فناوری نانو یکی از دستیافتهای ارزشمند بشری است که ارائه راهحلهای متنوع و نوآورانه را برای بسیاری از چالشهای زندگی بشر محقق میسازد. نانوفناوری قابلیت مشاهده، دستکاری و مهندسی در مقیاس اتمی و مولکولی است. بر این اساس میتوان خصوصیات مطلوب یک ماده را چندین برابر نمود و خصوصیات غیر مطلوب را حذف کرد؛ لذا محصول نهایی بهدستآمده با این روش دارای خصوصیاتی منحصربهفرد و کارآیی بالا است. همچنین بسیاری از ساختارهایی که با فناوری نانو ارائه میشوند، میتوانند خصوصیات منحصربهفردی را نمایان سازند که تاکنون در طبیعت وجود نداشته است. بهرهگیری از این علم جدید میتواند، راهگشای بسیاری از نیازهای جوامع بشری باشد.
- حسگر
حسگر یا سنسور[1] در حقیقت، ابزار و یا مادهای است که بتوان با آن یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی خاص را بر اساس ایجاد یک سیگنال ویژه تشخیص داد. در حسگرهای شیمیایی معمولاً میتوان به حضور یا عدم حضور و یا به غلظت یک گونه (که با نام تخصصی آنالیت[2] شناخته میشود) پی برد. در این مورد حسگر یا بهصورت کیفی (تشخیص نوع ماده و حضور یا عدم حضور آن)، و یا بهصورت کمی (تشخیص مقدار ماده موردنظر و دوز آن) مورد استفاده قرار میگیرد. برخی حسگرها بسیار حساس هستند و میتوانند تا مقادیر بسیار پایین از غلظت مواد را تشخیص دهند. همچنین برخی قابلیت اندازهگیری همزمان چندین عامل شیمیایی را با دقت بالا دارا میباشند (شکل 1).
شکل 1: حسگر تشخیص همزمان گازهای سمی و قابلانفجار در معادن [1]
——————
[1] Sensor
[2] Analyte
- اهمیت تشخیص گازهای قابلانفجار در معادن
وجود گازهای قابل اشتعال و انفجار در معادن حتی در مقادیر بسیار کم، به دلیل فضای بسته و تراکم آنها میتواند بسیار خطرناک باشد. امروزه به دلیل تکرار حوادث مرتبط با معادن و ایجاد آسیبهای جانی و خسارتهای مادی به صنایع، بحث گسترش ایمنی معادن موردتوجه اکثر کشورها واقع شده است. آمارهای جهانی نشان میدهد که سالیانه حوادث مرتبط با آتشسوزی و یا انفجار در معادن به دلیل عدم رعایت نکات ایمنی و نبود سیستمهای هشداردهنده، مدام تکرار میشود (شکل 2). حتی اگر تمامی دستورالعملهای ایمنی هم رعایت شوند، باز هم امکان انفجار از بین نمیرود. حتی در محل استخراج، جرقههای کوچک که از حملونقل روی ریلها ایجاد میشود، میتواند منجر به بروز فاجعه شود. درنتیجه وجود حسگرهای هشداردهنده که بتوانند مقادیر ناچیز گازها را تشخیص دهند، لازم است.
- انواع گازهای قابلانفجار در معادن
بهطورکلی چند نوع گاز بهعنوان گازهای قابلانفجار در معادن شناخته میشوند که میتواند خسارتهای زیادی را ایجاد کند. مهمترین و خطرناکترین گاز قابلانفجار در معادن، گاز متان[1] است که در معادن زغالسنگ بهوفور نشر مییابد. این گاز بیبو و بیرنگ، سبکتر از هوا است و در صورت تماس با جرقه بهراحتی منجر به انفجار میشود و در حضور زغالسنگ، دامنه آتش بهسرعت گسترش مییابد. بنا بر استاندارد آمریکا، درصورتیکه غلظت گاز متان در معادن بیش از 1 درصد شود، باید تمامی دستگاههای کار خاموش شوند و جهت رفع گاز اقدام گردد. از دیگر گازهای قابل اشتعال در معادن گاز منواکسید کربن[2] است. این گاز بیرنگ و بیبو علاوه بر ایجاد اختلال در رساندن اکسیژن به ماهیچهها، میتواند در مقادیر معینی و در شرایط محیط بسته ایجاد انفجار کند. گاز هیدروژن، گازی بسیار سبک است که در صورت وجود خروجی هوا بهراحتی از معدن خارج میشود. بااینحال درصورتیکه این گاز در معدن به دام بیافتد با مقادیر بسیار ناچیز اکسیژن واکنش انفجاری میدهد. انفجار ناشی از گاز هیدروژن بسیار قدرتمند است و گرمای شدیدی تولید میکند. گاز سولفید هیدروژن[3] نیز ازجمله گازهای قابل اشتعال در برخی معادن است که علاوه بر سمی بودن، در صورت واکنش با آب تولید اسید میکند. این نوع گاز بیشتر در معادن مرطوب به دلیل تجزیه سنگ پیریت[4] در حضور بخار آب نشر پیدا میکند. برخلاف دیگر گازهای قابلانفجار در معادن، به دلیل بوی نامطبوع آن و همچنین ایجاد سوزش در سطح پوست و چشم، بهراحتی قابلتشخیص است. این گاز در صورت وجود مقادیر کافی از اکسیژن قابلیت اشتعال خواهد داشت (جدول 1).
