دانلود مقاله کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران

فناوری نانو چیست؟

فناوری‌نانو واژه‌ای است کلی که به تمام فناوری‌های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود.

معمولاًمنظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm می‌باشد.

(1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد.

در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت.

وی این نظریه را ارائه داد که در آینده‌ای نزدیک می‌توانیم مولکول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.

http://www.mohand.es/story/308 مقیاس نانو سازمان بین‌المللی استانداردها یک متر را بدین گونه تعریف کرده است: طولی که توسط نور در خلأ در بازه زمانی 29979457/1 ثانیه طی می‌شود، یک متر می‌باشد ویک نانومتر 10-9متر می‌باشد.با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم‌ها و مقیاس نانو می‌توان یک نانومتر را راحت‌ترتصورکرد.

یک نانومتر برابر قطر 10 اتم هیدروژن و یا 5 اتم سیلسیم می‌باشد.

درک این موضوع برای افراد معمولی نیز راحت‌تر می‌باشد.

همچنین : یک نانو متر یک میلیاریم متر است.

یک گلبول قرمز دارای عرض تقریبی هفت هزار نانومتر است.

یک مولکول آب دارای قطری حدود 1 نانو متر است.

مولکول اندازه پروتئینها بین 1 تا 20 نانومتر است .

طبق تعاریف مقیاس طولی بین 1 نانومتر تا 100 نانومتر را مقیاس نانو می گویند تصور کنید که در یکی از گرمترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقیما به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هایی با شیشه های دودی برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید.

همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک های فتوکرومیک دودی شوند.

کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران(آسفالت) واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد.

او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به کار برد.

در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌نانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد.

وی این واژه را به شکل عمیق‌تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

خلاصه در سال 1870 یک شیمیدان بلژیکی با نام دسمت(Desmedt) اولین سنگفرش آسفالت واقعی را، که مخلوطی از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نیویورک ایجاد نمود.

طراحی دسمدت در بزرگراهی در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداری قرار گرفت.

سپس دسمدت خیابان پنسیلوانیا در واشینگتن را آسفالت کرد که سطح این پرژه 45149 متر مربع بود.یکی از نمایندگان محلی کنگره به دسمدت گفت: ”این کار هرگز عمومیت نخواهد یافت.“ با این حال، بر اساس تقاضای رو به‌رشد بازار، پیش‌بینی می‌‌شود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قیر معدنی به 107 میلیون تن برسد.

در این میان آسفالت معلق بیشترین رشد را دارد.

همچنین به عنوان نشانه‌ای از رشد این محصولات در آینده، چندی است که کار بر روی آسفالتی که در موقع خرابی خودش را تعمیر کند، آغاز شده است.

به کارگیری فناوری نانو در ساخت زیربناهای مربوط به حمل ونقل، تقریباً معادل با تلاش بشر برای فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.

تاریخچه در سال 1870 یک شیمیدان بلژیکی با نام دسمت(Desmedt) اولین سنگفرش آسفالت واقعی را، که مخلوطی از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نیویورک ایجاد نمود.

به کارگیری فناوری نانو در ساخت زیربناهای مربوط به حمل ونقل، تقریباً معادل با تلاش بشر برای فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.در سال 2005 ایده ساخت آسفالتی برای بزرگراه‌ها که بتوانند خودشان را تعمیر کنند برای بسیاری دور از ذهن به نظر می‌رسید.

بنابراین صنعت آسفالت-قیر به یک تحول نیاز دارد تا مردم بتوانند امکانات فناوری نانو را دیده و مزایای آن را درک نمایند.

دکتر لیوینگستون، فیزیکدان برنامه تحقیقات زیربنایی پیشرفته در اداره کل بزرگراه‌های فدرال (FHWA)، می‌گوید: ”آسفالت و سیمان هر دو جزء نانومواد می‌باشند.

تاکنون ما نتوانسته‌ایم بفهمیم که در این سطح چه اتفاقی می‌افتد، اما این اثرات بر عملکرد مواد تاثیر می‌گذارند.“ بنا بر گفته لیوینگستون، یک ماده پلیمری ساختاری که می‌تواند به طور خود به خودی ترک‌ها را اصلاح نماید، قبلاً تولید شده است.

این پیشرفت قابل ملاحظه با استفاده از یک عامل اصلاح کننده کپسوله شده و یک آغازکننده شیمیایی کاتالیستی درون یک بستر اپوکسی ایجاد شده است.

یک ترک در حال ایجاد موجب گسستن میکروکپسول‌های موجود شده، در نتیجه عامل اصلاح‌کننده با استفاده از خاصیت مویینگی درون ترک رها می‌شود.

با تماس عامل اصلاح‌کننده با کاتالیزور موجود، این عامل شروع به پلیمریزه شدن نموده، دو طرف ترک را به هم می‌چسباند.

این روش می‌تواند منجر به تولید آسفالتی شود که ترک‌های خود را اصلاح می‌کند.

لیوینگستون می‌گوید: ”هیچ‌کس نمی‌تواند برای رشد این فناوری زمانی را پیش‌بینی کند، اما پیشرفت واقعی در حال انجام است و قابلیت‌های موجود بسیار هیجان‌آور می‌باشند.“ با این حال، برای استفاده‌کنندگان فعلی آسفالت، تصور نبود دست‌انداز، یا نبود تأخیر به خاطر تعمیرات آسفالت، بسیار دور از دسترس بوده و نگرانی‌های جدی آنها را برطرف نمی‌سازد.

