آنچه میخواهید در مورد CNG بدانید

گاز طبیعی سوختی با احتراق پاک، تمیز و بهینه است که سبب افزایش عمر موتور و کاهش تعمیرات آن میشود.

تعویض شمع در موتورهای بنزینی تا 32هزار کیلومتر دوام دارد ولی در موتورهای گازسوز این عدد به 120هزار کیلومتر افزایش مییابد.

این سوخت قابلیت انتقال و مکش از مخزن را ندارد و بدین ترتیب احتمال سرقت سوخت به صفر میرسد و این در حالی است که با توجه به سهمیهبندی بنزین، احتمال سرقت بنزین از باک خودروها وجود دارد.

زمان سوختگیری سریع در پمپ گاز بین 5 تا 6 دقیقه و آهسته آن 5 تا 8ساعت طول میکشد.

گاز طبیعی از بنزین ایمنتر است. چون گاز طبیعی برخلاف بنزین در زمان تصادف و حوادث پیشبینی نشده در هوا پراکنده میشود ولی بنزین روی زمین حوضچههایی ایجاد میکند که هر لحظه ممکن است به آتشسوزیهای مهیب منجر شود. کپسولهای ذخیره گاز هم بسیار محکمتر از تانکهای سوخت بنزینی هستند. طراحی این کپسولها منوط به اجرای شدیدترین آزمونهای ایمنی نظیر حرارت، فشارهای بسیار زیاد، تیراندازی و برخوردهای شدید است.

یک کیلوگرم گاز معادل 33/1لیتر بنزین و 22/1لیتر گازوئیل است.

رانندگی در ارتفاعات

در ارتفاعات، هوا رقیقتر شده و موتور با ترکیب سوخت غنیتری (نسبت بیشتری از سوخت به هوا) کار میکند. به همین خاطر قدرت موتور به دلیل کاهش تنفس موتور و تامین اکسیژن کمتر و همچنین جریان غنیتر و شدیدتر سوخت افت میکند. در این حالت چون موتور گازسوز به علت اینکه گاز در حدود 12درصد حجم ورودی را تشکیل داده و با کاهش چگالی هوا بر اثر رقیقتر شدن آن، حجم سوخت نیز پایین میآید، توان موتور 12 تا 14درصد افت میکند. پس در صورت دوگانهسوز بودن وسیله نقلیه بهتر است در ارتفاعات از سوخت بنزین استفاده شود.

عوامل موثر بر بازده سوخت

مقادیر ارزش حرارتی خالص بنزین، گازوئیل، LPG و CNG به ترتیب 46، 43، 45 و 44 است. تفاوت زیادی بین ارزش حرارتی خالص آنها وجود ندارد اما مقادیر ارزش حرارتی به میزان زیادی به ترکیب سوخت بستگی دارد.

در بسیاری از کشورها CNG دارای بهترین ارزش است. پس از آن گازوئیل، LNG و در نهایت بنزین قرار دارند.

چنانچه یک موتور بنزینی به سوخت CNG تبدیل شده باشد به بالاترین بازده دست پیدا نخواهد کرد چون ضریب تراکم در سطح مورد نیاز برای سوخت بنزین باقی میماند. بنابر این دستیابی به بالاترین راندمان فقط در خودروهای با موتورهای اصلی سوخت LNG امکان پذیر است. عموما احتمال آتش سوزی در شرایط عادی کارکرد، بسیار کم است. به علت سبکتر بودن گاز CNG نسبت به هوا، در فضا پراکنده میشود. اما بخار LPG از هوا سنگینتر است و به تشکیل حوضچه در نزدیکی زمین تمایل دارد. بر حسب قدرت، وسایل نقلیه دو گانه سوز (CNG) در حدود 10تا12درصد قدرت خود را به علت اینکه گاز طبیعی جای اکسیژن در محفظه احتراق موتور را میگیرد، از دست میدهند.

موتور گاز سوز داغتر از بنزین

موتورهای گاز سوز که از عملکرد بنزینی تبدیل به موتور گاز سوز شدهاند دارای اگزوزهایی با درجه حرارت بیشتر هستند. از طرفی در موتورهای بنزینی، بنزین تاثیر خنک کنندهای در سیستم مکش سوخت و سیلندرها دارد. این مساله در مورد گاز اتفاق نمیافتد. باید توجه داشت که یک مخلوط گازی تمایل به احتراق آهستهتری نسبت به بنزین دارد و ممکن است به هنگام عبور و خروج از سوپاپها باز هم در حال سوختن باشد.

کوبش موتورهای گازسوز

کارکرد موتور در شرایط جوی با درجه حرارت بالا، زمانبندی نادرست، احتراق تغییرات آنالیز و ترکیب شیمیایی گاز مهمترین علل کوبش در موتورهای گاز سوز هستند.

بنابراین این گاز طبیعی بادرصد متان بالا، کوبش موتورهای گاز سوز را تا حد زیادی کاهش میدهد.

