فناوری نانو چیست و چه کاربردهایی در علوم زمین دارد؟

فناوری نانو چیست و چه کاربردهایی در علوم زمین دارد؟

1396/06/12

فناوری نانو چیست و چه کاربردهایی در علوم زمین دارد؟

رقیه قاسم پور/ استاد دانشگاه تهران و رئیس کمیته نانو فناوری در خانه معدن ایران

از آنجا که جهت ارتقای سطح کیفی تولید محصولات معدنی و صنایع وابسته نیاز به استفاده از فناوری های جدید می باشد، لذا لزوم آشنایی با این فناوری ها از ضرورت ها محسوب می شود.  یکی از این فناوری های رو به رشد و با اهمیت، نانو فناوری است که در  معدن و  فرآوری مواد معدنی از اهمیت فراوانی برخورداربوده و توجه بسیاری از کشورهای جهان را به خود معطوف نموده است. در ادامه نانوفناوری و موارد استفاده آن در صنایع معدنی به طور خلاصه بیان می شود.

فناوری نانو، فناوری تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید دراندازه مولکولی و اتمی است و در دست گرفتن کنترل این ساخته ها و استفاده از ویژگیهایی که در این ابعاد ظاهر می شود را شامل می شود. از مهم ترین این ویژگیها می توان به نسبت سطح به حجم بالا در ساختارهای نانومتری اشاره کرد در واقع اتمهایی که در سطح قراردارند، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتمهای درون حجم ذرات بر خواص فیزیکی ذرات دارند. با پیشرفت فناوری تولید نانوذرات بی خطر  مورد استفاده در کرمهای ضد آفتاب، یا خمیر دندان ها و یا پوشش های بهداشتی کاملا صنعتی شده است. 

دو روش اصلی ساخت نانو مواد؛ شامل روش های بالا به پایین و پایین به بالا می باشد.  در روش اول ، مواد از جسم حجیم با کمک یکسری از ابزارهای خاص جدا شده و کوچک می شوند تا به اندازه نانومتری برسند اما در روش دوم، مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوک های سازنده مانند اتم ها و مولکول ها و قرار دادن انها در کنار یکدیگر و با استفاده از خودآرایی تولید می شوند. در روش تولید بالا به پایین، از تجهیزات خردایش مواد معدنی نظیر آسیاب ها و تجهیزات طبقه بندی ابعادی و در روش پایین به بالا معمولا از یک عامل شیمیایی کاهنده و همچنین عامل پوششی آلی فرار استفاده می شود که فرایندهای هیدرومتالوژیکی و بیوهیدرومتالوژیکی پتانسیل زیادی را جهت این روش تولید، دارا هستند. روش های تولید انبوه مواد نانومتری معمولا شامل روش های میکانیکی، سل –ژل، واکنش های حالت جامد –مایع و چگالش فاز گازی هستند.

 نانو ذرات به لحاظ منشا می توانند به سه دسته تقسیم بندی شوند. الف) نانوذرات طبیعی ب) نانوذرات انسانی ج) نانو ذرات مصنوعی ( ساخته دست بشر).
دسته اول ( نانو ذرات طبیعی) از طرق مختلف مانند آتش سوزی جنگلها و یا فوران آتشفشان ها ساخته می شوند.
دسته دوم (نانوذرات انسانی) اغلب به عنوان محصول جانبی فعالیت های انسانی در صنعت تولید می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند مانند نانو ذراتی که درحین جوشکاری بوجود می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌آید و یا از اگزوز ماشین‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و دسته سوم ( نانو ذرات مصنوعی یا ساخته دست بشر) شامل نانوذرات مهندسی شده است. این نانوذرات عمدتاً به علت ویژگی های مطلوبشان با هدف مهندسی خواص جدید فیزیکی و شیمیایی ، واکنش پذیری بالاترو... تهیه می شوند.

