاي معمولي، استفاده از آن خيلي اقتصادي نيست. (دکتر زهرايي)
استفاده از ميراگرها به علت قيمت گزافي که دارند در ساختمان هاي معمولي توجيه اقتصادي ندارد، ولي براي سازه هاي خاص مثل پل هاي معلق که ارتعاشات کابل هاي آن زياد است، مي شود از آنها استفاده کرد. کاربرد سيالات MR به صنعت ساختمان مربوط نمي شود و مثلاً در ساخت پاي مصنوعي براي تغيير سختي قسمت زانو در موقعيت هاي مختلف حرکت پا استفاده مي شوند و همچنين براي کنترل ارتعاشات مکانيکي ابزارها و وسايل ديگر مي توان از آنها استفاده کرد. در مورد اين ميراگر ها، کاربرد فناوري نانو به ساخت سيالات مربوط است. (مهندس قرباني)
در مورد ميراگرهاي MR دو بخش مطرح مي شود، يک بخش که سيال و ماده درون ميراگر است و بخش ديگر ابزار و بدنه ميراگر است که در مورد بخش ساخت سيال که به حوزه کاري مواد و متالورژي مربوط مي شود، جنس اين سيال ها مطرح است که از ذرات ريز مي باشد و فناوري نانو در اين بخش مي تواند اثر داشته باشد، کما اينکه کار بر روي ذرات نانو مغناطيس نزديک به 8 سال است که در دنيا شروع شده است و در جند سال اخير هم در کشور ما مطالعات و پيشرفت هاي زيادي در اين زمينه صورت گرفته است. (دکتر عطايي)
مواد مغناطيسي دو نوع هستند، يکي بر مبناي آلياژهاي فلزي که خواص بهتر و يک سري محدوديت هاي خاص دارند و گروه ديگر بر پايه مواد اکسيدي که مغناطيس هاي سراميکي يا فريت ها هستند. از جمله مواد مغناطيسي، فروسيال ها هستند که عمدتاً ماهيت سراميکي دارند و طبيعتاً اکسيد آهن مي باشند.
اندازه اينها بايد به حدي ريز باشد که بتوانند حالت معلق شدن را در داخل محلول نگهدارنده، داشته باشند. در واقع سنتز اين مواد مغناطيسي در حد نانو و مشخص کردن خواص ماده سنتز شده حاصل، احتياج به تجهيزات پيشرفته اي دارد، که بخش عمده آن در دانشکده هاي مختلف کشور وجود دارد. عمدتاً تهيه اين ذرات در حد نانو به روش احياي درجا HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn1#_ftn1" \o "" [1] صورت مي گيرد، علاوه بر آن مي توان اين نانو ذرات را با روش هاي شيميايي از محلول گرفت. به هر حال از ديد سنتز و تهيه مواد در کشور مشکلي وجود ندارد و نيازمند يک تيم تحقيقاتي بين رشته اي است که در قسمت هاي مختلف اين ميراگر کار کند. کاربرد اين مواد فروسيال تنها در مورد کنترل سازه ها نيست و اگر کار تحقيقاتي صورت بگيرد همه بخش ها مي توانند از نتايج آن بهره مند شوند. شناخت کافي روي اين مواد وجود دارد و نيازمند کار بيشتر است. (دکتر عطايي)
ساخت کل ميراگر مي تواند يک طرح تحقيقاتي باشد که بايد به چند زير پروژه شکسته شود و متخصصين از رشته هاي مختلف روي آن کار کنند. (دکتر عطايي)
سنتز نوعي فروسيال در پژوهشکده رنگ انجام شده است و در خصوص بهينه سازي و کنترل خواص با استفاده از فناوري نانو مي توان کار کرد. تقسيم بندي سه گروه اين سيال ها ER, MR) و فرو ( از لحاظ مزايا و معايب نيز صورت گرفته است. اين سيالات کاربردهاي متنوعي دارند که يکي از آنها در کنترل سازه است. آهن کربنيل يک ماده تقريباً آلي است که در ساختار سيالات MR وجود دارد و سنتز ذرات اينها نسبت به فروسيال ها مشکل تر است. (مهندس قاسمي)