سوالات عمومی در مورد CNG

این پرسشها توسط مردم در هنگام سوختگیری از پمپ گاز مطرح شدهاند. پاسخ به این پرسشها در جهت هر چه سریعتر شدن روند گازسوز کردن خودروها خالی از لطف نخواهد بود.

فرق گاز طبیعی با CNG چیست؟

CNG همان گاز طبیعی است که ما روزانه آن را در خانه، محل کار خود و یا کارخانجات با فشار پایین استفاده میکنیم. بدیهی است ذخیرهسازی گاز در چنین فشاری به واسطه حجم زیاد مورد نیاز به صرفه نیست. از طرفی به خاطر تراکم آن در صورت استفاده در خودرو، زمانهای تجدید سوختگیری فوقالعاده کوتاه خواهد شد. در صورتی که گاز طبیعی (NG) تا فشار حدود 3600PS تراکم شود، ما CNG خواهیم داشت.

آیا به هنگام استفاده از CNG، بوی گاز درون خودرو میپیچد؟

خوردوهای CNG سوز نظیر خودروهای بنزین سوز بدون بو هستند. در صورتی که در خودروهای CNG سوز بوی گاز احساس کردید، سریعا باید مدار سوخترسانی را از نظر نشست احتمالی مورد بازرسی قرار دهید.

تبدیل خودرو به CNGسوز چگونه تمام میشود؟

باک مخصوصی در صندوق عقب خودرو شما نصب میشود و مداراتی که بتواند گاز را در جهت احتراق به سمت موتورها هدایت کند، به آن مرتبط میشود.

در صورتی که ذخیره CNG در خودرو تمام شود، میتوان هنوز از بنزین استفاده کرد؟

بله، زمانی که شما خودروی مورد نظرتان را برای استفاده از CNG تبدیل میکنید، هنوز کاربراتور، باک بنزین و مدار سوخترسانی جهت بنزین را روی خودرویتان دارید. بنابراین به سادگی با زدن یک کلید روی داشبورد، میتوانید مسیر بنزین، به سمت موتور را برقرار کنید، اما به هر حال استفاده از CNG برای شما ارزانتر خواهد بود.

آیا لازم است که هر چند وقت یک بار حتی در صورت عدم نیاز اجباری از بنزین استفاده شود؟

بله این مساله، یعنی استفاده هر چند وقت یک بار از بنزین باعث روانکاری مکانیزم کاربراتور و آمادگی بهتر سیستم سوخترسانی بنزین در واقع لازم خواهد شد.

نصب کیت مخصوص و تبدیل خودرو به CNGسوز چقدر زمان میبرد؟

انجام این تبدیل 4 یا 5 ساعت بیشتر وقت نمیگیرد، اما افزایش روزافزون تقاضا برای انجام این تغییرات میتواند به واسطه ازدحام باعث طولانیتر شدن زمان انتظار مشتری شود.

با یک باک پر CNG، به طور معمول 10 تا 15لیتر بنزین، گاز طبیعی را در خود ذخیره میکند. بدیهی است اگر میزان مصرف خودرویتان را با واحد Km/Litr در این عدد ضرب کنید، میزان مسافت پیمودن با یک باک پر از CNG به دست میآید. برای مثال برای یک خودرو متوسط با حجم سیلندر 1300 سیسی این مسافت چیزی در حدود 155کیلومتر خواهد بود در صورت نیاز با افزودن تعداد باک میتوان این مسافت را افزایش داد.

آیا استفاده از گاز طبیعی فشرده در خودرو ایمن است؟

بله CNG به خاطر سه ویژگی مهم از سوختهای بنزین، گازوئیل و LPG ایمنتر است. اول آنکه وزن مخصوص CNG برابر 587/0 است این به آن معنا است که این گاز از هوا نیز سبکتر است. بنابراین در صورتی که نشست کند، در جو، صعود کرده و محو میشود. دوم اینکه درجه حرارت خوداشتغالی CNG برابر 700درجه سانتیگراد است، در حالی که درجه حرارت خوداشتغالی بنزین 455درجه سانتیگراد است. سومین مورد، این که باکهای ذخیره CNG از فولادهای آلیاژی خاص و با رعایت بالاترین سطوح ایمنی ساخته میشوند که بسیار محکمتر و ایمنتر از باکهای بنزین خودروها هستند.

آیا باک ذخیره CNG در خودرو با چنین فشار بالای گاز درون آن ایمن است؟

بله، باکهای ذخیره CNG از فولادهای آلیاژی خاص و به صورت کاملا یکپارچه ساخته میشوند. هیچ نوع جوشی در ساخت این باک به کار نرفته و باک براساس استانداردهای معتبر بینالمللی قبل از نصب مورد تست قرار میگیرد. بهعلاوه این باکها به دیسکهای پارهشونده ضدانفجار (Burst disc) مجهز هستند که در صورت افزایش بیش از حد فشار یا به هنگام آتشسوزی این دیسکها پاره شده و فشار مخزن به شدت افت کرده و بخش اعظم گاز خارج میشود.