محیط زیست عامل اصلی تأثیرگذار در فرایند تصمیم‌گیری برای پروژه‌های بزرگراه در بسیاری از کشورها است.

مزایای یک آسفالت متفاوت برای جاده‌ها از دیدگاه زیست‌محیطی و مصرف انرژی، تنها یک بخش مهم از فرآیند تصمیم‌گیری است.

دیدگاه‌های زیست‌محیطی موجب تسریع پیشرفت‌های فنی و اجتماعی می‌شوند.

نیازهای چندگانه حفاظت از محیط زیست شامل: محدود نمودن انتشار گازهای گلخانه‌ای، مصرف کمتر انرژی، کاهش سر و صدای ترافیک و اطمینان از سلامتی و راحتی در رانندگی، اهدافی هستند که به دلیل ایجاد مسئولیت مشترک، مهم‌تر از تمام پیشرفت‌های علمی می‌باشند.

یکی از این اهداف بستن چرخه مواد یا استفاده صد در صدی از مواد قابل بازیافت در ساخت جاده است.

صنعت در این زمینه تجربه زیادی در مورد استفاده از محصولات فرعی در آسفالت به دست آورده است.

مثال‌هایی از مواد زایدی که در مخلوط آسفالت مورد استفاده قرار گرفته‌اند، عبارتند از: تفاله کوره شیشه‌دمی، خاکستر حاصل از سوزاندن زباله‌های شهری، خاکستر موجود در مراکز تولید برق به وسیله زغال، آجر‌های خرد شده، پلاستیک حاصل از سیم‌های برق قدیمی و لاستیک حاصل از تایرهای کهنه.

با این حال، استفاده موفقیت‌آمیز از این محصولات وابسته به تحقیقات کامل در زمینه منابع و ویژگی‌های آنها بوده و معمولاً در سطح پایینی قابل انجام است.

در این حالت امکان بررسی پیوسته عملکرد آسفالت نیز وجود دارد که خود موضوعی مورد بحث است.

با این حال، مطابق گفته‌های مارک بلشه، مدیر آسفالت لاستیک در پروژه آسفالت‌سازی آرام آریزونا، حمایت عمومی - نه تحقیقات علمی- کلید توسعه صنعت تولید آسفالت با استفاده از محصولات فرعی است.

پرژه آریزونا ارزشی معادل 34 میلیون دلار داشته و در همین سال به پایان خواهد رسید.

این پروژه تقریباً 70 درصد (185 کیلومتر)آزادراه ناحیه فونیکس را دربرگرفته و آسفالت آن قادر خواهد بود تا مدت طولانی صدای ناشی از اصطکاک را در جاده کاهش دهد.

آسفالتِ دارای لاستیک تنها درصد بسیار کم و تقریباً بی‌اهمیتی از درآمد صنعت ساختمانی را به خود اختصاص می‌دهد، اما بلشه می‌گوید که با افزایش رغبت عمومی این درصد افزایش خواهد یافت.

به عنوان مثال در ژاپن، گروه تحقیقات آسفالت لاستیک (JARRG)، که شامل مجموعه‌ای از تولید‌کنندگان تایر و شرکت‌های آسفالت‌سازی می‌باشد، یک اتصال‌دهنده آسفالت بسیار ویسکوز را توسعه داده‌اند که از انبساط و پخش تایرهای کهنه‌ای که به صورت بسیار ریز ساییده شده‌اند، تولید می‌شود.

این اتصال دهنده در مخلوط آسفالت پخش شده و سپس پخته می‌شود.این ماده می‌تواند به عنوان یک ماده الاستیک مابین مواد متراکم دیگر عمل نموده و از این طریق، ارتعاش و صدا را کاهش دهد.

بنا بر اعلام JARRG اقبال عمومی به این محصول بسیار خوب است.

بلشه می‌گوید: ”افرادی که در صنعت آسفالت لاستیک درگیر بوده‌اند، همواره سعی کرده‌اند که آن را به دلیل ویژگی‌های مهندسی بسیار عالی‌اش به فروش برسانند.

امّا بیش از هر چیز این محصول به عنوان کاهش دهنده صدا شناخته شده است و در پشت این قضیه، استقبال عمومی قرار دارد.“ وزارت حمل و نقل آریزونا (ADOT) سه سال پیش یک نوع آسفالت را در بزرگراه سوپر استیشن در ناحیه آریزونا به کار برد.

بلشه می‌گوید که به محض اتمام آسفالت این بزرگراه، ADOT و مسئولین محلی سیل عظیمی از تلفن‌ها و ایمیل‌ها را دریافت نمودند که از اشتیاق مردم نسبت به این جاده کم‌صداتر حکایت داشت.

البته همه چیز آسفالت لاستیک کامل نیست.

این مخلوط باعث ایجاد بخار و بو در فرآیند آسفالت کردن شده، هنوز در مورد قابل بازیافت بودن آن بحث وجود دارد.

این آسفالت نسبت به آسفالت‌های معمول بسیار گران‌تر بوده و آسفالت‌کارانی که تا به حال با این ماده چسبناک کار نکرده‌اند، ممکن است در کار کردن با آن، که باید در یک بازه دمایی معین انجام شود، دچار مشکل باشند.

