معرفی نانو فیلتر
صاف نمودن و جداسازی ذرات نامطلوب از سیالات (مایعات و گازها) یکی از نیازهای بشر از گذشته تاکنون میباشد. فیلترها وسایلی هستند که همواره دارای سطوح متخلخلی میباشند که بیشتر به منظور جداسازی ذرات جامد از سیالات استفاده میشوند به. طور مثال هنگامی که یک مایع یا یک سیال از فیلتر عبور داده میشود، در اثر اختلاف فشار بین دو سمت فیلتر، سیال از فیلتر عبور کرده و ذرات جامد با توجه به اندازه حفرههای فیلتر، نمیتوانند از آن عبور نمایند. شکل 1 نحوه عملکرد یک فیلتر را نشان می دهد.
نانو فیلتر ها عموماً سطوح متخلخلی هستند که در آنها حفره هایی با اندازه های بسیار کوچک وجود دارد. در تولید نانو فیلتر ها معمولاً از الیاف پلیمری که اغلب توسط روش الکترواسپینینگ تولید میشوند، استفاده میگردد. آمارها نشان می دهد که نانو الیاف پلیمری بیش از 10 سال در صنایع مختلف مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است .
این فیلترها با توجه به الیاف مورد استفاده در تولید آن، از انواع مختلفی ساخته میشوند. در ضمن این گونه از فیلترها در اشکال مختلفی چون تخت، استوانه ای یا حتی لولهای شکل ساخته میشوند. از آنجایی که ابعاد الیاف مورد استفاده در تولید این فیلترها بسیار کوچک است، حفره های ایجاد شده در بین این الیاف نیز بسیار کوچک بوده و در حدود چند نانومتر میباشند این بدین معنی است که ذرات نسبتاً بزرگ از این حفره امکان عبور از این گونه فیلترها را نخواهند داشت. شکل 2 ،چند نمونه از فیلترها را نشان میدهد .
عوامل مؤثری در عملکرد یک فیلتر مؤثر است که برخی از آنها عبارتند از :
- اختلاف فشار بین دو سطح فیلتر
- سرعت فیلتراسیون
- نوع و مقاومت پارچه فیلتر
- سطح فیلتر
و عوامل دیگری که در عملکرد یک فیلتر تأثیر میگذارد .
به منظور تولید اغلب فیلترها نیاز است تا یک صفحه مشبک با استفاده از الیاف در ابعاد نانو تولید شود. به منظور تولید این صفحات از تکنیک الکترواسپینینگ استفاده میشود. در روش الکترواسپینینگ از نیروی الکترواستاتیک، جهت ریسیدن الیاف استفاده میشود. با استفاده از ولتاژ زیاد نیروی الکترواستاتیک لازم جهت ریسیدن محلول پلیمری فرآهم میشود و پلیمر ریسیده شده بر روی یک صفحه جمع میشود.
شبکه تولیدی از الیاف نانو با استفاده از این روش اولاً بسیار کوچک میباشند ثانیاً در خود دارای حفره های بسیار ظریف میباشند که میتوان از آنها به عنوان فیلتر استفاده نمود. این شبکه تولید شده را میتوان در اشکال متفاوتی چون تخت و یا استوانه ای جهت استفاده در عملیات فیلتراسیون مورد استفاده قرار دارد. شکل 3، تصویر یک شبکه تولید شده توسط روش الکترواسپینینگ که مناسب جهت تولید فیلتر میباشد را نشان میدهد.
موارد مصرف و کاربرد نانو فیلتر
همانگونه که از نام این محصول مشخص است، کاربرد اصلی آن انجام عملیات فیلتراسیون ذرات در ابعاد بسیار ریز و در اندازه نانومتر میباشد. فیلترها اغلب جهت جداسازی ذرات، تصفیه هوا و آب و به طور کلی گرفتن ذرات نامطلوب از یک محیط مورد نظر میباشد. با توجه به اینکه در تولید این گونه ها معمولاً از الیاف در اندازه نانو استفاده میشود اینگونه فیلترها توانایی جداسازی ذرات بسیار ریز در حدود چند نانومتر را دارا هستند.
