نانو فیلترهای لیفی

1-      مقدمه فناوری نانو به مهندسی نمودن مواد در ابعاد اتمی- مولکولی و ساخت موادی با خواص کاملاً متفاوت در ابعاد نانو می­پردازد. یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده در صنایع فیلتر است که نقش مؤثری در بهبود عملکرد نسل گذشته‌ی فیلترها و تولید نسل جدیدی از فیلترها دارد. فیلترها در یخچال، خودرو، محیط منزل، بیمارستان‌ها و مراکز درمانی برای حذف باکتری، قارچ، بو و ترکیبات آلی فرار مورداستفاده قرار می‌گیرند. در این نوشتار، گزارشی کوتاه در مورد چگونگی به­کارگیری فناوری نانو در تولید فیلترهای نانومقیاس، نمونه­های صنعتی و چشم­انداز پیش رو ارائه خواهد شد.

2- فیلترها و انواع آن

فیلترها موادی متخلخل از جنس پلیمر یا سرامیک هستند و فیلتر کردن یا فیلتراسیون^[1]، فرایندی است که در آن‌یک مایع و یا گاز (سیال) به دلیل اختلاف فشار، اختلاف‌پتانسیل الکتریکی یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می­کند. با انجام عمل فیلتراسیون، ذراتی که از اندازه حفره­های فیلتر کوچک‌تر هستند، از آن عبور کرده و ذرات با اندازه بزرگ­تر، از سیال جداشده و در پشت فیلتر باقی می­مانند. در انتخاب نوع فیلتر و بازده آن، دو عامل اندازه حفره­ها و مقدار ذرات باقیمانده پشت فیلتر اثرگذار است.

بازده فیلتراسیون اساساً تحت تأثیر ساختار فیزیکی فیلتر (ظرافت لیف، ساختار ماتریس، ضخامت و اندازه حفره)، خصوصیات الکتریکی و شیمیایی سطح لیف (انرژی آزاد سطح) می­باشد. علاوه بر بازده فیلتراسیون، خصوصیات دیگری نظیر افت فشار و مقاومت شار نیز ازجمله پارامترهای مهم در ارزیابی بستر فیلتر به شمار می­روند.

فیلترها به دو گروه اصلی دسته­بندی می­شوند: فیلترهای عمقی و فیلترهای غشایی یا سطحی (شکل 1). فیلترهای عمقی اغلب دارای ساختار سه‌بعدی پرپیچ‌وخم با کانال­های متعدد و شاخه­های زیاد هستند و ذرات از طریق حبس شدن در عمق فیلتر غربال می­شوند. اما در فیلترهای غشایی، معمولاً از یک‌لایه نازک با اندازه حفره معین برای غربال کردن ذرات استفاده می­شود.

چنانچه لایه‌ای از نانو الیاف روی یک فیلتر عمقی قرار گیرد، خاصیت فیلتراسیون از حالت فیلتر عمقی به فیلتر سطحی یا غشایی تبدیل می­شود. در فیلترهای معمولی، به دلیل این‌که فیلتراسیون در عمق صورت می­گیرد، فیلتر دچار افت فشار شده و کارایی خود را از دست می‌دهد. از سوی دیگر در فیلترهای معمولی از الیاف میکرومتری استفاده می‌شود؛ بنابراین حفره‌های موجود در بین فیلترهای میکرونی بزرگ بوده و ذرات با ابعاد کوچک­تر از فاصله میان الیاف، جذب فیلتر نخواهد شد. اما با کشیدن لایه‌ای از نانو الیاف به روی فیلتر، هم فیلتراسیون جذب فیزیکی و هم فیلتراسیون الکترواستاتیکی رخ می‌دهد. افزایش طول عمر فیلتر تا حدود دو برابر، کنترل و عدم افزایش افت فشار، افزایش قابل‌توجه کارایی فیلتراسیون، افزایش بازده تبدیل انرژی در صنایع خودرویی و نیروگاهی به همراه کاهش استهلاک تجهیزات و زمان خواب و تعمیر آن‌ها و افزایش سطح حفاظت از توربین ازجمله مزایای به‌کارگیری لایه نانو لیفی است.

شکل 1. طرح­واره­ای از فیلترهای عمقی (سمت چپ) و سطحی (سمت راست)

3- فیلترهای غشایی

روش­های فیلتراسیون غشایی را می­توان به چهار گروه کلی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس تقسیم کرد [1].

3-1- میکروفیلتراسیون

میکروفیلتراسیون سیستمی کوچک و تمام‌خودکار است که برای جداسازی محلول­های جامد- مایع و موادی مثل باکتری­ها، کیست­ها، مولکول­ها و ذراتی با قطر تقریبی 1/0 تا 1 میکرون به کار می­رود.  فشار غشاء معمولاً psi10  (7/0 بار) است [2].

