دوشنبه 20 آذر 1402

استفاده از نانوجاذب ها برپایه آئروژل ها برای حذف آلاینده های نفتی و تصفیه پساب های صنعتی

آلودگی های نفتی آب و راه حل های نانوفناوری

به دلایل مختلفی از جمله عملیات روزمره پایانه ها و تانکرهای حمل نفت، سوانح احتمالی، ، ورود مقادیری از آلودگی های نفتی به آب دریا اجتناب ناپذیر است. نشت نفت در آب دریاها می تواند به مرور فجایع زیست محیطی همچون رسوب در ساحل را رقم بزند که در نهایت منجر به مرگ یا کاهش تعداد بسیاری از جانداران گردد. همچنین فعالیت های اکتشافی استخراج و بهره برداری از منابع نفتی و گاه نشت احتمالی مواد نفتی و فاضلاب های مربوطه از پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی می تواند به آلودگی منابع آب زیرزمینی نیز منجر شود. به طور معمول از عواملی همچون میکروارگانیسم ها، تمهیدات مکانیکی (اسکیمرها)، دترجنت ها و جاذب ها برای برطرف نمودن آلودگی های نفتی آب استفاده می گردد. تنها مقادیر کمی از آلودگی های مواد روغنی و نفتی توسط باکتری های محیط از بین می روند و حذف مابقی آلودگی ها از محیط زیست بسیار زمان بر خواهد بود. استفاده از کاتالیزو ها بازده مطلوبی در بر نخواهد داشت چراکه حجم زیاد آب دریاها و رودخانه ها عملکرد کاتالیزور ها را ناچیز می کند. اکثر سیستمهای جمع آوری آلاینده های نفتی گران و هزینه بر هستند به همین دلیل ساخت ابر حاذب های برای جمع آوری آلاینده های روغنی از سطح آب و همچنین فاضلاب های صنعتی ضروری به نظر می رسد.

نانوفناوری گزینه های متعددی را برای حذف آلاینده های نفتی و روغنی در آب و فاضلاب پیشنهاد می دهد. از این دسته می توان به ساختارهایی نظیر آئروژل ها، پخش کننده های نانویی (Nanodispersant)، نانوغشاها، نانوفوم ها، نانوفیلترها و نانوپد ها اشاره نمود. در بسیاری از این ساختارها از نانوفرم های کربن، نانوذرات مغناطیسی و همچنین نانوساختارهای سیلیکاتی جهت ایجاد تخلخل و آب گریز نمودن سطح بهره برده شده است. در بسیاری موارد ابرآبگریزی (Superhydrophobicity) می تواند بوسیله نانوساختارهای ویژه ایجاد گردد.

آئروژل ها، سبک ترین جامدات جهان با قابلیت جذب بالا

ژل ماده ای با تخلخل بسیار زیاد است که در فضای خالی خود می تواند مقدار فراوانی از ماده خارجی را جذب نماید. آئروژل ها در حالت معمول تا حجمی نزدیک به 90 درصد از هوا پر شده اند و استحکام بالای چهارچوب آن کمک می کند تا ساختار متخلخل از هم نپاشد. به این دلیل که حجم بیشتر آئروژل هوا است، بعنوان سبکترین ماده جامد جهان شناخته می شود. گاه نیز به آئروژل ها در اصطلاح “دود منجمد” گفته می شود. آئروژل ها می توانند در معمول ترین حالت جنس سیلیکاتی و یا کربنی داشته باشند.

آئروژل سیلیکاتی با ساختار شفاف و آئروژل کربنی روی گل قاصدک قرار داده شده و وزن پایین آن هیچ تغییری بر ساختار ظریف آن ایجاد نکرده است.