ممکن است نظر بلشه در مورد نظر عمومی درست باشد، اما روی دیگر سکه این است که خواست استفاده‌کنندگان از جاده کم‌صدا‌تر و در عین حال دارای اثرات زیست‌محیطی کمتر، افزایش یافته است.

این امر باعث تمرکز بیشتر تحقیقات بر روی مسائل مربوط به حمل و نقل، از جمله مواد مورد استفاده در جاده شده است.

افزایش عمومی در میزان حمل و نقل، بار بیشتر بر روی محور، و فشار بیشتر تایر بر روی جاده، تقاضا برای آسفالت‌های قوی‌تر وبادوام‌تر را افزایش می‌دهد.

حمل و نقل بیشتر به این مفهوم نیز می‌باشد که ایجاد مشکل در حمل و نقل برای تعمیرات جاده‌ای مطلوب نیست و این امر موجب ایجاد تقاضای بیشتر برای تحقیق و توسعه مؤثر می‌گردد.

http://emjm.blogfa.com/cat-7.aspx کاربرد فناوری نانو در صنعت ساختمان طبق برآوردهای انجام شده تجهیزات ساختمانی سالانه 1000 میلیارد دلار درآمد ایجاد می‌نمایند.

صنعت مربوط به تجهیزات ساختمانی یکی از صنایعی است که فناوری نانو و نانومواد می‌توانند در آن کاربرد وسیعی داشته باشند.

در حال حاضر فناوری نانو در برخی محصولات و تجهیزات ساختمان‌سازی مانند پنجره‌های خود تمیزشونده و صفحات خورشیدی منعطف برای رنگ‌آمیزی ساختمان‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

البته کاربردهای بسیاری؛ مانند بتن‌های خود ترمیم شونده، مواد ضد اشعه UV و IR، پوشش‌ ضدمه و سقف‌ها و دیوارهای منتشر کننده نور نیز در حال توسعه می‌باشند امروزه حسگرهای توانمند فناوری نانو قادرند درجه حرارت، رطوبت و ذرات سمی معلق در هوا را کنترل کنند.

تا سال 2012 انتظار می‌رود بازار حسگرهای فناوری نانو به 2/17 میلیارد دلار برسد.

به زودی حسگرهای ارزان‌قیمت برای کنترل لرزش‌ها، پوسیدگی‌ها و دیگر ملاحظات عملکردی در ساختمان‌سازی ، وارد بازار خواهند شد.

فناوری نانو به سرعت باطری‌ها و وسایل بدون سیم مورد استفاده در این حسگرها را بهبود می‌دهد.

در آینده‌ای نه چندان دور حسگرها در ساختمان‌ها، جمع‌آوری اطلاعات درباره محیط و کاربردهای ساختمان‌سازی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عناصر تشکیل‌دهنده ساختمان‌ها و بناها، هوشمند خواهند شد.

البته نانوحسگرها و مواد ساختمان‌سازی نانویی سئوالاتی را برای طراحان، سازندگان، مالکان و استفاده‌کنندگان از ساختمان‌ها ایجاد کرده است.

اما آنچه که بدیهی به نظر می‌رسد این است که ساختمان‌ها، هوشمند می‌شوند و نانومواد به عنوان یکی از عناصر اصلی ساختمان مد نظر قرار می‌گیرد ریسک‌های مربوط به سلامتی و محیط زیست بدون شک ساختمان‌ها یکی از حوزه‌های اصلی تماس انسانها با نانوذرات از طریق تنفس یا جذب از طریق پوست می‌باشد.

هم‌اکنون در سیستم‌های تصفیه هوای ساختمان از کاتالیست‌های فلزی نانومقیاس و دیگر کاربردهای فناوری نانو برای از بین بردن آلوده‌کننده‌های هوا، استفاده می‌شود.

نانو‌ذرات موجود در این *****ها می‌توانند از طریق هوا در ساختمان منتشر شده و وارد بدن انسان شوند.

بایستی درباره اثرات سلامتی نانوذرات که از طریق تنفس به بدن نفوذ می‌کنند تحقیقات دقیقی انجام گیرد.

ممکن است نانو ذرات از طریق محصولات تمیز کننده وروکش‌ها نیز منتشر شوند تولیدکنندگان نانو*****ها، محصولات تمیز کننده و روکش‌ها اظهار می‌کنند فناوری نانو این محصولات را از نظر محیطی نسبت به سایر محصولات بی‌خطر‌تر می‌کند.

ما هم اکنون نانوذرات را از طریق دامنه گسترده‌ای از محصولات، از صفحات خورشیدی تا وسایل آرایش، بدون داشتن اثرات مضر آشکار جذب می نماییم.

اگر آب مورد استفاده در ساختمان‌ها از طریق نانو*****های موجود در بازار تصفیه شوند ممکن است نانوذرات وارد بدن شوند.

انتشار نانوذرات در محیط ممکن است اثرات مخربی بر محیط زیست داشته باشد.

ممکن است که پاک کننده‌ها نیز از طریق سیستم‌های دفع فاضلاب ساختمان‌ها وارد محیط‌زیست شوند.

در حالی که نانو*****ها پاک بودن آب و هوای خروجی از ساختمان‌ها را تضمین می‌کنند، اثرات زیست‌محیطی نانوذرات بایستی به وسیله معماران و محققان مورد بررسی قرار گیرد ریسکهای اجتماعی در صورتی که حسگرها بسیار رایج شوند نوع کاملاً متفاوتی از ریسک ممکن است به وجود آید ممکن است با استفاده گسترده از عناصر هوشمند در ساختمان‌سازی،‌ حریم خصوصی افراد در معرض خطر قرار گیرد.

