نقش فناوری نانو در محصولات

 1- مقدمه

محیط‌زیست شامل مجموعه‌ای از عوامل زیستی و محیطی است که بر زندگی یک فرد یا گونه تأثیر می‌گذارد یا از آن تأثیر می‌پذیرد. حفاظت از محیط‌زیست عبارت است از فعالیت‌هایی که به منظور حفظ سلامتی محیط طبیعی شامل آب، خاک و هوا انجام می‌شود. امروزه این تعریف غالباً به انسان و فعالیت‌های او مرتبط می‌شود و می‌توان محیط‌زیست را مجموعه‌ای از عوامل طبیعی کره زمین همچون هوا، آب، اتمسفر، صخره و گیاهان که انسان را احاطه می‌کنند، خلاصه کرد [1و2]. برای کنترل دقیق آلاینده‌ها ابتدا باید به سراغ منابع آن‌ها برویم. لذا شناسایی منشأ آلودگی بسیار مهم است. فناوری نانو این امکان را ایجاد کرده است که مواد به گونه‌ای مصرف شوند که به طور مؤثری ورود آلاینده‌های ناشی از فعالیت‌های انسانی به محیط‌زیست را کم کنند. حرکت با برنامه به سمت برخی صنایع منجر به کاهش آسیب به طبیعت می‌شود. این کار به کمک فناوری نانو امکان‌پذیر است [3و4].

مطلب پیشنهادی: کاربرد فناوری نانو در لباس

با هدف تبدیل شدن به یک مرجع معتبر، قابل استناد و به روز، بانک محصولات فناوری نانو (NPD) به آدرس http://product.statnano.com/ در اسفند 1394 آغاز به کار کرد تا اطلاعات مربوط به محصولات نانویی موجود در بازارهای جهانی را جمع‌آوری و تحلیل کند. تا ابتدای مرداد 1396، تعداد 487 محصول نانویی صنعت محیط‌زیست موجود در بازارهای جهانی توسط این بانک اطلاعاتی رصد شده‌اند که از میان آن‌ها محصولات 148 شرکت از 28 کشور بررسی و به ثبت رسیده‌اند. محل دفتر مرکزی شرکت‌های تولید‌کننده محصولات نانویی به عنوان کشور اصلی آن شرکت‌ها در نظر گرفته شده است. بالغ بر 27 نوع محصول متمایز نانویی در این صنعت شناسایی شده است. هر محصول صنعتی که در راستای حفاظت از محیط‌زیست باشد، محصول صنعت محیط‌زیست می‌نامند. طبق تعریف استاندارد ISO TS 18110، هر نوع محصول محیط‌زیست حاوی نانوماده که کارکرد یا خاصیت آن با فناوری نانو بهبودیافته یا مبتنی بر فناوری نانو باشد، محصول محیط‌زیست فناوری نانو به حساب می‌آید. محصول محیط‌زیست فناوری نانو می‌تواند محصول میانی بهبودیافته با نانو یا محصول نهایی بهبودیافته باشد. صنعت محیط‌زیست به سه حوزه صنعتی کنترل آلودگی هوا، کنترل آلودگی خاک و کنترل آلودگی آب تقسیم‌بندی می‌شود. در جدول 1 انواع مختلف محصولات هر حوزه صنعتی آورده شده است.

جدول 1- لیست حوزه‌های صنعتی محیط‌زیست و انواع محصولات هر حوزه

2- نانومواد مورد استفاده در محصولات تجاری

طبق تحلیل بانک محصولات فناوری نانو، عمده محصولات تجاری موجود در بازارهای جهانی محیط‌زیست حاوی یکی از نانوذرات نقره، دی‌اکسید‌ تیتانیم، اکسید‌ منگنز، دی‌اکسید‌ سیلیسیم، اکسید ‌روی و مواد نانومتخلخل هستند که در ادامه به تفکیک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