آیا وجود باک ذخیره پرفشار گاز در خودرو حتی به هنگام تصادفهای شدید نیز ایمن است؟

CNG سالها است که در کشورهایی چون نیوزیلند، ایتالیا، آرژانتین و آمریکا به عنوان سوخت خودروها مورد استفاده قرار میگیرد و تمام این کشورها آن را ایمنتر از بنزین شناخته و اعلام کردهاند.

آیا استفاده از CNG برای موتور خودرو ضرری نداشته و به آن آسیب نمیزند؟

خیر به هیچ عنوان بالعکس عمر برخی از قطعات موتور در صورت استفاده CNG افزایش خواهد یافت. به عنوان مثال عمر مفید روغن موتور تا حد زیادی افزایش مییابد، چرا که CNG باعث آلودگی یا رقیق شدن روغن موتور نمیشود. از طرفی چون هیچگونه سربی به همراه این سوخت نیست رسوبات سخت سرب روی شمعها ایجاد نشده و عمر مفید شمعها نیز تا حد چشمگیری افزایش مییابد. همچنین از آنجا که CNG سوختی گازی است، هیچ کربنی به عنوان محصول احتراق تشکیل نشده و سطح داخلی موتور تمیز باقی میماند.

چرا دود و دمه خروجی از اگزوز خودروهای CNG سوز کم و محدود است؟

زیرا CNG در عمل سوختی پاک و تا حد بسیار زیادی عاری از آلایندههای زیست محیطی است از انجام که عمده ترکیب اصلی گاز طبیعی را متان تشکیل میدهد خروجی اگزوز خودروهای CNG سوز شامل بخار آب و جز کوچکی مونوکسید کربن است.

با توجه به اینکه کربن یا ذرات دیگری در خروجی اگزوز وجود ندارد دود خروجی از اگزوز بسیار جزئی و قابل اغماض است. به دلایل فوق خودروهای CNG سوز به راحتی و بدون به کارگیری هر نوع تجهیزات جانبی و خارجی (نظیر مبدلهای کاتالیستی در خودروهای بنزینی سوز)ف قادر خواهند بود برآورده کننده کلیه الزامات مشخص شده در استانداردهای زیست محیطی باشند.

عملکرد و کارایی CNG در مقایسه با بنزین در یک خودروی تبدیل شده به دوگانهسوز چگونه است؟

هنگام استفاده از CNG شتاب حرکت خودرو در مقایسه با بنزین اندکی کمتر خواهد بود که این مساله به واسط افت 5 تا 15درصدی قدرت موتور به هنگام استفاده از CNG است. شایان ذکر است این میزان افت توان موتور را میتوان با تنظیم کیت CNG به حداقل رساند و در شرایط معمول رانندگی در شهر این میزان افت قدرت، محسوس نخواهد بود.

آیا تجهیزات و سیستم سوخترسانی CNG نصب شده روی خودرو نیاز به تعمیر یا سرویس خاصی دارد؟

به طور کلی این سیستم سوخترسانی سیستم پیچیدهای نیست و به راحتی میتواند سالها بدون اشکال کار کند اما برای آنکه همواره در شرایط حداکثر کارایی خود قرار داشته باشد بازدید دورهای تجهیزات مربوط به آن بعد از هر یکهزار کیلومتر کارکرد پیشنهاد میشود که ترجیحا میباید نزد همان تکنسین مجازی که خودرو را گازسوز کرده انجام شود.

آیا خودروهای دیزل را نیز میتوان CNG سوز کرد؟

بله میتوان خودروهای دیزل را هم به CNG سوز هم به دوگانهسوز (Dual Fuel) برای مصرف CNG و گازوئیل تبدیل کرد.

با وجود مزایای بسیار استفاده از CNG چرا کشورهای توسعه یافته از آن استفاده نمیکنند؟

بد نیست بدانیم که CNG در سطح جهان سوخت جدیدی نیست و خودروها از دهه 1920 میلادی تاکنون از این سوخت استفاده کردهاند. در حال حاضر ایتالیا 240 جایگاه عرضه CNG، بیش از 300هزار خودروی CNG سوز دارد. در نیوزیلند نیز حدود 250هزار خودرو در سالهای اخیر CNG سوز شدهاند و حدود 250 جایگاه، عرضه CNG در این کشور را بر عهده دارند. آرژانتین نیز در چند ساله اخیر برنامهریزی گستردهای را برای استفاده CNG طرحریزی کرده و در حال حاضر 700هزار خودروی CNG سوز دارد. سومین مورد اینکه باکهای ذخیره CNG از فولادهای آلیاژی خاص و با رعایت بالاترین سطح ایمنی ساخته میشوند که بسیار مستحکمتر و امنتر از پلاکهای بنزین خودروها هستند .