3-2- اولترافیلتراسیون

اولترافیلتراسیون فرایندی برای جداسازی و غربال ذراتی در محدوده 2 تا 100 نانومتر (تا 1/0 میکرون) است. فشار عملیاتی غشاء معمولاً psi 100-15 (7-1 بار) است. طرح­واره­ای از نحوه عملکرد یک دستگاه دارای سیستم اولترافیلتراسیون در شکل 2 نشان داده‌شده است [2].

شکل 2. طرح­واره­ای از نحوه عملکرد از یک دستگاه دارای سیستم اولترافیلتراسیون

3-3- اسمز معکوس

اسمز معکوس یکی از روش­های جداسازی ناخالصی­ها از آب است. در این روش، اعمال فشار مکانیکی عامل جداسازی است (شکل 3). در این روش، آب از داخل یک پوسته عبور داده‌شده و این امر سبب جداسازی ناخالصی­ها می­شود. قابلیت نفوذپذیری پوسته تا حدی می­تواند اندک باشد که در عمل موجب جداسازی تمام ناخالصی­ها نظیر مولکول‌های نمک، ویروس­ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیر آلی از آب شود.

شکل 3. نحوه عملکرد اسمز و اسمز معکوس

3-4- نانوفیلتراسیون

غشاء نانوفیلتراسیون یکی از غشاءهای محرک-فشاری با خصوصیاتی مابین اسمز معکوس و غشاء اولترافیلتراسیون است. نانو فيلتر به معناي فيلتري است كه اندازه منافذ آن در حد نانومتري (5/0 تا 2 نانومتر) است [1, 2]. فناوری فیلتر نانو لیفی یک فیلامنت پیوسته و ظریف از الیاف پلیمری است که به‌صورت یکنواخت گسترده شده و روی یک زیر لایه فیلتری توسط فرایند الکتروریسی متصل شده است. ضخامت لایه اعمالی در محدوده 1/0 و 5/0 میکرومتر، با قطر الیاف در محدوده 50 و 500 نانومتر است. این الیاف بسیار نازک هستند (1000 بار ظریف‌تر از موی انسان )، به‌طوری‌که به‌طوری‌که با چشم غیرمسلح قابل‌رؤیت نیستند . برای کاربردهای جمع­آوری گردوخاک، مواد بر پایه سلولز یا پلی­استر برای زیر لایه یا لایه پایه متداول­تر است [3].

4- اهمیت به‌کارگیری نانوفیلتراسیون

نانوفیلتراسیون دارای مزایای بسیاری از قبیل فشار عملیاتی پایین، شار بالا، نگهداری بالای نمک یون­های چند ظرفیتی و با وزن بالای 300 دالتون، نیاز به سرمایه­گذاری نسبتاً پایین و هزینه­های عملیاتی و نگهداری پایین است. مزیت این غشاء در مقایسه با غشاءهای دیگر، اندازه حفره­های نانومتری است که توانایی حذف ویروس­ها، باکتری­ها و مواد نانومتری را دارا است. لایه نانو لیفی بسیار ظریف است و روی زیر لایه انعطاف­پذیر به کار می­رود، لذا امکان ایجاد زیر لایه با مساحت سطحی بالا را فراهم می­کند.

4-1- افزایش بازده فیلتر

شبکه نانو لیفی الکتروریسی شده، افزایش چشمگیر در بازده فیلتراسیون در کنار کاهش نسبتاً اندک نفوذپذیری را فراهم می­سازد. در مقایسه با فیلترهای لیفی متداول در افت فشار یکسان، نانو الیاف با قطر ظریف­تر از نیم میکرون ظرفیت بالاتری در جمع­آوری ذرات ریز دارد. مقایسه میان شبکه الکتروریسی شده نایلون 6 (ضخامت 100 میکرومتر و اندازه حفره 24/0 میکرومتر) با فیلتر هوای با بازده بالا تجاری[2](HEPA)  (ضخامت 500 میکرومتر و اندازه حفره 7/1 میکرومتر) با استفاده از آزمون ذرات 300 نانومتر نشان داد که لایه نانو لیفی ظریف بازده فیلتراسیون اندکی بالاتر (993/99%) نسبت به فیلتر HEPA (97/99%) دارد [4].

4-2- حذف ذرات ریز مایع

علاوه بر ذرات جامد، ذرات ریز مایع درون سامانه امتزاج­ناپذیر مایع-مایع نیز می­تواند با لایه نانو لیفی (فیلتراسیون انعقاد مایع-مایع) حذف گردد. برای مثال می­توان از نانو الیاف پلی­استایرن الکتروریسی شده در مخلوط با میکرو الیاف شیشه­ای، فیلتری برای زدودن ذرات مایع از امولسیون آب در روغن ایجاد نمود. افزودن مقدار اندکی از نانو الیاف پلی­استایرن، صرف­نظر از افزایش افت فشار فیلتر، افزایش چشمگیری در بهبود بازده حذف ذرات ایجاد می­کند (از 68% به 88%) [4].