مطلب پیشنهادی: جدیدترین محصولات نانو تکنولوژی در سال 2022

1-2- نانوذرات نقره

نانوذرات نقره به‌عنوان پرکاربردترین نانوماده، در حدود 35 درصد از محصولات صنعت محیط‌زیست مرتبط با کنترل آلودگی هوا و خاک مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این نانوماده در انواع مختلف تصفیه‌کننده‌ها و تهویه مطبوع‌های هوا گزارش شده است. شرکت‌های تولیدی مختلفی در سراسر دنیا از نانوذرات نقره در محصولات خود استفاده کرده‌اند که فعال‌ترین آن‌ها Caware Int’l Co، KACECO، Tatung Company، Samsung Electronics و LG Electronics هستند. ویژگی اصلی این نانوماده آن است که به مرور زمان یون‌های ⁺Ag را از خود ساطع می‌کنند. این یون‌ها طی واکنش جانشینی باندهای ^–HS را در جداره میکروارگانیسم به باندهای ^–AgS تبدیل می‌کنند که نتیجه این واکنش تاتوره شدن و تلف شدن میکروارگانیسم‌هایی نظیر Escherichia coli، Pseudomonas aeruginosa و Staphylococcus aureus است و به این ترتیب خاصیت آنتی‌باکتریال و ضدبوی قوی از خود نشان می‌دهد [5]. به طور معمول از نانوذرات نقره به صورت پوشش‌های لایه‌نازک نانوکریستالی بر روی شن، زئولیت، فایبرگلس و انواع مختلف رزین استفاده می‌شود که می‌تواند طیف وسیعی از باکتری‌ها مانند Escherichia coli، Vibrio cholerae، Shigella dysenterae و Salmonella typhimurium را از آب‌های آلوده حذف کند [6]. امروزه به فیلترهای سرامیکی مرسوم (CWF) مورد استفاده در تصفیه آب، بین 32 تا 96 میلی گرم به ازای هر فیلتر استاندارد نانوذرات نقره اضافه می‌شود تا پاتوژن‌های غیرفعال نیز حذف شوند [7]. این نانوماده در انواع محصولاتی چون فیلترها، غشاها، سیستم‌های فیلتراسیون و آب‌سردکن‌ها گزارش شده است. بیشترین خواص محصولات حاوی نانوذرات نقره به ترتیب خاصیت آنتی‌باکتریال، حذف نیترات‌ها، بوی بد، یون‌های فلزی سنگین، کلرایدها، فلورایدها، سولفات‌ها و غیره هستند که در محصولات کشورهایی چون آمریکا، کانادا، کره جنوبی، مالزی و آلمان به چشم می‌خورند. شرکت‌های Bionomic Technologies، Bluline، Ecochem International، Bielmeier Hausgeräte GmbH، Nano Silver Manufacturing، Katadyn Asia، Globaltech Ventures Sdn Bhd، Saywood، Wigen Water Technologies، ProMinent و Dime Water محصولات حاوی نانوذرات نقره خود را برای کاربردهایی نظیر حذف شوری آب، شیرین‌سازی آب دریا، تهیه آب آشامیدنی از آب‌های سطحی و زیرزمینی مناسب می‌دانند.

2-2- نانوذرات اکسید‌ منگنز

نانوذرات اکسید ‌منگنز عموماً به صورت R-MnO₂-HS سنتز می‌شوند که قابلیت خوبی در حذف آلودگی‌های محیطی مانند بنزن، تحت تابش نور خورشید دارند. قابلیت فوتوکاتالیستی این ماده در حدود 200 برابر نانوذرات دی‌اکسید ‌تیتانیم است. این نانوذرات دارای سطح ویژه بالایی بوده و به همین دلیل خاصیت کاتالیستی بالاتری نسبت به ذرات بالک اکسید ‌منگنز از خود نشان می‌دهند و به همین دلیل به‌عنوان کاتالیست‌های مورد استفاده در حذف آلودگی‌های محیط‌زیست مورد استفاده قرار می‌گیرند [8]. سه شرکت American Elements، US Research Nanomaterials و Zhengzhou Dongyao Nano از کشورهای ایالات متحده و چین پیشتازان تولید محصولات فناوری نانو با به کارگیری این نانوذرات هستند.

