نانوحسگرهای پایش آلودگی ذرات معلق در هوا

1. فناوری نانو

طی دهه­های گذشته، مباحثی تحت عنوان “علوم و فناوری نانو” در حوزه تحقیقات و پژوهش­های پیشرفته به وجود آمده­اند که شامل ساخت، شناسایی، توصیف خواص و دستکاری ترکیبات مصنوعی با خواص کنترل شده در مقیاس نانو می­باشد. فناوری نانو حوزه­های تحقیقاتی مختلف مثل شیمی، فیزیک، مهندسی، علم مواد، زیست شناسی و … را در بر می­گیرد که با توجه به پیشرفت­های اخیر در زمینه دستگاه­ها و همچنین روش­های بررسی خواص مواد در مقیاس نانو، این تحقیقات نیز شتاب بیشتری به خود گرفته است. این موضوع موجب شده است، امروزه ترکیبات نانومقیاس کاربرد گسترده­ای در فرایندهای صنعتی پیدا کنند؛ کاربردی که می توان آن را مدیون خواص منحصر به فرد ایجاد شده در نانوساختارهای مختلف دانست.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

2. حسگر

حسگر یا سنسور در اصل یک نوع مبدل انرژی^[1] است که ‌می‌تواند برخی خواص یا پدیده­های فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و… در محیط اطرافش را تشخیص داده و آن را به صورت یک سیگنال خروجی (عموما به صورت یک سیگنال الکتریکی یا نوری) نمایش دهند. بر همین اساس حسگرهای مختلفی در زمینه­های گوناگون توسعه یافته­ و کاربرد بسیار زیادی پیدا کرده‌اند. دسته­ای از حسگر­ها که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند، نانوحسگرها هستند. نانوحسگرها در اصل حسگرهای شیمیایی، فیزیکی یا بیولوژیکی در ابعاد نانو هستند که ‌می‌توانند تغییرات ایجاد شده در مقیاس نانو را با حساسیت و دقت بسیار بالا و به صورت کیفی یا کمی اندازه­گیری نمایند. حساسیت زیاد، قدرت تشخیص بالا و توانایی اندازه­گیری[2] هم­زمان چند گونه با یکدیگر، از مهم­ترین مشخصه­هایی هستند که باعث ایجاد اعتماد بسیار گسترده به داده­های حاصل از حسگرها و نانوحسگرها شده است.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

3. 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[3] و ثانویه[4] 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[5]، اکسید­های گوگرد[6]و نیتروژن[7]، ترکیبات آلی فرار[8] 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[9] که از واکنش اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات آلی فرار تولید می­شود.

شکل صرفا جهت استفاده گرافیست

4. آلودگی ذرات معلق

آلودگی ذرات معلق (PM) شامل تمام ترکیبات میکروسکوپی جامد یا مایع می­شود که در اتمسفر زمین معلق هستند. طبقه بندی این نوع آلودگی عموما بر اساس اندازه ذرات صورت می­پذیرد که مهم­ترین آن­ها عبارتند از PM₁₀ که ذرات کوچکتر از 10 میکرومتر را در برمی­گیرد، PM_2.5 که ذرات کمتر از 5/2 میکرومتر را در بر­می­گیرد (شکل 1) و PM₁ که ذرات کوچکتر از 1 میکرومتر را در برمی­گیرد. در مجامع بین­المللی دو مورد اول (مخصوصا PM₁₀) از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و باتوجه به مضرات زیاد آن­ها بر روی سلامتی انسان­ها و دیگر موجودات زنده استانداردهایی برای پایش آن­ها وضع شده است که در شکل 1 قابل مشاهده است.

شکل 1. آلودگی ذرات معلق در هوا و مقادیر استاندارد آن­ها برای سلامت انسان [1].

5. پایش آلودگی ذرات معلق

استنشاق ذرات معلق موجود در هوا تاثیرات بسیار مخربی بر سلامتی انسان می­گذارد و باعث بروز بیماری­هایی همچون آسم، سرطان ریه، بیماری های قلبی عروقی، بیماری های تنفسی، نقائص هنگام تولد و مرگ زودرس می­شود. بنابراین پایش و اندازه­گیری آن از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در حال حاضر در بعضی نقاط دنیا برنامه­های پایشی[10] شدیدی برای پایش آلودگی­های مختلف به ویژه ذرات معلق، توسط ارگان­هایی همچون سازمان جهانی سلامت[11] و آژانس­های حفاظت از محیط زیست آمریکا[12] و اروپا[13] در حال اجراست. اغلب برای پایش و نظارت بر آلودگی­ ذرات معلق (یا موارد دیگر) شبکه­ای از حسگرها در چندین منطقه از یک ناحیه جغرافیایی نصب می­شوند و اطلاعات حاصل از هر کدام به صورت بی­سیم[14] به وسیله امواج رادیویی به محل جمع آوری داده­ها ارسال می­گردد.

