مطابق با سالنامه آماری سال 1400 سازمان راهداری و حملونقل جادهای وزارت راه و شهرسازی، خودروهای سنگین مسافت بسیار زیادی را سالانه در جادههای کشور طی میکنند. تعداد 14776 ماشینآلات و تجهیزات راهداری، 365 هزار کامیون عمومی جادهای، 14 هزار اتوبوس عمومی و 24 هزار مینیبوس عمومی و در مجموع 417776 دستگاه کامیون، خودرو و ماشینآلات راهداری و مسافربری در سال 1400 در کشور تردد کردهاند [[1]]. در سال 1400 کامیونهای حامل کالا در سطح کشور 16,465,098,000 کیلومتر، اتوبوسها و مینیبوسهای مسافربری 3,069,120,000 کیلومتر و ماشینآلات و تجهیزات راهداری 75,904 کیلومتر را روکش آسفالت و خطکشی کردهاند. مجموعاً 19,610,122 کیلومتر در جادههای کشور توسط خودروهای سنگین در سال 1400 طی شده است. این رقم برای 10 سال گذشته تنها برای کامیونها، اتوبوسها و مینیبوسهای بینشهری برابر با 176،871،774،000 کیلومتر است که مسافت طی شده توسط سفرهای درونشهری، سفرهای بدون صورتوضعیت و سفرهای کامیونی بدون بارنامه و همچنین مسافت طی شده توسط ماشینآلات و تجهیزات راهداری در آن لحاظ نشده است [1]. اگر فرض کنیم کامیونها، اتوبوسها و مینیبوسها بهطور متوسط هر 20 هزار کیلومتر یکبار فیلتر هوای خود را تعویض کنند، در ده سال گذشته حداقل تعداد 8,843,589 فیلتر هوا در کشور مورداستفاده خودروهای سنگین قرار گرفته است.
جدول 1: خلاصه آمارهای راهداری و حملونقل جادهای کشور طی سالهای 1391 الی 1400[1].

فیلتر هوا وسیلهای است که با استفاده از الیاف و یا محیط متخلخل ذرات جامد موجود در هوا نظیر دود، گردوغبار، باکتری و … را از هوا جدا میسازد. فیلترها شامل مادهای جاذب و یا کاتالیست هستند که میتوانند آلودگیهای موجود در هوا نظیر بو و ترکیبات ارگانیک فرار را از هوا را حذف کنند [[2]]. فیلترهای هوا در کاربردهایی نظیر موتورها، ساختمان، دستگاهها و سایر تجهیزاتی که در آنها کیفیت هوا اهمیت دارد استفاده میشوند. استفاده از کاغذ، فوم، توری کتان، استیل زنگ نزن، حمام آب و استفاده از یونیزه کننده هوا[1]، روشهای جذب ذرات جامد از هوا هستند که تاکنون در خودرو استفاده شده است [[3]].
فیلتر هوای موتور خودرو از ورود ذرات ساینده به درون سیلندر موتور جلوگیری کرده و باعث جلوگیری از سایش مکانیکی قسمتهای داخلی سیلندر و پیستون، آلوده شدن روغنموتور و حفظ کارایی آن و همچنین حفظ دقت سنسورها میشود. سایش مکانیکی قسمتهای داخل سیلندر بهمرورزمان موجب کاهش سرعت و شتاب و در نهایت از کار افتادگی موتور میشود. در اکثر خودروها از یک کاغذ لایهلایه شده بهعنوان فیلتر در یک قاب مسطح و یا استوانهای شکل استفاده میکنند. این فیلتر در یک جعبه پلاستیکی قرار گرفته تا هوا با عبور از آن وارد موتور شود [4].
شکل 1: معمولاً از قاب مسطح در خودروهای انژکتوری و قاب استوانهای شکل در خودروهای کاربراتوری و خودروهای سنگین استفاده میشود [3].