آلودگی هوا

تعدادی از اکسیدها که به مقادیر مختلف در هوا وجود دارند ، به محیط زیست زیان می رسانند . تمدن امروز مواد بیگانه ای را به میزان روز افزون وارد جو می کنند . مواد زیان بخش زاید به ترتیب مقدار عبارتند از :

مونواکسید کربن

کربن مونوکسید، (با فرمول شیمیایی CO)، گازی است که بر اثر ناقص سوختن کربن بوجود میآید. این گاز بسیار سمی است اما رنگ و بوی خاصی ندارد.

تمامی وسایل و دستگاههایی که وظبفه سوزاندن چیزی را دارند (مانند یک بخاری گازی یا نفتی، یک آبگرمکن و یا حتی موتور یک خودرو) تا حدودی مونواکسیدکربن تولید میکنند، میزان این تولید به شرایط احتراق (سوختن) بستگی دارد؛ هرچه میزان اکسیژن در هنگام سوختن کمتر باشد بخش بیشتری از کربنها دچار ناقص سوزی میشوند و به جای کربن دیاکسید (CO_۲) مونواکسیدکربن تولید میکنند.

افرادی که در یک فضای سربسته در معرض استنشاق این گاز قرار میگیرند ابتدا احساس کرختی و خواب آلودگی میکنند و در صورتی که هرچه سریعتر مکان را ترک نکنند و یا هوای تازه تنفس نکنند دچار بیهوشی و در نهایت خفگی میشوند.

برای دوری از خطرات همین گاز است که مدام توصیه میشود برای بخاریهای گازی منازل حتماً از دودکشهای کلاهک دار استفاده شود.

دی اکسید گوگرد

گوگرد دیاکسید یک ترکیب شیمیایی به شکل گاز در دمای اتاق با فرمول SO₂ میباشد. این ماده توسط آتشفشانها و بسیاری از فعالیتهای صنعتی تولید می شود. سوختن نفت و ذغال سنگ به علت وجود ترکیبات گوگردی در آنها با تولید این گاز همراه است. معمولاً کاتالیزگرهایی چون NO₂ در جو باعث واکنش این گاز با بخار آب موجود در هوا و تشکیل اسید سولفوریک می شود. این گاز بی رنگ سمی دارای جرم مولی ۶۴٫۰۷ گرم بر مول، چگالی ۲٫۵۵۱ گرم بر لیتر، نقطهٔ ذوب ۷۵٫۵- درجهٔ سانتی گراد و نقطهٔ جوش ۱۰٫۰- درجهٔ سانتی گراد است و اشتعال زا نیست.

مونو اکسید نیتروژن

مونوکسید دی نیتروژن یا نیتروز اکساید یا گاز خنده (N2O) یکی از ترکیبات نیتروژن میباشد که اولین بار در سال ۱۷۹۹ در دندانپزشکی استفاده شد. امروزه از آن در پزشکی برای القاء و ادامه بیهوشیمصرف میشود. این دارو همچنین بامقادیر مصرف کم بهعنوان ضد درد دراعمال جراحی زنان و زایمان و برای اعمالجراحی که در آنها به بیهوشی کامل بیمار نیاز نیست، مصرف میشود.

نیتروژن اکسید (N_۲O) گازی بی رنگ، بی بو و غیر قابل اشتعال است. N_۲O سمی نیست اما خنده آور است.

هیدروکربن ها

گرچه استانداردهای ملی کیفیت هوا اصولاً در سال 1971 برای هیدروکربنهای غیرمتانی تصویب شد، اما تا سال 1983 که بازنگری گستردهای روی آن انجام گرفت، عملاً مورد استفاده قرار نگرفت. هیدروکربنها همراه با اکسیدهای نیتروژن در حضور نور آفتاب موجب تشکیل اکسیدانهای فتوشیمیایی، از جمله ازون میشوند که اثرات مخربی روی سلامت انسان و روی گیاهان دارند. بدین دلیل اعتقاد بر این بود که تدوین استاندارد برای ازون مناسبتر از استاندارد برای هیدروکربنهاست.

مطالعات انجام شده بر روی تاثیر بسیاری از هیدروکربنهای گازی با غلظتهای موجود در آتمسفر اثر تخریبی و مستقیم آنها را بر سلامت انسان ثابت نمیکند. بررسیها در مورد سرطانزایی گروههای هیدروکربنه معین نشان میدهد که برخی سرطانها به علت مجاورت با هیدروکربنهای آروماتیک موجود در دوده و قیر، ظاهر شدهاند. برخی ذرات سرطانزا، از جمله هیدروکربنهای آروماتیک چند هستهای در هوای آزاد قابل تشخیص هستند.

