نانو تکنولوژی و کاربرد آن در عمران

نانو تکنولوژی و کاربرد آن در عمران (قسمت 3 - پایانی)

6- سیمان و کربن نانو تیوب‌ها
سیستم های بتن و سیمان پتانسیل جالبی بعنوان مواد CNT دار ند. سیمان قبلا بعنوان ماتریکس مواد برای فایبرهای کربن و فولاد با قطرهای میکرومتری مورد استفاده قرار گرفته بود. انتظار می رود CNT در مقایسه با این نوع فایبرها فواید مشخص بیشتری داشته باشند.
ابتدا، به این علت که CNT استحکام بیشتری از دیگر فایبرها دارند که در کل رفتار مکانیکی را بهبود خواهند بخشید.
ثانیا CNTها aspect ratios بالاتری دارند و انرژی بسیار زیادی جهت انتشار شکاف دور لوله نیاز دارند. بالعکس در مقایسه با عرض لوله که موردی خواهد بود برای فایبرهای با aspect ratio پایین تر
ثالثا CNT با قطرهای کوچکتر در ماتریکس سیمان بطور گسترده ای با فاصله کمتر فایبرها از هم می توانند توزیع شوند، فعل و انفعالات و اثر متقابل شان با ماتریکس سیمان در مقایسه با فایبرهای بزرگتر نیز متفاوت خواهند بود. CNT با قطرهای نزدیک به اندازه ضخامت لایه های هیدراته سیمان C.S.H، رفتار بسیار متفاوتی میتوانند نشان می دهند مانند مکانیزم های متفاوت باندینگ (bonding).
در نهایت کربن نانوتیوب ها می توانند طوری وظیفه مند شوند که بطور شیمیایی با اجزاء و ترکیبات سیمان واکنش دهند و مسیر را برای فرم های دیگر فعال و انفعالی و کنترل مناسب سیستم سیمان بسط و بهبود بخشند.
مانند دیگر کامپوزیت های CNT، مسائل عمده جهت نائل آمدن بر تهیه کامپوزیت های سیمان � CNT با کیفیت بالا، توزیع CNT در سیمان و حصول باندینگ مناسب بین دو ماده می باشد.
یک راه پراکنده (disperse) کردن CNT در surfactant است که آب با حلال دیگری مخلوط باشد، همانطور که در کامپوزیت های پلیمری بسیار معمول است استفاده از سوپرپلاستی سایزرها برای بهبودی عملکرد بتن کاملا روشن است.
تحقیقات اولیه در شورای تحقیقات ملی کانادا نشان داد که مقادیر کم CNT می توانند در آب حاوی 5% سوپر پلاستی سایزر به روش sonication پراکنده شوند. (Eucon 37, Euclid Admixtures Canada, inc) بهر حال روشن نیست که آیا مقدار لازم و کافی می تواند در این محیط پراکنده شود تا بتواند به میزان 2-10 درصد غلظت CNT برسد، که این امر ظاهرا جهت عملکرد مناسب مکانیکی در دیگر کامپوزیت‌های سرامیکی لازم است. کارهای بیشتری جهت پاسخگویی به این سوال باید انجام گیرد.
راه دوم پیگیری مسیری است که جهت بهسازی کامپوزیت‌های آلومینا � CNT انجام شده. در این روش CNT در اتانل تحت Sonication پراکنده می‌‎شوند. نتایج اولیه این روش در مقاله حاضر ارائه شده است.