در طراحی و ساخت فیلتر خودرو مقدار نرخ گردش هوای بالا، افت فشار پایین، صدای کم، امکان افزایش سرعت و شتاب، کاهش مصرف سوخت، انطباق دمایی بالا، افزایش مقاومت به خوردگی موتور، تعویض راحت و هزینه تمام شده اهمیت دارد. این فیلتر باید بتواند از ورود آب جلوگیری کرده و با کارایی و دوام بالا مطابق استانداردهای موجود عمل کند [[4]]. طراحی جعبه نگهدارنده فیلتر و هندسه فیلتر در افت فشار ایجاد شده در فیلتر و نتیجتاً در عملکرد خودرو مؤثر است [[5]].
شکل 2: کاهش افت فشار و افزایش نرخ گردش هوا را میتوان با طراحی مناسب شکل فیلتر (شکل بالا) و جعبه نگهدارنده فیلتر (شکل پایین) افزایش داد [5].
راندمان یک فیلتر هوا وابسته به مقدار و اندازه ذرات قابل جذب و کاهش افت فشار هوا است. این راندمان بر اساس استاندارد EN779:2002 و ISO16890 طی جدول زیر دستهبندی میشود.
جدول 2: کلاس کاغذ فیتر منطبق با استاندارد EN779:2002 [[6]]
| کلاس کاغذ فیلتر
EN779:2002 |
افت فشار نهایی | میانگین جذب ذرات جامد Am (%) [2] | میانگین راندمان جذب ذرات 0.4µm
(Em) [3] |
| G1 | 250 | 50≤AM≤65 | – |
| G2 | 250 | 65≤Am<80 | – |
| G3 | 250 | 80≤Am<90 | – |
| G4 | 250 | 90≤Am | – |
| F5 | 450 | – | 40≤AM≤60 |
| F6 | 450 | – | 60≤AM≤80 |
| F7 | 450 | – | 80≤AM≤90 |
| F8 | 450 | – | 90≤AM≤95 |
| F9 | 450 | – | 95≤Am |
جدول 3: کلاس کاغذ فیلتر منطبق با استاندارد ISO16890 [[7]].
| کلاس کاغذ فیلتر[4]
ISO16890 |
اندازه ذرات (µm) | دستهبندی راندمان |
| ISO ePM1 | 0.3 ≤ x ≤ 1 | Minimum efficiency ≥ 50% |
| ISO ePM2,5 | 0.3 ≤ x ≤ 2,5 | Minimum efficiency ≥ 50% |
| ISO ePM10 | 0.3 ≤ x ≤ 10 | Average efficiency ≥ 50% |
| ISO Coarse | 0.3 ≤ x ≤ 10 | Average efficiency < 50% |
با توجه به تفاوتهای موجود در نحوه انجام آزمایش بین دو استاندارد EN779 و ISO16890 نمیتوان کلاسهای متفاوت یک استاندارد را با دیگری مطابقت داد اما مقایسه حدودی از لحاظ راندمان در جدول زیر انجام شده است.
جدول 4: مقایسه استاندار EN779 و ISO16890
| استاندارد EN779 | میانگین راندمان ISO16890 | |||
| کلاس فیلتر | ISO ePM1 | ISO ePM2,5 | ISO ePM10 | ISO Coarse |
| G1 | – | – | – | 30-50% |
| G2 | – | – | – | – |
| G3 | – | – | – | 45-65% |
| G4 | – | – | – | 60-85% |
| M5 | 5-35% | 10-45% | 40-70% | 80-95% |
| M6 | 10-40% | 20-50% | 60-80% | 90%< |
| F7 | 40-65% | 65-75% | 80-90% | 95%< |
| F8 | 65-90% | 75-95% | 90-100% | 95%< |
| F9 | 80-90% | 85-95% | 90-100% | 95%< |
فناوری نانو توانایی کار کردن در ابعاد یک میلیاردم متر است. زمانی که قطر الیاف تا ابعاد نانومتری کاهش مییابد به آن نانو الیاف میگویند. نانو الیاف دارای خواص منحصربهفردی هستند که آنها را از سایر ساختارهای نانومتری متمایز میسازد. ساختارهای نانو الیافی بهصورت کامپوزیتی، سرامیکی و بهویژه پلیمری تولید میشوند. وقتی قطر الیاف پلیمری از چندین میکرومتر به زیر 100 نانومتر کاهش مییابد، خواص شگفتانگیزی در این مواد ظاهر میشود. از این خواص شگفتانگیز میتوان به نسبت سطح به حجم بسیار بالا اشاره کرد که این نسبت برای نانو الیاف در مقایسه با میکرو الیاف هزار برابر بزرگتر است. سایر خواص شگفتانگیز نانو الیاف شامل چگالی بسیار پایین به دلیل میزان تخلخل بسیار بالا و قابلیت کنترل و انعطافپذیری ویژگیهای سطحی و عملکرد مکانیکی فوقالعاده مانند سختی و استحکام کششی بالا در این مواد است [[8]].