شکل 2. نصب شبکه­ای از حسگرها در سطح شهر لس­آنجلس آمریکا جهت ایجاد یک مدل برای پایش کیفیت هوا [2].

6. نانوحسگرهای پایش بر آلودگی ذرات معلق در هوا

رایج­ترین و مهم­ترین ابزار پایش آلودگی ناشی از ذرات معلق، حسگرها و به تبع آن نانوحسگرها هستند. در سال­های اخیر استفاده از محصولات فناوری نانو به خصوص نانوحسگرها در حوزه­ پایش و اندازه­گیری آلاینده­های هوا رشد فزاینده­ای داشته است. توسعه نانوحسگرها و تجاری سازی آن­ها نیازمند سرمایه­گذاری در راستای بررسی ترکیبات نانو مقیاس قابل استفاده و همچنین نحوه طراحی کلی سیستم نانوحسگر است. طراحی نانوحسگرهای تشخیص و پایش آلودگی ذرات معلق باید به گونه­ای باشد که نانوذرات مورد استفاده برای ساخت نانوحسگر به سادگی قابل بازیابی بوده[15] و همچنین احتمال کنده شدن و ورود خود ذرات به هوا (و درنتیجه ایجاد آلودگی ذره­ای) در حد صفر باشد. غلبه بر این مسائل تکنیکی موجب شده بسیاری از ابتکارات و طرح­های اولیه به محصولات تجاری تبدیل شده و به بازار راه یابند و امروزه شاهد استفاده از نانوحسگرهای پایش آلودگی ذرات معلق در مکان­های مختلف باشیم.

به طور کلی این حسگرها بر اساس مکانیسم عملکردشان  به دو دسته اصلی تقسیم بندی می­گردند: 1- حسگرهای نوری و 2- حسگرهای الکتروشیمیایی. حسگرهای نوری عموما از نور لیزر برای تشخیص و اندازه گیری ذرات معلق بهره می­برند و مبنای عمل آن­ها شمارش تعداد ذرات بر اساس اندازه‌گیری میزان پراکندگی نور[16] با استفاده از آشکارسازهای نوری [17] بسیار حساس مانند دیودهای نوری[18] می­باشد. حسگرهای الکتروشیمیایی بر اساس این موضوع توسعه یافته­اند که ذرات معلق ذراتی باردار هستند و در عمل این حسگرها بار ذرات معلق را اندازه­گیری نموده و میزان آن را به غلظت ذرات معلق ارتباط می­دهند. لازم به ذکر است که این حسگرها از ابزاری به نام تله یون[19] نیز بهره می­برند که قادر است با اعمال یک میدان الکتریکی مشخص و قابل تنظیم ذرات با اندازه خاصی را فیلتر کرده و ذرات کوچکتر را عبور دهد و بدین ترتیب قادر به اندازه گیری غلظت ذرات بر اساس اندازه آن­ها نیز می­باشد.

شکل 3. شمای کلی و نحوه عملکرد حسگرهای نوری برای اندازه گیری ذرات معلق [3].

7. بازار نانوحسگرهای پایش بر آلودگی ذرات معلق در هوا

بنا بر آمار ارائه شده توسط موسسه N-tech Research (Nano Market) بازار کل نانوحسگرها در سال 2014 برابر با 1/13 میلیون دلار بوده و پیش­بینی­ها حاکی از این است که تا سال 2021 این مقدار به حدود 28/1 میلیارد دلار خواهد رسید. در این میان سهم بازار مربوط به نانوحسگرهای پایش آلودگی ذرات معلق در هوا نزدیک به 29 میلیون دلار خواهد بود که نسبت به آمار سال 2014 رشد 18 برابری را تجربه خواهد کرد (شکل 4).

شکل 4. پیش بینی بازار نانوحسگرهای پایش بر آلودگی ذرات معلق در هوا [4].