استفاده از این فیلترها در صنایع پزشکی جهت جداسازی باکتریها و قارچها، استفاده از فرآیند تصفیه خصوصاً تصفیه هوا و آب و برخی مواد دیگر از جمله کاربردهای این فیلترها میباشد به. منظور بیان دقیق تر در خصوص کاربردهای اینگونه از فیلترها، برخی از مصارف نانوفیلترها در ذیل به طور مختصر بیان میگردد.
- تصفیه هوا
با توجه به منافذ بسیار ریز اینگونه فیلترها، میتوان ذرات گرد و غبار و حتی برخی آلودگی های بسیار کوچک را با استفاده از نانو فیلترها از هوا جدا نمود. مهمترین مصرف نانوفیلترها در این زمینه در خصوص کولرهایی است که علاوه بر خنک کردن، عمل تصفیه هوا را نیز تؤاماً انجام میدهند. مکانیزم عمل اینگونه از کولرها بدین صورت است که هوای محیط اطراف توسط یک سیستم مکش به درون کولر منتقل میگردد.هوای وارد شده به درون کولر، خنک شده و در نهایت این هوای خنک به محیط اطراف دمیده میشود. استفاده از نانوفیلتر در کولر به این صورت است که در محل ورودی هوای محیط از یک لایه نانوفیلتر استفاده میگردد تا هنگام مکش هوا از محیط جهت خنک کردن آن، ذرات گرد و غبار بسیار ریز از محیط اطراف گرفته شود. بدین صورت علاوه بر خنک کردن هوا، عمل تصفیه کردن ذرات معلق نیز انجام میشود. شکل 4 ذرات انبار جمع شده در پشت یک نانوفیلتر را نشان میدهد.
شکل 4: نانو فیلتر مورد استفاده در کولر جهت تصفیه هوا و ذرات گرد و غبار جمع شده در پشت آن مصرف دیگر این فیلتر در یخچال ها میباشد که از این فیلترها در جهت تصفیه هوا و گرفتن بو در محیط بسته یخچال استفاده میگردد. این فیلترها در مسیر چرخش هوای یخچال قرار میگیرد و با عبور هوا از آن ذرات معلق و بوی موجود در هوای داخل یخچال گرفته می شود.
- تصفیه آب
آبها با توجه به منابع و سرچشمه های خود، ناخالصی های مختلفی نظیر ذرات معلق، فلزات سنگین که باعث سختی آب میشود، مواد رنگی و آلودگیهای دیگر را در خود جای میدهند. با توجه به مصارف متعدد آب در صنایع مختلف و نیاز اولیه بشر به آب و همچنین مشکلات و سختیهای پیشرو در مقابل متخصصین این رشته جهت تصفیه آب و دفع آلودگی های آن، استفاده از نانو فیلتر، سبب میشود تا فرآیند تصفیه آب با سهولت انجام پذیرد.اولین مشکل آب خصوصاً آبهای جاری، وجود املاح مختلفی نظیر Ca20 و Mg20 به عنوان سختی های ب میباشد. نانو فیلتر ها به گونه ای ساخته شده اند که خلل و فرج آنها از اندازه این املاح بسیار کوچکتر بوده و استفاده از این فیلترها سبب میشود این املاح از آب جدا شوند. از طرفی ذرات معلق و برخی از موجودات زنده موجود در آب نظیر باکتریها و قارچها به دلیل اندازه بزرگترشان در مقایسه با خلل و فرج نانو فیلتر ها، امکان عبور از نانوفیلترها را ندارند و با استفاده از این فیلترها این مواد را نیز میتوان از آب جدا نمود. شکل 5 شمای کلی از یک نانو فیلتر که جهت تصفیه آب رودخانه جهت مصرف شرب استفاده میشود را نشان میدهد .
