“رسوبگذاری زیستی در دریا” به رشد نامطلوب ارگانیسمهای دریایی روی سطوح غوطهور در آب گفته میشود. این مسئله یک مشکل جهانی برای صنایع دریایی به حساب میآید که باعث بروز خسارات اقتصادی و زیستمحیطی فراوانی میشود. راهکار اولیه برای مبارزه با رسوبگذاری دریایی استفاده از رنگهای حاوی کشنده های زیستی است، اما بهدلیل ملاحظات زیست محیطی و قوانین اعمالی، محققان همواره به دنبال استفاده از راهحلهای غیر از کشندههای زیستی بودهاند.
1-کاربرد فناوری نانو در رنگهای آنتیفولینگ
1-1 چالش موجود
بنابر مشکلات فوق، سه فاکتور تاثیرگذار در رشد استفاده از رنگهای آنتیفولینگ[1]، توسعه روز افزون بازارهای نفت و گاز، استفاده گستردهتر از پوششها برای اطمینان از محافظت طولانی مدت داراییهای دریانوردی و اجرای قوانین پوششهای مخازن، وضع شده توسط گزارش سازمان دریانوردی بینالمللی[2] (IMO ) میباشد. با این حال، مقررات زیست محیطی و ترجیح مشتریان برای استفاده از رنگ های سازگار با محیط زیست باعث افزایش خلاقیت در زمینه تولید رنگهای آنتی فولینگ شده است. پیشرفتهای صورت گرفته در علوم و فناوریهای نوین، دانش پلیمرها و توسعه طراحی سطوح جدید الهام گرفته از طبیعت تاثیر مهمی بر توسعه نسل جدیدی از پوششهای دریایی سازگار طبیعت داشته است.
1-2 تعریف فناوری نانو
فناوری نانو توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستمهای جدید با كنترل سطوح مولكولی و اتمی برای استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر میشود. نانو نه یک ماده است نه یک جسم، فقط یک مقیاس است. نانومواد به موادی گفته میشود که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس 1 تا 100 نانومتر باشد. فناوری نانو از جمله فناوریهای نوینی است که در غلبه بر مشکل رسوبگذاری زیستی در دریا تاثیر بسزایی داشته است که در ادامه به توضیح بیشتری در این خصوص پرداخته شده است.
2- بیان مشکل
2-1 رسوبگذاری دریایی[3]
از آغاز پیدایش صنعت دریانوردی، رشد موجودات آبزی در شناوررها (قسمتهای قرار گرفته در زیر آب)، یک مشکل جدی بوده است که رشد و توسعه این صنعت را با محدودیتهایی مواجه کرده و هرگز روشی کاملا رضایت بخش برای رفع آن یافته نشده است. عمدتا رسوبات زیستی دریایی[4] بهصورت تجمع نامطلوب میکروارگانیزمها، جلبکها و حیوانات روی سازههای غوطهور در آب تعریف میشود (شکل1). با وجودی که توجه به فرایند رسوبگذاری عمدتا به واسطه آثار مخرب آن بر سازه های دستساز بشر است، اما این فرایند بر روی سطوح ارگانیسمهای دریایی زنده نیز اتفاق میافتد و منجر به بروز مشکلاتی برای جلبکهای آبزی و سخت پوستان دریایی میشود.
شکل 1: تصاویر مربوط به رشد جلبک و رسوبات بر بدنه سازههای دریایی
2-2 انواع رسوبات زیستی:
رسوبات زیستی به دو دسته میکرورسوبگذارها (لایههای زیستی باکتریایی و دیاتومیک) و ماکرورسوبگذارها (مثل جلبکهای بزرگ، بارناکلها[5]، صدفها وکرمهای لوله ای[6] ) تقسیم میشوند که در شکلهای 2 و 3 اشکال متفاوت این رسوبات نشان داده شده است]1[.
شکل 2- انواع رسوب گذارهای میکروسکوپی، دیاتوم ها (تصاویر بالا سمت چپ)، آمفیتریت بالانوس با ابعاد حدودا 300-600 میکرون (تصویر سمت راست در بالا)، باکتری ها (تصویر پایین سمت چپ) و زئوسپور (تصویر سمت راست پایین).
شکل 3- انواع رسوبگذاریهای ماکروسکوپی: تصاویر بالا شامل جلبکهای درشت است. تصویر سمت چپ پایین مربوط به بالانوس آمفیتریت (Balanus amphitrite) و تصویر میانی پایین مربوط به کرمهای لولهای است. در تصویر پایین سمت راست بدنه مملو از رسوب یک کشتی مشاهده می شود.