شکل 3: تصویر میکروسکوپی از نانو الیاف [[9]].
نانو الیاف به دلیل روشهای ساده تولید و ساختار متخلخل خود میتوانند نسبت به فیلترهای با اندازه تخلخل میکرومتری، درصد بیشتری از ذرات جامد را جذب کنند. الکتروریسندگی یکی از روشهای مرسوم و کمهزینه در ساخت نانو الیاف است. امکان کنترل اندازه تخلخلها و منافذ موجب شده است تا کاربردهای آن بسیار گسترده باشد. نانو الیاف را میتوان از انواع مختلفی از پلیمرها ساخت و با اضافه کردن ذرات و ترکیبات مختلف میتوان ویژگیهای منحصربهفردی به آن اضافه کرد [9]. همانند ماسکهای تنفسی، فیلترهای هوای خودرو سنگین نیز با پوشش دادن نانو الیاف توانایی جذب ذرات ریزتری را به دست میآورند تا ذرات با اندازههای کوچکتر نیز از فیلتر عبور نکنند. در فیلترهای نانو ساختار اثر اسلیپ فلو[5] نه تنها افت فشاری ایجاد نکرده بلکه باعث انتقال هوای مؤثری درون فیلتر میشود [9].
شکل 4: فرایند مرسوم تولید نانو الیاف از طریق الکتروریسندگی [8].
شکل 5: پوشش دهی فیلتر با نانو الیاف موجب جذب مؤثرتر ذرات ریز میشود [9].
استفاده از نانو الیاف در ساخت فیلترهای هوای خودرو سنگین میتواند عملکرد فیلتر را در جذب ذرات جامد معلق در هوا بهبود بخشد و مزایای اقتصادی زیادی را به همراه داشته باشد. کاهش قطر روزنههای فیلتر از عبور ذرات بسیار ریز جلوگیری کرده تا با هوای ورودی موتور خودرو ترکیب نشوند. این امر موجب عدم ورود ذرات ریز به روغنموتور و نتیجتاً افزایش طول عمر روغنموتور خودرو و بهبود عمل روانکاوی شده و ذرات ریز با عدم سایش قسمتهای فلزی داخل سیلندر باعث افزایش چشمگیر در زمان لازم برای تعمیرات دورهای موتور میشوند. این امر باعث کاهش هزینههای بسیار زیاد باز و بست موتورهای خودروهای سنگین میشود. علاوه بر این هوای خروجی موتور نیز ذرات معلق کمتری داشته و این هوا پس از عبور از کاتالیست اگزوز موجب افزایش زمان گرفتگی کاتالیست میشوند که خود موجب مشکلات کمتری در افت قدرت، شتاب و سرعت خودرو میشود. پس با کاهش ذرات معلق ورودی به موتور خودرو با استفاده از فیلترهای نانوساختار عمر مفید کاتالیست اگزوز خودرو نیز افزایش یافته و با بهبود عملکرد کاتالیست خودرو اثر مثبتی در محیطزیست و هوای شهرهای بزرگ میگذارد. استفاده از این نانوفیلترها بهویژه در مناطق جنوب کشور که ریزگردها در اوقات بیشتری از سال در هوا معلق هستند و یا خودروهایی که در مناطق خاص آلوده به ریزگرد نظیر معادن فعالیت میکنند اهمیت بیشتری دارد.

شکل 6: مزایای اقتصادی غیرمستقیم استفاده از فیلترهای هوای نانوساختار.
