نانوذرات؛حذف کننده مونواکسید کربن

http://pnu-club.com/imported/2012/04/469.jpg



حفاظت از جوامع شهری و روستایی در برابر آلاینده های زیست محیطی مستلزم انجام تحقیقاتی برای شناخت انواع آلاینده ها، منابع تولید آنها و همچنین در نظر گرفتن راهکارهای مناسبی برای کنترل و مهار آلودگی ها در محیط است. با توجه به این که رفع آلودگی های محیط زیست که می تواند پیامدهای نامطلوبی را در زندگی انسان ها و دیگر موجودات زنده ساکن این کره خاکی به همراه داشته باشد، نیازمند تعلیم و آموزش نیروهای متخصص در این زمینه است، بنابراین انجام تحقیقات پژوهشی که بتواند به روش های جدید و موثر برای مبارزه با آلودگی در محیط زیست دست یابد از اهمیت و ضرورت بسیار زیادی برخوردار است و به همین علت تاکنون مطالعات بسیاری در این زمینه از سوی محققان کشور انجام شده که اجرایی شدن آن می تواند نقش مهمی در سنجش، شناخت، کنترل و کاهش آلاینده هایی مانند آلودگی های نفتی، شیمیایی و میکروبی و همچنین بررسی اثرات مخرب آن بر محیط زیست داشته باشد.
آلودگی یکی از مهم ترین پیامدهای ناشی از زندگی جوامع انسانی است که محیط اطراف ما را تحت تاثیر خود قرار داده و زمینه مناسبی برای تهدید زندگی انسان ها به وجود آورده است، اگر چه ممکن است مفهوم آلودگی از نظر افراد مختلف متفاوت باشد، اما به طور کلی می توان گفت هر عاملی که وجود آن در محیط زیست به نحوی در چرخه طبیعی اختلال به وجود آورد و حیات انسان، حیوان یا گیاه را در معرض تهدید قرار دهد، آلودگی به شمار می آید. آلودگی آب ها، آلودگی هوا، آلودگی صوتی، دیداری و نوری نوعی آلودگی محسوب می شوند که به نوعی متفاوت محیط زیست را تهدید می کنند. با توجه به این که آلودگی هوا و آب ها آثار جبران ناپذیری در زندگی انسان ها داشته اند بیشتر تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده است منابع به وجود آورنده این 2 نوع آلودگی را مورد بررسی قرار داده اند و دیگر انواع آلودگی ها کمتر مورد توجه قرار گرفته، در نتیجه افراد کمتر با آن آشنایی دارند.
بررسی های انجام شده درباره غلظت آلاینده ها در نقاط مختلف شهرهای بزرگ نشان می دهد که در بسیاری از ساعات شبانه روز هوایی را تنفس می کنیم که از نظر سطح مونواکسید کربن و دیگر آلاینده های زیست محیطی آلوده است که این آلودگی ارمغانی از صنعت و فناوری است که نقش مهمی در رشد اقتصادی کشورها دارد.
مونواکسید کربن گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه است که از احتراق ناقص مواد سوختنی حاوی کربن به وجود می آید و وسایل نقلیه موتوری، منبع اصلی تولید کننده این گاز در شهرها هستند.
اگرچه فعالیت های صنعتی و احتراق ناقص سوخت در تاسیسات تجاری و حرارتی نیز می توانند منجر به تولید گاز مونواکسید کربن شوند، اما تولید آن در مقایسه با آلودگی ناشی از مونواکسید کربن در نتیجه عبور وسایل نقلیه موتوری در سطح شهرها چندان قابل توجه نخواهد بود. میزان ترکیب مونواکسید کربن با هموگلوبین خون که نقش مهمی در انتقال اکسیژن به بافت های بدن دارد، در مقایسه با اکسیژن 200 برابر است، بنابراین تنها وجود مقادیر اندکی از این گاز در هوا و ترکیب آن با هموگلوبین خون موجب ایجاد ترکیب پایداری در خون می شود که مقدار هموگلوبینی که اکسیژن را به بافت های مختلف بدن می رساند، کاهش می دهد و مانع از جدا شدن اکسیژن و هموگلوبین از یکدیگر می شود.