2-3 سازوکار رسوبگذاری دریایی چیست؟
فرایند رسوبگذاری شامل واکنشهایی است که در فاصله چند نانومتری از سطح اتفاق میافتد و شدت چسبندگی در اثر برهمکنش عناصر ساختاری خاص موجود در ترشحات چسبنده (مثل موتیفهای آمینو اسیدی یا گروههای شیمیایی خاص) با زیرلایه تعیین میشود. نمای کلی و ساده شدهی یک فرایند رسوب گذاری در شکل 4 نشان داده شده است. بهطور کلی، هر سطحی که در آب غوطهور شود در مدت چند ثانیه با لایهای از ترکیبات آلی، مثلا پلیساکاریدها، چربیها و پروتئینها، پوشیده خواهد شد. کمتر از 24 ساعت بعد از تشکیل این لایه تهویه ای[7]، فرایند تشکیل رسوبات زیستی آغاز میشود. کولونی کنندگان اولیه[8] عمدتا از باکتری، مخمرها و دیاتومهایی که خودشان را در ساختار لایه زیستی محافظ جای میدهند، تشکیل میشوند. کولونی کنندگان ثانویه متشکل از هاگهای جلبکهای درشت، قارچها و تکیاخته ها هستند که براساس منابع در صورت مطلوببودن شرایط محیطی حدود یک هفته بعد از غوطهوری رسوب میکنند. تشکیل رسوب لاروی بیمهره[9] غالبا آخرین مرحله فرایند رسوبگذاری زیستی دریایی است که ظهور آنها بر سطح بهطور متوسط 2-3 هفته بعد از غوطه وری در فصل تخمریزی اتفاق میافتد]2[.
شکل 4- ساختار زمانی ساده شده نشست رسوب گذارهای زیستی دریا.
3- راهکارهای مبتنی بر فناوری نانو
3-1 معرفی پروژه AMBIO
پروژه AMBIO یا “سطوح نانوساختار پیشرفته برای کنترل رسوب گذاری زیستی[10]“، پروژه ای یکپارچه است که بودجه آن توسط کمیسیون اروپا تحت چارچوب برنامه ششم تامین میشود و رهیافتی بین علوم مختلف نانو، بیولوژی دریایی، محیط زیست و فناوریهای پیشرفته است. فاز اول پنج ساله این پروژه، در سال 2005 آغاز شده و بر توسعه دانشبنیان پوششهای آنتیفولینگ تمرکز دارد. حذف رسوبات زیستی دریایی در این پوششها، از طریق ویژگیهای نانو ساختاری پوشش میباشد، بدون اینکه از کشندههای زیستی یا مواد مضری که در محیط آزاد میشوند استفاده شود]4[.
3-2 روشهای مبتنی بر فناوری نانو در مقابله با رشد رسوبات دریایی
افزودن مواد نانوساختار بهعنوان پرکننده به ماتریس پلیمری و ساخت مواد کامپوزیتی برای غلبه بر ضعف خواص مکانیکی پوششهای آنتیفولینگ معمول بسیار موثر میباشد. مزیت مهم نانو کامپوزیتهای پلیمری این است که ذرات نانو مقیاس فصل مشترک بزرگی برای برهمکنشهای ماتریس- پلیمر ایجاد میکنند که این امر در بهبود خواص آنتیفولینگ تاثیر بسزایی دارد.
بهطور کلی رنگهای آنتیفولینگ مبتنی بر فناوری نانو به دو طریق از تشکیل و رشد فرایند رسوبگذاری جلوگیری میکند:
- رنگهای آنتی فولینگ ضدرسوبگذاری (یعنی هیچگونه رسوب یا اتصالی از لارو، جلبک یا سلولهای کولونیکرده بر سطح شناور وجود نداشته باشد) (شکل5 – الف)
- رنگهای دارای قابلیت رهاسازی رسوب[11] (یعنی ارگانیسمها بهدلیل چسبندگی ضعیفی که به سطح دارند، تحت فشارهای هیدرودینامیکی بهراحتی آزاد میشوند) (شکل5- ب)
شکل5: شمایی از مکانیزم رنگهای آنتی فولینگ ضدرسوبگذاری (الف) و رنگهای دارای قابلیت رهاسازی رسوب (ب)]5[.
در هر دو روش اشاره شده در بالا، رویکرد اصلی رنگهای آنتیفولینگ زیستسازگار دستیابی به مواد نانوساختار با حداقل انرژی سطحی است، بهعبارت سادهتر استفاده از مواد فوق آبگریز[12]. بهترین پوششی که بر مبنای این رویکرد ساخته شده الاستومرهای سیلیکونی هستند. استفاده از نانو ذرات فوق آبگریز باعث میشود، موجودات دریایی به سطح شناور در آب نچسبیده و یا اینکه چسبندگی ضعیفی با سطح داشته باشند. از طرفی نیروهای ضربهای و تنشهای وارده از طرف آب بر سطح موجب جدا شدن موجودات ریز، جلبکها و سایر میکروارگانیسمها از سطح کشتی میشود.