4-3- داربست پشتیبان در اولترافیلتراسیون

نانو الیاف به‌عنوان داربست پشتیبان در اولترافیلتراسیون جداسازی امولسیون روغن/آب استفاده می­شود. لایه اولترافیلتراسیون داری ساختار کامپوزیتی سه لایه متشکل از لایه فوقانی آب­دوست نانو متخلخل، لایه میانی نانو لیفی الکتروریسی شده پلی­وینیل­الکل با اتصالات عرضی و زیر لایه میکرو لیفی بی­بافت رایج است. بستر نانو لیفی الکتروریسی شده، شبکه متخلخل به‌هم‌پیوسته مناسبی با مساحت سطحی ویژه بالا ایجاد می­کند. این نوع فیلتر اولترافیلتراسیون نرخ شار و قابلیت زدودن مواد حل‌شده آلی بالایی را فراهم می­کند.

4-4- جذب یون­های فلزی

افزایش میزان یون­های فلزی، نوعی آلودگی جدی در منابع آبی ایجاد کرده است و در درازمدت موجب تهدید بهداشت فرد و محیط طبیعی می­شود. نانو الیاف الکتروریسی شده پتانسیل بالایی در جمع‌آوری یون­های فلزی از محلول دارند؛ زیرا این لایه­ها دارای مساحت سطحی ویژه بالا، تخلخل بالا و عاملیت سطحی قابل‌کنترل هستند. برای جذب یون فلزی، پلیمرهای با گروه­های عاملی که میل جذبی به یون­های فلزی دارند، به‌صورت مستقیم درون نانو الیاف الکتروریسی می­شوند. الکتروریسی نانو الیاف مخلوط فیبروئین ابریشم/کراتین پشم برای جذب یون­های مس از آب استفاده‌شده است. پروتئین پشم دارای گروه­های زیادی از اسیدهای آمینه آب­دوست با میل جذبی بالا به یون­های فلزی است و نانو الیاف مخلوط نشان داد که ظرفیت جذبmg/mg  8/2 فلز را باراندمان بالای بازیابی دارد [4].

دو روش برای بهبود جذب یون­های فلزی روی نانو الیاف الکتروریسی شده وجود دارد: 1-  قرار دادن مواد عامل­دار روی سطح لیف با استفاده از روش­های جذبی یا پوشش­دهی و افزایش مساحت سطحی برای بهبود ظرفیت جذب و 2- تبدیل مستقیم یون­های فلزی به عنصر فلزی روی نانو الیاف برای باز تبدیل فلزات گران­بها.

در حوزه نانوفیلتراسیون می­توان به غشاءهای نانولوله‌ای، فیلترهای نانو غربال، فیلتر آلومینای نانو لیفی، فیلترهای جاذب جریان، شامل نانو الیاف و غشاءهای سرامیکی نانو حفره‌ای اشاره کرد. که در این گزارش تمرکز روی غشاءهای نانو لیفی است.

• نحوه تولید غشاء نانو لیفی

نانو الیاف به‌صورت الیاف با قطر کمتر از 100 نانومتر تعریف می­شوند و با دارا بودن یک بعد خارج از محدوده نانومتری، جزء دسته نانو مواد تک‌بعدی قرار می­گیرند. نسبت سطح به حجم بسیار بالا، انعطاف بالا در عامل­دار کردن سطوح و خواص مکانیکی عالی از قبیل چقرمگی و استحکام کششی بالا، از خواص موردتوجه نانو الیاف در مقایسه با الیاف معمولی است.

الکتروریسی روشی با نیروی محرکه الکترواستاتیکی برای تولید نانو الیاف است. شکل 4 (الف) طرح­واره­ای از فرآیند الکتروریسی را نشان می­دهد. در این فرآیند، نانو الیاف از محلول مایع یا مذاب پلیمری که از لوله موئین به منطقه با میدان الکتریکی بالا تغذیه می­شود، تشکیل می­شوند. اندازه و ریزساختار نانو الیاف با متغیرهای عملیاتی متفاوتی کنترل می­شود. این متغیرها، گرانروی محلول، ولتاژ، نرخ تغذیه، هدایت محلول، فاصله هدف و لوله موئین و اندازه لوله هستند. شکل 4 (ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی لایه نانو لیفی ریسیده شده روی یک زیر لایه لیفی را نشان می­دهد.

