مقاله مطالعات امکان سنجی مقدماتی تولید نانو ذرات پوششی روی سطوح دیوار های شهری یا کاری برای تصفیه آلودگی هوا

1 معرفی محصول

مقدمه

پوشش های شفاف و خودآرا که موجب ایجاد مزیت های کاربردی برای سطوح میشوند، کاربردهای گستردهای دارند. پوششهای نانومقیاس با داشتن خواصی نظیر هدایت الکتریکی زیاد، ضد الکتریسیته ساکن، کنترل حرارت، مقاومت زیاد در برابر خش، کنترل آلودگی میکروبی، یا سایر خواص کنترلی، در بازارهای مختلفی مانند صنایع اپتیک، چشم پزشکی، خودرو، وسایل خانگی، نمایشگر و تصویربرداری، فوتونیک، و نیز صنایع بسته بندی کاربرد خواهند داشت.

سطوح، در واقع اجزایی هستند که از نظرشیمیایی فعال بوده و به منظور تقویت ویژگیهای سطحی خاص میتوان به وسیله سایر عوامل مانند عوامل شیمیایی و پلیمرهای طراحی شده آنها را بهبود بخشید.

روشهای بهبوددهی میتواند سطوح بیاثر را به آسانی از نظر شیمیایی فعال نماید و این در واقع هنر فناورینانو میباشد. برخی نانوروکشها نیز ویژگیهای خاصی مانند خود- بهبودی و مقاومت در برابر خوردگی و خش را دارا خواهند بود.

اکثر پوششهایی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، اصطلاحا" »خاموش« هستند، یعنی تنها قابلیت اعمال خاصیت اولیه خود را دارند بدون اینکه توانایی سازگاری با محیط و اصلاح خواص در اثر تغییر شرایط محیط را داشته ویا بتوانند عیبها و نقایص بالقوه مانند مشکلات خوردگی را به کاربر اطلاع

دهند. پوشش های مبتنی بر فناورینانو، امکان دسترسی به قابلیتهای چند منظوره را فراهم می نمایند؛ بدین معنی که میتوانند حداقل دو ویژگی همزمان مانند مقاومت بالا در برابر خوردگی و آب گریزی یا ابرآب گریزی (درزوایای تماس 100 تا (170 را داشته باشند.

در حال حاضر سیستم های پوششدهی یک راهه1 مبتنی بر نانومواد استفاده می شود؛ مانند پوشش های ضدآتش، یا پوشش های رسانا و یا پوششهایی که قابلیت حس کردن خوردگی بالقوه را دارند. اما سیستمهای دو راهه2 مانند موادی با حافظه هندسی3 و پوششهایی با قابلیت تغییرخاصیت آب گریزی

– آب دوستی وپوشش های حاوی ذرات ترموکرومیک، چالش برانگیزتر هستند.

توانایی کنترل پوشش های سطح در مقیاس نانو، از عوامل مهم توسعه صنعتی فناورینانو به شمار میرود. در حال حاضر روشهای فیزیکی و شیمیایی زیادی برای تولید لایه ها و پوششها در ابعاد نانو و کنترل نانومتری ساختار و گروههای عاملی، وجود دارد. با این وجود، افزایش مقیاس برای این روشها همچنان یک چالش جدی است.

نانو دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم که با نام های اکسید تیتانیوم IV یا تیتانیا شناخته میشود دارای فرمول شیمیایی

TiO2 است که زمانیکه به عنوان رنگدانه مورد استفاده قرار میگیرد نامهای تیتانیوم سفید، رنگدانه

سفید 6 و CI77891 به خود میگیرد. تمام خصوصیات دی اکسید تیتانیوم نیز در نانو دی اکسید تیتانیوم وجود دارد با این تفاوت که اندازه ذرات آن بسیار کوچکتر است و از این رو قابلیت و اثرکنندگی بیشتری دارد چرا که به واسطه کوچک بودن اندازه ذرات، سطح تماس بیشتر میشود و کارایی افزایش مییابد .دیاکسید تیتانیوم از اکسیدهای فلزی است که در زندگی روزمره کاربرد فراوانی دارد. پودر این ماده به عنوان رنگدانه سفید در صنعت استفاده می شود. گاف انرژی (Band Gap)این ماده نوع آناتیس حدود 3/2 الکترون ولت است) که میتواند نور فرابنفش را جذب کند.

