جمعه 2 آذر 1403

محیط زیست و راهکارهای نانوفناورانه مقابله با آلودگی هوا

فناوری نانو توانایی ساخت، کنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتری است. به عبارت دیگر به دستکاری کنترل شده، اندازهگیری وتشخیص، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو با هدف تولید مواد، ابزار و سیستمهایی با ویژگیهای بنیادی و عملکردهای جدید فناوری نانو میگویند. در مقیاس نانو، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است و خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتمها و مولکولها با خواص توده ماده[1] متفاوت است. به طور معمول به موادی که حداقل یکی از ابعاد آنها کوچک تر از 100 نانومتر باشد، نانومواد[2] گفته می شود. فناوری نانو که در اصل فهم و به کارگیری خواص جدیدی از نانومواد است، یک دانش میانرشتهای است و امروزه کاربردهای گستردهای در حوزههای مختلف پیدا کرده است.

محیط زیست

محیط زیست[3] به معنای تمام اجسامی میباشد که اطراف ما را احاطه نموده است. اما آنگونه که در کتابهای بومشناسی[4] آمده است، محیط زیست یک پدیده پبچیده و درهم تنیده است که شامل محیطهای اجتماعی، بیولوژیکی و فیزیکی است که فرایند زیستن را احاطه نموده است، بر آن تاثیر گذاشته و از آن تاثیر میپذیرد. به طور کلی محیط زیست در سطح کره زمین به طور کلی به چهار بخش سنگ‌کره[5] (البته در برخی متون خاککره ترجمه شده است)، آب‌کره[6]، هواکره یا اتمسفر[7] و زیستکره[8] تقسیم می‌شود که هر کدام شامل اکوسیستم‌هایی گوناگون هستند. این تقسیم بندی نشان از اهمیت ویژه محیط زیست دارد؛ به نحوی که حفاظت محیط زیست در قرن بیست و یکم به عنوان یکی از هشت هدف توسعه هزاره و یکی از سه پایه توسعه پایدار شناخته می‌شود. با توجه به درگیر بودن انسانها با مسائل مرتبط با محیط زیست به خصوص آب، خاک و هوا، شناخت منابع آلودگی هر کدام و تلاش برای رفع آنها به یکی از اصلیترین دغدغههای جوامع انسانی تبدیل شدهاست.

———————————–

[1] Bulk Matter

[2] Nanomaterial

[3] Environment

[4] Ecology

[5] Lithosphere

[6] Hydrosphere

[7] Atmosphere

[8] Biosphere

اتمسفر زمین

به طور کلی به لایه گازی که اطراف یک سیاره یا ستاره را احاطه کرده و موقعیت آن تحت اثر جاذبه تثبیت شده باشد، اتمسفر گفته میشود. اتمسفر کره زمین یا هوایی که آن را در بر میگیرد، از گازهای زیادی تشکیل شده است. مهمترین این گازها نیتروژن، اکسیژن، آرگون، دیاکسید کربن، بخار آب و… هستند. این لایه اتمسفری زمین را در برابر نفوذ تابش فرابنفش[1] محافظت نموده، باعث گرم شدن سطح زمین (اثر گلخانهای[2]) میشود و حداکثر تفاوت دمای روز و شب را در زمین کاهش میدهد. همه این مسائل نشاندهنده اهمیت غیر قابل انکار اتمسفر برای ادامه حیات، لزوم حفاظت هر چه بیشتر از آن و جلوگیری از آلودگی آن است. به طور کلی، حفاظت از اتمسفر تحت عنوان اقدامات حفاظتی در راستای صیانت از ساختار کلی، خواص نوری (میزان جذب یا پراکندگی نور، ضریب شکست و…)، خواص فیزیکی (دما، فشار، ضخامت) و… شناخته میشود.