8. شرکت­های فعال خارجی

با توجه به اهمیت بسیار زیاد پایش بر آلودگی ناشی از ذرات معلق در هوا برای تامین سلامتی موجودات زنده و پتانسیل بسیار بالای نانوحسگرها در این زمینه، ارگان­های بین­المللی، شرکت­ها و موسسات زیادی اقدام به طراحی، توسعه و ساخت نانوحسگرهای تشخیص آلودگی ذرات معلق در هوا نموده­اند. از میان این شرکت­ها و موسسات می­توان به موارد زیر اشاره نمود :

شرکت نیوزیلندی Aeroqual که زمان تاسیس آن به سال 2001 باز می­گردد، در زمینه تولید تجهیزات و حسگرهای پایش کیفیت هوا فعالیت دارد و محصولاتی برای فضاهای باز[20] و سرپوشیده[21] در اختیار مشتریان خود قرار می­دهد. در سال­های اخیر این شرکت شروع به فعالیت در حوزه فناوری نموده و در همین راستا چندین نانوحسگر مختلف نیز به بازار عرضه کرده است. مهمترین این نانوحسگرها که در یکی از دستگاه­های پایش کیفیت هوای این شرکت به نام AQM 65 به کار می­روند (شکل 5)، نانوحسگرهایی برای اندازه­گیری مونوکسید کربن (CO)، سولفید هیدروژن (H₂S) و گوگرد دی اکسید (SO₂) هستند. این نانوحسگرهای الکتروشیمیایی شامل یک الکترود کار[22] هستند که با نوعی نانوکاتالیست[23] خاص پوشیده شده است [5-8].

شکل 5. A) دستگاه AQM 65 ساخت شرکت Aeroqual برای پایش کیفیت هوا و نانوحسگرهای به کار رفته در آن برای: B) H₂S، C) SO₂ و D) CO [5].

یکی از پروژه­هایی که برای طراحی یک فناوری جدید جهت پایش بر کیفیت هوا به وسیله نانوحسگرها در راستای برنامه توسعه اتحادیه اروپا تا سال 2020 [24] توسط سازمان EuNetAir [25]، زیر نظر موسسه COST [26] و  با همکاری شرکت­هایی همچون SenseAir AB [9]، 3S GmbH [10]، SGXSensortech S.A [11]، AirBase Systems [12]، Alphasense Limited [13] و SenSiC AB [14] (همگی از شرکت­های مطرح اروپایی در تولید حسگر و بعضا نانوحسگر هستند) صورت پذیرفته است، پروژه­­ای است که تحت عنوان COST Action TD1105-EuNetAir شناخته می­شود. هدف اصلی این پروژه که در 4 گروه کاری جداگانه انجام شده است، یافتن ترکیبات نانومقیاس مناسب برای ساخت نانوحسگر پایش بر آلودگی ذرات معلق، طراحی و ساخت نانوحسگر مورد نظر، انجام فرایندهای استانداردسازی و کالیبراسیون بر روی نانوحسگر و در نهایت امکان سنجی جهت استفاده از این نانوحسگر در مقیاس واقعی است.

شکل 6. مراحل انجام ساخت نانوحسگر پایش بر آلودگی ذرات معلق؛ الف) یافتن نانوذرات مناسب، ب) طراحی اولیه نانوحسگر پایش بر آلودگی ذرات معلق و ج) استفاده از نانوحسگر در دستگاه­های پایش بر کیفیت هوا جهت پایش آلودگی ذرات معلق [15].

سازمان فضایی آمریکا NASA نیز برای پایش بر آلودگی ناشی از ذرات معلق در هوا اقدام به ساخت نانوحسگر نموده است. این نانو حسگر بسیار کوچک از ترکیب64 نانوحسگر با یکدیگر ساخته شده و می­توان در ساخت حسگرهای قابل حمل نیز از آن استفاده نمود. یک نمونه از طراحی­هایی که از این نانوحسگر در ساخت آن استفاده شده است و می­توان آن را به تلفن همراه متصل نمود و بدین وسیله مقادیر برخی آلاینده­ها همچون ذرات معلق را اندازه­گیری نمود، در شکل 7 قابل مشاهده است [16].

شکل 7. نانوحسگر ساخته شده توسط NASA برای پایش بر برخی آلودگی­های هوا از جمله ذرات معلق [16].

