موضوع:کاربرد نانو در فرآوری معدنی
فهرست مطالب
نانو چیست؟
تاریخچه نانو
ورود علم نانو در ایران
کاربرد فناوری نانو در فرآوری مواد معدنی
آسیاب گلوله ای
خردایش
2
نانو چیست؟
"Nano" کلمه ای یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقدار یک میلیاردیم تعریف شده است. چون یک اتم تقریبا 10 نانومتر است این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکاربرده میشود. فناوری نانو خود به تنهایی علم نیست بلکه با استفاده از آن می توان به کاربردی کردن علوم مختلف کمک کرد.
به عنوان مثال با استفاده از علم "نانو" می توان یک سطح ساخته شده از مولکولهای آب گریز داشته باشیم و این سطح خودش را تمیز می کند چون آب با سطح برخورد نمی کند و آلودگی را از خودش دور می کند.
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده ای را پوشش می دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی – عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک – از خود نشان می دهند.
نانوفناوری یک دانش به شدت میان رشته ای است و به رشته هایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می شود.
3
تاریخچه نانو
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. در حقیقت تاریخ فناوری نانو به دوران ماقبل تاریخ و زمانی که بشر اولیه از نانومواد طبیعی استفاده می کرد، برمی گردد. آموختیم که اولین مهندس فناوری نانو در حقیقت خود طبیعت بوده است. چنانچه به طور مثال مولکول های کربن در مقیاس نانومتری در حفرات دیواره غارها قرار گرفته که نتیجه آن باقی ماندن آنها برای هزاران سال است. در دوران صنعتی و پسا صنعتی و در صنایع برقی نیز کوچک سازی اجسام، مقوله جدیدی نبوده است. هزاران سال قبل و در خاور دور، کوچک بودن، ارزش و بهای ویژه ای داشته است. چنانچه در متون ادبی کلاسیک ژاپن در قرن دهم از کوچکی به عنوان زیبایی یاد شده است.
در آثار باستانی دوران مختلف تاریخی همچون قرون وسطا نیز اثری از مواد نانوساختار دیده شده است. شاید شیشه گران قرون وسطا را بتوان اولین فناوران نانو دانست. مطالعات نشان داده است که در شیشه های بسیار زیبای کلیساها در آن دوران از نانوذرات طلا استفاده شده است. البته این شیشه گران نمی دانستند که چرا با اضافه کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می کند.
4
تاریخچه نانو
ریچارد فاینمن متخصص کوانتوم نظری در سال 1959 مقاله ای تحت عنوان فعالیتهای نانو در آینده منتشر ساخت و بعنوان پایه گذار این علم شناخته شد. او بعدها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد. فاینمن در 29 دسامبر 1959 در مهمانی شامی که توسط انجمن فیزیک آمریکا ترتیب داده شده بود سخنرانی کرد و این فناوری نانو را برای عموم آشکار ساخت.فاینمن طی سخنرانی خود گفت می توان تمام دائره المعارف بریتانیکا را روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن به اندازه یک بیست و پنج هزارم ابعاد واقعیش کوچک شود. او همچنین از دوتایی کردن اتم ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کامپیوترهای امروزی بود اما او امیدوار بود که بتوان کامپیوترهای بسیار کوچکتر از کامپیوترهای کنونی ساخت.
در سال 1974 برای نخستین بار واژه فناوری نانو توسط نوریو تانیگوچی بر زبان ها جاری شد. در سال 1981 نیز IBM دستگاهی اختراع کرد که به کمک آن می شود اتم ها را تک تک جا به جا کرد. در سال 1991 نانو لوله های کربنی کشف شد. در سال 1997 نخستین نانو ترانزیستور ساخته شد و در سال 2000 نخستین موتور DNA ساخته شد.در 2002 شلوارهای ضدلک به بازار آمد و در 2003 نمونه های آزمایشگاهی نانوسلول های خورشیدی تولید شد. تحقیق و توسعه برای پیشرفت در عرصه فناوری نانو ادامه دارد.
5
ورود علم نانو در ایران
ایران از ابتدای سال 80 با فناوری نانو همراه شد البته تا سال 82 فعالیت در این حوزه بیشتر از طریق دفتر همکاریهای فناوری ریاست جمهوری بوده است و وزارتخانه های علوم، صنایع، جهاد کشاورزی و بهداشت کمیته هایی را برای مطالعه در مورد نانو تاسیس کردند. ولی با توجه به اولویت این فناوری برای دولتمردان در شهریور 82 رئیس جمهور وقت دستور تشکیل یک گروه ویژه را برای مدیریت کلان نانو به نام "ستاد ویژه توسعه فناوری نانو" صادر کرد که این ستاد متشکل از 6 وزارتخانه، 5 نفر از متخصصین و معاون اول رئیس جمهور به عنوان رئیس ستاد فعالیت خود را آغاز کرد.
6
کاربرد فناوری نانو در فرآوری مواد معدنی
در فرآوری مواد معدنی فناوری نانو به ۳ زیر شاخه تقسیم می شود:
بالا به پایین
پایین به بالا (روش های ساخت)
نانو محاسبات (روش های مدل سازی و شبیه سازی)
هر کدام از این زیرشاخه ها نیز به دسته های گوناگون دیگری تقسیم می شوند.