———————————–

[1] Ultraviolet (UV)

[2] Greenhouse Effect

آلودگی هوا

ورود هر ذره، مولکول بیولوژیکی یا ترکیب مضر (جامد ، مایع یا گاز) به اتمسفر هوا که منجر به ایجاد خطر برای سلامتی، آسیب دیدن یا بیماری موجودات زنده شده و اکوسیستم یک منطقه را تحت تاثیر قرار دهد، به عنوان آلودگی هوا شناخته میشود. این نوع آلودگی میتواند از منابع انسانی و یا طبیعی نشات بگیرد و به دو دسته اولیه[1] و ثانویه[2] تقسیم بندی میشود. آلایندههای اولیه معمولا از یک فرایند طبیعی مانند فوران آتشفشان یا یک فرایند غیرطبیعی مانند احتراق سوختهای فسیلی تولید شده و شامل موادی همچون مونوکسید کربن[3]، اکسیدهای گوگرد[4]و نیتروژن[5]، ترکیبات آلی فرار[6] و… میشود. درحالی که آلایندههای ثانویه به طور مستقیم وارد اتمسفر نمیشوند و از واکنش آلایندههای اولیه با یکدیگر به وجود میآیند؛ مانند پراکسی استیل نیترات[7] که از واکنش اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات آلی فرار تولید میشود.

———————————————–

[1] Primary Pollutants

[2] Secondary Pollutants

[3] Carbon Monoxide (CO)

[4] Sulfur Oxides (SO_x)

[5] Nitrogen Oxides (NO_x)

[6] Volatile Organic Compounds (VOCs)

[7] Peroxyacetyl Nitrate (PAN)

فناوری نانو و کاهش آلودگی هوا

تلاش برای ادامه بقا را میتوان محرک تمامی فعالیتهای انسانی دانست. برای این منظور انسانها شروع به تولید و مصرف انرژی و محصولات دیگر نمودهاند که با تولید حجم وسیعی از آلایندهها و مواد پسماند همراه است. همه این موارد تهدیدی برای داشتن محیط زیست پایدار[1] است و لذا یافتن راهکارهای مناسب برای کاهش آلودگی هوا از اهمیت ویژهای برخوردار است. فناوری نانو به عنوان یک فناوری پیشتاز در حوزههای مختلف، در کاهش آلودگی هوا نیز میتواند موثر واقع شود. به طور عمده کاربردهای فناوری نانو در حوزه کاهش آلودگی هوا در دو دسته کلی قرار میگیرند. این دو دسته شامل نانوکاتالیزورها[2] و نانوغشاها[3] است. البته در کنار این موارد، کاربردهای دیگری نیز در حال رشد و توسعه هستند که هنوز به بلوغ کافی برای مقایسه با محصولات معمول در بازار جهانی نرسیدهاند. از جمله این موارد میتوان به کنترل آلودگی در مبداء برای صنایع مختلف، تولید انرژیهای پاک، نانورباتها[4] برای انجام امور مختلفی همچون: اکسید یا احیاء کردن برخی ترکیبهای آلاینده، انجام فرایند فوتوسنتز[5] (نانوفوتوسنتز کنندهها[6])، تبدیل ترکیبات آلاینده و سمی به ترکیبات غیر مضر برای محیط زیست و… اشاره نمود که توضیح آنها در این متن نمیگنجد. [2].