آئروژل کربنی از ذرات نانومتری یا نانوساختارهای کربنی (گرافن، نانولوله یا نانوفیبر کربن) بهم پیوسته تشکیل شده است. این ترکیبات دارای تخلخل بالای 50% و قطر تخلخل زیر 100 نانومتر می باشند. همچنین سطح فعالی در حدود 400 تا 1000 متر مربع بر گرم را از خود نشان می دهند. معمولا در اشکال تجاری کاغذ، پودر، گرانول و مونولیت ارائه می شوند. گاه به نام نانوفوم های کربن یا نانواسفنج های کربنی نیز شناخته شده اند. هرچند آئروژل های کربنی در اسطلاح تخصصی ترکیباتی با قابلیت های بالاتری نسبت به فوم های کربن می باشند. هر دو این موارد نسبت به کربن فعال، کارآیی بسیار بالاتری را نشان می دهند.

در مقایسه با کربن فعال، سطح موثر بسیار بیشتری در خصوص آئروژل ها مورد انتظار است. معمولا آئروژل های کربنی از کربونیزاسیون پیش پلی مرهای RF (رزورسینول-فرمالدهید) و یا ساختارهای سلولزی (معمولا مواد طبیعی) ساخته می شوند. همچنین برخلاف کربن فعال سطح آئروژل های کربنی فاقد گروه های اکسیژن دار است. عدم حضور گروه های اکسیژن دار به آب گریزی بیشتر سطح کمک می کند که این خود منجر به جذب بهتر گونه های آلی و روغنی می شود.

به طور کلی مشکل گران قیمتی ترکیبات آئروژلی سیلیکاتی در مورد آئروژل های کربنی وجود ندارد. یکی از عمده ترین مزایای تولید آئروژل کربنی ، این است که می توان آنها را از مواد دور ریختنی و یا ارزان قیمتی مثل پوست خرچنگ ، پنبه، خیارسبز و…تولید کرد.

آئروژل ها در حذف آلاینده های نفتی

آئروژل های آب گریز می توانند تا بیش از 100 برابر وزن اولیه خود ترکیبات آلی را جذب نمایند و درعین حال آب را جذب ننمایند. جذب آب توسط جاذب های نفتی یکی از مشکلاتی است که به کاهش کارایی چنین جاذب هایی در استفاده های عملیاتی می انجامد. همچنین این جاذب ها می توانند بارها و بارها مورد استفاده مجدد قرار گیرند. همچنین کارآیی اولیه را در دفعات استفاده مجدد به خوبی حفظ می کنند. آئروژل هایی با ساختار متعدد می توانند در جهت حذف آلاینده های نفتی و روغنی به کار گرفته شوند. سیلیکاآئروژل های آب گریز (تلفیق نانوژل و آئروژل)، آئرورس ها (آئروکلی)، مائروژل ها (آئروژل های تهیه شده از ضایعات گیاهی) و آئروژل های کربنی از این دسته اند.

به این دلیل که آئروژلها بسیار سبک می باشند ، می توان آنها را در حجم زیاد به راحتی حمل کرد. همچنین آئروژلها رو سطح آب شناور می مانند و در مدت چند ثانیه مقادیر زیادی از مواد روغنی و نفتی رابه خود جذب می کنند. همچنین برخی از مواد روغنی و نفتی ممکن است در بستر نه نشین شوند که آئروژل های کربنی قدرت جذبشان را در زیر آب به راحتی حفظ می کنند.

توانایی جذب گازوئیل توسط آئروژل کربنی از سطح آب در کمتر از 20 ثانیه

آئروژل های کربنی به آسانی آلاینده را در زیر آب جذب می کند.

بسته به نوع ساختار تشکیل دهنده ، اندازه منافذ، و نوع عامل دار شده آئروژل کربنی ، شدت جذب برای مواد روغنی و نفتی متفاوت خواهد بود. بنابر این می توان بسته به نوع آلاینده، نوع آئروژل کربنی را انتخاب کرد.

درصد ظرفیت جذب حجمی برای مواد آلی و روغنی

برای بازیابی مجدد آئروژل کربنی معمولا از دو روش به صورت گسترده استفاده می شود. شعله ورسازی وتقطیر. اگر روغن و یا الاینده جذب شده توسط آئروژل کربنی ارزش ناچیزی داشته باشد، میتوان آئروژل را آتش زد تا همه مواد نفتی که به خود جذب کرده را بسوزاند بدون آنکه کمترین آسیبی به خود آئروژل وارد شود. سپس میتوان آن آئروژل را با همان ظرفیت جذب، مجددا استفاده کرد.