در سيستم هاي کنترلي و ميراگرهاي MR لازم است که عکس العمل هاي سريعي نسبت به لرزش هاي ثبت شده توسط حسگر در طول زمان صورت بگيرد که امکان دارد اين تغيير حالت هاي سريع، انرژي زيادي را در سيال درون ميراگر ذخيره کند و دماي سيال از ابتدا تا انتهاي زلزله مقدار زيادي بالا برود که قطعاً روي خواص رئو لوژيکي سيال تأثيرگذار است که احتمالاً اين محدوديت ها با استفاده از نانو فناوري برطرف شوند. (دکتر حسيني )
در سنتز ذرات در حد ميکرون يا نانو از جنس آهن، کبالت يا نيکل که در سيالاتMR وجود دارند، به علت فعال بودن ذرات مشکل اکسيداسيون به وجود مي آيد و سنگين بودن اين ذرات سراميکي در پايدار نگه داشتن آنها مانع ايجاد مي کند. مزيت اين ذرات خاصيت پذيرش مغناظيسي زيادي است که دارند. مي توان با نانو فناوري روي اين سيالات کار کرد که با توجه به نوع سيال و مشکلات موجود اقتصادي به نظر نمي آيد. (مهندس قاسمي)
در حد تحقيقات لازم است گروهي بين رشته اي تشکيل شود و روي اين ميراگر ها کار کند و در انتها ما به يک تکنولوژي دست پيدا مي کنيم، که مي توانيم در زمينه هاي مختلف از آن استفاده کنيم. (مهندس قاسمي)
با توجه به گران بودن سيالات MR و مشکلات تهيه آن ها مي شود با تغيير نانو سايز ذره ها خاصيت حد تسليم برشي را هم در مواد فروسيال افزايش داد تا بتوان از فروسيالات در ساخت ميراگرها استفاده کرد. (مهندس قاسمي)
2- ساخت و بهبود خواص مواد HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn2#_ftn2" \o "" [2]SMA با استفاده از فناوري نانو براي استفاده از اين مواد در قطعات کنترل غير فعال سازه ها؛
براي استفاده از مواد جديد در اجزاي سازه اي، لازم است منحني رفتاري آنها مشخص شود و بعد از يک سري کار تئوريک، عملکرد اين مواد در سازه ها بررسي شود. بررسي پديده خستگي در اين مواد نيز لازم است، به هر حال تکنولوژي ساخت، قسمت اصلي کار است که مي توان با نانو فناوري روي آن کار کرد. (دکتر سروقدمقدم )
کاربردهاي متنوعي هر روز براي اين مواد متصور مي شود. مثلاً در سوزن هاي مورد استفاده در پزشکي، سيستم ارتودنسي، صنعت ساختمان و غيره، ساخت اين آلياژها پروسه پيچيده اي دارد و بعد از آن ارزيابي خواص اين مواد است. در ايران روي نوعي از اين مواد (Nitinol) کارهاي مختصري صورت گرفته و ادامه دارد؛ در عين حال در زمينه استفاده از نانو فناوري براي بهينه سازي خواص مطلوب آنها فعاليت هايي شروع خواهد شد. اين مواد دو خاصيت عمده فوق الاستيکي HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn3#_ftn3" \o "" [3] و حافظه داري HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn4#_ftn4" \o "" [4] را توأماً دارا هستند که اين خواص لزوماً بهينه نيستند و بهينه سازي هر کدام از آنها روي خاصيت ديگر تأثير مي گذارد.