 

(الف)	(ب)

شکل 4. (الف) طرح­واره­ای از دستگاه الکتروریسی و (ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری فیلتر نانو لیفی

با افزودن پوششی از نانو الیاف الکتروریسی شده به زیر لایه فیلتراسیون متداول، عملکرد فیلتراسیون چندین بار افزایش می­یابد. تنها فناوری تجاری موجود برای تولید الیاف ظریف زیر میکرون با توزیع قطری باریک، روش الکتروریسی است. در حقیقت می­توان با یک زیر لایه ارزان­قیمت و پوشش نانو لیفی ظریف به بازده بالای فیلتراسیون باقیمت پایین‌دست یافت. با استفاده از فناوری Nanospider^TM  می­توان الیاف با قطر 75 تا 250 نانومتر، لایه­ای با         90-60% تخلخل، اندازه حفره بین 1/0 تا 3 میکرومتر، مساحت سطحی 10تا100 مترمربع بر گرم تولید نمود [5]. شکل 5، دستگاه صنعتی تولید لایه نانو لیفی شرکت المارکو با استفاده از فناوری Nanospider^TM را نشان می­دهد.

 

شکل 5. دستگاه تولید لایه نانو لیفی شرکت المارکو [6]

5- کاربرد فیلترهای نانومقیاس

امروزه با پيشرفت صنايع مختلف، استفاده از نانو فیلترها به‌عنوان ابرفيلتر در صنايع مختلف ضروري به نظر مي­رسد. ازنظر تحقیقات دانشگاهی، از سال 2008 تا سال 2015 حدود 1642 مقاله درزمینه‌های مختلف نانوفیلتراسیون نظیر کاربردهای محیطی، تولید غشاء، موضوعات متفرقه، داروسازی و بیوتکنولوژی، مدل­سازی، کاربردهای مواد غذایی، اقتصادی و طراحی و غیره به چاپ رسیده است که نشان از اهمیت و گستردگی نانوفیلتراسیون است.

فناوری توليد نانو فیلترها جديد است و در بسياري از مناطق به‌صورت تحقيقاتي مورداستفاده قرار مي­گيرد و در برخي كشورها به‌صورت صنعتي مورداستفاده قرارگرفته است. با توجه به آمار موجود،كشورهاي امريكا و انگلستان از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان این‌گونه فيلترها هستند و کشورهای ژاپن، چین و تایوان نیز از کشورهای عمده تولیدکننده نانو فیلترها می­باشند.

نانو فیلترهای کاربردی در صنایع را می­توان در دودسته تقسیم‌بندی کرد: فیلترهای نانو لیفی و فیلترهای حاوی نانو ذرات. نانو فیلترها با کاربردهای مختلف برای استفاده در یخچال، اتومبیل، محیط خانه و بیمارستان­ها و مراکز درمانی برای حذف باکتری، قارچ، بو و ترکیبات آلی فرار مورداستفاده قرار می­گیرند. فیلترهای نانو نقره دارای قدرت بسیار بالایی در حذف میکروارگانیسم­ها و میکروب­های بیماری­زا هستند. استفاده از این فیلترها در مکان­هایی مانند بیمارستان و مراکز عمومی که احتمال وجود آلودگی­های میکروب زیاد است، اهمیت و کاربرد فراوانی دارند. علاوه بر نقره از ذرات نانویی کربن نیز برای از بین بردن بو و مواد فرار استفاده می­شود. فیلترهای نانو کربن با دارا بودن ساختارهای نانو، دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند، بو و مواد فرار را به‌خوبی جذب می­کنند. قدرت جذب این فیلترها 15 برابر بیشتر از کربن فعال است و علاوه بر بو، ترکیبات آلی فرار را نیز حذف می­کنند. یکی دیگر از موارد کاربرد فناوری نانو ساخت فیلترهای نانو هیبرید است که فرایند تهویه و تصفیه هوا را به‌خوبی انجام می­دهند و برای از بین بردن میکروب­ها در محیط­های مختلف مانند محیط­های نگهداری مواد غذایی، سرویس­های بهداشتی، رستوران­ها و آشپزخانه­ها به‌کاربرده می­شوند. این فیلترها حاوی نانو ذرات هیبرید مواد آلی و معدنی است و پایداری مناسبی دارند. به­طورکلی نانو فیلترها در صنایع مختلف ازجمله صنعت آب و فاضلاب، صنایع غذایی، صنایع داروسازی، پزشکی، تصفیه هوا و خالص­سازی گازها کاربرد دارند. در ادامه به معرفی برخی از محصولات تجاری شده­ی این حوزه می­پردازیم.

6- محصولات تجاری

6-1- فیلتر نانو لیفی Ultra-web ®

شرکت Donaldson آمریکا بیش از 20 سال است که فیلترهایی بر پایه نانو الیاف الکتروریسی شده را برای کاربردهای صنعتی، خانگی و نظامی تولید می­کند و فیلتر نانو لیفی Ultra-web ® آن برای صنایع بی­بافت و فیلتراسیون برای کاربردهای وسیعی توسعه‌یافته است (شکل 6). این فیلتر متشکل از یک‌لایه وب لیفی الکتروریسی شده با الیاف پیوسته با قطر 3/0-2/0 میکرون روی یک بستر اسپان­باند[3] است، به‌طوری‌که قادر است که ذرات گردوخاک ریز را فیلتر کند [7].