گروه گسترده هیدروکربنهای گازی اغلب از نظر خورندگی اثر قابل سنجشی روی مواد باقی نمیگذارند. از بین تمام هیدروکربنها، تنها اتیلن در غلظتهای شناخته شده در هوای تنفسی، اثرات نامطلوبی روی گیاهان دارد. اثر اصلی اتیلن، بازدارندگی در رشد گیاهان است. اتیلن با غلظتهای ppm ٠.٠٠١ تا ٠.۵ سببتحریک گیاهان حساس از جمله افتادگی گلها و عدم بازشدن درست برگها میشود. ایجاد صدمه به گلهای ارکیده و پنبه به اثبات رسیده است.

با وجود آنکه در حال حاضر هیدروکربنها در یک گروه کلی از آلایندهها جزء فهرست آلایندههای اصلی قرار نگرفته اند ، تعداد زیادی از ترکیبات هیدروکربنه خاص در بین 189 آلاینده خطرناکی هستند که تحت نام تبصره مواد سمی هوا در قانون هوای پاک مصوب 1990 قرار دارند.

هیدروکربن های هالوژن دار

هیدروکربنهای دارای کلرفلوئر برم و ید(هالوژنها) باهیدروکربنهای نفتی تفاوت دارند چراکه اکثر انها براحتی طی اکسیداسیون شیمیایی یا فعالیت باکتریایی تجزیه نمی گردند.

هیدروکربنهای دارای کلرفلوئر برم و ید(هالوژنها) باهیدروکربنهای نفتی تفاوت دارند چراکه اکثر انها براحتی طی اکسیداسیون شیمیایی یا فعالیت باکتریایی تجزیه نمی گردند.مشابه فلزات الاینده های پایدار بوده واضافات دائمی در محیط زیست دریایی هستند.برخلاف فلزات بیشتر انها ساخته دست انسان بوده وبصودژرت طبیعی وجود ندارندو درضمن در رسوبات وبدن جانوران مجتمع میشوند.اکثریت بزرگی از انها حاوی کلر هستند وتحت عنوان هیدروکربنهای کلردارشناخته می شوند.

ذرات ریز معلق

يك مطالعه جديد نشان ميدهد استنشاقذرات ريز فلزات موجود در آلايندههاي هوا احتمال ابتلا به سرطان ريه را افزايش ميدهد. محققان با بررسي موارد سرطان ريه در تگزاس ارتباطي را بين فلزات موجود در ذرات ريز معلق در هوا و ميزان ابتلا به سرطان ريه "آدنوكارسينوما" يافتند. اين نوع سرطان اغلب زنان غيرسيگاري را مبتلا ميكند. دكتر ايوون كويل استاديار طب داخلي در مركز پزشكي "يوتيساوت وسترن" در دالاس ميگويد اين تحقيق به روشن شدن علت بروز سرطان ريه در زنان به ويژه زنان غيرسيگاري كمك ميكند.
كويل و همكارانش از سال u202a ۱۹۹۵u202cتا u202a ۲۰۰۰u202cبيش از u202a ۸۰u202cهزار مورد سرطان ريه را در u202a ۲۵۴u202cمنطقه تگزاس شناسايي كردند و نتايج را با اطلاعات آلودگي هواي صنعتي كه طي سالهاي u202a ۱۹۸۸u202cتا u202a ۲۰۰۰u202cبه سازمان حفاظت محيط زيست آمريكا گزارش شده بود مقايسه كردند.
اين مقايسه نشان داد ميزان بروز سرطان در مناطقي كه بيشترين آلودگي را دارد شايعتر است و در مناطقي كه آلودگي كمتر است ميزان سرطان نيز پايينتر است.
ذرات معلق در هوا كه از ذرات بسيار كوچك گرد و غبار و آب تشكيل شده است در اثر سوزاندن سوختهاي فسيلي كه معمولا با فرايندهاي صنعتي يا خودروها ارتباط دارد وارد جو زمين ميشود.
كوچكترين اين ذرات u202a PM 2.5u202cنام دارد و حاوي فلزات سنگين است. ضخامت اين ذره دو و نيم ميكرومتر است كه u202a ۱۰۰u202cبار از موي انسان نازكتر است. تحقيقات قبلي نشان داده است اين ماده در بروز سرطان ريه نقش دارد.
سازمان حفاظت محيط زيست اين ماده را يكي از شش آلاينده در قانون هواي پاك قرار داده است و حد مجازي براي آن تعيين كرده كه هر پنج سال يكبار اين سازمان استانداردها را به روز ميكند.

مقدمه

واژه نانوفیلتراسیون تا اواسط نیمه دوم دهه 80 هنوز به طور مشخص مورد استفاده قرار نگرفته بود. در حقیقت این غشاها از اوایل دهه 60 وجود داشتند و با عناوین غشاهای اسمز معکوس آزاد(Loose Reverse Osmosis)، اسمز معکوس باز(Open Reverse Osmosis)، حد واسط غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون،غشاهای اسمز معکوس انتخابی(Selective Reverse Omosis) و یا غشاهای اولترافیلتراسیون فشرده(Tight Ultrafiltration) مورد استفاده قرار می گرفت. بنابراین تولید نانوغشاها با تولید غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون همزمان بوده و به اواخر دهه 50 تا اول دهه 1960 برمی گردد. طی مدت زمان نزدیک به 15 سال، به موجب توسعه و پیشرفت فناوری در زمینه غشاهای اسمز معکوس و اولترافلتراسیون و کشف پتانسیل های بالقوه کاربرد فرایندهای غشایی در صنایع مختلف، منجر به ایجاد غشاهای جدید از نوع نانو شد.