———————————————————

[1] Sustainable Environment

[2] Nanocatalysts

[3] Nano Membranes

[4] Nanobots

[5] Photosynthesis

[6] Nanophotosynthesizer

نانوکاتالیزورها

کاتالیزورها یکی از اجزای جدانشدنی واکنشهای شیمیایی در صنایع مختلف به شمار میآیند. کاتالیزورها در عمل انرژی فعالسازی[1] (حداقل انرژی مورد نیاز برای شروع یک واکنش شیمیایی) واکنشهای شیمیایی را کاهش میدهند. کاهش انرژی فعالسازی موجب کاهش یافتن دمای مورد نیاز برای انجام یک واکنش شیمیایی و افزایش بهرهوری آن خواهند شد. امروزه استفاده از فناوری نانو در ساخت کاتالیزورها و افزایش بهرهوری، افزایش سطح، بهبود مقاومت آنها در برابر عوامل محیطی، فیزیکی و شیمیایی و… رو به گسترش است و شاخه جدیدی به نام نانوکاتالیز[2] در بدنه علوم شیمی و مهندسی مواد پدیدار شده است. نانوکاتالیزورها دارای پتانسیل بالقوهای برای کاهش آلودگی محیط زیست به خصوص آلودگی هوا هستند. در حال حاضر عمده کاربردهای نانوکاتالیزورها در این حوزه در راستای تبدیل گازهای خروجی از خودروها و صنایع مختلف به گازهای بی خطر برای سلامتی موجودات زنده است. اصلیترین مزیت این کاتالیزورها در مقایسه با کاتالیزورهای متداول، سطح فعال بسیار بالای آنها است که باعث افزایش بازده آنها (در نتیجه اشباع نشدن سطحشان) میشود. تاکنون نانوکاتالیزورهای متعددی به بازارهای جهانی معرفی شدهاند. در میان نانوکاتالیزورها برخی موارد نیز جهت کاهش آلودگی هوا کاربرد دارند. به عنوان مثال نانوکاتالیزورهایی برای شکستن ترکیبات آلی فرار[3]، حذف اکسیدهای نیتروژن[4] از دودکشها، تبدیل دیاکسید کربن به متانول و… از جمله این موارد هستند.

——————————————-

[1] Activation Energy

[2] Nanocatalysis

[3] Volatile Organic Compounds (VOCs)

[4] Nitrogen Oxides (NOx)

نانوکاتالیزور طراحی شده برای تبدیل گاز دیاکسید کربن به متانول توسط محققان دفتر همکاری جامعه دانشگاهی برای نوآوری[1] در دانشگاه کیوتو ژاپن نمونه ای از این موارد است [3].

نانوغشاها

غشاها یا فیلترها ترکیبات متخلخلی هستند که در فرایند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی غشاها، ساختار بسیار متخلخل آنها به دلیل حفراتی با اندازه‌ و ابعاد مشخص است. این حفرات که یک شبکه بسیار پیچیده‌ در ساختار غشا ایجاد مینمایند، درصد بسیار زیادی از حجم غشا را دربرمی‌گیرند. فرایند جداسازی ترکیبات مختلف (جامد، مایع یا گاز) توسط یک غشا، فیلتراسیون نام دارد. امروزه کاربرد فناوری نانو در ساخت غشاها توسعه بسیاری یافته است و دسته جدیدی از غشاها به نام نانوغشاها چند سالی است که در حوزه فناوریهای فیلتراسیون کاربرد گستردهای پیدا کردهاند. در کنار نانوغشاها، فناوری نانوفیلتراسیون[1] نیز در سالهای اخیر توجه گستردهای را به خود منعطف نموده است. نانوفیلتراسیون شامل استفاده از غشاهایی با حفرات نانومتری در جداسازی ترکیبات مختلف میباشد. در هر حال، نانوغشاها و فناوری نانوفیلتراسیون در جداسازی گازها نیز کاربرد گستردهای پیدا کردهاند. یکی از مزایای مهم نانوغشاها، قابلیت عامل دار شدن آنها در زمان تولید یا بعد از آن میباشد. این موضوع در گزینشپذیری آنها نقش به سزایی دارد، به نحوی که امروزه برای ترکیبات مختلف از جمله گازهایی مثل دیاکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و… غشاهایی اختصاصی در بازار در دسترس هستند.

———————————————————————————————————————

[1] Office Of Society Academia Callaboration For Innovation (SACI)

[1] Nanofiltration

8. پوشش های فوتوکاتالیستی نانویی TiO2

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم (نانو- TiO2 ) بعنوان پوشش های فوتوکاتالیستی در مواد صنعت ساختمان جهت تصفیه هوا، خود تمیز شوندگیو انتی باکتریال نمودن استفاده می شود. انواع مختلف صفحات را می توان توسط TiO2 جهت خود تمیز شوندگی و مبارزه با آلودگی در زیر نور خورشید و همچنین نور داخل ساختمان، پوشش داد. رنگ ها، سرامیک ها، مواد سیمانی، آسفالت و … حاوی نانو ذرات TiO2 بسیار گسترش داده شده اند. پوشش های فوتو کاتالیستی برای مبارزه با انفولازای پرندگان و عفونت سارس در محیط های محتمل ،تایید شده اند. صدها بیمارستان و هزاران ساختمان در اسیا و اروپا برای مقابله با صدمات الودگی های زیستی و عفونی با نانو پوشش ها ، پوشش داده شده اند.