شکل 6. فیلتر نانو لیفی Ultra-Web® شرکت دونالدسون

6-2- فیلتر نانویی تصفیه هوا AMSOIL Ea Air

فیلترهای تصفیه هوای شرکت Amsoil از لایه نانو لیفی باکیفیت بالا تهیه‌شده است (شکل7 الف). فیلترهای هوای AMOSIL EA  اصولاً از یک بستر سلولزی با یک‌لایه نانو لیفی مصنوعی روی آن ساخته‌شده‌اند. گردوخاک و ذرات ریز روی سطح نانو لیفی گیر می­افتند و مانع از ورود آن‌ها به عمق بستر فیلتر می­شود. به دلیل اینکه ذرات روی یکدیگر تجمع می­کنند، فیزیک میکرو در جریان­های لغزنده اجازه می­دهد که حجم بالایی از جریان هوا، حتی باوجود پوشش ضخیمی از گردوخاک از میان فیلتر عبور کند. این فیلترهای هوا برای کاربردهای اتومبیل و تریلرهای سبک مناسب هستند. طی آزمایش‌های انجام‌شده در این شرکت، نانو الیاف 5 برابر بیشتر از فیلتر سلولزی و 50 بار بیشتر از بستر توری ذرات گردوخاک را حذف می­کند. این فیلتر، ذرات میکرونی را روی سطح نانو لیف گیر می­اندازد و مانع از قرارگیری ذرات درون عمق بستر فیلتر می­شود. از نانو الیاف به‌صورت گسترده در فیلتراسیون گردوخاک به‌ویژه در محیط­های خاکی استفاده می­شود. برای مثال از فیلترهای نانو لیفی مذکور، در تانک جنگی ارتش آمریکا بانام M1 استفاده شده است(شکل 7 ب). موتورهای توربین این تانک به سامانه فیلتر مکش هوای نانو لیفی برای دستیابی به تسلط در میدان جنگ وابسته است.

 

شکل 7. (الف) فیلتر نانو لیفی تصفیه هوا و (ب) تانک جنگی M1A1 استفاده‌کننده از  فیلتر هوای نانو لیفی

6-2- فیلتر آلومینای نانو لیفی

این جاذب­ها از نانو الیاف آلومینا با بار مثبت روی زیر لایه شیشه‌ای تشکیل‌شده‌اند. نانو الیاف آلومینا سطح بیشتری نسبت به الیاف متداول داشته و بار مثبت بالایی دارند که باعث جذب سریع­تر آلودگی­های باردار منفی از قبیل ویروس‌ها، باکتری­ها و کلوئیدهای آلی و غیر آلی می­شود [8]. فیلترهای نانوسرام بیش از 99/99 درصد از ویروس­ها، باکتری­ها، انگل­ها، ترکیبات آلی طبیعی و کدری را حذف می­کنند. همچنین قابلیت جذب 9/99 درصد از نمک­ها، مواد رادیواکتیو و فلزات سنگین از قبیل کروم، آرسنیک و سرب و حتی ذرات نانومقیاس و حل‌شده را دارند. این فیلترها در  pH 9-5 بهتر عمل می­کنند. شدت‌جریان فیلترهای نانوسرام بدون استفاده از فشار، حدود یک تا 5/1 لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی­متر مربع از فیلتر است. حداکثر فشار bar4 می­تواند به فیلتر اعمال شود که منجر به‌شدت جریان 9 تا 10 لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی­متر مربع از فیلتر خواهد شد. کارتریج فیلترهای نانوسرام دارای یک طراحی تاخورده است که سطح آن‌ها را افزایش می­دهد (شکل 8). شرکت آرگوناید یکی از تولیدکنندگان این نوع فیلتر، اعلام کرده است که هزینه تولید فیلترهای نانوسرام نسبتاً ارزان است، چراکه می­توانند با استفاده از فناوری کاغذسازی تولید شوند. در حال حاضر هر مترمربع فیلتر، 10 دلار هزینه دارد که ممکن است این مقدار به سه دلار برسد. کارتریج فیلترها به ازای ٢٠ تا ٢٠٠ فیلتر، وابسته به قطر آن‌ها در حدود ٣٧ دلار هزینه‌دارند. این فیلترها به‌طور همزمان ترکیبات شیمیایی و بیولوژیکی را بدون استفاده از مواد گندزدای شیمیایی و یا مواد منعقد کننده، حتی در آب­های شور بسیار کدر حذف می­کنند [9] .