تعریف نانوفیلتراسیون

به طور معمول جداسازی نمک های تک ظرفیتی، دو ظرفیتی و حل شده های غیریونی با وزن مولکولی کمتر از 2000 گرم بر مول، عامل اصلی در انتخاب غشاهای جدید با خواص و ویژگی های فی مابین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد. محدوده ویژگی ها و مشخصات فرایند جداسازی غشاهایی که از طریق این تعریف پوشش داده می شود به تازگی به عنوان غشاهای نانو مطرح شده است.

این فرایند در سال های 1980 نیز تحت عنوان هیپرفیلتراسیون (Hyperfiltration) از آن نام برده شده و همیشه همراه با فرایند اسمز معکوس و مشابه آن معرفی شده است. امروزه نانوفیلتراسیون به صورت یک فرایند به طور کامل مجزا با خواص کاربردی ویژه به کار گرفته می شود و با دو فرآیند اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون اختلاف های اساسی دارد. به عبارتی غشاهای به کار رفته در فرایند نانوفیلتراسیون دارای ساختار متخلخل از نوع میکرو با قطر روزنه های کمتر از 2 نانومتر بوده و از مواد پلیمری، که در بیشتر حالت ها دارای بار یونی می باشند، ساخته شده اند.

شهرت تجاری نانوفیلتراسیون از اوایل سال های 1980 آغاز شده و در سال 1988 اولین نانوغشاها از جنس مواد سرامیکی به صورتتجاری و کاربردی مورد استفاده قرار گرفت. بعدها نانوغشاهایی از جنس مواد پلیمری آلی جهت کاربردهای خاص به بازار عرضه شد.

در حال حاضر غشاهای نانو در بخش های مختلف صنایعی چون بیوتکنولوژی، صنایع غذایی و کشاورزی، تولید آب آشامیدنی و حفاظت محیط زیست به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، می توان به جداسازی مواد معدنی از لاکتوز در صنایع شیر، بازیابی و استفاده مجدد از آب مصرفی در پساب های رنگی و تصفیه آب شرب در یک مقیاس بزرگ اشاره کرد.

کاربردهای ممکن فرایند نانوفیلتراسیون در صنایع مختلف

غذایی:

- نمک زدایی از محلول پنیر
- نمک زدایی از محلول شکر
- بازیابی مواد غذایی در فرایند تخمیر
- تصفیه پساب
- خالص سازی اسیدهای آلی

نساجی، چرم و کاغذ:

- جداسازی اسیدهای آمینه
- بازیابی رنگینه ها از پساب
- بازیابی آب و نمک از پساب
- بازیابی مواد آهاری از پساب آهارگیری
- بازیابی و استفاده مجدد از یون های کروم
- تصفیه پساب

شیمیایی:

- بازیابی محلول سفیدگری
- حذف گاز دی اکسیدکربن در فرایند گازی
- تهیه برومید
- بازیابی قلیا در فرایند تولید سلولز و ویسکوز
- رسوب سولفات کلسیم

الکترونیک و آّبکاری:

- جداسازی فلزات سنگین از محلول اسیدها
- حذف سولفات های فلزی از پساب
- حذف نیکل

تولید آب:

- بازیابی هیدروکسید لیتیم در تصفیه پساب باتری سازی
- حذف مواد روغنی از آب
- حذف سختی از آب
- حذف مواد آلی طبیعی
- حذف سموم دفع آفات از آب
- حذف فلزات سنگین، آهن، مس، روی و سیلیکا
- تصفیه آب های شور

کشاورزی:

- حذف فسفات، سولفات، نیترات و فلوراید
- حذف سلنیوم از آب زهکشی

ویژگی ها و مشخصات اصلی و اساسی فرایند نانوفیلتراسیون عبارتند از:

- جرم مولکولی ذرات و مولکول های احتباس شده توسط این غشا بین 200 تا 2000 گرم بر مول (دالتون) قرار می گیرد.

- میزان احتباس ذرات باردار تابع بار یونی آن ها می باشد نه جرم مولکولی آن ها

- محدوده فشار اعمال شده در این فرایند در مقایسه با فرایند اسمز معکوس کمتر و بالعکس دبی جریان عبوری از غشا به مراتب بیشتر از دبی به دست آمده از فرایند اسمز معکوس در یک فشار ثابت می باشد.

- دبی جریان خروجی و عبوری از غشاهای نانو براساس آنالیز تئوری های دو پدیده نفوذ و جابجایی قابل توصیف است.