وجود گاز آلاینده منواکسید کربن در خون، فشار نسبی گاز اکسیژن را نیز کاهش می دهد که این عامل سبب کاهش نیروی محرکه انتشار در بافت های بدن خواهد شد. چنین تغییراتی، سبب ایجاد مسمومیت ها و حساسیت هایی در بدن انسان می شود که تضعیف اعصاب مرکزی، حساسیت به نور و کاهش بینایی، عدم تشخیص زمان و کاهش توانایی در کنترل حرکات ارادی بدن از پیامدهای آن هستند.
بهبود انتخاب پذیری کاتالیست ها
به گفته مهندس سعید جعفری، کارشناس ارشد بهداشت حرفه ای از دانشگاه تربیت مدرس و مجری این طرح تحقیقاتی، مواد کاتالیتیکی از قدیمی ترین مواد نانوساختاری هستند و امروزه کاربرد کاتالیست ها در حوزه های گوناگونی مورد توجه قرار گرفته است. یکی از مهم ترین کاربردهای کاتالیست ها، استفاده از آنها در حذف آلاینده های زیست محیطی و صنعتی است که کاربرد موثر این گروه از مواد در فرآیندهای کاتالیستی به نوع، ماده کاتالیستی مورد استفاده بستگی دارد. فعالیت، گزینش و پایداری مجموعه عواملی هستند که در موثر بودن کاتالیست ها نقش بسیار مهمی دارند. کاتالیزور نوعی ترکیب شیمیایی است که اثر تسریع کنندگی و جهت دهندگی بر پشرفت واکنش هایی دارد که از نظر ترمو دینامیکی انجام آنها امکان پذیر است.
کاتالیزورهای محلول در محیط واکنش را کاتالیزور همگن و کاتالیزورهای فازی مجزا از فاز واکنش را کاتالیزور ناهمگن می نامند. بیشتر کاتالیزورهای ناهمگن، کاتالیزورهای جامدی هستند که در نتیجه تماس آن با مواد مایع یا گازی واکنش دهنده، تغییراتی در آنها ایجاد می شود. کاتالیزورهای ناهمگن را کاتالیست می نامند. کاتالیستهای پیشرفته امروزی به صورت مواد کریستالی متشکل از منافذی در ابعاد نانو طراحی می شوند. با کنترل دقیق اندازه کریستال ها، مساحت سطوح، مواد تشکیل دهنده و همچنین ساختار و اندازه منافذ می توان فعالیت، گزینش و پایداری این کاتالیست ها را مؤثر برای انجام واکنش های گوناگون تبدیل کرد. انتخاب پذیری یا گزینش مواد، یکی از مهم ترین خواص و ویژگی های کاتالیست هاست. به عبارت دیگر، کاتالیست ها باید بتوانند از میان صدها واکنشی که ممکن است انجام شود، واکنش مورد نظر را تسریع کنند.
امروزه مشکلات ناشی از آلاینده های زیست محیطی که از منابع مختلف در هوا منتشر می شوند، به یک نگرانی عمومی در جوامع تبدیل شده است و مسوولان در تلاشند به کمک محققان و متخصصان، راهکارهایی مناسب را در این زمینه به مرحله اجرا درآورند. گاز منواکسید کربن که پیش از این درباره آن توضیحاتی داده شد، یکی از مهم ترین گازهای آلاینده هوا در شهرها و محیط های صنعتی است. در شهرها عمده ترین منبع تولید کننده این گاز، خروجی خودروهاست که حدود 85 تا 95 درصد کل منواکسید کربن موجود در محیط را تولید می کنند. موثرترین روش حذف این گاز، اکسیداسیون کاتالیستی آن به گاز بی اثر دی اکسید کربن است. مبدل هایی که هم اکنون برای حذف آلاینده های خروجی خودروها استفاده می شوند، محدودیت هایی دارند که یکی از مهم ترین شان عدم کارآیی آن هنگام شروع فصل سرما و کاهش دمای هواست.
غلبه بر محدودیت ها
به گفته جعفری، یکی از روش هایی که برای از میان برداشتن چنین موانعی مورد استفاده قرار می گیرد به کار بردن کاتالیست های نانوساختاری است که حتی در دمای پایین نیز از کارآیی مناسبی برخوردارند.