3-3 مراحل تشکیل نانو رنگ آنتی فولینگ مبتنی بر فناوری نانو:
در زیر بهصورت مختصر به مراحل تشکیل نانو رنگ آنتی فولینگ اشاره شده است]7[.
- استفاده از ترکیبهای کوپلیمری دارای انرژی سطحی کم و با دیواره چسبنده
- افزودن نانو ذرات فلزی، اکسیدی، سولفیدی، کاربیدی یا نانوذرات پلیمری با اندازه بین 5 تا 100 نانومتر و درصد وزنی بین 5/0 تا 50 (Wt%)، به غشای کوپلیمری
- افزودن اکسید مس (Cu2O) به غشای کوپلیمر و آماده سازی نهایی رنگ نانوی آنتی فولینگ
- بررسی وضعیت فناوری رنگ های ضدرسوب در دنیا
4-1 بازار
مسائل ناشی از رسوبگذاری موجودات دریایی بر بدنه کشتیها آثار اقتصادی و زیست محیطی فراوانی دارد. بر اساس گزارش سازمان دریانوردی بینالمللی، ناوگان تجاری جهان که عهدهدار بیش از 90% تجارت جهانی کالاهاست و سهم بزرگی در رفاه اجتماعی دارد، تا سال 2020 حدود نیم میلیارد تن سوخت مصرف خواهد کرد. جزئیات مربوط به هزینه اقتصادی و نتیجه زیست محیطی منتج از آن در جدول 1 آمده است.
جدول 1– تخمین مصرف جهانی سوخت و انتشار گاز از ناوگان تجاری بین المللی در سال 2007 و ارقام پیش بینی شده برای سال 2020]8[.
| نتیجه تا 2020 (میلیون تن) | نتیجه تا 2007 (میلیون تن) | محاسبات ارزیابی |
| 486 | 369 | کل سوخت مصرفی کشتی ها |
| 1475 | 1120 | انتشار CO2 از کشتی ها |
| 7/22 | 2/16 | کل SOx انتشار یافته توسط کشتی ها |
| 2/34 | 8/25 | انتشار NOX از کشتی ها |
| 4/2 | 8/1 | انتشار PM10 از کشتی ها |
براساس برخی تخمینها، حذف رسوبات از بدنه کشتی در مقایسه با بدنه دارای رسوبات سنگین، تا حدود 70% بر نیروی پیشرونده شناورخواهد افزود. به عبارت سادهتر، با بکارگیری یک لایه محافظ ضدرسوب که کارایی بالایی داشته باشد، سالانه بیش از 150 میلیارد دلار آمریکا در مصرف انرژی در سطح جهان صرفهجویی خواهد شد (این هزینه مستقل از هزینههای غیرمستقیم ناشی از تاخیر نقل و انتقالات، تعمیرات بدنه، لولههای غرقشده بهعلت بدنههای دچار خوردگی و غیره است).
تا چند وقت اخیر، محصولی که عمدتا برای کنترل رسوب گیری کشتی ها استفاده می شد، رنگهای حاوی زیستکش های TBT[13] بود و نیز محصولات آنتی فولینگ غالب در بازار رنگ های حاوی زیست کش هستند. با این حال فشار زیادی بر صنایع دریایی برای توسعه جایگزین های غیرزیست- مخرب وجود دارد. طبق گزارش منتشر شده در وبسایت “پوشش های اروپایی” در سال 2013، منطقه آسیا- اقیانوسیه 75% بازار کلی پوشش های دریایی را به خود اختصاص داده است. چین بزرگترین مصرف کننده و نیز بزرگترین بازار محصولات پوشش دهی دریایی است و نرخ رشد سالانه بالاتر از متوسط جهانی تا سال 2019 را خواهد داشت. کره جنوبی دومین مصرف کننده بزرگ پوششهای مختص دریاست. مصرف پوشش ها در این ناحیه بهعلت ساخت کشتیها و اتصال به خشکیهای جدید رو به افزایش است. تحلیلگران اقتصادی در گزارش پژوهش و بازار[14] پیش بینی کردهاند که بازار جهایی پوششهای آنتیفولینگ دریایی در فاصله زمانی سالهای 2014-2019 رشد 23/12درصدی داشته باشد.
4-2 تاثیر توسعه رنگ های آنتی فولینگ بر فعالیت شرکت های سرمایه گذار
بر اساس گزارش منتشر شده توسط AMBIO در رابطه با فعالیتهای انجام گرفته در گام پنج ساله 2005-2010، فناوریهای در حال ظهور، از جمله نانو ساختار کردن پوششها، منشا نوآوری برای صنایع رنگ خواهد بود. همچنین پیشبینی میشود که در 10 سال آینده، 30% فروش محصولات صنعت رنگ در اروپا مبتنی بر بهکارگیری فناوری نانو در پوششهای هوشمند باشد که کاربردهای دریایی رنگهای آنتیفولینگ نیز در این دسته قرار دارد.
