پرسش :
کاربرد فناورى نانو در فرآورى مواد معدنى چگونه است؟
پاسخ :
فناورى نانو به سه زير شاخه بالا به پايين، پايين به بالا (روش هاى ساخت) و نانو محاسبات (روش هاى مدل سازى و شبيه سازى) تقسيم بندى مى شوند که هر کدام از اين روش ها نيز به شاخه هاى گوناگون تقسيم مى شوند. کاهش اندازه ميکرو ساختارى مواد موجود مى تواند تاثيرات بزرگى را به وجود آورد. مثلاً همان طور که اندازه دانه يا کريستال در يک فلز به سمت نانو مقياس حرکت مى کند، نسبت اتم هاى موجود بر روى مرزهاى دانه هاى اين جسم جامد افزايش پيدا مى کند و آنها رفتارى کاملاً متفاوت از اتم هايى که روى مرز نيستند بروز مى دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثير قرار دادن رفتار ماده مى کنند و در نتيجه در فلزات، افزايش استحکام، سختى، مقاومت الکتريکى، ظرفيت حرارتى ويژه، بهبود انبساط حرارتى و خواص مغناطيسى و کاهش رسانايى حرارتى ديده مى شود. در اختلاط شديد از انواع همزن هاى دور بالا، همگن سازها، آسياب هاى کلوييدى و غيره مى توان براى تهيه قطرات ريز يک مايع در مايع ديگر (نانو کپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحى (خودآرايى) نقش کليدى در ايجاد و پايدارى اين نانو امولسيون ها دارد. در روش استفاده از آسياب گلوله اى با آسيا و يا پودر کردن مى توان براى ايجاد نانو ذرات استفاده کرد. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثير نوع ماده آسياکننده، زمان آسيا و محيط اتمسفرى آن قرار مى گيرد. از اين روش مى توان براى توليد نان ذراتى از مواد استفاده کرد که با روش هاى ديگر به آسانى توليد نمى شوند. البته آلودگى حاصل از مواد محيط آسياب کننده هم مى تواند مشکل ساز باشد. نانو ذرات در حال حاضر از طيف وسيعى از مواد ساخته مى شوند. معمول ترين آنها نانو ذرات سراميکى بوده که به بخش سراميک هاى اکسيد فلزى (نظير اکسيدهاى تيتانيوم، روى، آلومينيوم و آهن و نانو ذرات سيليکاتى (عموماً به شکل ذرات نانو مقياسى رس) تقسيم مى شود. طبق تعريف حداقل بايد يکى از ابعاد آنها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانو ذرات سراميکى فلزى يا اکسيد فلزى معمولاً اندازه يکسانى از دو يا سه نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر – در هر سه بعد دارند شايد شما انتظار داريد که چنين ذرات کوچکى در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسيله نيروهاى الکترواستاتيک به يکديگر چسبيده و به شکل پودر بسيار ريزى رسوب مى کنند. کاربردهاى بازارپسند اين نانو مواد بسيار زياد است. خردايش يک فرآيند منحصر به فردى است که در محدوده وسيعى از کابردهاى صنعتى جهت توليد ذرات ريز کاربرد دارد اما بسيار مشکل است که توسط خردايش، ذرات را به سايز بسيار ريز تبديل کنيم و علاوه بر اين، خردايش بسيار ريز به علت ظرفيت پايين آسيا و مصرف انرژى بالا، بسيار گران است. بنابراين افزايش در کارآيى خردايش، تاثير مفيد اساسى بر روى مصرف انرژى خردايش و هزينه خواهد داشت. براى رسيدن به اين هدف، انتخاب آسياى مناسب و عمليات در شرايط بهينه آسيا کردن لازم و ضرورى به نظر ميرسد. در اين جهت از آسياى سانتريفيوژ استفاده مى شود که، يک آسياى با قدرت بالا بوده و ميتواند جهت خردايش بسيار ريز مواد مورد استفاده قرار گيرد. اين آسيا با به کارگيرى نيروهاى سانتريفيوژ توليد شده توسط دوران محور لوله آسيا در يک چرخه فعاليت ميکند. همچنين در فناورى نانو ميتوان توسط فرآيند شيمى مکانيکى ترکيبات اکسى فلورايد لانتانيوم (Loaf) را در حد سايز بسيار ريز نانو به دست آورد. اکسى فلورايد لانتانيوم مى تواند يک فعال کننده، ماده ميزبان فسفر، کاتاليزور براى جفت شدن اکسايشى متان و يا اکسايش هيدروژن زدايى متان باشد. اين ماده توسط دو روش مهم ترکيب مى شود. اولين شيوه، فرآيند ترکيبى حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقيمى را در بين مواد موجب مى شود و ديگرى فرآيند electro_winning است که جهت آماده سازى به يک محلول آبدار و يا يک نمک گداخته نياز دارد. در اين روش هاى ترکيبى، از فلورايد لانتانيوم يا آمونيوم فلورايد به عنوان يک منبع فلورايد مورد استفاده قرار مى گيرد که طبعاً داراى هزينه بالايى نيز است. روش جايگزين ديگر جهت ترکيب مواد کاربردى بدون استفاده از گرما مى باشد. در اين روش تنها از يک دستگاه خردايش با قدرت بالا نظير آسياى Planetary استفاده مى شود، به طورى که در اين روش مسائل آلودگى هاى زيست محيطى به حداقل رسيده و دليل آن عدم وجود مواد مضرى چون فلوئورين در گازهاى خروجى آن است. جهت جلوگيرى از وجود ناخالصى هاى ناشى از پوشش گلوله هاى مورد استفاده در آسيا در زمان خردايش، از گلوله هاى از جنس زير کونيوم استفاده مى شود که در مقابل سائيدگى مقاوم است.