به علت حساس بودن فرآيند آناليز، در ساخت اينها از مواد اوليه با خلوص بالا استفاده مي شود. اساساً وارد شدن بحث نانو فناوري در اين موارد قضيه را پيچيده مي کند به صورتي که کار بسيار جديدي است که در دنيا تازه شروع شده است. (دکتر رايگان)
در مهندسي عمران که با ابعاد ماکرو سر وکار داريم، در خلقت مصالح رفتارهاي بسيار جالبي وجود دارد، که در مقياس هاي ريز مي شود آنها را تصحيح کرد، فولاد جزء بهترين مصالحي است که در طبيعت وجود دارد و داراي خواص ارتجاعي HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn5#_ftn5" \o "" [5]، کشساني HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn6#_ftn6" \o "" [6] و کار سختي HYPERLINK "http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204" \l "_ftn7#_ftn7" \o "" [7] است، اگر در فولاد خصوصيت کارسختي وجود نداشت، جذب انرژي هم به خوبي صورت نمي گرفت. در سيستم هاي کنترلي خيلي ساده اي که در کشور روي آنها کار کرده ايم، محدوديت هاي شکل پذيري، خستگي و تغيير شکل هاي ماندگار مصالح براي اين سيستم ها مشکل ايجاد مي کند. مثلاً براي ساخت يک Mild Steel معمولي در کشور محدوديت هاي زيادي وجود دارد که اين محدوديت ها را مي توان با فناوري هاي نانو و سيستم هاي پيشرفته حل کرد. (دکتر حسيني)
استفاده از اين مواد در ميراگرهاي اصطکاکي جاري شونده و انجام کارهاي تحقيقاتي با استفاده از توانمندي هاي نانو فناوري براي بهتر کردن خصوصيات ميراگرها و براي پيش بردن دانش فني لازم است. (دکتر سروقدمقدم).
3- استفاده از فناوري نانو براي بهبود خواص لاستيک هاي به کار رفته در سيستم هاي جداگر لرزه اي؛
در صنعت لاستيک و کامپوزيت هاي مورد استفاده در سازه ها، استفاده از لاستيک هاي خاصي که قابليت ميرايي بالا و قابليت تغيير شکل برشي زياد دارند، کيفيت بهتري به سيستم جداگر لرزه اي مي دهد که با نانو فناوري مي توان اين خواص را در لاستيک ها ايجاد کرد. (دکتر زهرايي)
يکي از سيستم هاي بسيار خوب سيستم جداگر لرزه اي است که با فناوري هاي خاصي که دارد، وقتي اجراي آن در کشور اقتصادي و منطقي است که بتوانيم خودمان آن را بسازيم و از فناوري جديدي مثل نانو در بهبود خواص آن استفاده کنيم. (دکتر حسيني)
در يکي از قسمت هاي سيستم هاي جداگر لرزه اي، در مورد بهبود خواص لاستيک و بالابردن عمر مفيد آن با استفاده از نانو فناوري مي توان تحقيقاتي را انجام داد. (دکتر سروقدمقدم)
در لاستيک هايي که در سيستم جداگر لرزه اي استفاده مي شود، خواص مشخصي لازم است که ميرايي بالا و توانايي تحمل تغيير شکل برشي از آن دسته اند، يعني اگر بتوانيم از لاستيک منحني رفتاري نيرو تغيير مکان هاي دو خطي به دست بياوريم که کرنش هاي بالا را در اتصال سيستم جداگر لرزه اي تحمل کند و بدون خرابي به حالت اول برگردد، توان استهلاک انرژي فوق العاده بالايي به وجود مي آيد که مي توان با استفاده از فناوري نانو بر روي اين خواص کار کرد. (دکتر زهرايي)
4- استفاده از نانوسنسورها، نانو سيم ها و قطعات الکترونيکي کوچک بر ثبت شاخص هاي کنترل سيستم هاي مختلف (کرنش، جابجايي، شتاب انرژي جذب شده و ...) و تصوير کردن وضعيت سلامت داخلي اجزاي سازه در ابزار هاي کنترل غير فعال؛
حسگرها يکي از زمينه هاي وسيعي است که ما در کنترل سازه ها نياز داريم، اين قطعات الکترونيکي نه تنها در روش هاي فعال، بلکه در روش هاي غير فعال و براي تصوير کردن وضعيت سازه ها به کار مي روند، که مي توان با استفاده از نانو فناوري قابليت هاي آنها را افزايش داد. (دکتر زهرايي)
http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=204