شیمی سبز و فناوری نانو

شیمی سبز

شیمی سبز و فناوری نانو

شیمی سبز، دامنه‌ای وسیع و منحصر به فرد برای گسترش تحقیقات نوین در زمینه‌ی توسعه‌ی فناوری‌های سبز جایگزین و پایدار فراهم می‌کند. در نتیجه باعث کاهش یا حذف تولید مواد خطرناک در طراحی، ساخت و کاربردهای محصولات شیمیایی می‌شود.

شیمی سبز در سراسر چرخه‌ی زندگی یک محصول شیمیایی از جمله طراحی، ساخت، استفاده و دفع نهایی اعمال می‌شود. شیمی سبز به عنوان شیمی پایدار نیز شناخته می‌شود. تاثیرات زیست محیطی محصولات شرکت‌های شیمیایی توسط شیمی سبز به شدت کاهش می‌یابد.

اصول شیمی سبز

  • پیشگیری از ایجاد مواد زائد، بسیار بهتر از تمیز کردن یا دفع آن‌ها بعد از ایجاد است
  • روش‌های سنتزی باید بهینه باشند تا از اکثر مواد در فرایند تولید برای بدست آوردن محصول نهایی استفاده کنند
  • روش‌های سنتزی باید از استفاده یا تولید مواد سمی اجتناب کنند، چه برای انسان و چه برای محیط زیست
  • اجتناب از استفاده از حلال‌های سمی
  • کاهش ضایعات
  • طراحی محصولات بر اساس مصرف انرژی کمتر
  • استفاده از مقادیر کم واکنش‌گرهای کاتالیتیکی

مزایای شیمی سبز

  • جلوگیری از آلودگی در سطح مولکولی و در نتیجه کاهش آلودگی
  • استفاده از راه حل‌های علمی برای مشکلات زیست محیطی
  • اثرات منفی فرایندها و فراورده‌های شیمیایی را که بر سلامتی انسان و محیط زیست موثرند بطور کامل از بین می‌برد
  • در تمام شاخه‌ها و زمینه‌های شیمی کاربرد دارد
  • با حذف خطرات مواد اولیه‌ی شیمیایی، معرف‌ها، حلال‌ها و محصولات، باعث کاهش آلودگی می‌شود
  • جلوگیری از ایجاد ضایعات (با طراحی سنتزهای شیمیایی برای پاکسازی ضایعات)
  • طراحی سنتزهای شیمیایی کم خطر (برای تولید موادی با سمیت کم یا بدون سمیت برای انسان و محیط زیست)
  • استفاده از حلال‌ها و شرایط واکنش ایمن‌تر (حداقل استفاده از حلال‌ها، عوامل جداسازی یا سایر مواد شیمیایی)

فناوری‌های نانو تاثیر بسزایی در توسعه‌ی فناوری‌های “سبز” و “تمیز” با مزایای قابل توجه زیست محیطی دارند.

اهداف فناوری نانو در زمینه‌ی شیمی سبز، ایجاد فرایندها و محصولات سازگار با محیط زیست است. فناوری سبز، با اتخاذ روش‌های مبتنی بر فناوری نانو،  منجر به کاهش آلودگی محیطی می‌گردد.

بطور کلی، فناوری سبز در حوزه‌ی نانو به معنی سنتز نانوذرات یا نانومواد با استفاده از مسیرهای بیولوژیکی که شامل میکروارگانیسم‌ها، گیاهان، ویروس‌ها یا محصولات جانبی آن‌ها مانند پروتئین‌ها و لیپیدها با کمک ابزارهای مختلف بیوتکنولوژی می‌باشد.

نانوذرات تولید شده توسط فناوری سبز، از جهات مختلف بسیار برتر از نانوذراتی است که به روش معمولی فیزیکی یا شیمیایی تولید می‌شوند.

نانوتکنولوژی سبز، با هدف بهره‌ برداری از خواص فیزیکی و شیمیایی جذاب نانومواد، در طیف وسیعی از کاربردهای نوین شیمی سبز که از نظر مصرف انرژی، اقتصادی و زیست محیطی پایدار هستند، از طریق کاهش فشار در تجارت مواد اولیه در زمینه‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر، سیستم‌های انتقال نیرو و …  تاثیر گسترده ای بر اقتصاد می‌گذارد.

شیمی سبز

مزایای نانوفناوری سبز

  • استفاده از منابع تجدید پذیر که هرگز در طبیعت کاهش نمی‌یابد
  • با کاهش انتشار CO2 باعث کاهش گرمایش زمین می‌شود
  • افزایش تولید و بهره وری انرژی
  • کاهش ضایعات و انتشار گازهای گلخانه ای
  • کاهش مصرف مواد اولیه‌ی تجدید ناپذیر
  • افزایش منافع اقتصادی در حوزه‌ی کشاورزی (بعنوان مثال، زئولیت‌های نانو حفره، به عنوان یک مخزن آب دائمی، در نگهداری مولکول‌های آب به گیاهان برای تحمل خشکی کمک می‌کنند)

