نانو و ارتباط با فرآیندهای جداسازی :

مقدمه:

نانو، دلالت بر یک واحد بسیار کوچک در علم اندازه گیری دارد. یک نانومتر معادل ۹-۱۰ متر یا به عبارتی یک میلیاردم متر است. اخیراً با ورود فناوری های نوین از قبیل زیست فناوری و نانو فناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای جداسازی فرآیندهای شیمیایی معرفی شده و یا می شوند. کاربردهای فناوری نانو در این خصوص عبارتند از : نانو فیلترها، نانو سیالات ، نانو فتوکاتالیست ها، مواد نانو حفره ای، نانو ذرات، نانو سنسورها، توانایی های این فناوری در جداسازی فرآیندهای شیمیایی در نظر گرفته شده است.

 جداسازی یکی از فرآیندهای اساسی در مهندسی شیمی می‌باشد. امروزه روشهای جدیدی به منظور انجام فرآیندهای جداسازی توسعه یافته‌اند که از جهات مختلف بر روشهای سنتی برتری دارند.

  در این آزمایشگاه فرآیندهای جداسازی با استفاده از این روشها انجام می‌شوند. یکی از این روشها استفاده از تکنولوژی غشاء می‌باشد.

 با استفاده از انواع غشاء‌های پلیمری از نوع اسمز معکوس، الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون فرآیندهای جداسازی نظیر تهیه آب فوق خالص،‌ تغلیظ شیر و جداسازی آب از نفت مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

 همچنین بکارگیری انواع دیگر فرآیندهای غشایی شامل الکترو دیالیز، تقطیر غشایی، تراوش تبخیری و … در آزمایشگاه موجب شده است امکان انجام برخی فرآیندهای جداسازی در مقیاس آزمایشگاهی با کارآیی بسیار بالایی فراهم شود. ساخت غشاهای سرامیکی که نسبت به غشاهای پلیمری از مزایای قابل توجهی برخوردار می‌باشند نیز در آزمایشگاه با موفقیت انجام شده است.  بررسی و رفع مشکلات موجود در فرآیندهای غشائی از اهداف دیگر در این آزمایشگاه می‌باشند.

نقش نانوسیالات در جداسازی

شیمی نانوسیال ، به دلیل گزینش گونه‌ای آن معمولا روش مورد نظر برای جداسازی است. ولی برای اینکه نانوسیال بتوانند بطور رضایت بخشی ، تحت شرایط فرآیندی همانند منشا بالا یا تولید انبوه عمل نمایند، توسعه بیشتری برای آنها مورد نیاز است. هزینه نانوسیالات ، در صورتی توجیه پذیر است، که منجر به تشکیل فرآوردهای با ارزش افزوده بالا ، نظیر یک کمپلکس زیست مولکولی گردد.

جداسازی و خالص سازی مواد با نانوسیالات

دید کلی

ایزوتوپهای برگزیده نظیر ایزوتوپهای اورانیوم ، بسیار با ارزش هستند. این ایزوتوپها را می‌توان بطور اقتصادی با فرآیندهای نانوسیال ، با بهره کوانتومی کاملا کمتر از واحد ، از هم جدا کرد. جدا سازی مولکولی هم شبیه جدا سازی ایزوتوپهاست و مانند ایزوتوپها ، مولکولها نیز به علت اختلاف در طیف جذبی اجزا برانگیخته می‌توانند جداسازی شوند. با استفاده از نانوسیالات می‌توان ترکیبات را خالص سازی کرد، یک طرح خالص سازی مواد با نانوسیال ، هنگامی که مقادیر ناخالصی کمتر از ۱۰۰PPm هستند، حتی برای مواد شیمیایی با تولید انبوه ، به خوبی با فرآیندهای پر انرژی ، نظیر تقطیر در سرما می‌تواند رقابت کند.