هم‌اکنون فناوری‌های بدون سیم مانند تلفن‌های همراه برای استفاده‌کنندگان در حال گسترش می‌باشد.

در اسپانیا، مکزیک و آمریکا ساکنان ساختمان‌ها از طریق تراشه‌‌های کار گذاشته شده در ساختمان‌ها کنترل می‌شوند.

با گسترش فناوری‌های کنترل کننده پاسخ استفاده کنندگان چه خواهد بود؟

درباره حریم خصوصی افراد، سئوالی که مطرح می‌شود این است که چه کسی محیط ساختمان‌ها را کنترل می‌کند و این عمل را چطور انجام می‌دهد؟

اگرچه عناصر ساختمان‌ها مناسب با سلایق استفاده کنندگان و شرایط محیطی می‌گردد ولی مسائل مربوط به کنترل ساختمان ها می‌تواند به عنوان یکی از مشکلات اساسی مطرح باشد.

برای مثال فناوری نانو این امکان را به وجود آورده است تا میزان شفافیت شیشه‌های پنجره‌های ساختمان ها مطابق با سلایق استفاده‌کنندگان تغییر کند، ولی سؤالی که مطرح است این است که چه کسی میزان شفافیت شیشه‌ها را کنترل می‌کند؟

معضلاتی که پذیرندگان اولیه کاربردهای این فناوری با آن مواجه‌اند با استفاده از نانومواد و فناوری نانو در ساختمان‌سازی همه استفاده‌کنندگان این فناوری نوظهور با مشکلاتی مواجه خواهند شد.

سؤالی که در این جا مطرح است این است اگر حادثه بدی رخ دهد آیا ریسک‌های فناوری نانو مورد توجه قرار می‌گیرد؟

باید به خاطر داشت که توسعه‌دهندگان فناوری نانو در ابتدا از مزایای این فناوری بسیار صحبت نمودند.

اما آنچه که بدیهی به نظر می‌رسد این است که تا به امروز به همه جنبه‌های نانومواد و فناوری‌نانو توجه نشده است.

لذا بایستی ترسی از توسعه نانومواد و فناوری‌نانو نداشته باشیم زیرا که فناوری‌نانو دربرگیرنده فرصت‌های ارزشمندی برای بهبود عملکرد ساختمان‌ها، سلامت استفاده‌کنندگان و کیفیت محیط‌زیست می‌باشد .

منبع:interestingphysic http://www.iran-eng.com/showthread.php?t=12514 استفاده از فناوری نانو برای پیشگیری از ریزش پل‌ها محققان دانشگاه «میشیگان» موفق به ساخت پوششی از جنس نانو لوله‌های کربنی شده‌اند که به ادعای آنها می‌توانند مانع از تکرار سوانحی مانند ریزش پل I-35 بر روی رودخانه «می سی سی پی» و یا وارد شدن آسیب به هواپیماها و فضاپیماها شود.

به گفته جروم لینچ، استادیار دانشگاه میشیگان و مسؤل این تحقیق، این پوشش فناوری برتر از لایه‌هایی از پلیمر با شبکه‌هایی از نانو لوله‌های کربنی ظریف ساخته شده است و می‌تواند الکترون‌ها را در سرعت‌های پرتابی هدایت کند.

این لایه باریکتر از یک تار موی انسان است اما به بازرسان و متخصصان امکان می‌دهد که بدون آزمایش کردن فیزیکی بتوانند از نزدیک صحت و سلامت یک پل یا یک ساختمان را کنترل کنند.

در این روش هیچ نیازی به مداخله انسان نیست، فقط وقتی این فناوری نانو در جایی به کار گرفته شود، پوششی در اختیار خواهیم داشت که در هر زمانی که تحریک شود، در برابر عوامل محیطی واکنش نشان خواهد داد.

این لایه‌ها ویژگی‌های حسی متفاوتی دارند، برای مثال یک لایه ممکن است نسبت به خاصیت اسیدی فلز و لایه دیگر به شکستگی‌ها یا کشیدگی‌ها حساسیت داشته باشد.

وقتی شکستگی یا کشیدگی بر روی پل یا ساختمان اعمال شود رفتار الکترون‌هایی که از میان لایه عبور می‌کنند تغییر می‌کند.

به منظور جمع‌آوری این تغییرات که در صورت بروز حادثه ایجاد می‌شوند دانشمندان از الکترودها یا گره های بی‌سیم استفاده می‌کنند که در طول ساختار پل تعبیه شده‌اند.

هر گره دارای یک رایانه ظریف است که اطلاعات به دست آمده از شبکه های نانولوله را تحلیل و بررسی می‌کند و به صورت دوره‌یی سیگنال‌هایی را از طریق یک شبکه بی‌سیم به نزدیکترین سرور رایانه‌یی ارسال می‌کند.

به این ترتیب متخصصان می‌توانند از راه دور هر گونه آسیب احتمالی وارد شده به پل را در همان مراحل بسیار اولیه و پیش از وقوع حادثه شناسایی و در نتیجه پیشگیری کنند.

در مورد فضاپیماها هم به این ترتیب است که فضانوردان می‌توانند با استفاده از این پوشش از داخل شاتل و بدون نیاز به پیاده روی‌های خطرناک فضایی، آسیب‌های احتمالی وارد شده به شاتل را بازرسی کنند انقلاب فناوری‌نانو در معماری دانشجویان دانشگاه ایالتی بال با همکاری موسسه فناوری ایلینویز ساختمان‌هایی را طراحی می‌کنند که در آنها از نانومواد استفاده می‌شود.