شکل 5: نانو فیلتر مورد استفاده جهت تصفیه آب شرب - مصارف پزشکی
وجود عوامل بیماریزا و خطرناک در عالم پزشکی سبب شده است که تا لزوم محافظت در برابر عوامل بیماری زا نظیر ویروسها و باکتریها از اصول اولیه در علم پزشکی به حساب آید. از آنجایی که عوامل بیماریزا اغلب دارای اندازه های بسیار کوچک میباشند، با استفاده از نانوفیلترها میتوان این عوامل را از محیط اطراف جدا نموده و حتی فیلترهای مناسب در مقابل آنها ساخت. از آنجایی که در اغلب فرآیندهای پزشکی لازم است تا افراد مرتبط با فرآیند مربوطه با عوامل بیماریزا در ارتباط باشد، از این ها رو تولید ماسک و محافظ های ساخته شده از نانوفیلترها، از دیگر کاربردهای اینگونه از فیلترها میباشد. به طور مثال باکتری E.Coli را میتوان با استفاده از برخی نانوفیلترها از محیط اطراف جدا نمود. شکل 6 برخی از ماسکهای نانوفیلتر را نشان میدهد.
شکل 6: ماسکهای تولید شده با استفاده از نانو فیلتر ها
بررسی کالاهای جایگزینی نانو فیلتر ها
انجام عملیات فیلتراسیون در صنایع مختلف نظیر صنایع تصفیه آب و صنایع پزشکی امری ضروری میباشد. عدم وجود این عملیات به منزله ایجاد مشکلات زیست محیطی بسیار زیاد و صرف هزینه های بسیار زیاد در جهت رفع مشکلات حاصله میباشد. نانو فیلتر ها قابلیت جداسازی ذرات بسیار ریز درحد چند نانومتر را دارا هستند. از آنجایی که در برخی از موارد تصفیه ذرات ریز نظیر ذرات بسیار ریز معلق در آب و هوا و یا برخی باکتریها و ویروس لازم و ضروری میباشد، تنها با استفاده از اینگونه فیلترها این عمل امکانپذیر میباشد.
بنابراین به نظر می رسد که موارد ذکر شده با هیچ یک از فیلترهای موجود امکانپذیر نمیباشد و فیلترهای موجود توانایی جداسازی ذرات ریز در ابعاد ذکر شده را ندارند. از طرفی اگر تکنولوژی امروزه امکان تولید محصولی که توانایی جداسازی این ابعاد را داشته باشد، میتوان محصول ذکر شده را جایگزین نانو فیلتر نمود. از آنجایی که نانو فیلتر به تنهایی این قابلیت را دارا است و محصولی که این قابلیت را داشته باشد تولید نگردیده است، از اینرو محصول قابل جایگزین با نانو فیلتر وجود نخواهد داشت .
کشورهای عمده تولید کننده و مصرف کننده نانو فیلتر ها
| کشورهای عمده تولیدکننده نانو فیلتر | ||
| ردیف | نام کشور | نوع تولیدات |
| 1 | آمریکا | انواع نانو فیلترها |
| 2 | انگلیس | انواع نانو فیلترها |
| 3 | ژاپن | انواع نانو فیلترها |
| 4 | چین | انواع نانو فیلترها |
| 5 | تایوان | انواع نانو فیلترها |
این گونه از محصولات در کشورهای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد. صنایع مختلفی نظیر صنایع پزشکی و نظامی از اینگونه محصولات به مقدار زیاد استفاده می نمایند. در این میان با توجه به آمار موجود کشور های امریکا و انگلستان از بزرگترین مصرف کنندگان اینگونه از فیلتر ها در ارتش خود می باشند.