شکل8- کارتریج فیلترهای نانوسرام

6-3- نانو الیاف جاذب جریان

شرکت KX، طرحی از فیلترهای جاذب جریان شامل نانو الیاف را باهدف استفاده در کشورهای درحال‌توسعه بهره­برداری کرده است. فیلتر شامل یک‌لایه پیش فیلتراسیون برای حذف آلودگی­های فیزیکی، یک‌لایه جاذب برای حذف آلودگی­های شیمیایی و یک‌لایه نانو الیاف برای حذف آلودگی­ها و ذرات کلوئیدی است. نانو الیاف از چندین پلیمر آب­دوست، رزین­ها، سرامیک­ها، سلولز، آلومینا و دیگر مواد ساخته می­شوند. این فناوری در مقیاس­های خانگی و شهری قابل‌دسترسی است. طبق اعلام شرکت سازنده، مقیاس خانگی فیلترهای سطح‌فعال می­تواند به ازای هر فیلتر 375 لیتر آب را با سرعت 4-6 لیتر بر ساعت تولید کند. در مقیاس روستایی نیز بیش از 7500 لیتر بر روز با سرعت 6/5 لیتر بر دقیقه تولید می­کند. انتظار می­رود فیلترهای خانگی 6-11 دلار فروخته شوند و فیلترهای روستایی 100-150 دلار هزینه خواهند داشت که تقریباً 0003/0 دلار به ازای هر لیتر است [9] .

 6-4- نانو فیلتر شرکت لیکوئیدیتی

شرکت لیکوئیدیتی^[4] فیلتری حاوی نانو الیاف ساخته است که می‌تواند میکرو ارگانیسم‌های آب را از آن جدا کرده و آب سالم و بهداشتی تولید کند (شکل 9 الف). این محصول نتیجه 15 سال تحقیق و توسعه شرکت لیکوئیدیتی و دانشگاه استون بروک است. نیک‌فیلتر^[5] یک بطری فیلتراسیون آب است که در آن از نانو الیاف الکتروریسی شده برای ساخت فیلتر استفاده‌شده است (شکل 9 ب). این فیلتر می‌تواند آب را با درجه خلوص پزشکی تولید کند. نیک‌فیلتر می‌تواند آب را با درصد خلوص 9999/99 تصفیه کند. این فیلتر قادر است آب‌های موجود در اماکن عمومی، برکه‌ها و رودها را تصفیه کند. این فیلتر برای حذف آلاینده‌های آب از زدایش فیزیکی استفاده می‌کند و درنهایت باکتری‌هایی نظیر ای­کولای [6]را از آب جدا می‌کند [10].

 

(الف)	(ب)

شکل 9. (الف) نانو فیلتر تولیدی شرکت لیکوئیدیتی و (ب) بطری آب حاوی نانو فیلتر

6-5- نانو ماسک

نمونه تجاری Nanomask® از نانو ذرات روی سطح فیلتر برای افزایش قابلیت فیلتراسیون ماسک استفاده می­کند. این نانو ذرات به مدت 48 ساعت پس از قرارگیری روی ماسک فعال هستند. بسیاری از ماسک­های پزشکی درجه N-95 دارند. بدین معنا که بازده فیلتراسیون آن‌ها در حذف ذرات با قطر 3/0 میکرون حدود 95% است. این در حالی است که نانو ماسک بازده 99% در حذف ذرات کوچک‌تر از 027/0 میکرون دارد. هزینه هر نانو ماسک حدود 10 دلار است.

ماسک صورت ReSpimask® از غشاء نانو لیفی برای توقف باکتری، ویروس و ذرات گردوخاک استفاده کرده است (شکل 10). این ماسک می­تواند انسان را از آلودگی هوا، محصولات آلرژی­زا و ویروس­ها نظیر آنفلوانزا محافظت کند. این شرکت محصولات خود را برای مادران باردار، خردسالان، کارگران صنعتی و اعضای خانواده طراحی کرده است.

(الف)	(ب)

شکل 10. (الف) ساختار لایه­های ماسک نانو لیفی و (ب) طرح­واره ماسک نانو لیفی

6-6- نانو فیلتر کیسه­ای

محققان دانشکده میکروبیولوژی دانشگاه استلن بوش آفریقای جنوبی فیلتری شبیه به چای کیسه‌ای تولید کرده­اند که می‌تواند یک لیتر آب را با هزینه­ای بسیار کم قابل‌نوشیدن کند. این کیسه تجدید پذیر زیستی از الیاف نانو ساخته‌شده و داخل آن از نوعی زغال فعال پرشده است (شکل 11)، دیوار داخلی خود کیسه نیز آغشته به آفت‌کش‌هایی است که میکروب‌های بیماری‌زا را نابود می‌کنند، اما برای انسان ضرری ندارند. این کیسه می‌تواند یک لیتر آب را تصفیه کرده و موادی نظیر آهن، آلومینیوم و نفت را از آن حذف کند، اما قادر به شیرین کردن آب‌شور نیست [11].