انتظار می‌رود این ساختمان‌ها در طی 20 سال آینده به طور انبوه ساخته شوند.

این ساختمان‌ها در برگیرنده قطعات مبتنی بر ساختار نانولوله‌های کربنی، روشنایی مبتنی بر نقاط کوانتومی و نانوسنسورهایی است که به همراه هم ساختمان‌هایی مستحکم‌تر، هوشمندتر و حساس‌تر نسبت به محیط را ایجاد خواهند کرد.

در پروژه این دانشجویان قطعات مبتنی بر نانولوله‌ها، ساخت دیوارهای شفا ف و مقاوم در برابر فشار، بدون نیاز به ستون و حایل را ممکن می‌سازند.

با استفاده از نقاط کوانتومی می‌توان دیوارها و سقف‌های روشن یا با رنگ متغیر از طریق زدن یک کلید، ساخت.

نانوسنسورها در عناصر ساختمان محیط هوشمندی را ایجاد می‌کند که درآن ساختمان‌ها دائما با محیط خود منطبق می‌شوند.

لازم به ذکر است که این دانشجویان در پروژه خود ملاحظات اجتماعی و محیطی ناشی از فناوری‌نانو را نیز مدنظر قرار داده‌اند.

فناوری نانو در تصفیه آب این گزارش مروری بر انواع کاربردهای فناوری‌نانو در تصفیه آب است و برای نشان دادن هر یک از آنها، به مثال‌های ویژه‌ای از نوآوری‌های فناوری‌نانو اشاره می‌شود.

باید توجه داشت که در حوزه فناوری‌نانو محصولات و روش‌های بسیار دیگری توسعه یافته، یا می‌توانند موجود باشند و اینکه بسیاری از اطلاعات موجود درباره این مثال‌ها مبتنی بر اطلاعاتی است که تولیدکنندگان منتشر کرده‌اند.

از آن جایی که این محصولات هنوز در بازار موجود نبوده، یا مدت زیادی از حضورشان در بازار نمی‌گذرد، مطالعات پراکنده‌ای نسبت به عملکرد آنها در حال انجام است.

این متن به اطلاعات موجود درباره خطرات ناشی از این فناوری برای سلامت بشر یا محیط‌زیست اشاره ندارد؛ چرا که این موضوع نیازمند بحث جداگانه‌ای است.

1.

فناوری‌نانولوله‌های کربنی 1-1.

غشاهای نانولوله‌‌ای نانولوله‌های کربنی می‌توانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگی‌ها، به طور یکنواخت هم‌راستا شوند.

تخلخل‌های نانومتری نانولوله‌ها این فیلترها را از دیگر فناوری‌های فیلتراسیون بسیار انتخاب‌پذیرتر نموده است.

همچنین نانولوله‌های کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند.

اگر چه چندین روش برای سنتز نانولوله‌های کربنی استفاده شده است، غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند به وسیله پوشش‌دهی یک ویفر سیلیکونی با نانوذرات فلزی به عنوان کاتالیست، که موجب رشد عمودی و فشردگی بسیار زیاد نانولوله‌های کربنی می‌شود، سنتز شوند و پس از آن برای افزایش پایداری، فضای بین‌ نانولوله‌های کربنی را با مواد سرامیکی پر نمود.

حذف آلودگی‌ها مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند تقریباً همه انواع آلودگی‌های آب را حذف کنند؛ این آلودگی شامل باکتری، ویروس، ترکیبات آلی و تیرگی است.

همچنین این غشاها نویدی برای فرایند نمک‌زدایی و گزینه‌ای برای غشاهای اسمز معکوس هستند.

مقدار تصفیه آب اگر چه تخلخل نانولوله‌های کربنی به طور قابل توجهی کوچک است، غشاهای نانولوله‌ای نشان داده‌اند که به خاطر سطح داخلی صاف نانولوله‌ها، شدت جریان بیشتر یا یکسانی نسبت به تخلخل‌های بسیار بزرگ‌تر دارند.

هزینه با توسعه روش‌های جدید و بسیار مؤثر برای تولید نانولوله‌های کربنی، هزینه تولید غشاهای نانولوله‌‌ای به طور پیوسته کاهش می‌یابد.

بر اساس پیش‌بینی‌ برخی منابع، به دلیل کاهش قیمت نانولوله‌های کربنی، غشاهای نانولوله‌ای بسیار ارزان‌تر از سایر غشاهای فیلتراسیون، غشاهای اسمز معکسوس، سرامیک و غشاهای پلیمری خواهد شد.

از آن جا که نانولوله‌های کربنی شدت جریان بالایی را نشان می‌دهند، فشار مورد نیاز برای انتقال آب نسبت به فرایند نمک‌زدایی با اسمز معکوس، کاهش می‌یابد و به دلیل این ذخیره انرژی، نمک‌زدایی با استفاده از فیلترهای نانولوله‌ای بسیار ارزان‌تر از اسمز معکوس خواهد بود.

انتظار می‌رود غشاهای نانولوله‌ای بسیار بادوام‌تر از غشاهای متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهی فیلتراسیون را کاهش ندهد.

روش مصرف غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند در گزینه‌های مشابهی به عنوان غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترا فیلتراسیون استفاده شوند.