برای مقایسه کاربرد نانوفیلتر با فیلتر هوای ساده میتوان شرایط کاری فیلتر و فیلتر تقویت شده با فناوری نانو را بررسی نمود و مزایای اقتصادی استفاده از این نوع فیلتر را تجزیهوتحلیل نمود.
برای تحلیل هزینه فایده استفاده از فیلتر نانویی خودرو سنگین، فیلترهای ساخت شرکت بهران فیلتر در نظر گرفته شده است. فیلتر هوای ورودی یک خودرو سنگین یک بار با استفاده از فیلتر غیرنانویی و یک بار با استفاده از نانوفیلتر مورد بررسی قرار میگیرد.
مبانی و مفروضات این تحلیل در جدول ذیل آمده است. در این جدول قیمتهای مربوط به فیلتر و نانوفیلتر با توجه به فیلترهای ساخت شرکت بهران فیلتر و میانگین قیمت فیلتر انواع خودروهای سنگین به دست آمده است. طبق آزمایشات انجام شده در شرکت بهران فیلتر طول عمر مفید نانوفیلتر نسبت به فیلتر غیر نانویی 1.5 برابر است. این شرکت فیلترهای نانویی خود را 10% گرانتر از فیلترهای معمول در بازار به فروش میرساند.
جدول 5: فرضیات تحلیل هزینه فایده
| نوع فیلتر | قیمت (تومان) |
| قیمت فیلتر هوای Volvo Fh12 | 460000 |
| قیمت فیلتر هوای نانویی Volvo Fh12 | 506000 |
در محاسبه تعداد فیلتر لازم جهت هر خودرو از جدول 1 طبق آمار سازمان راهداری و حملونقل جادهای کشور استفاده شده است. در این محاسبات از مسافت طی شده میانگین کامیون، مینیبوس و اتوبوس استفاده شده است. مسافت طی شده در سال 1400 از طریق ضرب تعداد سفر خودرو در متوسط مسافت طی شده در هر سفر برای هر خودرو مطابق با جدول 1 به دست آمده است. مثلاً:
کل مسافت طی شده توسط کامیونهای کشور در سال 1400(T1400) = متوسط مسافت طی شده در هر سفر کامیون× تعداد سفر هر کامیون
T1400=32799000×502=16،465،098،000
کل مسافت طی شده توسط اتوبوسها و مینیبوسهای سطح کشور (B1400) متوسط مسافت طی شده سفر مسافری × تعداد سفر مسافری
B1400= 13344000×230= 3،069،120،000
بنابراین کل مسافت طی شده توسط خودروهای سنگین برابر B1400+T1400= 19،534،218،000 کیلومتر است. با فرض متوسط 20 هزار کیلومتر برای تعویض فیلتر هوا، تعداد فیلتر هوای لازم توسط خودروهای کامیون، اتوبوس و مینیبوس کل کشور در سال 1400 برابر 976،711 عدد فیلتر هوا است.