 

(الف)	(ب)

شکل 11. (الف) فیلتر کیسه­ای نانو لیفی و (ب) قرارگیری فیلتر کیسه­ای درون یک لیوان آب

6-7- فیلتر نانو لیفی ProTura^TM

شرکت کلارک فیلتر[7]، نانو فیلتر لیفی بانام تجاری ProTura تولید کرده است که مناسب جمع­آوری ذرات خاک و گردوغبار است. این فیلتر ساختاری شبه توری منظم، متشکل از الیاف با قطر زیرمیکرون متصل به یک بستر سلولزی دارد (شکل 12). این ساختار، فیلتراسیونی را ایجاد می­کند که کاملاً با بستر سلولزی رایج متفاوت است. با این فیلتر، ذرات ریز آلودگی تمایل دارند که روی سطح بستر قرار بگیرند تا اینکه به درون فیلتر نفوذ کنند. این امر سبب بازده بالای حذف ناخالصی­ها و آلودگی­ها و محدودیت جریان پایین­تر می­شود.

شکل 12: فیلترهای نانو لیفی شرکت کلارک فیلتر

7- شرکت­های داخلی فعال در تولید نانو فیلتر غشایی

7-1- شرکت نانو تار پاک

شرکت دانش‌بنیان نانو تار پاک در سال 1392 موفق به ساخت ماسک صنعتی ارتقاءیافته با نانو الیاف شد. ماسک تهیه‌شده با نانو الیاف از چندین لایه تشکیل‌شده که یکی از لایه­های میانی حاوی نانو الیاف با قطر 100 تا300 نانومتر می­باشد. این شرکت محصولات خود را با توجه نوع کاربرد به چند دسته تقسیم کرده است:

• ماسک نانو الیاف صنعتی 6 لایه برای محیط­های صنعتی با درجه بالای آلاینده­ها و ریز گردها،
• ماسک نانو الیاف صنعتی همراه با پارچه کربن فعال 7 لایه برای محیط­های صنعتی با درجه بالای آلاینده­ها و گازها و بخارهای مضر ،
• ماسک پزشکی، 4 لایه مناسب محیط­های بیمارستانی، آزمایشگاهی و دندان‌پزشکی.

7-2- شرکت فناوران نانومقیاس

این شرکت نانو فیلترهایی بر پایه نانو الیاف ساخته است که ذرات خیلی ریز معلق در سیال­های مختلف مایع و گاز را با کارایی بسیار بالا غربال می­کند. نتایج اولیه آزمون­های ارسالی به کشور آلمان در خصوص فیلترهای ارتقا یافته با نانو الیاف تهیه‌شده در شرکت فناوران نانومقیاس، نشان‌دهنده کارایی بسیار مناسب این نوع فیلترها است. به‌طوری‌که فیلتر نانویی 50% کاهش در ذرات غبار عبور کرده را در مقایسه با فیلتر پایه نشان می­دهد. همزمان این پوشش نانویی طول عمر فیلتر را 25% افزایش می­دهد. این نتایج در کنار عدم افزایش افت فشار در مقایسه با فیلتر پایه، امیدواری زیادی را در استفاده از این فناوری در صنایع مختلف مانند پزشکی، نیروگاهی، خودروسازی، شیمیایی، نظامی، معدنی و غیره به وجود می‌آورد. در حال حاضر شرکت نانومقیاس در حال ساخت دستگاه­های صنعتی پوشش فیلتر باقابلیت پوشش 10000 مترمربع کاغذ فیلتر با الیاف نانو در روز می­باشد.

7-3- بهران فیلتر

شرکت تولیدی و صنعتی بهران فیلتر درزمینه تولید انواع فیلترهای خودرو، صنعتی و نیروگاهی در ایران فعالیت دارد. این شرکت از سال 1387 پروژه پوشش­دهی کاغذهای فیلتر با الیاف نانو را در دستور کار خود قرار داد و در سال 1390 موفق به ساخت فیلترهای با پوشش نانو شد. این شرکت با استفاده از دستگاه صنعتی تولید نانو الیاف، یک‌لایه نانو لیفی با قطر بین 50 تا 300 نانومتر را روی کاغذ، قبل از شروع عملیات چین کن، لایه نشانی می­کند. محصولات این شرکت که دارای پوشش نانو می­باشند، عبارت­اند از: فیلترهای هوای کمپرسور واحدهای F9 جان براون میتسوبیشی نیروگاه چنگه دار، فیلترهای هوای واحدهای آنسالدو مدل V94.2 نیروگاه، فیلترهای هوای توربو ژنراتور، فیلتر مخروطی هوای کمپرسور مولدهای آلستوم نیروگاه، فیلتر استوانه‌ای هوای کمپرسور مولدهای آلستوم نیروگاه، فیلتر هوای کمپرسور مولدهای آلستوم سوئیس و فیلتر استوانه­ای هوای توربین زیمنیس SGT-600.