مطالعات نشان می‌دهد که این مواد بادوام و در برابر گرما مقاومند و تمیز کردن و استفاده مجدد از آنها ساده است و با استفاده از فرایند اولتراسونیک و اتوکلاو درC ْ121 در مدت 30 دقیقه تمیز می‌شوند.

توضیحات تکمیلی انتظار می‌رود در پنج الی ده سال آینده، شاهد ورود غشاهای نانولوله‌ای نمک‌زا به بازار باشیم.

اخیراً محققان برای غلبه بر چالش‌های مرتبط با افزایش مقیاس فناوری، فعالیت‌های تازه‌ای را مدنظر قرار داده‌اند.

1-2.

نانوغربال‌ها آزمایشگاه‌های سلدن (Seldon)، چندین طرح مبتنی بر فیلترهای نانوغربال را توسعه داده‌اند.

نانوغربال از نانولوله‌های کربنی جفت‌ شده با یکدیگر تشکیل می‌شود که روی یک زیرلایه متخلخل و منعطف قرار گرفته‌اند.

و می‌توان برای تشکیل فیلترهای شبه‌کاغذی، آنها را روی یک زیرلایه صاف و یا لوله‌ای قرار داد، با این کار توانایی پیچیده شده شدن به اطراف هر ساختار استوانه‌ای متداول و یا هر ساختار دیگری را به دست می‌آورند، همچنین برای افزایش سطح فیلتر می‌توان نانوغربال‌های مسطح را تا زد.

اخیراً در آزمایشگاه‌های مذکور چندین نمونه فیلتر قابل حمل مبتنی بر این فناوری، برای خالص‌سازی آب ساخته شده‌اند؛ این فیلترها در اندازه قلم بوده و تحت عنوان ابزارهای فیلتراسیون نی‌مانند به نام water stick معروف هستند.

حذف آلودگی‌ها از نانوغربال‌ها می‌توان در حذف گستره وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی استفاده کرد.

این فیلتر می‌تواند از چندین لایه نانولوله‌ کربنی ساخته شود که هر لایه قابلیت حذف نوع متفاوتی از ترکیبات را دارد.

نانوغربال‌های مورد استفاده در Water stick توانایی حذف بیش از 99/99 درصد از باکتری‌ها، ویروس‌ها، کیست‌ها، میکروب‌ها، کپک‌ها، انگل‌ها، و همچنین کاهش قابل توجه آرسنیک و سرب را دارند.

نانوغربال‌های چند عملکردی نیز مانند ترکیبات معدنی اعم از فلزات سنگین، کودها، فاضلاب‌های صنعتی و دیگر مواد می‌توانند ترکیبات آلی از قبیل Pesticideها و herbicideها را حذف نمایند.

همچنین می‌توان فیلتر را با یک لایه ضدباکتری برای جلوگیری از تشکیل فیلم بیولوژیکی پوشاند.

در حال حاضر آزمایشگاه‌های سلدن مشغول ارتقای این فناوری برای استفاده از آن در نمک‌زدایی از آب دریا هستند.

مقدار تصفیه آب نانوغربال‌ها در مقایسه با دیگر ابزارهای فیلتراسیون که دارای همان اندازه تخلخل هستند، به دلیل خواص انتقال جرم سریع نانولوله‌ها، بدون استفاده از فشار، شدت جریان مناسبی را تأمین می‌کنند.

در یک فیلتر نمونه با قطر پنج سانتی‌متر شدت جریان شش لیتر بر ساعت مشاهده شده است.

همچنین water stick برای تصفیه یک لیتر آب آلوده در 90 ثانیه طراحی شده است.

این فیلتر، در طول عمر مفیدش 200 تا300 لیتر آب تولید می‌کند؛ اگر چه این مقدار می‌تواند با تغییرات پیش از فیلتراسیون افزایش داده شود.

هزینه آزمایشگاه‌ سازنده برای قیمت‌گذاری water stick یک طرح رقابتی را با دیگر فناوری‌های مشابه در نظر دارد، تا این فناوری برای مردم کشورهای در حال توسعه قابل استفاده باشد.

روش مصرف Water stick که شبیه نی نوشیدنی طراحی شده آب تمیز آشامیدنی تولید می‌کند.

اخیراً نمونه‌ای از Water stick به گونه‌ای طراحی شده است که می‌توان وسیله‌ای با فیلتر قابل تعویض را طراحی کرد.

علاوه بر این هنگامی که عمر مفید این فیلتر به پایان می‌رسد، به طور اتوماتیک جریان را متوقف می‌‌کند.

نانوغربال‌ها توان ترکیب با دیگر ابزارهای فیلتراسیون را دارند.

توضیحات تکمیلی آزمایشگاه‌های سلدن، سیستم تولیدی را برای تولید نانوغربال‌ها توسعه داده‌اند؛ این سیستم دارای صرفه اقتصادی، ظرفیت تولید 276 متر مربع بر ماه است که هر متر مربع برای 396 فیلتر کافی است.

در حال حاضر پزشکان آفریقایی نمونه‌ای از water stick را مورد استفاده قرار داده‌اند.

2.

روش‌های دیگر نانوفیلتراسیون 2-1.

فیلتر آلومینای نانولیفی شرکت Argonide فناوری جاذب‌های نانولیفی را به صورت کارتریج فیلترهای نانوسرام عرضه کرده است.