فناورى نانو به سه زير شاخه بالا به پايين، پايين به بالا (روش هاى ساخت) و نانو محاسبات (روش هاى مدل سازى و شبيه سازى) تقسيم بندى مى شوند که هر کدام از اين روش ها نيز به شاخه هاى گوناگون تقسيم مى شوند. کاهش اندازه ميکرو ساختارى مواد موجود مى تواند تاثيرات بزرگى را به وجود آورد. مثلاً همان طور که اندازه دانه يا کريستال در يک فلز به سمت نانو مقياس حرکت مى کند، نسبت اتم هاى موجود بر روى مرزهاى دانه هاى اين جسم جامد افزايش پيدا مى کند و آنها رفتارى کاملاً متفاوت از اتم هايى که روى مرز نيستند بروز مى دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثير قرار دادن رفتار ماده مى کنند و در نتيجه در فلزات، افزايش استحکام، سختى، مقاومت الکتريکى، ظرفيت حرارتى ويژه، بهبود انبساط حرارتى و خواص مغناطيسى و کاهش رسانايى حرارتى ديده مى شود. در اختلاط شديد از انواع همزن هاى دور بالا، همگن سازها، آسياب هاى کلوييدى و غيره مى توان براى تهيه قطرات ريز يک مايع در مايع ديگر (نانو کپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحى (خودآرايى) نقش کليدى در ايجاد و پايدارى اين نانو امولسيون ها دارد. در روش استفاده از آسياب گلوله اى با آسيا و يا پودر کردن مى توان براى ايجاد نانو ذرات استفاده کرد. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثير نوع ماده آسياکننده، زمان آسيا و محيط اتمسفرى آن قرار مى گيرد. از اين روش مى توان براى توليد نان ذراتى از مواد استفاده کرد که با روش هاى ديگر به آسانى توليد نمى شوند. البته آلودگى حاصل از مواد محيط آسياب کننده هم مى تواند مشکل ساز باشد. نانو ذرات در حال حاضر از طيف وسيعى از مواد ساخته مى شوند. معمول ترين آنها نانو ذرات سراميکى بوده که به بخش سراميک هاى اکسيد فلزى (نظير اکسيدهاى تيتانيوم، روى، آلومينيوم و آهن و نانو ذرات سيليکاتى (عموماً به شکل ذرات نانو مقياسى رس) تقسيم مى شود. طبق تعريف حداقل بايد يکى از ابعاد آنها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانو ذرات سراميکى فلزى يا اکسيد فلزى معمولاً اندازه يکسانى از دو يا سه نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر – در هر سه بعد دارند شايد شما انتظار داريد که چنين ذرات کوچکى در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسيله نيروهاى الکترواستاتيک به يکديگر چسبيده و به شکل پودر بسيار ريزى رسوب مى کنند. کاربردهاى بازارپسند اين نانو مواد بسيار زياد است. خردايش يک فرآيند منحصر به فردى است که در محدوده وسيعى از کابردهاى صنعتى جهت توليد ذرات ريز کاربرد دارد اما بسيار مشکل است که توسط خردايش، ذرات را به سايز بسيار ريز تبديل کنيم و علاوه بر اين، خردايش بسيار ريز به علت ظرفيت پايين آسيا و مصرف انرژى بالا، بسيار گران است. بنابراين افزايش در کارآيى خردايش، تاثير مفيد اساسى بر روى مصرف انرژى خردايش و هزينه خواهد داشت. براى رسيدن به اين هدف، انتخاب آسياى مناسب و عمليات در شرايط بهينه آسيا کردن لازم و ضرورى به نظر ميرسد. در اين جهت از آسياى سانتريفيوژ استفاده مى شود که، يک آسياى با قدرت بالا بوده و ميتواند جهت خردايش بسيار ريز مواد مورد استفاده قرار گيرد. اين آسيا با به کارگيرى نيروهاى سانتريفيوژ توليد شده توسط دوران محور لوله آسيا در يک چرخه فعاليت ميکند. همچنين در فناورى نانو ميتوان توسط فرآيند شيمى مکانيکى ترکيبات اکسى فلورايد لانتانيوم (Loaf) را در حد سايز بسيار ريز نانو به دست آورد. اکسى فلورايد لانتانيوم مى تواند يک فعال کننده، ماده ميزبان فسفر، کاتاليزور براى جفت شدن اکسايشى متان و يا اکسايش هيدروژن زدايى متان باشد. اين ماده توسط دو روش مهم ترکيب مى شود. اولين شيوه، فرآيند ترکيبى حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقيمى را در بين مواد موجب مى شود و ديگرى فرآيند electro_winning است که جهت آماده سازى به يک محلول آبدار و يا يک نمک گداخته نياز دارد. در اين روش هاى ترکيبى، از فلورايد لانتانيوم يا آمونيوم فلورايد به عنوان يک منبع فلورايد مورد استفاده قرار مى گيرد که طبعاً داراى هزينه بالايى نيز است. روش جايگزين ديگر جهت ترکيب مواد کاربردى بدون استفاده از گرما مى باشد. در اين روش تنها از يک دستگاه خردايش با قدرت بالا نظير آسياى Planetary استفاده مى شود، به طورى که در اين روش مسائل آلودگى هاى زيست محيطى به حداقل رسيده و دليل آن عدم وجود مواد مضرى چون فلوئورين در گازهاى خروجى آن است. جهت جلوگيرى از وجود ناخالصى هاى ناشى از پوشش گلوله هاى مورد استفاده در آسيا در زمان خردايش، از گلوله هاى از جنس زير کونيوم استفاده مى شود که در مقابل سائيدگى مقاوم است.