محاسبه کل مسافت طی شده در 10 سال گذشته برای کامیونها، اتوبوسها و مینیبوسها از رابطه زیر و با استفاده از ارقام موجود در جدول 1 به دست میآید:
با استفاده از این رابطه کل مسافت طی شده توسط کامیونها در ده سال گذشته (TT) برابر:144،641،840،000 کیلومتر به دست میآید. همچنین کل مسافت طی شده توسط اتوبوسها و مینیبوسها (BT) با استفاده از ارقام موجود در جدول 1 برابر 32،229،934،000 به دست میآید. همچنین کل مسافت طی شده توسط کلیه کامیونها، اتوبوسها و مینیبوسها برابر 176،871،774،000 به دست میآید. بنابراین با احتساب متوسط 20 هزار کیلومتر برای تعویض فیلتر هوا، تعداد فیلتر هوای لازم برای کلیه خودروهای سنگین تعداد 8،843،589 به دست میآید. از آنجایی که عمر فیلتر هوای نانویی 5/1 برابر فیلتر هوای غیر نانویی فرض شده است (با توجه به اطلاعات به دست آمده از شرکت بهران فیلتر) تعداد فیلتر هوای نانویی لازم از رابطه زیر به دست میآید:
F1400(nano)= F1400/1.5, FT(nano)= FT/1.5
جدول 6: تعداد فیلتر هوای لازم نانویی و غیر نانویی در سال 1400 و در ده سال گذشته
| عنوان | نماد | تعداد (عدد) |
| تعداد فیلتر هوای غیر نانو موردنیاز در سال 1400 | F1400 | 976711 |
| تعداد فیلتر هوای موردنیاز در ده سال | FT | 8843589 |
| تعداد فیلتر هوای نانویی موردنیاز در یک سال | F1400(nano) | 651140 |
| تعداد فیلتر هوای نانویی موردنیاز در ده سال | FT(nano) | 5895726 |
لازم به ذکر است که طبیعتاً مسافت طی شده در ده سال آینده توسط کامیونهای کشور افزایش پیدا میکند اما با توجه به دادههای جدول 1 مسافت طی شده مسافری برای اتوبوسها و مینیبوسها نیز کاهش پیدا کرده است. لذا کل مسافت طی شده توسط کلیه خودروهای سنگین تقریباً ثابت مانده است. پس برای پیشبینی تعداد فیلتر هوای لازم در ده سال آینده میتوان پیشبینی کرد که کل مسافت طی شده با شیب ملایمی افزایش یابد و اطلاعات این گزارش برای پیشبینی ده سال آینده نیز با دقت مناسبی قابل استفاده باشد.
شکل: تغییرات مسافت طی شده در ده سال گذشته [1].
فرمول محاسبه درصد حجمی بهینه شده برابر است با: Pi=
Pi: درصد حجمی بهینه شده در استفاده از فیلتر هوای نانویی، CW: هزینه فیلتر بدون فناوری نانو، CN: هزینه فیلتر با فناوری نانو
مثلاً در بررسی درصد حجمی بهینه شده در یک سال خواهیم داشت:
Pi=((449,287,711,000- 329,476,840,000) / 449,287,711,000)×100=6/26%
26/6%
جدول 7: هزینه فایده استفاده از فیلتر هوای نانویی و غیر نانویی در یک سال و در ده سال
| تعداد فیلتر لازم | قیمت هر فیلتر
(تومان) |
جمع هزینه کرد (تومان) | درصد حجمی بهینه شده | ||||
| استفاده از فیلترهای ساده | فیلتر مصرفی
موردنیاز در یک سال |
976711 | 460,000 | 449,287,711,000
|
خ 002006
+
درصد بهینه شده در یک سال
رید شیشه |
درصد بهینه شده در ده سال
|
|
| فیلتر کل خودرو کشور در 10 سال | 8843589 | 460,000 | 4,068,050,940,000 | ||||
| استفاده از فیلترهای نانوساختار | فیلتر مصرفی
یک خودرو 20 هزارتا |
651140 | 506,000 | 329,476,840,000 | 6/26% | 6/26% | |
| فیلتر کل خودرو در 10 سال | 5895726 | 506,000 | 2,983,237,356,000 | ||||
| اختلاف قیمت فیلتر موردنیاز کشور در یک سال | 119,810,871,000 | ||||||
| اختلاف قیمت فیلتر موردنیاز کشور در 10 سال | 1,084,813,584,000 | ||||||
مطابق جدول 6 مشاهده میشود علیرغم افزایش قیمت فیلتر نانویی نسبت به فیلتر غیر نانویی، به دلیل کارکرد 5/1 برابر فیلترهای نانویی در صورت اطلاعرسانی به کلیه رانندگان خودروهای سنگین سطح کشور و ایجاد فرهنگ استفاده از فناوری نانو و تبلیغات لازم و استفاده آنها از فیلترهای هوای نانویی سالانه در حدود 120 میلیارد تومان و در ده سال بیش از یک تریلیارد تومان صرفهجویی میشود. در محاسبه این مبالغ از فیلترهای هوای مورداستفاده سازمان حملونقل درونشهری کل کشور (که مسافت طی شده توسط آنها بسیار قابلتوجه است)، کلیه مینیبوسها و اتوبوسهای شخصی مدارس، کارخانجات و سازمانها و ارگانهای دولتی و همچنین کلیه خودروهای سنگین که در سطح شهرها و فواصل بینشهری بدون بارنامه رفتوآمد میکنند و همچنین کلیه سفرهای اتوبوسها و مینیبوسهایی که صورتوضعیت ندارند، به دلیل نبود آمار محاسبه نشده است که با احتساب این خودروها احتمالاً مقدار این مبالغ بیش از دو تا سه برابر شود. علاوه بر این موارد اگر آمار دقیقی از هزینههای غیرمستقیم شامل کاهش تعمیرات موتور، افزایش طول عمر کاتالیست اگزوز، افزایش سلامت و طول عمر روغنموتور و همچنین هزینههای ناشی از کاهش آلودگی هوا و اثرات زیانبار آن بر روی سلامت انسانها و هزینههای درمان مرتبط با آن نیز به این مبلغ اضافه شود شاید این مبلغ تا ده ها تریلیون تومان افزایش پیدا کند.