نانو ذرات TiO2 دارای سطح مخصوص بالا، حجم منافذ زیاد، سایز منافذ، فعالیت بالاو دانسیته پایین می باشد. این خواص،سطح تماس و انتقال جرم آلودگی های ارگانیک را افزایش می دهد و در نتیجه، تاثیر فوتوکاتالیستی بهتری را نسبت به واکنش های فوتوکاتالیستی بر پایه مواد شیمیایی بر روی سطح دارند.

در محیط های داخلی اکثر سطوح بعنوان مثال : کاشی های سرامیکی، پنجره ها یا کاغذ ها، به تدریج با مواد ارگانیکی مثل روغن، کثیفی، دوده سیگار، و آلودگیهای هوای خارج از خانه پوشانده و خراب می شوند. پوشش های شفاف نانو ذرات TiO2 ، با توجه به شفافیت ان ها بدون تاثیر بر رنگ و شفافیت سطوح باعث تجزیه مواد ارگانیک روی سطوح می شوند.

روند فوتوکاتالیستی اکسیداسیون NOx بر روی سیمان فعال جاده جهت از بین بردن آلودگیهای محیطی

منبع : Future Markets, Inc

وجود نانو ذرات TiO2 در مواد ساختمانی همچون سیمان و بتن و … در سال های اخیر بسیار توسعه یافته است. سیمان با برند TioCem به صورت تجاری در دسترس می باشد. همچنین پوشش TX Active محصول شرکت Italcementi بر روی تعداد زیادی از پل ها و ساختمان ها اعمال شده است.

کلیسای Jubilee درشهر رم که یا نانو پوشش هایفوتو کاتالیسیتی TiO2پوشش داده شده است

منبع : Future Markets, Inc

صنعت	کاربرد
صنعت ساختمان	تصفیه و پاکسازی هوا پوشش های خود تمیز شونده پنجره ها پوشش های جاده ای
انرژی	پوشش های خورشیدی
پزشکی و مراقبت های بهداشتی	پوشش های خود ضد عفونی شونده برای محیط های بیمارستانی
غذا	تولید مواد غذایی و پوشش های بسته بندی های غذا
تصفیه آب	استرلیزه کردن آب های غیر قابل استفاده و فاضلاب ها

بازار فناوری نانو در کاهش آلودگی هوا

همانطور که پیشتر نیز اشاره شد، حفاظت از محیط زیست به عنوان یکی از اصلیترین پایههای توسعه پایدار شناخته می‌شود. در این راستا اقدامات مختلفی در سراسر دنیا در حال انجام است که یکی از مهمترین آنها، توسعه محصولات و فناوریهای نوین جهت کاهش یا رفع آلودگیها در بخشهای مختلف محیط زیست است. یکی از این فناوریهای نوظهور، که توجه زیادی را در حوزههای مختلف به خود منعطف نمودهاست، فناوری نانو است. بر اساس آمار منتشر شده توسط موسسه Market Research، حجم کل بازار محصولات فناوری نانو در حوزه محیط زیست در سالهای 2014 و 2015 به ترتیب معادل 4/23 و 7/25 میلیارد دلار بوده است و پیشبینی میشود که این ارقام تا سال 2020 به رقم 8/41 میلیارد دلار برسد [5]. که نشان از اهمیت و پتانسیل بالقوه محصولات مبتنی بر این فناوری در حوزه محیط زیست است. یکی از مهمترین کاربردهای زیست محیطی فناوری نانو در فیلتراسیون هوا است. بر اساس دیگر گزارشهای موسسه Market Research بازار کل فیلتراسیون هوا در سال 2020 به رقم 19 میلیارد دلار میرسد که سهم نانوغشاها و فناوریهای نانوفیلتراسیون از این بازار در حدود 1/8 میلیارد دلار خواهد بود [6]. همچنین بر اساس پیشبینیهای موسسه BCC Research، بازار کل نانوکاتالیزورها در سال 2020 به عدد 2/7 میلیارد دلار در سال میرسد که سهم کاربردهای زیست محیطی از این بازار رقمی معادل 8/2 میلیارد دلار خواهد بود [7].