تاثیر واقعی پروژه AMBIO بر صنایع همکاری کننده با آن بهواسطه پتنتهای کاربردی فایل شده توسط AKZO، Teer Ltd، Nanocyl، TNO و BASF قابل ارزیابی است]9-8[. علاوه بر آن، سه فناوری موفق پتنت شده زیر در زمینه پوششهای آنتی فولینگ بهصورتهای تجاری در دسترس میباشند:
- دیسپرشن CNT-siloxane که با عنوان تجاری BiocylTM توسط Nanocyl تجاری شده است؛
- پوشش های شبه SiOX که روی شیشه های نوری قابل لایه نشانی است و توسط Teer معرفی شده است؛
- فناوری سل-ژل که توسط TNO معرفی شده و قابلیت استفاده مستقیم در ملخ هواپیما توسط تولیدکنندگان تجهیزات ارجینال[15] را دارد.
همچنین برخی مشارکت کنندگان فرصت های تجاری جدیدی برای ورود به بازارهای جدیدی که قبلا برایشان ناشناخته بود، یافتهاند. بهعنوان مثال، Teer Ltd فرصت تامین سرویس های پوشش های تجاری برای بازار تجهیزات دریایی را یافته و Nanocyl، دیسپرشنهای CNT را برای استفاده در ساخت پوششهای ضدرسوب دریایی تولید میکند.
نتیجهگیری
رسوب گذاری زیستی در دریا یکی از مشکلات اساسی صنایع دریایی است که از دیرباز تلاشهای بسیاری برای رفع آن صورت گرفته است. با گسترش علم و فناوری و ظهور فناوری نانو در بخشهای مختلف صنعتی و همچنین تولید رنگهای آنتیفولینگ سازگار با محیط زیست گامهای اولیه و اساسی برای غلبه بر این مشکل برداشته شده است. پیشبینی میشود که در آیندهای نزدیک، رنگهای آنتیفولینگ مبتنی بر فناوری نانو با استقبال خوبی از سمت صنایع تولید کننده رنگ جایگزین محصولات زیستکش قدیمی گردند.
فروش محصولات صنعت رنگ در اروپا مبتنی بر بهکارگیری فناوری نانو در پوششهای هوشمند باشد که کاربردهای دریایی رنگهای آنتیفولینگ نیز در این دسته قرار دارد.
——————————–
منابع
| [1] C Hellio, D M Yebra, Advances in Marine Antifouling Coatings and Technologies, Woodhead Publishing, 2009. | |
| [2] Elisabete Almeida, Teresa C. Diamantino, Orlando de Sousa, “Marine paints: The particular case of antifouling paints,” Progress in Organic Coatings 59 (2007) 2–20, vol. 59, pp. 2-20, 2007. | |
| [3] Albert Embankment, “Focus on IMO,” Web site: www.imo.org, London, United Kingdom, 2002. | |
| [4] Axel Rosenhahn, Thomas Ederth, Michala E. Pettitt, “Advanced nanostructures for the control of biofouling: The FP6 EU Integrated Project AMBIO,” Biointerphases, vol. 3, no. 1, pp. 1-5, 2008. | |
| [5] AMBIO: Current Technologies and Novel Solutions,” [Online]. Available: http://www.birmingham.ac.uk/generic/ambio/about/current-technologies.aspx.
[6] Ayda G. Nurioglu , A. Catarina C. Esteves , Gijsbertus, Non-toxic, non-biocide-release antifouling coatings based on molecular structure design for marine applications, Royal Society of Chemistry.2015. [7] Method of fabricating nano-antifouling boat paint, US 20090136441 A1. |
|
| [8] Research and Markets,” Global Antifouling Coatings Market 2015-2019, [Online]. Available: http://www.researchandmarkets.com/research/66qk5h/global.
[9] http://www.hellenicshippingnews.com/global-antifouling-coatings-market-development-and-demand-forecast-to-2020-shared-in-new-research-report. |
————–
پانوشت:
[1] Antifouling paint
[2] International Marine Organization
[3] marine fouling
[4] marine biofouling
[5] barnacles
[6] Tubeworms- Bryozoans
[7] conditioning layer
[8] primary colonizers
[9] invertebrate larvae
[10] Advanced Nanostructured Surfaces for the Control of Biofouling
[11] antifouling release
[12] Super hydrophobic
[13] Tributyltin
[14] Research and Markets
[15] Original Equipment Manufacturers
———————————————————————
مدیر طرح و تهیه کننده گزارش
گروه ترویج صنعتی کامپوزیت و پلیمر
(مبنا پژوهان فناوریهای نوین آتیه)
نگارش
سارا مقیمیان – زهرا آبادی
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]
====================================================================================