به دلیل استفاده از پلیمرهای یونی در ساخت غشاهای نانو، احتباس ذرات یونی از مکانیزم اثر دافعه دونان (Doan Exclusion) تبعیت می کند. بررسی جزییات مکانیزم های انتقال مواد در غشا نشان می دهد که این نوع مکانیزم از ویژگی های خاص غشاهای نانو در مقایسه با دو نوع غشای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد.

در نانوغشاها یک انتخاب در احتباس بین یون های تک ظرفیتی و دوظرفیتی وجود دارد. به عبارت دیگر توسط فرایند نانوفیلتراسیون امکان جداسازی یون های یک ظرفیتی از دوظرفیتی وجود دارد. در حالی که علی رغم احتباس خیلی زیاد فرایند اسمز معکوس، این نوع جداسازی به وسیله غشاهای اسمز معکوس وجود ندارد.

همچنین در غشاهای نوع نانو اختلاف بسیار مهمی در نفوذپذیری بین دو ذره ای که از نظر جرم مولکولی یکسان ولیکن دارای بارهای یونی مخالف (مثل یک ذره یونی مثبت یا منفی، و یک ذره خنثی) هستند، وجود دارد. در حالی که چنین اختلافی در دو نوع غشای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون دیده نمی شود.

ساختار نانوغشاها

غشاهای استفاده شده در فرآیند نانوفیلتراسیون، برحسب ماهیت آلی یا معدنی، از پلیمرها و یا اکسیدهای فلزی ساخته شده اند و دارای یک ساختار اسیمتریک هستند. یک نانوغشا از سه لایه، که هر یک نقش ویژه ای دارد تشکیل شده است:

- یک لایه اولیه با قطر روزنه های بزرگتر از 50 نانومتر به منظور دادن مقاومت مکانیکی خوب به غشا و امکان کسب دبی جریان عبوری بالا.

- یک یا چندین لایه میانی با قطر منافذ بین 2 و 50 نانومتر که ارتباط بین لایه حفاظتی و لایه فعال را مطمئن می سازد.

- یک لایه فعال که توسط آن عمل جداسازی توسط فرآیند نانوفیلتراسیون انجام می شود. ضخامت این لایه به نسبت کم بوده و اغلب در حدود کمتر از میکرون با قطر روزنه های در مقیاس نانومتر می باشد. توزیع اندازه این روزنه ها خیلی باریک می باشد. این لایه ضمن داشتن دبی جریان عبوری بالا، دارای ویژگی خاص در انتخاب فرآیند جداسازی بین ذرات یونی و غیریونی، که جرم مولکولی آن ها کمتر از 2000 گرم بر مول است، می باشد.

فراتر از این ساختار عمومی و کلی، غشاهای نانو از خصوصیت های فیزیکی و شیمیایی ویژه ای در ارتباط با ماهیت آلی یا معدنی خود برخوردار هستند.

مشخصه های غشاهای پلیمری آلی


غشاهای نانو ساخته شده از مواد پلیمری آلی، مشابه غشاهای اسمز معکوس، دارای یک ساختار کمپوزیت بوده که طی یک فرآیند دو مرحله ای به شرح زیر ساخته می شوند:

- ابتدا یک لایه پلیمری متخلخل با قطر روزنه های بزرگتر از 50 نانومتر به ضخامت بین 40 تا 100 میکرومتر به صورت لایه میانی روی یک منسوج بافته شده یا بی بافت قرار می گیرد.

- سپس یک لایه فعال با ضخامت کم، بین 0.3 تا 3 میکرومتر توسط فرآیندهایی چون پلیمریزاسیون روی لایه قبلی ایجاد می شود. این لایه فعال خواص انتقال و انتخاب در جداسازی را برای نانوغشا ایجاد می کند.

لایه میانی آن ایزوتروپ (Anisotrope)بوده که اغلب بر پایه پلی سولفون می باشد. این لایه دارای نفوذپذیری بسیار بالایی است. بعضی از غشاها ممکن است دارای چندین لایه میانی باشند.
لایه فعال باید علاوه بر داشتن احتباس ویژه در فرآیند جداسازی، از مقاومت مکانیکی و شیمیایی خوبی برخوردار باشد. به عنوان مثال بعضی از لایه های فعال از طریق پلیمریزاسیون بین سطحی توسط ترکیبات آروماتیک سه عاملی روی لایه میانی ایجاد می شوند.

در دیدگاه اول، توانایی جداسازی لایه فعال، تحت اثر یک سد فیزیکی ایجاد شده توسط غشا، در نظر گرفته می شود که عبور از این غشا تابع اندازه مولکولی ذرات است. به عبارت دیگر ذراتی که دارای قطر کمتر از قطر روزنه های لایه فعال هستند می توانند از این لایه عبور کرده و در نتیجه ذرات بزرگ تر احتباس می شوند.

