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.