نکته قابل توجه وسعت زیاد کاربردهای نانو ذرات در صنایع مختلف نظیر الکترونیک، پزشکی، ساختمان، کشاورزی و.....  می باشد. در میان نانوذرات، می توان به تولید و  استفاده فراگیر نانوذرات معدنی از جمله تولید نانوذرات کربنات و سیلیس، نانو هیدروکسی آپاتیت با کاربرد پزشکی، نانو ذرات تیتانیم و نانوذرات طلا اشاره کرد. برخی از نانو ذرات می توانند در صنایع معدنی نیز کاربرد داشته باشند به عنوان مثال می توانند در کاهش مصرف سوخت دیزلی ماشین آلات معدنی  مورد استفاده قرار گیرند. نانوذرات GO2  با افزوده شدن به سوخت دیزلی مصرف سوخت را تا حدود 8-18 % ، تولید دوده 30-40% ، تولید مونوکسید کربن 50-70 درصد و تولید دی اکسید کربن را20-40%کاهش می دهند. این نانوذرات سبب اشتعال سریعترو کاملتر در محفظه و در نتیجه کاهش مقدار اتلاف انرژی می شوند . بهینه کردن روانکارها با استفاده از  نانو ذرات  طلا ، نانو تنگستن دی سولفید ، نانو الماس و نانو فلورین جهت افزایش راندمان ماشین آلات معدنی و جلوگیری از فرسایش زودرس آنها  از جمله دیگر کاربردهای این نانوذرات می باشد. نانو پوشش ها جهت حفاظت از خوردگی ماشین آلات یکی دیگر از موارد کاربرد نانو فناوری است.  نانو ذرات در بهبود خواص سیمان و بتن هم نقش به سزایی دارند. به عنوان مثال، افزودن نانوذرات سیلیس به سیمان سبب ایجاد ریزساختارهای متراکم تر و کاهش مدول الاستیک می شوند و نانوذرات رس و اکسید روی به ترتیب سبب کاهش نفوذیذیری و افزایش مقاومت خمشی بتن گردیده و نانوذرات سیلیکات کلسیم سبب کاهش زمان سخت شدن سیمان می شوند.

نانو فناوری در فراوری مواد معدنی نیز می تواند کمک موثری داشته باشد زیرا روز به روز ذخایر مواد معدنی کمتر و دسترسی به مواد با عیار بالاتر سخت‌تر می‌شود. استخراج فلزات از کانه با روشهای متداول علاوه بر هزینه های بالا ، سبب بروز مشکلات زیست محیطی نیز می شود. انتظار میرود با کاهش عیار کانه، مصرف انرژی افزایش یابد اما به توجه به عملکرد موجودات زنده نظیر دیاتوم ها و جلبک ها که قادر به جدا کردن و استخراج سیلیس از آب حاوی ppm 1 سیلیس هستند، می توان به این نتیجه رسید که جدایش عناصر از زمینه کم عیار نیازمند انرژی فوق العاده ای نیست. اکثر تکنولوژی های موجود جهت جدایش وخالص سازی عناصر بر پایه گرم یا سرد کردن مواد برای تغییر فاز استوار هستند. جدایش با روش های حرارتی آلودگی قابل توجهی را با خود به همراه دارد و ممکن است درصدی از عناصر موردنظر وارد باطله شوند در حالی که موجودات زنده بر پایه مکانیسم مولکولی و جدایش مولکول از ملکول عمل می کنند. فناوری نانو با تقلید از مکانیسم مولکولی و جدایش مولکول از مولکول بیشتر در فرایندهای هیدرومتالوژی و استخراج از محلول با استقاده از غشای نیمه تراوا و تبادل یونی قابل استفاده است. به عنوان مثال با فناوری نانو می توان غشاهایی با حفرات کوچکتر و مقاوم تر در برابر حملات شیمیایی یون ها تهیه کرد و یا رزین هایی را تولید کرد که دارای قدرت انتخاب بیشتر و جذب سریع تر در فرایند تبادل یونی هستند. یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو می تواند ساخت نانوسنسورهای تشخیص گازهای سمی ، قابل اشتعال و انفجار در معادن یاشد تا از بروز حوادث خطرناک برای معدنکاران جلوگیری نماید. از آنجا که به دلیل قدیمی بودن تجهیزات فرآوری،  باطله‌های فرآوری مواد معدنی  حاوی مواد باارزشی هستند، می توان با استفاده از این عناصر ، مواد نانو با ارزش افزوده تولید نمود و یا با استفاده از فناوری‌ نانو، مواد معدنی را با بازدهی بالاتری فرآوری کرده و یا بازدهی خط تولید کارخانه‌های فرآوری را افزایش داد.