کاهش اندازه میکروساختاری مواد موجود می تواند تاثیرات بزرگی را به وجود آورد.
7
کاهش اندازه میکرو ساختاری مواد موجود می تواند تاثیرات بزرگی را به وجود آورد. مثلاً همان طور که اندازه دانه یا کریستال در یک فلز به سمت نانو مقیاس حرکت می کند، نسبت اتم های موجود بر روی مرزهای دانه های این جسم جامد افزایش پیدا می کند و آنها رفتاری کاملاً متفاوت از اتم هایی که روی مرز نیستند بروز می دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثیر قرار دادن رفتار ماده می کنند و در نتیجه در فلزات، افزایش استحکام، سختی، مقاومت الکتریکی، ظرفیت حرارتی ویژه، بهبود انبساط حرارتی و خواص مغناطیسی و کاهش رسانایی حرارتی دیده می شود.
در اختلاط شدید از انواع همزن های دور بالا، همگن سازها، آسیاب های کلوییدی و غیره می توان برای تهیه قطرات ریز یک مایع در مایع دیگر (نانو کپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحی (خودآرایی) نقش کلیدی در ایجاد و پایداری این نانو امولسیون ها دارد.
8
کاربرد فناوری نانو در فرآوری مواد معدنی
9
آسیاب گلوله ای
در روش استفاده از آسیاب گلوله ای، از آسیاب یا پودرکردن می توان برای ایجاد نانو ذرات استفاده کرد.
خواص نانو ذرات حاصل شده تحت تاثیر نوع ماده آسیاب کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می گیرد.
از این روش می توان برای تولید نانو ذراتی از مواد استفاده کرد که با روش های دیگر به آسانی تولید نمی شوند.
آلودگی حاصل از مواد محیط آسیاب کننده هم می تواند مشکل ساز باشد.
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند.
10
آسیاب گلوله ای
معمولی ترین آنها نانو ذرات سرامیکی بوده است که به بخشهای زیر تقسیم می شود:
سرامیک های اکسید فلزی مانند اکسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم، آهن
نانو ذرات سیلیکاتی (بیشتر به شکل ذرات نانو مقیاسی رس)
حداقل باید یکی از ابعاد نانوذرات سرامیکی براساس تعریف آن کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد.
نانو ذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی معمولا اندازه یکسانی از ۲ یا ۳ نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر در هر ۳ بعد دارند.
شاید چنین به نظر برسد که این ذرات کوچک در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسیله نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر چسبیده اند و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می کنند.
کاربردهای بازارپسند این نانومواد بسیار زیاد است.
11
خردایش
خردایش یک فرآیند منحصربه فردی است که در محدوده وسیعی از کاربردهای صنعتی برای تولید ذرات ریز استفاده دارد .اما بسیار مشکل است به وسیله خردایش، ذرات را به اندازه بسیار ریز تبدیل کنیم و علاوه بر این، خردایش بسیار ریز به علت ظرفیت پایین آسیاب و مصرف بالای انرژی، بسیار گران است.
افزایش در کارآیی خردایش، تاثیر مفید و اساسی روی مصرف انرژی خردایش و هزینه های آن خواهد داشت.
برای رسیدن به این هدف، انتخاب آسیاب مناسب و عملیات در شرایط بهینه آسیاب کردن لازم و ضروری به نظر می رسد.
در این باره از آسیاب سانتریفیوژ استفاده می شود که، یک آسیاب با قدرت بالا بوده و می تواند برای خردایش بسیار ریز مواد مورد استفاده قرار گیرد.
12
خردایش
این آسیاب با بکارگیری نیروهای سانتریفیوژ تولید شده به وسیله دوران محور لوله آسیاب در یک چرخه فعالیت می کند.
همچنین در فناوری نانو می توان به وسیله فرآیند شیمی ـ مکانیکی ترکیبات اکسی فلوراید لانتانیوم (Loaf) را در اندازه بسیار ریز نانو به دست آورد.
اکسی فلورایدلانتانیوم می تواند یک فعال کننده، ماده میزبان فسفر، کاتالیزور برای جفت شدن اکسایشی متان یا اکسایش هیدروژن زدایی متان باشد.
13
خردایش
این ماده به وسیله ۲روش مهم ترکیب می شود:
فرآیند ترکیبی حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقیمی را در بین مواد موجب می شود.
فرآیند (electro_winning) است که به منظور آماده سازی به یک محلول آبدار یا یک نمک گداخته نیاز دارد.
در این روش های ترکیبی، از فلوراید لانتانیوم یا آمونیوم فلوراید به عنوان یک منبع فلوراید استفاده می شود که به طبع دارای هزینه بالایی است.روش جایگزین دیگر، ترکیب مواد کاربردی بدون استفاده از گرما است.
14
خردایش
در این روش تنها از یک دستگاه خردایش با قدرت بالا مانند آسیاب (Planetary)استفاده می شود، به طوری که آلودگی های زیست محیطی به حداقل می رسد که به دلیل نبود مواد مضری چون فلوئورین در گازهای خروجی آن است.
برای جلوگیری از ایجاد ناخالصی های ناشی از پوشش گلوله های مورد استفاده در آسیاب در زمان خردایش، از گلوله هایی با جنس زیرکونیوم استفاده می شود که در مقابل ساییدگی مقاوم است.
15
16
باتشکر از توجه شما