8- آینده نانو فیلتراسیون

بازار جهانی غشاءهای نانوفیلتراسیون از 8/172 میلیون دلار در سال 2012، به 2/190 میلیون دلار در سال 2013 افزایش‌یافته است و پیش­بینی می­شود که در انتهای سال 2019، به 1/455 میلیون دلار برسد. به عبارتی، افزایش سالانه 6/15% را به همراه خواهد داشت. همچنین، افزایش 1/16 درصدی بازار غشاءهای تصفیه پساب و آب طی سال­های 2014 تا 2019 قابل پیش­بینی است، به‌طوری‌که انتظار می­رود که در سال 2019 به مقدار 5/388 میلیون دلار برسد. پیش­بینی­ها حاکی از آن است که انتظار می­رود، بازار غشاءهای بیو پزشکی و داروسازی نیز با افزایش سالانه 5/19%، به حدود 7/22 میلیون دلار در سال 2019 برسد [12].

9- جمع‌بندی

غشاء نانوفیلتراسیون یکی از غشاءهای محرک- فشاری با خصوصیاتی مابین اسمز معکوس و غشاء اولترافیلتراسیون است. فیلتر نانو لیفی از یک‌لایه نانو لیف بسیار ظریف تهیه‌شده به روش الکتروریسی و زیر لایه‌های انعطاف­پذیر تهیه‌شده است. مزیت این غشاء در مقایسه با غشاءهای دیگر، اندازه حفره­های نانومتری است که حتی توانایی حذف ویروس­ها، باکتری­ها و مواد نانومتری را داراست. نانو فیلترهای کاربردی در صنایع در دودسته فیلترهای نانو لیفی و فیلترهای حاوی نانو ذرات تقسیم­بندی می­شوند. نانو فیلترها در کاربردهایی نظیر ماسک­های خانگی، پزشکی و صنعتی، فیلتراسیون آب و پساب کارخانه­ها از کارایی بالایی برخوردار است. با توجه به مزایای به‌کارگیری نانوفیلتراسیون در صنایع مختلف، پیش­بینی­های صورت گرفته از آینده بازار این محصولات و پتانسیل بالقوه این فناوری در کشور، لزوم توجه هر چه بیشتر صنایع داخلی به این فناوری ضروری به نظر می­رسد.

منابع:

[1]       شبنم محمدی، “کاربردهای فناوری نانو در صنعت آب و محیط زیست”،هشتمین سمینار آموزشی شیمی ایران، دانشکده شیمی دانشگاه سمنان، 1392.

[2]        نانوفیلتراسیون در تصفیه آب، ماهنامه زنگ نانو، شماره 47، صفحه 5، مهر 1393.

[3]        T. Haynam, “Nanofibers vs. ePTFE technology: choosing the right media for your application,” United Air Specialists. Inc, www. APCmag.net, 2012.

[4]        J. Fang, et al., “Functional application of electrospun nanofibers,” in Nanofibers-production, properties and functional applications, T. Lin, Ed., ed: InTech, pp. 287-326, 2011.

[5]        Y. K. Choi, et al., “Mechanical and physical properties of epoxy composites reinforced by vapour grown carbon nanofibers,” Carbon, vol. 43, pp. 2199-208, 2005.

[6]        J.  Zhu, et al., “In  situ  stabilized  carbon  nanofiber  (CNF) reinforced epoxy nanocomposites,” Journal  of  Materials Chemistry, vol. 20 p. 4937, 2010.

[7]        K. T. Hsiao, “Investigation  on  the  Spring-in Phenomenon  of  Carbon  Nanofiber-Glass Fiber/Polyester  Composites  Manufactured  with Vacuum  Assisted  Resin  Transfer  Molding,” Composites: Part A, vol. 39, pp. 834-842, 2008.

[8]        P. J. Herrera-Franco and L. T. Drzal, “Comparison of methods for the measurement of fibre/matrix adhesion in composites,” Composites, vol. 23, pp. 2-27, 1992.

[9]        محمد رضا زارعی خشکناب، نمونه های عملی از کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب، ماهنامه فناوری نانو، سال پنجم، شماره 112، صفحه 13-23، بهمن 1385.

[10]      S. Zhandarov and E. Mäder, “Characterization of fiber/matrix interface strength: applicability of different tests, approaches and parameters,” Composites Sciences Technology, vol. 65, pp. 149-160, 2005.

[11]      L. R. Xu, et al., “Mechanical Property Characterization of Polymeric Nanocomposite Reinforced by Graphitic Nanofibers with Reactive Linkers,” J. Comp. Mater., vol. 38, pp. 1563-1582, 2004.

[12]      “Global Markets and Technlologies for nanofiltration,” www.bccresearch.com, 2014.

———————

[1] Filtration

[2] High efficiency particulate air

[3] Spunbond

[4] Liquidity

[5] Nake Filter

[6] E.coli

[7] Clark Filter

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• گروه ترویج و صنعت و بازار – نانونساجی

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[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 دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================