این جاذب‌ها از نانوالیاف آلومینا با بار مثبت روی زیرلایه شیشه‌ای تشکیل شده‌اند.

نانوالیاف آلومینا سطح بیشتری نسبت به الیاف متداول داشته و بار مثبت بالایی دارند که باعث جذب سریع‌تر آلودگی‌‌های باردار منفی از قبیل ویروس‌ها، باکتری‌ها و کلوئیدهای آلی و غیرآلی می‌شود.

حذف آلودگی‌ها فیلترهای نانوسرام بیش از 99/99 درصد ویروس‌ها، باکتری‌ها، انگل‌ها، ترکیبات آلی طبیعی، و کدری را حذف می‌کند، همچنین دارای قابلیت جذب 9/99 درصد از نمک‌ها، مواد رادیواکتیو و فلزات سنگین از قبیل کروم، آرسنیک و سرب را هستند، حتی اگر ذرات، نانومقیاس و یا حل شده باشند.

فیلترهای نانوسرام در PH بین پنج تا 9 بهتر عمل می‌کنند.

مقدار تصفیه آب شدت جریان فیلترهای نانوسرام بدون استفاده از فشار حدود یک تا 5/1 لیتر بر ساعت، به ازای هر سانتی‌متر مربع از فیلتر است.

حداکثر فشار چهار bar می‌تواند به فیلتر اعمال شود که منجر به شدت جریان 9 تا ده لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی‌متر مربع از فیلتر خواهد شد.

کارتریج فیلترهای نانوسرام دارای یک طراحی تاخورده است که سطح آنها را افزایش می‌دهد.

همچنین طبق گزارش فیلتر به طور متوسط مقاومت عملکردی بالایی نسبت به غشاهای بسیار متخلخل دارد.

هزینه شرکت آرگوناید (Argonide) هزینه تولید فیلترهای نانوسرام را ارزان اعلام کرده است؛ چرا که آنها می‌توانند با استفاده از فناوری کاغذسازی تولید شوند.

در حال حاضر هر متر مربع فیلتر ده دلار هزینه برمی‌دارد، که ممکن است این مقدار به سه دلار برسد.

کار تریج فیلترها به ازای 20-200 فیلتر، وابسته به قطر آنها در حدود 37 دلار هزینه دارند.

صفحات فیلتر می‌توانند با قرار گرفتن در اطراف لوله‌های فلزی، بین دو فیلتر متداول و یا در یک نگهدارنده مجزا، هزینه نهایی فیلتر را کاهش دهند.

فیلترهای نانوسرام به جای جمع‌آوری ذرات بسیار ریز بر روی سطح، آنها را جذب می‌کنند؛ بنابراین نسبتاً عمر مفید و طولانی‌تری دارند.

روش مصرف مطابق با توصیه‌های شرکت آرگوناید، فیلترهای نانوسرام به تصفیه‌های پیشین و یا پسین، تمیز کردن، شارژ مجدد فیلتر و یا از بین بردن مواد زاید خطرناک نیاز ندارند.

این فیلترها به طور همزمان ترکیبات شیمیایی و بیولوژیکی را بدون استفاده از مواد گندزدای شیمیایی و یا مواد منعقدکننده، حتی در آب‌های شور بسیار کدر حذف می‌کنند.

توضیحات تکمیلی به گفته شرکت آرگوناید، فیلترهای نانوسرام می‌توانند پودرهای بسیار ریز فلزی حذف شده را برای کاربردهای صنعتی بازیافت کنند.

2-3.

نانوالیاف جاذب جریان شرکت KX طرحی از فیلترهای جاذب جریان شامل نانوالیاف را با هدف استفاده در کشورهای در حال توسعه بهره‌برداری کرده است.

فیلتر شامل یک لایه پیش فیلتراسیون برای حذف چرک‌ها، یک لایه جاذب برای حذف آلودگی‌های شیمیایی و یک لایه نانوالیاف برای حذف آلودگی‌ها و ذرات کلوئیدی است.

نانوالیاف از چندین پلیمر آب‌دوست، رزین‌ها، سرامیک‌ها، سلولز، آلومینا و دیگر مواد ساخته می‌شوند.

این فناوری در مقیاس‌های خانگی و شهری قابل دسترسی است.

حذف آلودگی‌ها طبق گزارش‌ها، فیلترهای سطح فعال بیش از 99 درصد از باکتری‌ها، ‌ویروس‌ها، انگل‌ها، آلودگی‌های آلی و دیگر آلودگی‌های شیمیایی را حذف می‌کنند.

مقدار تصفیه آب طبق اعلام شرکت‌ سازنده، مقیاس خانگی فیلترهای سطح فعال می‌تواند به ازای هر فیلتر375 لیتر آب را با سرعت چهار تا شش لیتر بر ساعت تولید کند.

در مقیاس روستایی بیش از 7500 لیتر بر روز با سرعت 6/5 لیتر بر دقیقه تولید می‌کند.

در مقیاس روستایی هر فیلتر برای بیش از 95 هزار لیتر آب مؤثر است.

هزینه انتظار می‌رود فیلترهای خانگی شش تا11 دلار فروخته شوند و فیلترهای جایگزین برای آنها 8/0تا9/0 دلار هزینه دربر خواهد داشت؛ یعنی 002/0 دلار به ازای هر لیتر آب.

همچنین فیلترهای روستایی بین 100 تا 150 دلار هزینه خواهند داشت که تقریباً 0003/0 دلار به ازای هر لیتر است.