9. شرکت­های فعال داخلی

متاسفانه علیرغم وجود پتانسیل علمی بسیار بالا در زمینه ساخت نانوحسگرها در داخل کشور، تاکنون شرکتی به طور تخصصی به این حوزه وارد نشده است؛ هرچند مطالعات علمی بسیاری در این زمینه صورت می­پذیرد. در راستای این مطالعات برخی موارد نیز به صورت اختراع به ثبت می­رسند که از میان مهم­ترین آن­ها می­توان به دستگاه نانوحسگر تشخیص انواع آلاینده‌ها با توانایی شناسایی آلاینده ها در حد یک نانو گرم در دانشگاه تبریز اشاره نمود. این نانوحسگرها بر اساس خاصیت پیزوالکتریک معکوس ساخته شده­اند و در تشخیص و اندازه‌گیری گازهای مختلف، مواد شیمیایی و ذرات معلق کاربرد دارند. این نانوحسگر با تغییراتی که بر روی فرکانس کریستال‌های پیزوالکتریک ایجاد می‌شود، نوع ماده را مشخص و مقدار آن را اندازه‌گیری می‌کند. همچنین می­توان با تغییر نانوپوشش ایجاد شده بر روی سطح نانوحسگر، نوع ماده مورد نظر برای شناسایی را تغییر داد [17].

10. نتیجه­گیری

آلودگی ذرات معلق یکی از خطرناک­ترین انواع آلودگی­های هواست که می­تواند تاثیرات بسیار مخربی بر روی سلامتی انسان­ها و دیگر موجود زنده به جای بگذارد. از این رو پایش و نظارت دائمی بر روی میزان این آلودگی یک امر اجتناب ناپذیر است و اصلی­ترین وسیله در راستای رسیدن به این هدف، حسگرها و نانوحسگرها هستند. امروزه تکامل نانوحسگرها به حدی رسیده است که استفاده از آن­ها به امری کاملا عادی تبدیل شده است. این امر در مورد نانوحسگرهای پایش بر آلودگی ذرات معلق نیز صادق است و با توجه به خواص منحصر به فرد آن­ها استفاده از نانوحسگرها دائما در حال افزایش است که آمار حاصل از بازار آن­ها نیز این موضوع را تایید می­نماید.

11. مراجع
12. http://www3.epa.gov/pm/basic.html.
13. http://www.valarm.net/wp-content/uploads/2014/02/Valarm-VOC-Air-Quality-Sensor-Downtown-Los-Angeles-1.png.
14. http://www.windpowerengineering.com/wp-content/uploads/2014/07/PAMAS-Sensor-Measuring-Cell.jpg.
15. http://ntechresearch.com/market_reports/nanosensor-markets-2014.
16. http://www.aeroqual.com.
17. http://www.aeroqual.com/product/carbon-monoxide-analyzer-module.
18. http://www.aeroqual.com/product/sulfur-dioxide-analyzer-module.
19. http://www.aeroqual.com/product/hydrogen-sulfide-analyzer-module.
20. http://www.senseair.com/applications/air-quality-monitoring/.
21. http://www.3s-ing.de/.
22. http://www.sgxsensortech.com/.
23. http://elm.perkinelmer.com/.
24. http://www.alphasense.com/.
25. http://sensic.se/.
26. http://www.eunetair.it/cost/conference/2014/02_APC-2014_ESSEM_TD1105_PRESENTATION.pdf.
27. http://www.nasa.gov/centers/ames/news/features/2009/cell_phone_sensors.html.
28. http://www.asbineh.ir/?p=2384.

[1] Transducer

[2] Simultaneous

[3] Primary Pollutants

[4] Secondary Pollutants

[5] Carbon Monoxide (CO)

[6] Sulfur Oxides (SO_x)

[7] Nitrogen Oxides (NO_x)

[8] Volatile Organic Compounds (VOCs)

[9] Peroxyacetyl Nitrate (PAN)

[10] Monitoring Programs

[11] World Health Organization (WHO)

[12] U.S. Environmental Protection Agency (EPA)

[13] European Environment Agency (EEA)

[14] Wireless

[15] Recovery

[16] Scattering

[17] Photodetectors

[18] Photodiodes

[19] Ion Trap

[20] Indoor

[21] Outdoor

[22] Working Electrode (WE)

[23] Nanocatalyst

[24] EU Framework Programme Horizon 2020

[25] European Network on New Sensing Technologies for Air-Pollution Control and Environmental Sustainability

[26] European Cooperation In Science And Technology

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• گروه ترویج صنعتی آب و فاضلاب و حسگر

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]

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