توانایی جداسازی نانوغشا با اثر بار یونی که ناشی از ماهیت شیمیایی پلیمرهایی که در ساخت این لایه فعال استفاده می شوند ارتباط دارد. در حقیقت در بین مواد سازنده ای که تشکیل دهنده لایه فعال غشاهای نانو می باشند، گروههای فعال چون آمید، کربوکسیل و حتی سولفون وجود دارد. این گروهها ممکن است یا به طور دائم و یا تابع محلولی که در تماس با این غشا خواهد بود، به صورت یونی باردار شوند.

مشخصه های غشاهای معدنی

نانوغشاهای معدنی یا سرامیکی دارای یک ساختاری مشابه غشاهای معدنی از نوع میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون هستند. تنها اختلاف آن ها در لایه نهایی است. این لایه در نانوغشاهای معدنی دارای ساختار متخلخل با اندازه حفره های میکرو یعنی قطر منافذ کمتر از 2 نانومتر می باشد.

از نظر اصول اولیه، ساختار چند لایه ای غشاهای سرامیکی مشابه ساختار نانوغشاهای پلیمری است. به طور عمومی این لایه های فعال در نانوغشاهای معدنی توسط فرآیند سل-ژل به دست می آیند.

فرآیند سل-ژل یکی از فرآیندهای شیمیایی است که در دمای پایین برای تولید اشیاء، فیلم ها، فیبرها، ذرات یا کمپوزیت ها مناسب می باشد که می توانند بعد از یک مرحله فرآیند تکمیلی به صورت تجاری مصرف شوند. به وسیله فرآیند سل-ژل می توان ساختار میکرو محصولات را در محدوده 1 تا 100 نانومتر که ساختاری در مرتبه مولکولی می باشد به دست آورد. این مواد اغلب مشخصه های فیزیکی و شیمیایی یکنواختی دارند. سل ها ذرات کلوئیدی پراکنده در محلول به ابعاد 100-1 نانومتر هستند که به علت کوچکی بیش از حد به وسیله حرکت براونی در محلول به حالت معلق باقی می مانند. ژل ها نیز از یک شبکه جامد و به هم پیوسته با منافذی به ابعاد زیر میکرومتر و زنجیرها پلیمری می باشند که طول متوسط آن ها بزرگتر از یک میکرومتر است. در حقیقت فرآیند سل-ژل سنتز شبکه معدنی توسط واکنش های شیمیایی در محلول و در دمای پایین است که به دلیل تشکیل شبکه بی شکل (در مراحل اولیه) در مقابل فرآیند کریستاله شدن در محلول قرار دارد.

در این فرآیند برای تهیه نانوغشا اغلب از اکسیدهای فلزی، که از محلول فلزات آلی یا نمک های معدنی حاصل می شود، استفاده می گردد. سپس لایه های نازک با تخلخل قابل کنترل توسط نانوذرات اکسیدهای مواد معدنی با قطر کمتر از 10 نانومتر تشکیل می شود.

یکی از ویژگی های مهم اکسیدهای معدنی یاد شده، خاصیت آمفوتر بودن آن ها می
باشد،همچنین پدیده هیدراسیون در سطح غشا و روی دیواره حفره های غشا انجام می شود. پدیده هیدراسیون علت تشکیل بارهای الکتریکی در سطح شده که تابعی از محتویات محلولی است که با غشا در تماس می باشد.

برای هر اکسید یک محدوده pH وجود دارد که در آن بارهای مثبت و منفی سطح غشا با هم برابر است و در مجموع سطح از نظر بار الکتریکی خنثی است. این نقطه از pH را در اصطلاح نقطه بار صفر گویند. این محدوده pH به نوع اکسید و همچنین درجه حرارتی که هنگام ساخت غشا به مواد وارد شده است، بستگی دارد. شناخت این محدوده pH برای اکسیدهای فلزی یک پارامتر مهم محسوب می شود و در واقع این پارامتر رفتار نانوغشاهای سرامیکی را در مقابل محلول نشان می دهد. هنگامی که اکسید فلزی در تماس با محلول های یونی قرار می گیرد، یون های با بار مخالف لایه فعال غشا جذب سطح شده و تولید یک لایه ثانویه می کند. این لایه را لایه استرن (Ste layer) گویند. در محدوده ای از pH برآیند بارهای الکتریکی موجود در سطح پس از جذب یون های مخالف و تشکیل لایه ثانویه تولید یک سطح در مجموع خنثی می کند. این نقطه pH را نقطه ایزوالکتریک می گویند. پایین تر از نقطه pH ایزوالکتریک، سطح در مجموع به صورت مثبت و بالاتر از آن به صورت منفی باردار خواهد بود. از نظر علمی برای توصیف رفتار غشاها در تماس با محلول های واقعی، نقطه ایزوالکتریک ارجحیت بیشتری نسبت به نقطه بار صفر دارد.

منبع :http://forum.p30world.com/showthread.php?t=448334