بنا به گزارش Future Markets بازار جهانی پوششهای فوتوکاتالیستی از سال 2010 تا 2025 در نمودار زیر گردآوری شده است. نرخ رشد سالیانه این نوع پوشش ها در این گزارش 4/6 % پیش بینی شده است.

معرفی شرکتهای خارجی فعال

از جمله شرکتهای فعال در زمینه تولید نانوکاتالیزور برای کاهش آلودگی هوا فعالیت دارد، می توان به شرکت آمریکایی Nanostellar اشاره نمود که به مالکیت سازمان ملی هوانوردی و فضایی (ناسا) در آمدهاست. اصلیترین نانوکاتالیزور این شرکت محصولی برای اکسید کردن گاز مونوکسید نیتروژن[1] است که با نام تجاری Noxicat به ثبت رسیده است. در فرایندهای زیست محیطی برای کاهش مخاطرات مربوط به اکسیدهای نیتروژن عموما این ترکیبات را به نیتروژن تبدیل میکنند. برای انجام این فرایند که حتی توسط کاتالیزورهای موجود در اگزوز خودروها نیز صورت میپذیرد، نیاز است تا مونوکسید نیتروژن را به دیاکسید نیتروژن[2] تبدیل نمود. فرایندی که در شرایط عادی بسیار دشوار است، اما در حضور کاتالیزورهایی مانند پلاتین به وقوع میپیوندد. از طرفی پلاتین یک عنصر گران قیمت محسوب میشود و در برخی شرایط کارایی لازم را به خوبی ارائه نمیکند. این در حالی است که بنابر ادعای سازندگان، Noxicat که از نانوذرات دوفلزی[3] منگنز ساخته میشود، قادر است بازده فرایند مذکور را در مقایسه با پلاتین 45 درصد افزایش دهد و همچنین قیمت آن نیز بسیار کمتر از پلاتین است [8].

——————————————-

[1] Nitrogen Monoxide (NO)

[2] Nitrogen Dioxide (NO₂)

[3] Bimetal Nanoparticles

دیگر شرکت فعال در زمینه تولید نانوکاتالیزور، شرکت American Elements است که حوزه اصلی فعالیت آن تولید و توزیع طیف وسیعی از نانوذرات برای صنایع مختلف میباشد. یکی از محصولات مهم این شرکت محصولی است که با نام تجاری Mangasorb شناخته میشود. این نانوکاتالیزور برای جلوگیری از نشر ترکیبات آلی فرار توسط صنایع مختلف به اتمسفر تولید گردیده است. این کاتالیزور از نانوذرات دو فلزی منگنز-آهن ساخته میشود و قادر است ساختار ترکیبات آلی فرار را بشکند و مقدار آنها را تا غلظت یک قسمت در میلیارد[1] کاهش دهد [9, 10].

——————————————-

[1] Parts Per Billion (ppb)

در حوزه تولید نانوکاتالیزور ها برای کاهش آلودگی محیط زیست شرکتهای دیگری نیز در حال فعالیت هستند. از میان این شرکتها می توان به شرکتهای خودرو سازی همچون Toyota در راستای استفاده از نانوذرات دو فلزی منگنز-طلا برای کاهش آلودگی ناشی از ترکیبات آلی فرار [11]، موسسه ملی علوم آمریکا[1] در راستای تولید کاتالیزور مبتنی بر نانوذرات پلاتین-کبالت برای تبدیل اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن [12]، موسسه فناوری Karlsluhe [2] در راستای تولید نانوکاتالیزوری برای تبدیل دیاکسید کربن به متانول با همکاری چندین شرکت و موسسه معتبر جهانی همچون BASF، [3]EnBW و… طی پروژهای به نام solar2fuel [13] و… اشاره نمود

دیگر حوزه کاربرد فناوری نانو در مقابله با آلودگی هوا نانوفیلترها هستند. در این حوزه نیز چندین شرکت در حال فعالیت هستند. از میان این شرکتها میتوان به شرکت Nordic Air Filtration اشاره نمود. این شرکت چندین محصول مبتنی بر فناوری نانو برای تصفیه هوا یا کاهش آلودگی واحدهای صنعتی عرضه مینماید. از جمله این محصولات میتوان به فیلترهایی با نامهای تجاری 136NANO، 143GT NANO و NANO (RPXN) اشاره نمود. فیلتر هوای 143GT NANO تولید شده توسط شرکت Nordic Air Filtration برای کاهش آلودگی ناشی از برخی واحدهای صنعتی [14] و نیز فیلتر NeuBond برای کاهش آلودگی هوا محصول شرکت Great Lakes Filter [15] از این نمونه هاست.