3-2- نانوذرات دی‌اکسید‌ تیتانیم

نانوذرات دی‌اکسید ‌تیتانیم به‌عنوان دومین نانوساختار پرکاربرد در محصولات ثبت شده در NPD شناخته می‌شوند. دو شرکت PBA air quality solution و Sensigent از ایالات متحده فعال‌ترین تولیدکنندگان محصولات فناوری نانو در حوزه کنترل آلودگی هوا با کمک این نانوماده هستند. سیستم‌های تصفیه‌کننده هوا و سنسورهای هشداردهنده نشت گاز از مهم‌ترین انواع محصولاتی هستند که با استفاده از این نانوماده تولید و عرضه شده‌اند. این نانوماده دارای خاصیت فوتوکاتالیستی قوی است که در نتیجه آن می‌تواند در محصولات مرتبط با محیط‌زیست به حذف بهتر باکتری‌ها، ویروس‌ها، قارچ‌ها و آلودگی‌ها کمک کند [9]. این ماده در کاربردهایی نظیر تصفیه آب نیز مورد توجه قرار گرفته است زیرا خاصیت فوتوکاتالیستی را در دمای اتاق به خوبی نشان می‌دهد بدون آن که آلودگی ثانویه‌ای ایجاد کند و به‌علاوه دارای چرخه فوتوکاتالیستی تکراری و کم هزینه است. به‌علاوه در هنگام تصفیه آب و حذف نمک‌ها و مواد ارگانیک، بوی آب تغییر نمی‌کند. جهت تصفیه آب به کمک دی‌اکسید تیتانیم دو روش مرسوم وجود دارد. در روش اول پودر نانوذرات TiO₂ به فاضلاب اضافه می‌شود. در روش دوم پوششی لایه‌نازک از کریستال‌های نانویی روی سطح ایجاد شده و فاضلاب در معرض آن قرار می‌گیرد. بعد از مدت زمان مشخص با فرآیند اکسیداسیونی که در اثر فعال شدن اکسید تیتانیم در برابر پرتوی فرابنفش روی داده است، آلاینده‌ها به آب و دی‌اکسید‌کربن تجزیه می‌شوند. در هر دو روش با برخورد فوتون در سطح ذرات، جدایش الکترون-حفره رخ  می‌دهد و الکترون‌های ایجاد شده در نوار هدایت TiO₂ در فرایند احیای اکسیژن مشارکت می‌کنند و در نتیجه حفراتی ایجاد می‌شود که قابلیت اکسیدکنندگی بالایی دارند. در عین حال، الکترون‌ها نیز که خاصیت احیاکنندگی قوی دارند، پس از تماس با آب، رادیکال‌های آزاد اکسیژنی و هیدروکسییلی ایجاد می‌کنند. این رادیکال‌ها خاصیت اکسیدکنندگی بالایی داشته و قادر خواهند بود مواد آلاینده و باکتری‌ها را به مواد بی‌خطر مانند آب و دی‌اکسید کربن تجزیه کنند و به این ترتیب گونه‌های میکروبیال مختلف را غیرفعال کنند [10]. فیلترها، غشاها و سیستم‌های فیلتراسیون ساخته شده توسط شرکت‌های Purely RO، Ecochem International، Purifiner، Lifestream Watersystems، AES Arabia، Wigen Water Technologies، ProMinent و Dime Water از نانوذرات تیتانیا در محصولات خود استفاده کرده‌اند. کاربرد این دسته از محصولات تهیه آب آشامیدنی از آب‌های سطحی و زیرزمینی، شیرین‌سازی آب دریاها، تصفیه فاضلاب‌های شهری، دارویی و غذایی و تهیه آب ورودی به بویلرها است.