مقداری برابر 0.007 gr ، CNT تولید تجاری (کربن نانوتیوب های تک جداره 1.4nm تولیدی Carbon Nano Technology Ins) و نوع خالص آن تحت عنوان "Bucky pearls" (به مدت 2 ساعت در اتانل با توان (Power) کم Sonicate شد.
سپس پودر سیمان معمولی پرتلند 0.43gr به مایع افزوده شد تا Slurry سیمان � CNT - اتانل تشکیل شود. در ادامه Slutty به مدت 5 ساعت مجددا Sonicate شد. در مرحله بعد اتانل تبخیر شده یک ورق نازک و شکننده سیمان � CNT مرکب از کربن نانو تیوب های متصل به ذرات سیمان بجا می ماند که هر کدام ساختی متخلخل دارند. لازم به ذکر است که پروسس Sonication و تبخیر ظاهرا روی شکل و ترکیب (مرفولژی) سطح بعضی از ذرات سیمان اثر گذاشته شکل ظاهر آنها را سخت تر می کند. اثر دیگر Sonication جداسازی و تفکیک ذرات می باشد به صورتیکه ذرات بسیار ریز سیمان در محدوده سطح کاغذ CNT به تله افتاده ذرات بلندتر در عمق کاغذ نشست می کنند. سپس قسمتی از کاغذ سیمان � CNT توسط هاون آسیاب شده تا مواد تفکیک شده، بتوان ذرات تک سیمان را آزمایش و بررسی کرد.
کاغذ و پودر آسیاب شده هر دو با استفاده از SEM، (Hitachi S 48001 cold field emission gun scanning electron micros cope) با بزرگنمایی متوسط تا بسیار زیاد (X200000 - X54000) آزمایش شدند.
شکل 3 دو عکس از سطح خارجی کاغذ سیمان � CNT را نشان می دهد. نمودار اندازه در عکس ها مقیاس را به دهم مقدار معین شده تقسیم کرده و ضخامت خطوط که نمودار مقیاس را تشکیل داده صدم مقدار نشان داده شده می باشد. در این ناحیه ساختاری متخلخل وجود دارد و پیداست که فرایند Sonication یا کربن نانو تیوب ها را کاملا پراکنده (Disperse) نکرده یا اینکه در زمان تبخیر دوباره بهم متصل شده اند. ذرات سیمان بهم و CNT های متعدد وصل شده اند. ذره میانی با دسته های تیوب با قطرهای مختلف پوشش داده شده است. ضمنا در این عکس ها دیدن CNT تک بسیار مشکل و یا غیرممکن است. این میکروسکوپ قادر به نمایش ساختارهایی به کوچکی 10nm می باشد. بنابراین به نظر می رسد محلی که در قسمت پایین شکل 3 با فلش نشان داده شده دسته هایی کوچک از CNT باشند. شکل 4 ذره مشابهی را نشان می دهد که یک دسته CNT ذره را قطع کرده و در وسط ذره ناپدید می شوند. این تیوب ها در عرض سطح گسترده شده اند. طوریکه تیوب های تک پایین‌تر از قدرت تفکیک و دقت SEM قرار می گیرد.

شکل 3 - کاغذ یا ورق سمان - CNT هیدراته نشده

شکل 4 - ذره کوچک سیمان با نانو تیوب های متصل به آن

شکل 5 - کربن نانو تیوب های توزیع شده روی ذرات سیمان بزرگ

شکل 6 - کربن نانو تیوب‌های توزیع شده روی ذرات کوچک سیمان

شکل 6 و 5 ذرات پودر سیمان را نشان می دهد که بخوبی با دسته ای CNT پوشش داده شده اند. البته بعد از اینکه کاغذ CNT توسط آسیاب دستی خرد شد.
شکل 5 دو عکس از ذره های بزرگتر سیمان را نشان می دهد.
شکل 6 انباشتگی ذرات کوچکتر را نشان می دهد. در هر دو مورد تعداد بسیار زیادی CNT روی سطوح ذرات دیده می شود. در شکل 6 همچنین می توان شکافته و جدا شدن کربن نانو تیوب ها را دسته های بزرگتر به شکل حلقه ای یا ساختارهای دیگر دید. در شکل 5 مشاهده می شود نانو تیوب های بیشتری روی سطح ذره قرار گرفته‌اند. در حالیکه نانو تیوبهای روی ذرات کوچکتر عمدتا در یک انتها جمع شد هاند.

7- بحث و نتیجه گیری
کربن نانو تیوب ها یکی از مهمترین موادی هستند که جهت کاربردهای نانوتکنولوژی مورد بحث و بررسی قرار دارند. خواص ویژه آنها طیف گسترده ای را در برمی گیرد، از استحکام فوق العاده زیادشان تا رفتار غیرمعمول الکترونیکی، هدایت حرارتی بالا، قابلیت ذخیره و نگهداری ذرات نانوئی داخل تیوب ها، پتانسیل کاربردهای فراوان کربن نانوتیوب ها و خواص ویژه آنها باعث سعی و تلاش بسیار زیادی در زمینه های مختلف علمی و مهندسی شده است. همانند مورد تکنولوژی ترانزیستور سیلیکن، این کاربردها به موقع رشد خواهند یافت، در صورتیکه به موازات توانایی تولید صنعتی، ساخت استادانه CNT و درک فیزیک CNT بسط و ادامه یابد.
کاربردهای CNT در صنعت ساختمان، طیف وسیعی از کامپوزیت مواد تا ترکیبات و اجزاء با استحکام بالای ساختاری و تکنولوژی انتقال حرارت را در برمی گیرد.کامپوزیتهای CNT با بتن و سیمان آشکارا پتانسیل فوق العاده قوی دارند. زیرا CNT هم به عنوان یک ماده تقویت کننده تقریبا ایده آل عمل می کند. و هم قطرهایی شبیه به اندازه لای ههای کلسیم � سیلیکات � هیدرات دارد.
تحقیق اخیر نشان می دهد که با استفاده از تکنیک اتانل � Sonication میتوان دسته های CNT را در عرض ذرات پخش کرد. کارهای بعدی فعل و انفعال بین CNT و سیمان هیدراته مثل عملکرد مکانیکی کامپیوزیت های سیمان � CNT را بررسی خواهد کرد.