جدول 1: ویژگی گازهای قابلانفجار در معادن [3]
| نام گاز | نماد | رنگ، بو و مزه | نسبت مناسب گاز و اکسیژن جهت انفجار | منابع گاز |
| متان | CH4 | ندارد | 5% تا 15% گاز
با حداقل 12% اکسیژن |
معادن زغالسنگ، لایههای کربنی، معادن دارای الوار پوسیده |
| منواکسید کربن | CO | ندارد | 5/12% تا 74% گاز | ماشینهای دیزلی، گردوغبار زغالسنگ، آتش زغالسنگ |
| هیدروژن | H2 | ندارد | %4 تا 74% گاز
مقادیر ناچیز اکسیژن (حدود 5%) |
باتریهای قابل شارژ، بخارات آب در تماس با مواد کربنی، واکنش اسیدهای قوی بر روی کانیهای فلزی |
| سولفید هیدروژن | H2S | بیرنگ اما با بوی تخممرغ گندیده | 4/5% تا 45% گاز در حضور مقادیر کافی اکسیژن | معادن دارای آب گرم، معادن دارای الوار پوسیده، معادن پیریت |
- نانوحسگرهای تشخیصدهنده گازهای منفجره
حسگرهای تشخیصی گازهای منفجره باید بهراحتی قابلحمل بوده تا بتوان آنها را در همه محلها مورد استفاده قرار داد. همچنین حسگرها باید توانایی تشخیص مقادیر بسیار ناچیزی از گازهای منفجره را که در محیط معدن نشر پیدا میکنند، داشته باشند. این نانوحسگرها بهطورمعمول بر پایه صفحات نانوسیم/ نانولوله[5]، نانو اکسیدهای فلزی[6] و صفحات گرافنی[7] عمل میکنند. به دلیل اندازه بسیار کوچک نانوحسگرها، این امکان فراهم میشود که بر روی یک تراشه یا صفحه چند نانوحسگر برای گازهای مختلف قرار داده شوند. در این مورد قابلیت اندازهگیری همزمان گازها نیز قابل اجرا خواهد بود.
الف- صفحات نانوسیم/ نانولوله
این ساختارها نسبت سطح به حجم زیادی دارند و همچنین دارای خواص الکتریکی منحصربهفردی در هنگام جذب گازهای منفجره میباشند (شکل 3). هر نانولوله بر اساس اندازه، جنس و گروههای عاملی که روی سطح خود دارد دارای هدایت الکتریکی منحصربهفردی است، در هنگام جذب مولکول گازهای منفجره بر روی سطح نانولولهها، هدایت الکتریکی بهشدت تغییر میکند و این تغییرات میتواند بیانگر میزان غلظت گاز در محیط باشد.
شکل 3: الکترود نانولوله کربنی/پالادیم حساس به مولکولهای گاز متان [4].
———————————–
[1] Methane
[2] Carbon monoxide
[3] Hydrogen Sulfide
[4] Pyrite
[5] Nanowire/Nanotube platform
[6] Metal oxide nanomaterials
[7] Graphene platform
ب- نانو اکسیدهای فلزی
نانو اکسیدهای فلزی که بهصورتهای مختلف مانند نانوسیم[1]، نانو میله[2]، نانو صفحه[3] ساخته میشوند، جهت شناسایی انواع مختلفی از گازهای قابلانفجار مورد استفاده قرار میگیرند. مهمترین نانو اکسیدهای فلزی مورد استفاده در این نوع از حسگرها، اکسید روی[4] (ZnO) و دیاکسید قلع[5] (SnO2) است که میتواند مقادیر بسیار کم سولفید هیدروژن (005/0 تا 10 ppm)، منواکسید کربن (500ppm) و هیدروژن در مقادیر 7 ppm را اندازهگیری نماید (شکل 4).
شکل 4: استفاده از نانو میله اکسید روی جهت ساخت نانوحسگرهای حساس به هیدروژن [5].
————————————-
[1] nanowires
[2] nanorods
[3] nanosheets
[4] Zinc oxide
[5] Tin dioxide
پ- صفحات گرافنی
در این سالها گرافن در حسگرهای نانویی بسیار موردتوجه واقع شده است. نانوحسگرهای مبتنی بر گرافن علاوه بر حساسیت و گزینش پذیری بالا میتوانند بهراحتی در دمای محیط عمل کنند. همچنین به دلیل رسانایی خوب گرافن، و همچنین نسبت سطح به حجم بالای گرافن و توانایی در عامل دار کردن سطح آن، گزینه بسیار مناسبی در طراحی حسگرهای گازی است (شکل 5). شکل 6 افزایش پژوهشهای مربوط به ساخت نانوحسگر گازی بر مبنای گرافن بین سالهای 2007 تا 2014 را نشان میدهد.