مطلب پیشنهادی: جدیدترین کاربرد های فناوری نانو در صنعت خودرو

4-2- مواد نانومتخلخل

مواد نانومتخلخل دسته‌ای از مواد هستند که حفره‌هایی در ابعاد نانو دارند. حجم زیادی از ساختار مواد نانومتخلخل را فضای خالی تشکیل می‌دهد. از جمله ویژگی‌های مهم مواد نانومتخلخل، نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینش‌پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی مناسب است. از این‌رو قابلیت مناسبی در کاربردهای محیط‌زیست به‌عنوان غشا دارند. در ساخت مواد نانومتخلخل از پلیمرها، سرامیک‌ها، چهارچوب‌های فلزی-آلی، کربن فعال، نانولوله‌های کربنی و فیبرهای کربنی استفاده می‌شود [11]. غشاهای برپایه مواد نانومتخلخل عموماً دارای استحکام مکانیکی و حرارتی مناسبی بوده و در شرایط کاری قابل اعتماد هستند. مواد نانومتخلخل بار اصلی در محصولات تصفیه آب و فاضلاب را بر دوش دارند به طوری که با تقریب خوبی می‌توان تمام محصولات ثبت شده در این صنعت را حاوی این دسته از نانومواد دانست. ویژگی مهم دیگر این مواد آن است که بو و طعم آب را تغییر نمی‌دهند و در pHهای مختلف اسیدی و قلیایی کارایی دارند [12]. زئولیت‌ها مهمترین ترکیبات متخلخل با ساختار منظم بلوری و بار ذاتی منفی هستند. زئولیت‌ها مواد جاذب با ساختار شبکه‌ای متخلخل‌ هستند که عمدتاً از سیلیکات‌ها یا آلومینوسیلیکات‌ها تشکیل شده‌اند. هدف اصلی به کارگیری این نانومواد در محصولات محیط‌زیست، حذف آلودگی‌ها با مکانیزم جذب سطحی است. نانوزئولیت‌ها موادی مناسب برای جذب آلاینده‌های نیتروفنلی با ظرفیت بین mg/g 122 تا 157 هستند و بازدهی عملکرد آن‌ها در حذف مواد سمی حدود 70 درصد است [13]. زئولیت‌ها عموماً در شرایط هیدروترمال داخل اتوکلاو و به کمک یک قالب آلی تهیه می‌شوند که در دمای بالا این قالب حذف می‌شود و جای آن را تخلخل می‌گیرد [14]. سطح ویژه بالا، چگالی زیاد نقاط جاذب فعال و قابلیت بالای انتقال جرم از مهمترین خواصی هستند که این مواد را در کاربردهای کاتالیستی محیط‌زیست مانند حذف آلایندگی‌های خودروها مطرح کرده است [15]. مهم‌ترین ویژگی این نانومواد در حوزه تصفیه آب آن است که قابلیت مناسبی در حذف آلاینده‌هایی نظیر سولفات‌ها، کلرایدها، نیترات‌ها، مواد ارگانیک، یون‌های فلزی سنگین، نمک‌ها، باکتری‌ها، ویروس‌ها و حشرات داشته و به خوبی سختی آب را کاهش می‌دهند. به خاطر سطح ویژه بالای این مواد، شار عبوری از آن‌ها قابل توجه است و درنتیجه با انرژی کمتر، مقدار آب بیشتری آماده خواهد شد که به لحاظ اقتصادی قابل قبول است. زئولیت‌ها محیط‌های مناسبی برای واکنش‌های تعویض یونی فراهم می‌کنند. به‌عنوان مثال، زئولیت‌های NaP1 دارای چگالی بالایی از یون‌های سدیم هستند که با روش هیدروترمال سنتز می‌شوند. این زئولیت‌ها کارایی خوبی در حذف عناصر سنگین مانند Cr⁺³، Ni⁺²، Zn⁺²، Cu⁺² و Cd⁺² از فاضلاب‌های اسیدی دارند [16]. زئولیت‌ها علاوه بر ساختار نانومتخلخل می‌توانند به صورت نانوذرات نیز سنتز شوند. به این صورت که با استفاده از لیزر به ذرات نانومقیاس شکسته می‌شوند که افزایش سطح ویژه آن‌ها و در نتیجه افزایش میزان واکنش تعویض یونی را به همراه دارند [17]. مهمترین شرکت‌هایی که از نانومواد متخلخل در محصولات مرتبط با حوزه آب و فاضلاب خود استفاده کرده‌اند، شرکت‌های TriSep Corporation، Dow Chemical Company، Nanostone Water، Hunan Keensen Technology Co و Applied Membranes هستند. در 10 درصد از محصولات کنترل آلودگی خاک ثبت شده در بانک محصولات فناوری نانو، که از کشورهایی مانند ایالات‌متحده، کانادا، استرالیا و هلند هستند، از نانوساختارهای زئولیت استفاده شده است. از میان شرکت‌های رصد شده فعال در این حوزه می‌توان به Bear river zeolite، Zeotech Corporation، Zeolite Australia، IDA-ORE، KMI Zeolite، Greenmaker، Grigg Brothers، Enviro Veritas و Richgro اشاره کرد.

5-2- نانوذرات دی‌اکسید ‌سیلیسیم

نانوذرات دی‌اکسید ‌سیلیسیم (SiO₂) سومین نانوماده پرکابرد میان تمام محصولات ثبت شده در بانک NPD هستند. نانوذرات SiO₂ در فیلترها، غشاها، سیستم‌های فیلتراسیون و اسمز معکوس تولید شده در کشورهایی نظیر آمریکا، کانادا، ایران و عربستان دیده شده‌اند. حذف سختی آب از طریق کاهش نمک‌ها، نیترات‌ها، سولفات‌ها، یون‌های فلزی سنگین، مواد ارگانیک و حشرات از مهم‌ترین ویژگی‌هایی است که این دسته از نانومواد در اختیار محصولات صنعت آب و فاضلاب قرار می‌دهند. ویژگی‌های دیگری چون قابلیت کار در شرایط پرفشار، pHهای مختلف اسیدی و بازی و محیط‌های خورنده نتیجه استفاده از نانوذرات SiO₂ است. شرکت‌های Purely RO، Ecochem International، Purifiner، Pacific Water Technology، Lifestream Watersystems، Separation Technology، AES Arabia، Wigen Water Technologies، ProMinent و Dime Water عمده مصرف‌کنندگان این نانوماده در محصولات خود هستند.