یکی از کاتالیست هایی که با توجه به خاصیت انتخاب پذیری مناسب و فعالیت مطلوب برای حذف کار مونواکسید کربن بتازگی مطرح شده، نانو ذرات طلاست. مهم ترین ویژگی نانو ذرات، بالا بودن نسبت سطح به حجم در این گروه از مواد و ذرات است. با استفاده از این خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانو تولید کرد که می توانند عملکرد واکنش های شیمیایی را به میزان قابل توجهی افزایش دهند و از تولید مواد زائد در واکنش های جلوگیری کنند.
تغییر خواص فیزیکی مواد با آرایش اتمی، اندازه جامد و ترکیب شیمیایی آنها ارتباط مستقیم دارد. نانو ذرات طلا از محلول حاصل از اسیدشویی که در مرحله نهایی طلاسازی به دست آمده تولید می شود و امروزه از این ذرات در وسایل نوری، الکترونیک، بیوشیمی و همچنین در زمینه بیوتکنولوژی استفاده می شود.
ویژگی مهم کاتالیست های با پایه طلا، اکسیداسیون مونواکسید کربن در دماهای پایین است و این نوع کاتالیست ها حتی تا دمای منفی 70 درجه سانتی گراد نیز فعالیت دارند. عوامل زیادی فعالیت کاتالیست ها را تحت تأثیر قرار می دهند که از میان آنها می توان به اندازه نانوذرات طلا، خصوصیات پایه، روش های آماده سازی و شرایط پیش ازعملیات اشاره کرد، مهم ترین عامل تأثیرگذار بر فعالیت این کاتالیست، اندازه ذرات طلاست، به طوری که نانوذرات طلا به اندازه 3 میلی متر در واکنش اکسیداسیون مونواکسید کربن دارای بیشترین فعالیت هستند.
خصوصیات پایه یکی از عوامل تعیین کننده میزان فعالیت کاتالیست هاست، موارد گوناگونی به عنوان پایه نانو ذرات طلا مورد استفاده قرار می گیرند. اکسید تیتانیوم و اکسید آهن از پایه های فعال و هیدرواکسید منیزم، اکسید آلومینیوم و سیلیکا، فیبرهای کربن فعال و زئولیت (مواد معدنی حاوی سیلیکات) از پایه های خنثی هستند که در ساخت نانوذرات طلا استفاده می شوند. ویژگی متمایز زئولیت ها در مقایسه با دیگر موادی که به عنوان پایه مورد استفاده قرار می گیرند این است که این نوع پایه خنثی به دلیل داشتن مساحت سطح بالا از توانایی چشمگیر و قابل توجهی در تبادل یونی و پایدار کردن ذرات کوچک طلا از طریق تثبیت آنها در قفس های کوچک ساختار زئولیت برخوردار است و در این طرح تحقیقاتی نیز از انواع مختلف کاتالیست زئولیت برای اکسیداسیون منواکسید کربن استفاده شده است که هر کدام به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته اند.
نتایج حاصل از ارزیابی فعالیت کاتالیست ها نشان می دهد که وجود یون سدیم سبب می شود نانو ذرات طلا با اندازه ای بهینه و مناسب روی سطوح و همچنین درون منافذ ساختاری زئولیت ها تشکیل شوند. در صورتی که مقدار سدیم مناسب باشد کاتالیست مورد نظر بدون انجام هیچ گونه مراحلی فعال شده و تنها افزایش دما سبب خواهد شد فعالیت کاتالیست تا حدودی کاهش یابد.
جعفری در پایان خاطرنشان کرد که برای فعال سازی کاتالیست های نانو ذرات طلا بر بعضی مواد پایه از جریان هیدروژن در دمای بالا به عنوان پیش عملیات استفاده می شود که می تواند نقش مهمی در بهبود عملکرد اجرای طرح برای کاهش آلودگی ناشی از انتشار گاز مونواکسید کربن در محیط داشته باشد. این طرح تحقیقاتی با راهنمایی دکتر حسن اصیلیان و دکتر حسین کاظمیان در دانشگاه تربیت مدرس انجام شده است و شاید راه جدیدی را در حل مشکلات زیست محیطی باز کند.