شکل 5: ساخت صفحات گرافن جهت طراحی حسگر گازی H2S [6].
- شرکتهای فعال در حوزه نانوحسگرهای تشخیصدهنده مواد منفجره
به دلیل اهمیت تشخیص گازها در معادن، شرکتهای زیادی درزمینهٔ ساخت حسگرهای گازهای سمی و یا گازهای قابلانفجار فعالیت میکنند. برخی از این شرکتها باهدف بهبود کارایی محصولات و کوچکسازی ابعاد حسگرها به تولید نانوحسگرها روی آوردهاند. یکی از شرکتهای پیشرو در حوزه ساخت نانوحسگرهای گازی، ناسا[1] است. ناسا، نانوحسگرهای متنوعی جهت شناسایی و تعیین غلظت گازها به مرحله تولید رسانده است [8]. یکی از مهمترین نانوحسگرهای این شرکت، حسگر قابلحمل تشخیص گاز متان جهت افزایش ایمنی در معادن است. این نوع از حسگر بر پایه نانولولههای کربنی ساخته شده است و میتواند تا غلظت نزدیک به ppb 4 را اندازهگیری کند. ازجمله ویژگیهای این محصول این است که بهراحتی به گوشی همراه متصل میشود و ابعاد بسیار کوچکی برای حمل آن در معادن وجود دارد (شکل 7).
شکل 7: نانوحسگر ساخت ناسا جهت تشخیص گاز متان در معادن
————————————-
[1] NASA
شرکت سوئدی Senseair که درزمینهٔ حسگرهای تشخیص گازهای محیطهای صنعتی فعالیت میکند، اخیراً با همکاری شرکت آمریکایی Honeywell RAE System نانوحسگر قابلحمل تشخیص گاز متان تولید کردهاند. این نانوحسگر قابلیت اتصال به کمربند کارگران معدن را دارد و میتواند آنها را از خطرات احتمالی آگاه نماید [9 و 10] (شکل 8).
شکل 8: نانوحسگر تشخیص متان در معادن محصول Senseair و Honeywell RAE System
شرکت ایتالیایی Nano Environmental Technology، نانوحسگرهای متنوعی درزمینهٔ تشخیص گازهای سمی و قابلانفجار تولید میکند. مهمترین محصولات این شرکت در حوزه گازهای قابلانفجار، شامل تشخیص گازهای متان، هیدروژن، منواکسید کربن و سولفید هیدروژن است [11]. این نوع از نانوحسگرها با توجه به ابعاد کوچکشان، جهت استفاده در معادن بسیار کارآمد است (شکل 9).
شکل 9: نانوحسگر تشخیص منواکسید کربن ساخت شرکت Nano Environmental Technology
- جمعبندی
وقوع فجایع معدن ناشی از نشت و انفجار گاز و درنتیجه آن ایجاد تلفات جانی و مصدومیت کارگران و وارد آمدن خسارتهای مالی به صنایع، شرکتها را وادار میکند که بر ایمنی محیط معدن بیفزایند. بخشی از ضرورت فرایندهای ایمنی معادن، تشخیص بهموقع گازهای قابلانفجار است. با توجه به نشست گازها در شرایط غیرمنتظره، وجود حسگرهای دقیق و قابلحمل مانند نانوحسگرها را پراهمیت میکند. به نظر میرسد با گذشت زمان، اطمینان شرکتها به چنین حسگرهای در حال گسترش است.
- منابع
[1]http://us.msasafety.com/Portable-Gas-Detection/Multi-Gas/ALTAIR%C2%AE-4X-Mining-Multigas-Detector/p/000080001600001030
[2] Explosion Prevention In Coal Mine TBM Drift-An Operational Safety Knowledge Share, B. Belle, A. Foulstone, Procedia Earth and Planetary Science, 11 (2015) 15-28.
[3] http://miningquiz.com/pdf/Mine_Gases/minegases.pdf
[4] Room temperature methane detection using palladium loaded single-walled carbon nanotube sensors, J. Li, Chemical Physics Letters, 391 (2004) 344–348.
[5] Pd/ZnO nanorods based sensor for highly selective detection of extremely low concentration hydrogen, M. kumar, Scientific Reports, 7 (2017) 236
[6] A high efficiency H2S gas sensor material: paper like Fe2O3/graphene nanosheets and structural alignment dependency of device efficiency, M. Dong, Journal of Materials Chemistry A, 2 (2014) 6714–6717.
[7] A Review on Graphene-Based Gas/Vapor Sensors with Unique Properties and Potential Applications, Z.Yang, Nano-Micro Lett. 8 (2016) 95–119.
[10] http://www.raesystems.com
[11] http://www.nenvitech.com/
—————————————————
- ارائهشده توسط:
گروه تخصصی کیمیافناور
کارگزار حوزه آب و محیطزیست
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)
همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.
====================================================================================