بررسی اجمالی تکنولوژی و روش های تولید نانو فیلتر ها
نانوفیلترها را میتوان از مواد مختلفی تهیه نمود. ذرات کربن، مواد سرامیکی و مواد پلیمری که به صورت شبکه ای از الیاف درمیآیند از جمله موادی هستند که در تهیه نانوفیلترها مورد استفاده قرار میگیرند. با توجه به جدید بودن تکنولوژی تولید این فیلترها و اطلاعات ناچیز در خصوص تولید انواع مختلف فیلترها، در انجام این امکانسنجی روش تولید نانوفیلترهایی که از جنس الیاف پلیمری هستند مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
به منظور تولید صفحه مشبکی از نانوالیاف که میتواند به عنوان یک نانوفیلتر عمل کند، میتوان از روش الکترواسپینینگ استفاده نمود. در روش الکترواسپینینگ از یک میدان الکتریکی استفاده میشود. این میدان میان سیال پلیمر با بار مثبت و یک صفحه تخت ایجاد میشود. محلول پلیمر به یک سرنگ شیشه ای که دارای یک نوک مویینه است ریخته میشود. در این سیستم یک الکترود درون محلول پلیمر قرار گرفته و الکترود دیگر به صفحه جمع کننده الیاف متصل میشود.
با افزایش ولتاژ، هنگامی که ولتاژ به یک مقدار بحرانی میرسد، شارژ مثبت موجود بر کشش سطحی پلیمر غالب میشود و پلیمر به صورت الیاف بسیار ظریف از سرنگ خارج شده و بر روی صفحه جمع کننده ایجاد یک شبکه از الیاف میکنند. هنگامی که این شبکه الیاف بر روی صفحه جمع کننده به صورت مسطح قرار گرفت، الیاف رفته رفته جامد میشود. عمل انجماد در پلیمرهای محلول با تبخیر حلال پلیمر و در پلیمرهای مذاب، با سرد شدن مذاب پلیمر صورت می پذیرد. شکل 7 مکانیزم تولید الیاف توسط روش الکترواسپینینگ را نشان میدهد .
به طور کلی با تغییر پارامترها میتوان لایه های نانوالیاف با پارامترهای متغیری از قبیل چگالی حفره ها، اندازه حفره ها، ضخامت لایه و … تولید نمود. شکل 8 نمایی از یک صفحه نانوالیاف تولید شده توسط این روش را نشان میدهد . این لایه پلیمری جهت تولید یک نانوفیلتر مناسب میباشد .
شکل 9 واحد تولید نانو الیاف را نشان می دهد .
شکل 10: انواع نازلهای تولید کننده شبکه الیاف در دستگاه الکترواسپینیگ را نشان می دهد. همان گونه که از شکل 10 مشخص است ، الیاف تولیدی می توانند به صورت تک رشته و یا چند رشته تولید شوند.
دستگاه ذکر شده یکی از دستگاههای تولیدی در شرکت KATO TECH.LTD می باشد.
تعیین نقاط قوت و ضعف تکنولوژی تولید نانو فیلتر
با توجه به بررسی های صورت گرفته، روش الکترو اسپینینگ مهمترین روش در تولید نانو فیلتر ها می باشد. در این روش با استفاده از یک سیستم ریسندگی مذاب پلیمر های شبکه های الیاف در ابعاد نانو تولید می شوند. شبکه های تولید شده در این روش دارای حفرهایی در ابعاد نانو می باشند که با استفاده از آن امکان انجام عملیات فیلتراسیون ذرات در ابعاد نانو میسر می شود.
تکنولوژی تولید نانو فیلترها جدید می باشد و در بسیاری از مناطق به صورت تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرد و در برخی کشورها به صورت صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.با توجه به دلایل ذکر شده نقاط ضعف و قوت این روش تولید به طور کامل مشخص نشده است. اما بررسی ها نشانگر این موضوع می باشند که این روش یکی از موثرترین روشهای تولید نانو فیلتر ها می باشد.