اگر فرض کنیم قیمت هر اتوبوس درونشهری 2 میلیارد تومان باشد تنها با استفاده از فیلتر هوای نانویی توسط خودروهای سنگین سطح کشور و صرفهجویی ریالی مستقیم آن میتوان در ده سال 600 اتوبوس بینشهری به ناوگان حملونقل عمومی کشور اضافه کرد.
گفتنی است تنها با استفاده از فیلتر هوای نانویی توسط رانندگان خودروهای سنگین سطح کشور میتوان هزینه خرید 600 اتوبوس پیشرفته درونشهری را در ده سال پرداخت کرد.
بنابراین استفاده از فیلترهای هوای نانویی به کلیه رانندگان خودروهای سنگین بهویژه آن دسته از رانندگان که در مناطق دارای ریزگرد و معادن مشغول به کار هستند و همچنین کلیه رانندگان اتوبوسهای بینشهری، مینیبوسهای بینشهری و درونشهری، کلیه شهرداریهای سطح کشور، کلیه دارندگان ماشینآلات راهسازی و تمام خودروهای سنگین توصیه میگردد.
————————————————–
شرکتهای ایرانی دارای فیلتر هوای نانوساختار:
- شرکت تولیدی و صنعتی بهران فیلتر:
آدرس: مشهد
وبسایت:www.behranfilter.com
- شرکت آزاد فیلتر
آدرس: تهران
وبسایت:www.azadfilter.ir
- شرکت نانوساختار مهرآسا
آدرس: اصفهان
وبسایت:www.nanofilter.ir
- فرانگار شرق (فردا فیلتر)
- آدرس: شیراز
————————————————–
مراجع:
[1] Air ionizer
[2] Average arrestance (Am) of synthetic dust
[3] Average efficiency (Em) of 0.4 µm particles
[4] ePM: efficiency Particulate Matter
[5] Slip flow effect
[[1]] www.rmto.ir سالنامه آماری سال 1400
[[2]] California environmental protection agency- air cleaning devices for the home, California environmental protection agency air resources board. Retrieved 2016, 12-14.
[[4]] Patil, A., Halbe, V., and Vora, K., “A System Approach to Automotive Air Intake System Development,” SAE Technical Paper 2005-26-011, 2005.
[[5]] Han-Bo Ronald Gan1, Noor Zafirah Abu Bakar1,a), Nur Fadzilah Shaikh Dawood2, Muhammad Adam Rosli” Design Improvements of an Automotive Air Intake System” AIP Conference Proceedings 2233, 020008 (2020)
[[8]] سیده معصومه قاسمی نژاد لیچایی و همکاران، خواص و کاربردهای نانوالیاف الکتروریسی شده، مقالات سایت آموزش فناوری نانو.
[[9]] Al Mamnum et al” Electrospun Nanofiber Mats for Filtering Applications—Technology, Structure and Materials” Polymers 2021, 13(9), 1368.
————————————————–
تهیه و تنظیم:
- سروش صحرائیان
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]
====================================================================================