روش مصرف طراحی فیلترهای سطح فعال به گونه‌ای است که بدون استفاده از تجهیزات وسیع، یا نگهدارنده به‌آسانی قابل استفاده باشند.

3.

سرامیک‌های نانو‌حفره‌ای، کِلِی‌ها و دیگر جاذب‌ها 3-1.

غشای سرامیکی نانوحفره‌ای شرکت آلمانی AG Nanovation، طرحی از فیلترهای سرامیکی نانوحفره‌ای را تحت عنوان Nano pore و سیستم‌های فیلتراسیون غشایی را با مقیاس‌های متنوعی عرضه نموده است.

فیلترهای غشایی Nano pore از نانوپودرهای سرامیکی روی مواد پایه از قبیل آلومینا تشکیل شده‌اند و در اندازه‌های متفاوت و در دو شکل لوله‌ای و مسطح موجود هستند.

این محصولات با استفاده از نانوپودرهای سرامیکی شرکت و تحت فرایندهای پیوسته تولید می‌شوند.

حذف آلودگی‌ها طبق ادعای شرکت سازنده، فیلترهای غشایی Nanopore باکتری‌ها، ویروس‌ها و قارچ‌ها به طور مؤثر از آب حذف می‌کنند.

علاوه بر این آزمایش‌های کیفی آب، Coliformها، fecal coliformها، Salmonella یا streptococci را در آب تصفیه شده نشان نمی‌دهند.

مقدار تصفیه آب مقدار آب تولیدی وابسته به اندازه و شکل فیلتر و کیفیت آب تصفیه شده است.

یک واحد فیلتراسیون با ابعاد cm 15× 60×120 سطحی معادل با 2 m 11 ایجاد کرده، می‌تواند 8 هزار لیتر آب آلوده را در روز تصفیه کند.

هزینه ‌تولید سیستم‌های فیلتراسیون غشایی بر مبنای pore Nano با فرایندهای پیوسته که همزمان تمامی لایه‌های فیلتر مونتاژ می‌شوند، ارزان است؛ هنگامی که تمامی هزینه‌های فیلتراسیون که شامل حفظ، ‌جایگزینی فیلترها، تمیز کردن عوامل و هزینه‌های عملیاتی است، با مواردی از قبیل عمر طولانی‌تر فیلتر، پایداری بیشتر و تمیز کردن کمتر همراه شوند، هزینه این فیلترها با فیلترهای پلیمری قابل رقابت می‌گردد.

روش مصرف فیلترهای غشایی Nano pore با توجه به خواص ضدرسوبی بسیار شدید خود نیاز به تمیزسازی مکرر ندارند.

همچنین می‌تواند به جای پاکسازی شیمیایی با بخار استرلیزه شود.

غشاهای Nano pore نسبت به آلودگی‌های قارچی و باکتریایی، اصطکاک، اسید و بازهای غلیظ شده، دمای بالا و اکسیداسیون مقاوم هستند.

3-2.

تک‌لایه‌های خودآرا روی پایه‌های مزوپروس (SAMMS) آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث وست (PNNL) تک‌لایه‌های خود آرا روی پایه‌های مزوپروس را توسعه داده است.

این فناوری از مواد سرامیکی یا شیشه‌ای با تخلخل نانومتری شکل گرفته است؛ به طوری که تک‌لایه‌ای از مولکول‌ها می‌توانند به یکدیگر متصل شوند.

تک‌لایه و لایه مزوپروس، قابلیت برنامه‌ریزی شدن برای حذف آلودگی‌های خاصی را دارند.

SAMMS نسبت به بسیاری از غشاها و فناوری‌های جاذب دیگر، جذب سریع‌تر، ظرفیت بالاتر و انتخاب‌پذیری بهتری را از خود نشان داده است.

SAMMS برای حذف آلودگی‌های فلزی از آب آشامیدنی، آب‌های زیرزمینی و فاضلاب‌های صنعتی طراحی شده است.

حذف آلودگی‌ها PNNL مدعی است که SAMMS 9/99 درصد از جیوه، سرب، ‌کروم، آرسنیک، ‌کادمیم، فلزات پرتوزا و دیگر سموم فلزی را جذب می‌کند.

همچنین طبق گزارش‌ها، SAMMS می‌تواند برای حذف فلزات خاصی برنامه‌ریزی شود؛ ولی برخی فلزات از قبیل کلسیم، منیزیم و روی را حذف نمی‌کند.

SAMMS برای حذف آلودگی‌های زیستی، یا آلی مؤثر نیست.

مقدار تصفیه آب از SAMMS می‌توان در گستره وسیعی از کاربردها از تصفیه آب مصرفی گرفته تا تصفیه فاضلاب‌های صنعتی، استفاده کرد.

این فیلترها سطح ویژه‌ای در حدود 600 تا هزار متر مربع به ازای هر گرم دارند.

تولید هر کیلوگرم SAMMS، 150 دلار هزینه دارد که با نمونه‌ای از رزین تعویض یونی با هزینه 42 دلار و کربن فعال با هزینه 78/1 دلار به ازای هر کیلوگرم قابل مقایسه است.

همچنین برای حذف یک کیلوگرم جیوه، 13 کیلوگرم SAMMS مورد نیاز است و در مقابل، 154 کیلوگرم رزین تعویض یونی و 40 هزار کیلوگرم کربن فعال مورد نیاز خواهد بود.