دو خاصیت مهم این ماده که آن را در زندگی بسیار کارا و مفید می سازد، خواص فوتوکاتالیستی و فوق آب دوستی آن است. از این دو خاصیت برای تصفیه آب و فاضلاب ها، حذف آلودگی هوا و ساختمان ها، تسریع واکنشهای فتوشیمیایی مانند تولید هیدروژن، ساخت سطوح و لایههای ضد مه و شیشههای خود تمیزشونده استفاده می شود .

خاصیت فوتوکاتالیستی

در این حالت، ماده در برخورد با مولکولهای آلودهکننده آب، هوا و خاک که عموماً مولکولهای آلی کربنی هستند، آنها را تجزیه کرده و به مواد غیرآلی CO2 و آب و آنیونهای معدنی بیضرر تبدیل میکند. یکی از کاربردهای این مواد، سطوح خود تمیز شونده اعم از شیشه، کاشی و سطوح دیوار است که در برخورد نور ماورا بنفش فعال شده و با تجزیه مواد آلی یا ایجاد باندهای ضعیف بین سطح و مواد آلاینده به راحتی تمیز میشوند. همچنین فوتوکاتالیستها میتوانند در تصفیه آب، هوا و

یا پسابهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر این، فوتوکاتالیستها در معرض نور ماورا بنفش میتوانند باکتریها و ویروس ها را از بین ببرند. خواص خود تمیزشوندگی، ضد باکتری و تجزیه آلایندهها محدوده وسیعی از کاربردها را برای این مواد ایجاد کرده است که شرکت های مختلف در حال توسعه آنها و بازارسازی برای آنها هستند. آلودگیهای محیط، یعنی آلودگیهای آب، هوا، خاک، بزرگترین معضل جامعه امروزی اند. از سال 1970 گزارشها متعددی درباره استفاده از فوتوکاتالیست TiO2 برای حذف آلودگیها ارائه شده است. امروزه موفقیتهایی در ساخت سیستمهای پاکسازی کاربردی برای فاضلاب کشاورزی و خاکهای آلوده شده به وسیله ی ترکیبات آلی فرار (VOCs) ، به دست آمده است. این سیستمها بر پایه فوتوکاتالیستهای TiO2 و فقط استفاده از نور خورشید بنا شدهاند.

کلمه فتوکاتالیست یک فرآیند ترکیبی است که از دو بخش "فتو" و "کاتالیسست" تشکیل شده است که فتو معرف نوردهی و کاتالیست بیانگر فرآیندی است که سرعت واکنش انتقال شیمیایی را برای مواد شرکت کننده، بدون توقف واکنش افزایش می دهد. در سالهای اخیر دانشمندان و صنعتگران شدیداً به استفاده از نیمهرساناها به عنوان فتوکاتالیست برای تخریب آلودگیهای آلی علاقهمند شدهاند.

به علت ویژگیهای نوری و الکتریکی، قیمت پایین، فعالیت فتوکاتالیستی بالا، ثبات شیمیایی، غیر سمی بودن، فراوانی و در دسترس بودن و عدم فرسایش و خوردگی در مقابل نور از تیتانیا به عنوان فتوکاتالیست رایج استفاده می شود1]و.[2 زمانی که کاتالیستTiO2 تحت تابش با فتون با انرژی مساوی و یا بالاتر از باند شکاف (ev3.2) قرار گیرد حفره الکترونی که محرک گروههای واکنشی

اکسیژنی از قبیل رادیکال هیدروکسیل و رادیکال سوپر اکسید است، تولید میشود. این رادیکالها مستقیماً در گیر فرآیند اکسید کردن به منظور تجزیه آلودگیها و باکتریها هستند.[3] بعضی از ویژگیهای ذرات که در فعالیت فتوکاتالیستی موثر هستند، عبارتند از ابعاد ذرات، ساختمان کریستال، سطح هیدروکسیل شونده، بلورینگی مطلق، شدت تابش نوری، جذب سطحی آلودگی، pH محلول و روش آمادهسازی. در زمینه فتوکاتالیستی، اغلب کاربردها مربوط به پاکسازی هوا و آب یا ویژگی خود تمیز شوندگی مواد مختلف می شوند4] و 5 و .[6 زمانی که اندازه ذرات TiO2 به مقیاس نانو کاهش مییابد فعالیت فتوکاتالیستی افزایش مییابد به دو علت، اول عریض شدن نوار شکاف نوری به سبب مقیاس کوانتومی و دوم افزایش مساحت سطح مؤثر.[7]