فیلتر هوای 143GT NANO تولید شده توسط شرکت Nordic Air Filtration برای کاهش آلودگی ناشی از برخی واحدهای صنعتی [14].

شرکت Great Lakes Filter یکی از شرکتهایی است که به طور تخصصی در حوزه ساخت فیلترها فعالیت دارد. این شرکت محصولاتی نیز در زمینه نانوفیلتراسیون گازها به بازار عرضه مینماید. یکی از اصلیترین محصولات این شرکت فیلتری است که با نام تجاری NeuBond به ثبت رسیده است. یکی از اصلیترین مزایای این محصول، قابلیت بازیافت مجدد آن است و از این نظر نیز یک محصول دوستدار محیط زیست به شمار میآید. لازم به ذکر است که این فیلتر که در شکل 5 قابل مشاهده است، از نانوالیاف سلولزی تهیه میشود.

فیلتر NeuBond برای کاهش آلودگی هوا محصول شرکت Great Lakes Filter [15].

معرفی شرکتهای داخلی

در داخل کشور ما شرکتهایی در حوزه تولید فیلترهای هوا با استفاده از فناوری نانو فعالیت دارند. مهمترین این شرکتها شرکت بهران فیلتر است که نانوفیلترهایی برای صنایع نیروگاهی و همچنین خودروها تولید مینماید. از دیگر شرکتهای فعال در این حوزه میتوان به شرکت نانوساختار مهرآسا و همچنین شرکت فناوران نانومقیاس که در زمینه تولید فیلتر هوای خودرو فعالیت میکنند، نیز اشاره نمود. با توجه به اطلاعات موجود، تنها شرکت داخلی فعال در حوزه فیلتراسیون زیست محیطی هوا شرکت مدیران توسعه سلامت ایرانیان (متسا) است که در زمینه تولید ماسکهای نانوالیاف فعالیت دارد (شکل 6). نحوه عملکرد این محصول، فیلتراسیون سطحی با پوشش نانوالیاف میباشد. این ماسک که یکی از ویژگیهای آن استفاده از یک لایه نانوالیاف جهت جذب ذرات مضر در مقیاس نانومتری است، در مقایسه با فیلترهای معمولی تا 70 درصد افزایش کارایی دارد. ماسک نانوالیاف؛ محصولی از شرکت مدیران توسعه سلامت ایرانیان نمونه ای از این محصولات است [16].

نتیجه گیری

بی شک ادامه بقای همه موجودات زنده با محیط زیست آنها در هم گره خورده است و رابطهای غیرقابل انکار میان آنها وجود دارد. لذا ثبات محیط زیست و مقابله با آلودگی آن از اهمیت بسیار ویژهای برخوردار است. در این راستا اقدامات گستردهای در سراسر دنیا صورت پذیرفته است. یکی از این اقدامات ارائه محصولات مبتنی بر فناوریهای نوین به ویژه فناوری نانو است. امروزه توانایی فناوری نانو در حوزههای مختلف بر کسی پوشیده نیست. در حوزه محیط زیست نیز این فناوری کاربرد بسیار گستردهای دارد و گزارشهای جهانی نیز این موضوع را تایید مینمایند. یکی از بخشهای اساسی در محیط زیست، هواکره یا اتمسفر است که صیانت از آن برای همه موجودات زنده از اهمیت خاصی برخوردار است. مهمترین کاربردهای فناوری نانو در این بخش، نانوکاتالیزور و نانوغشاها هستند و برای هر کدام از آنها محصولات مختلفی در بازار قابل دسترسی است.