6-2- نانوذرات اکسید ‌روی

نانوذرات اکسید‌ روی (ZnO) با جذب نور مرئی و ایجاد زوج الکترون و حفره، خاصیت فوتوکاتالیستی قوی از خود نشان می‌دهند. بازدهی نانوذرات اکسید ‌روی در حذف آلاینده‌های فاضلاب، روزانه حدود 95 درصد گزارش شده است [18]. نانوذرات اکسید ‌روی در بخش کمی از محصولات ثبت شده در بانک به کار رفته‌اند (تنها در حدود 1 درصد از کل محصولات). ویژگی اصلی محصولات حاوی نانوذرات اکسید‌ روی استفاده بهینه از انرژی و مقاومت در برابر خوردگی است و کاربردهای آن‌ها تهیه آب آشامیدنی از آب‌های سطحی، تهیه آب ورودی به بویلر و جداسازی‌های صنعتی است. شرکت‌های Ecochem International، Wigen Water Technologies، ProMinent و Dime Water تولیدکنندگانی هستند که از مزایای این نانوذرات در محصولات خود استفاده کرده‌اند.

3- خواص ایجاد شده توسط نانومواد در محصولات صنعت محیط‌زیست

در جدول 2 انواع محصولات حوزه صنعتی کنترل آلودگی هوا و خاک و در جدول 3 انواع محصولات حوزه صنعتی کنترل آلودگی آب به تفکیک ویژگی‌ها و نانومواد موجود در آن‌ها آورده شده است. خواص ذکر شده برای این محصولات بسته به حوزه صنعتی آن‌ها متفاوت است. مهم‌ترین خاصیت مورد نیاز در محصولات محیط‌زیست مرتبط با حوزه صنعتی، کنترل هوا و خاک آن است که آلودگی‌ها، باکتری‌ها و ذرات معلق موجود حذف شوند. طبق تحلیل NPD، خواص آنتی‌باکتریال، حذف آلاینده‌ها و قارچ‌ها، ضد بو، مقاومت در برابر خوردگی سیستم مورد استفاده برای حفاظت محیط‌زیست، کاهش مصرف انرژی، رطوبت‌زدایی و خودتمیزشوندگی بیشترین فراوانی را میان محصولات رصد شده داشته‌اند. در خصوص محصولات حوزه صنعتی کنترل آلودگی آب، پرکاربردترین ویژگی‌های ذکر شده کاهش مصرف انرژی حین فرایند تصفیه آب، قابلیت کاهش سختی آب از طریق حذف یون‌ها، مواد ارگانیک، نیترات‌ها، سولفات‌ها، کلرایدها، شار عبوری بالا ناشی از سطح ویژه مناسب نانومواد، فشار کاری پایین، پایداری حرارتی، خاصیت آنتی‌باکتریال، حذف بوی بد آب و محافظت در برابر اشعه فرابنفش هستند.

جدول 2- مقایسه انواع محصولات حوزه صنعتی کنترل آلودگی هوا و خاک به تفکیک ویژگی موجود در آن‌ها

جدول 3- مقایسه انواع محصولات حوزه صنعتی کنترل آلودگی آب به تفکیک ویژگی موجود در آن‌ها

5- بحث و نتیجه‌گیری

فناوری نانو ابزار قدرتمندی در دستان بشر در راستای حفاظت از محیط‌زیست و کاهش آلودگی‌های مرتبط با آن است. امروزه بسیاری از شرکت‌های پیشرو در این حوزه به سمت استفاده از فناوری نانو رفته‌اند تا بتوانند با محصولات با کیفیت بالاتری در این صنعت فعالیت کنند. هر چند که هنوز بسیاری از تولیدکنندگان محصولات محیط‌زیست تمایلی به استفاده از این فناوری نوین نشان نداده‌اند. از جمله مزایای فناوری نانو در محصولات محیط‌زیست می‌توان به ایجاد خواص آنتی‌باکتریال و ضد بو توسط نانوذرات نقره، حذف آلودگی‌های محیطی مانند بنزن تحت تابش نور خورشید به کمک نانوذرات اکسید ‌منگنز، خاصیت خودتمیزشوندگی نانوذرات دی‌اکسید ‌تیتانیم و اکسید ‌روی ناشی از فعالیت فوتوکاتالیستی قوی آن‌ها، کاهش سختی آب از طریق حذف یون‌ها با کمک غشاهای دارای حفرات نانویی و حذف آلودگی‌ها، باکتری‌ها و ذرات معلق موجود در هوا از طریق مواد نانومتخلخل اشاره کرد.

شما می توانید جدیدترین محصولات نانو خودرو و محصولات خانگی و پاک کننده نانو را در فروشگاه فتلک مشاهده و بررسی کنید و سفارش خود را ثبت نمایید.