آئروژل در حال سوختن

آئروژل بعد پایان مواد نفتی جذب کرده

اما اگر مواد روغنی و یا نفتی ارزش استفاده داشته باشند می توان به راحتی از طریق تقطیر ، آنها را از آئروژل خارج کرد و آئروژل کربنی را برای جذب آلاینده ها مورد استفاده مجدد قرار داد بدون آنکه تغییری در ابعاد و ظرفیت آئروژل به وجود آید.

استخراج مواد روغنی از آئروژل کربنی جهت بازیابی آئروژل ها.

شرکت ها و محصولات تجاری مرتبط با جاذب های نفتی و روغنی برپایه آئروژل

به دلیل نگرانی های زیست محیطی در خصوص آلودگی های نفتی و فاضلاب های روغنی و همچنین استقبال روزافزون از دستاوردهای نانوفناوری، محصولات فنی متعددی در سطح دنیا برای جذب آلاینده های نفتی برپایه نانومواد ارایه شده اند. شاخص ترین محصولات در ادامه آورده شده اند:

شاید یکی از اولین محصولات نانوساختار برپایه آئروژل جاذبی باشد که توسط شرکت آمریکایی Thermablok در همکاری با سازمان فضایی آمریکا (ناسا) ارایه شده است. این محصول می تواند تنها 14 تا 20 برابر وزن اولیه خود نفت را جذب کند.
جاذب با نام تجاری GIGASORB یک محصول روسی است که بیشتر برپایه کربن فعال عمل می کند. این محصول نوع پیشرفته جاذب پیشین خود تحت نام تجاری MEGASORB است.
محصول با نام تجاری RECAM (مواد کربنی واکنش پذیر) توسط شرکت Aglietto معرفی شده که برای جذب لکه های نفتی کوچک و متوسط پیشنهاد شده است. این جاذب سازگار با محیط زیست و غیر سمی است. همچنین جزو مواد فرومغناطیس محسوب شده و می تواند با کمک میدان مغناطیسی جمع آوری شود. RECAM می تواند تا 90 برابر وزن خود نفت را جذب نماید.
محصولی با کارآیی بالاتر با نام NAIMOR (ماده ابتکاری نانوساختار برای بازیابی نفت) توسط شرکت Indiegogo, Inc به عنوان محصول ارتقا یافته در مقایسه با RECAM معرفی شده است. این محصول که توانایی پاکسازی لکه های بزرگ نفتی را دارا می باشد، می تواند تا 150 برابر وزن اولیه خود نفت را جذب نماید. به دلیل خاصیت آبگریزی بسیار بالای این محصول، گونه های نفتی جذب شده فاقد آب می باشند. محصول ارائه شده در اشکال مختلفی می تواند بنابر مورد استفاده ساخته شود.
بسیاری از شرکت های صنعتی بزرگ دنیا در زمینه آئروژل های سیلیکاتی نیز به تولید یا نهایتا تحقیق در زمینه آئروژل های کربنی پرداخته اند. اسامی شرکت های فوق در زیر آمده است:

Buyaerogel, TAASI, JIOS Aerogel, Cabot Corporation, Acoustiblok UK Ltd. Active Space Technologies, Airglass AB, American Aerogel Corporation, Aspen Aerogels Inc., BASF SE, Dow Corning Corp., Svenska Aerogel AB

فعالیت های مشابه در ایران

در ایران شرکت واکنش صنعت پارت مستقر در شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان به تولید و فروش مقیاس بالای محصولات آئروژلی پایه سیلیکاتی پرداخته است. تولید صنعتی آئروژل های کربنی در داخل کشور در مراحل تحقیقاتی-آزمایشگاهی پیشرفتهای قابل ملاحظه ای داشته است.

———————————————————————