خاصیت فوق آبدوستی

خاصیت دیگری که این ماده از خود نشان میدهد خاصیت فوق آب دوستی آن است. این خاصیت که با خاصیت فوتوکاتالیستی رابطه تنگاتنگی دارد باعث پدیده خودتمیزشوندگی میشود. بههمین دلیل لایهای نازک از این ماده را روی سطح شیشه، کاشی و بعضی ظروف می نشانند تا مانع از کثیف شدن آنها شوند.

 روش های تولید صنعتی

روشهای متفاوتی برای تهیه پودر دی اکسید تیتانیوم وجود دارد از جمله: روش سولفاته، روش کلریده، مایع کردن گاز خنثی، سنتز با شعله اکسید Ticl₄، روش سل- ژل، تولید به وسیله ی تیتانیوم

تترا ایزو پروپوکساید در دمای 200 درجه سانتی گراد به همراه همزدن در اتوکلاو را میتوان نام برد.[8] نانو دی اکسید تیتانیوم صنعتی با دو فرآیند پایه تولید میشود. در هر دو روش از FeTiO₃

بعنوان ماده خام استفاده میشود.

تکنولوژی سولفاته

ابتدا ماده خام سولفاته میشود و به وسیله اسید سولفوریک شسته و TiOSO₄ بهدست می آید که با تجزیه حرارتی به TiO₂ تبدیل می شود.

تکنولوژی کلریده

ماده خام کلریده میشود و Ticl₄ به دست میآید و سپس خالصسازی اکسیداسیون با اکسیژن انجام میگیرد. شرکت Degussa از این روش برای تهیه P25 استفاده میکند. هر یک از این روشها تیتانیایی با درصد فاز متفاوت ایجاد میکند. برای مثال در فناوری کلریده تیتانیا با %80 فاز آناتاس و

%20 فاز روتایل تولید می شود.[9]

نکات مهم در تجاری سازی فناوری نانو - نانو دی اکسید تیتانیوم

برای درک منطقی کاربردهای تجاری فناوری نانو، باید ابتدا از قید سه باور غلط در مورد فناوری نانو رها شد.

باور عمومی غیردقیق » : 1صنعتی به نام فناوری نانو وجود دارد.« بسیاری از فعالان حوزه کسب و کار فناوری نانو بر این باورند که یک صنعت یا بخش نوظهور به نام فناوری نانو وجود دارد که از »شرکتهای فناوری نانو« همفکر با پیشرانهای و چالشهای تجاری مشابه تشکیل شده است و همگی »محصولا ت فناوری نانو« را به فروش میرسانند. این مفاهیم هم غیردقیق و هم نامفید میباشند، چرا که فناوری نانو در بخشهای مختلفی گسترده شده است. بیایید نگاهی به یک مشابه تاریخی از یک فناوری دیگر با افق مشابه و کاربردهای وسیع بیاندازیم: الکتریسیته، یا همان دستکاری هدفمند الکترونها. الکتریسیته موجب ایجاد کاربردهای بسیار متنوعی از جمله روشنایی، تلفن، و صنعت نیمههادیها شد، اما تمام این کاربردها چنان وسیع و گسترده می باشند که به غیر از استفاده از

فناوریهای بنیادی مشترک، هیچ وجه اشتراک دیگری باهم ندارند. این امر در مورد فناوری نانو نیز صدق میکند. شرکت نوپای C Sixty با شرکت بزرگ مواد دارویی Merck برای ساخت داروهای

محافظت کننده اعصاب1 (با استفاده از خاصیت آنتیاکسیدانی فولرین) همکاری میکند؛ از سوی دیگر، شرکت American Bowling Services از فولرینها برای ساخت توپهای بولینگ با ساختار سطحی نانو (که مسیر مورد نظر را بهتر طی میکند) بهره میبرد. این دو شرکت به هیچ طبقهبندی صنعتی یکسانی تعلق نداشته و نخواهد داشت.