8- مراجع
1- کتاب نانو تکنولوژی، آیینه تکنولوژی آفرینش، دفتر همکاریهای فن آوری ریاست جمهور کمیته. مطالعات سیاست نانو تکنولوژی، 1380
2- برنامه پیشگامی ننوتکنولوژی، پیش بسوی انقلاب صنعتی بعدی، گزارش از گروه کاری فرابخش در. علوم، تهران آتنا، 1380
3- حسین پور. پریوش، کربن نانوتیوبها و کاربردشان در صنعت، ترجمه.
4- Engines of Creation / K. Eric Drexler, An chor books editions, U.S.A,1990.
5- Dai,H., "Nanotube Growth and cterization" in Carbon Nanotubes: sythesis, structure, properties and Applications, ms. Dressel haves, Bergin 2001.
6- WWW.smalltimes. Com
7- WWW. Nanotech news. Com

فن‌آوران ایرانی موفق به تولید سیمان با استفاده از لجن‌های آلوده نفتی شدند

محققان یکی از واحدهای فن‌آوری مستقر در مرکز رشد جامع شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان در راستای حل معضل زیست محیطی آلاینده‌ها و لجن های نفتی موفق به تولید سیمان با استفاده از این ضایعات شدند.
به گزارش خبرگزاری دانشجویان ایران یکی از مسائل موجود در تمامی صنایع نفت، شامل پالایشگاه ها، پتروشیمی ها، مراکز استخراج، حمل و پایانه ها، مشکل وجود لجن های حاوی فلزات سنگین و ترکیبات نفتی در مراحل مختلف فرآیند می باشد که آن را به یک معضل جدی زیست محیطی تبدیل کرده است.
استفاده از لجن های نفتی در فرآیند تولید سیمان، یکی از بهترین راه حل ها برای این مشکل است. در این روش که در برخی از کشورهای صنعتی نظیر آمریکا، کانادا و بعضی از کشورهای اروپایی اجرا شده است؛ علاوه بر این که با تثبیت فلزات سنگین در ساختار بتن به جلوگیری از هر گونه پیامد زیست محیطی منجر می شود، از محتوای حرارتی موجود در لجن های نفتی به عنوان تامین بخشی از سوخت کوره های مورد نیاز سیمان استفاده می‌کند.

در این راستا محققان مجتمع فن‌آوری های نوین فدک با همکاری کارخانه سیمان سپاهان، برای اولین بار در سطح کشورهای منطقه، استفاده از لجن های نفتی را در فرآیند تولید سیمان با موفقیت به مرحله صنعتی رسانده‌اند.
در این زمینه به عنوان اولین اجرای صنعتی، با بررسی و آنالیز لجن های نفتی پالایشگاه اصفهان، 380 تن از این لجن ها، با نظارت و اجرای مجتمع فن‌آوری های نوین فدک از محل پالایشگاه اصفهان به کارخانه سیمان سپاهان که از صنایع پیشرو در صنعت سبز می باشد، منتقل شد و با ارائه فرمولاسیون و نسبت اختلاط مشخص، این پسماندها را در فرآیند تولید سیمان با موفقیت مورد استفاده قرار دادند.
از جمله مزیت های استفاده از لجن نفتی پالایشگاهی در فرآیند تولید سیمان، تثبیت فلزات سنگین در ساختار بتن بدون هیچ گونه پیامد زیست محیطی و صرفه جویی هفت درصدی در مصرف انرژی جهت تولید سیمان عنوان است. بهبود خواص مکانیکی نمونه بتن تولیدی و حل مشکلات زیست محیطی ناشی از لجن های آلوده نفتی از دیگر مزیت های اجرایی این طرح است.
با توجه به مزایای این پسماندهای نفتی و پیشرو بودن کارخانه سیمان سپاهان در این زمینه، توافقنامه ای جهت مصرف دائمی این پسماندها بین پالایشگاه اصفهان و سیمان سپاهان به امضاء رسیده تا معضل پسماندهای نفتی این پالایشگاه توسط مجتمع فناوری های نوین فدک برطرف شد.