از مهمترین موارد کاربرد، می توان به کاربرد نانوفناوری در پاکسازی محیط زیست از آلاینده های معدنی ناشی از معدنکاری نام برد که در این زمینه می توان به سنتز نانوذرات مختلف تک و چند فلزی( نانواسپینلها) و همچنین نانوذرات طبیعی مانند نانو رسها، نانوزئولیتها، پرلیت منبسط شده و... اشاره نمود و با بکارگیری این نانوذرات در راستای پاکسازی آب و پساب از وجود عناصر آلاینده و مخرب، می توان آب را تصفیه نموده و مجددا وارد چرخه استفاده کرد و مانع هدررفت آن شد.

 

از اهم خصوصیات این نانوذرات می توان به کاربرد آسان – بازیابی مجدد آنها- جذب انتخابی وسازگار بودن با محیط زیست اشاره نمود. کار با نانوذرات می تواند بسیار سودآور باشد، بعنوان مثال می توان نانوذرات مصرفی را حداقل تا 3 و حداکثر تا 6 بار بازیابی نموده و مجددا بعد از عمل احیا، وارد پروسه جداسازی نمود و همچنین میتوان با تغییر یک عامل ساده مانند PH، از یک نانوذره برای جذب انواع عناصر با بار سطحی مثبت و منفی استفاده کرد.

 در مورد عناصر ارزشمند مانند عناصر نادر خاکی این نانوذرات کاربرد ویژه ای دارند، بطوری که می توانند با جذب انتخابی هر عنصر ، آن را به راحتی از فاز محلول جداسازی نمود. علاوه بر نانوذرات، می توان در فرایند فلوتاسیون بجای حباب از نانوحباب ها و نانوکلکتورها استفاده نمود و با این کار حتی نرمه ها را که همیشه برای فلوتاسیون ایجاد مزاحمت می کردند را وارد واکنش کرد و همچنین با کاهش مواد شیمیایی مورد استفاده هم در هزینه ها صرفه جویی نمود و هم از محیط زیست در برابر آلوده شدن، حفاظت کرد.

در طی معدنکاری، تجهیزات زیادی استفاده می شود که این تجهیزات در معرض فرسایش زیاد قرار دارند، با استفاده از فناوری نانو و نانوپوشش ها می توان مقاومت این تجهیزات را تا چندین برابر افزایش داده و راندمان کار را بالا برد. با استفاده از نانوپوشش هایی مانند نانوذرات سیلیس و یا نانوذرات الماس می توان در حفظ و نگهداری تجهیزات در برابر خوردگی، سایش، اکسیداسیون و عوامل مخرب دیگرگامی بزرگ برداشت.

در زمینه پی جویی کانسارهای پنهان نیز نانو می تواند بسیار کارآمد باشد، به طوری که تمامی کانسارهای پنهان در اعماق زمین از خود نانوذراتی تولید می کنند که به کمک خاصیت مویینگی تا افق B خاک بالا می آیند و در آنجا تجمع پیدا می کنند و در این روش که به QPX مشهور است می توان این نانوذرات را شناسایی و برای پی جویی استفاده کرد.

در پایان می تونا گفت، جامعه معدنی برای پیشبرد اهداف خود نیازمند همسویی با موج سریع انقلاب نانوفناوری است. این تفکر به تولید محصولات بیشتر، با کیفیت بالاتر، و تنوع بیشتر محصول خواهد انجامید . لذا کمیته نانوفناوری در معدن و صنایع معدنی بر خود وظیفه می داند تا این تکنولوژی جدید را به معدنکاران و صنایع معدنی و فعالان این عرصه معرفی نماید تا با استفاده از این تکنولوژی دسترسی به اهداف این بخش عظیم صنعتی در ارتقاء سطح رفاه هموطنان و حضور آنها در بازارهای رقابتی جهانی تسهیل شود.