جدا سازی نفت از آب با نانوسیالات

در سال ۱۹۸۹ کشتی نف تکش اکسون والدز در آلاسکا به گل نشست و ۳۸۰۰۰ تن نفت خام به منطقه Prince William  Pound نشت کرد. پدیده نشت نفت یکی از جد یترین حوادث زیست محیطی بشمار می‏رود.

خدمه این نفت کش با تلاش شبانه روزی سعی کردند تا انتشار نفت به سایر مناطق را مهار کنند. اما جداسازی نفت از آب که دو سیال امتزاج‏ ناپذیر هستند، کاری مشکل و طاقت فرساست و جداسازی آنها همواره با موفقیت نسبی همراه است. با ظهور یک نوآوری در فناوری نانو که در مجله‏ی Nature Nanotechnology منتشر شده‏ است، جداسازی نفت به سهولت انجام‏پذیر خواهد بود.  تیم تحقیقاتی به سرپرستی فرانچسکو استلاچی و جینگ کونگ که در مؤسسه‏ی فناوری ماساچوست (MIT) فعالیت می‏کنند، ماده‏ای ورقه مانند ساخت هاند که قادر به جذب نفت تا ۲۰برابر وزن خود است. این ماده مشابه ورق کاغذ است اما بجای الیاف چوب از شبکه‏ای از نانوسیالات ساخته شده است.

این نانوسیالات از جنس اکسید پتاسیم منگنز هستند که به‏صورت شبکه‏ای از خطوط متقاطع با آرایشی مواج و درهم تنیده باعث ایجاد حفراتی در ساختار شبکه خود می‏شوند .این حفره‏ها به آسانی مایعات را جمع‏آوری و مولکول‏های مایع را به دام می‏اندازند.

البته اگر نوآوری دکتر کونگ و استلاچی در همین حد بود که گفته شد، یک مشکل بزرگ به وجود می‏آمد؛ این شبکه علاوه ‏بر نفت، آب را هم به راحتی در ساختار خود جذب می‏کرد.  بنابراین جداسازی هیچ وقت اتفاق نمی‏افتد!  اما محققان فکری برای این موضوع کرد ه‏اند. آنها سطح ماده را، بنحوی که حفره‏ها مسدود نشوند، با سیلیکون پوشاندند که سبب دفع آب می‏شده و فقط عبور مایعاتی نظیر نفت از آن امکانپذیر است.

این مشخصه‏ی ویژه در این نوآوری آن را از سایر اسفنج‏های طراحی شده برای جداسازی آب از نفت متمایز می‏کند.  عملکرد چشمگیر این جاذب سبب می‏شود که بتوان آنرا برای ماه‏ها در آب رها کرده، پس از عاری شدن آب از آلودگی آنرا خارج نمود.

سابقاً تمیز کردن آلودگی‏های نفتی در دریا نیازمند مجموع های از کشت یها بود تا با احاطه کردن منطقه آلوده، از انتشار جریان نفت جلوگیری کنند.  سپس مجموعه‏ی دیگری از کشتی‏های مجهز به پمپ و تجهیزات کف‏گیری و گودبرداری آورده می‏شد تا آلودگی از منطقه رفع شود.  این روش‏ها گران و وقت‏گیر به نظر می‏رسند اما این شبکه‏های نانوسیالاتی آلودگی‏های نفتی را بسیار سریع و با بازدهی بالا جذب می‏کنند و از این رو نیازمند مخازن کمتری هستند.

علاوه‏ بر اینها، یکی از مزایای این جاذب پایداری آن در دماهای بالاست.  این پایداری سبب می‏شود تا با گرمایش و در نتیجه تبخیر نفت جذب‏ شده، این جاذب احیا و برای استفاده مجدد آماده شود. این نانوسیالات ارزان بوده و به سهولت به‏ شکل ورقه کاغذ ساخته می‏شوند. این محققان بر این باورند که تولید انبوه این ماده با مشکلی مواجه نیست.