تولید محصولات نانو بر پایه‌ی شیمی سبز از ضروریات مهم دنیای امروز است

  • ” الیاف نانو” ساخته شده از نشاسته و پروتئین را می‌توان با استفاده از فناوری الکتروریسندگی تولید کرد. و مقدار زیادی از ضایعات بیوپلیمری از مواد شیمیایی و صنایع دارویی را به نانوالیاف مفید تجزیه پذیر تبدیل کرد.
  • ساخت نانولوله های کربنی محلول در آب که در فیلم‌های نازک، قطعات الکترونیکی، مواد کامپوزیتی و رسانش دارو عملکرد بالایی دارند، با استفاده از سنتز سبز نانو مواد انجام می‌شود. محققان در حال توسعه سلول‌های سوختی مملو از نانولوله‌های کربنی برای ذخیره هیدروژن و افزایش واکنش پذیری هستند.
  • اتومبیل‌های دوستدار محیط زیست (اتومبیل‌های سبز)، به شدت باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شوند، از شیمی سبز بر پایه‌ی نانو به روش‌های مختلف برای لاستیک‌ها و شیشه‌ی جلو‌ی ماشین نیز استفاده می‌شود.
  • نانوذرات پالادیوم در صورت فعال شدن با لیگندهای آلی- فلزی، می‌توانند اکسیداسیون مونوکسیدکربن و نیتروژن اکساید را برای کنترل آلودگی هوا در محیط، کاتالیز کنند.

نانوفناوری سبز و ذخیره‌ی انرژی

  1. سلول‌های خورشیدی
  2. سلول‌های سوختی
  3. گاز هیدروژن
  4. آسیاب بادی
  5. نیروگاه آبی
  6. زیست توده
سلول‌های خورشیدی

یکی از انعطاف پذیرترین فرایند‌های انرژی تجدیدپذیر، تبدیل مستقیم نور خورشید به انرژی الکترونیکی است (اثر فتوولتائیک). نانوموادهای کربنی که شامل فولرن‌ها، نانولوله‌های کربنی و گرافن هستند، به عنوان گیرنده‌های الکترون بسیار کارآمد، در سلول‌های خورشیدی پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرند. سلول‌های خورشیدی با ساختار نانو، مقرون به صرفه بوده و نصب آسانی دارند، و به شکل رول‌های انعطاف پذیر نیز ساخته می‌شوند.

سلول خورشیدی و شیمی سبز
سلول‌های سوختی

دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند انرژی شیمیایی را مستقیما به الکتریسیته تبدیل کنند. فلزات نانو متخلخل با سطح زیاد و چگالی کم، می‌توانند الکتروکاتالیزورهای بسیار کارآمد برای واکنش‌های اکسیداسیون – احیاء در سلول‌های سوختی باشند.  نانوذرات پلاتین، جزء بهترین کاتالیزورهای سلولی می‌ باشند.

کربن نانوتیوب‌ها و گرافن که در ابتدا در سلول‌های سوختی به عنوان مواد جاذب برای پشتیبانی کاتالیزورها، با هدف کاهش بارگذاری فلزات گرانبها و دوام کاتالیزورها استفاده می‌شدند، در حال حاضر به عنوان کاتالیزورهای بدون فلز در سلول‌های سوختی استفاده می‌شوند.

مزایای سلول‌های سوختی شامل: هدایت الکتریکی بالا، مقاومت مکانیکی بالا، وزن سبک و … می‌باشد.

گاز هیدروژن

گاز هیدروژن به عنوان منبع بی پایان سوخت پاک، برای بسیاری از کاربردها می‌باشد.  نانوموادهای نیمه هادی (بعنوان مثال نانوساختارهای Tio2 (تیتانیم دی اکساید) و سولفید کادمیم بعنوان کاتالیزورهای کارآمد برای تبدیل آب به اکسیژن و هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرند).

نانوساختارها بر پایه‌ی کربن و هیدرید‌های فلزی، نمونه‌هایی از نانومواد مورد بررسی برای ذخیره و حمل هیدروژن هستند.

توربین بادی

از اپوکسی‌های حاوی نانولوله‌های کربنی، درساخت تیغه‌های توربین بادی، برای افزایش میزان جریان الکتریسیته تولیدی استفاده می‌گردد زیرا با استفاده از این روش، تیغه‌ها  بلندتر، قوی تر و سبک تر از تیغه‌های معمولی است. 

مزایای استفاده از توربین‌های بادی: تمیزترین، پایدارترین و مقرون به صرفه ترین منابع انرژی محسوب می‌شوند.

توربین بادی شیمی سبز
نیروگاه آبی
  • جریان آب، باعث تولید انرژی می‌شود
  • بزرگترین منبع تجدیدپذیر در سراسر جهان می‌باشد
زیست توده

درختان، گیاهان، محصولات زراعی، جنگلی، کشاورزی، پسماندهای شهری و … همگی از منابع زیست توده می‌باشند.

  • تولید جریان الکتریسیته
  • تولید بیواتانول
  • تولید سوخت برای وسایل نقلیه

به عنوان مثال، زیست توده‌ی لیگنو سلولزیک، یک منبع جایگزین اقتصادی برای تولید سوخت‌های زیستی از طریق سنتز سبز نانوذرات می‌باشد.

تراشه‌های چوب بامبو در حضور اسید فرمیک، باعث تولید سلولز خالص و لیگنین می‌گردد، سلولز طی فرایند اکسیداسیون در مدت کوتاهی به نانوبلورهای سلولزی تبدیل می‌شوند، همچنین لیگنین محلول به نانوذرات محلول تبدیل می‌شوند که مورفولوژی کروی و توزیع اندازه‌ی ذرات یکنواخت دارند و طی فرایند پراکندگی در نهایت منجر به تولید غشاهای نانوکامپوزیتی می‌شوند که سطحی صاف و ساختاری یکنواخت و زیست تخریب پذیر دارد.

زیست توده

شاخه‌های نانو فناوری سبز

  • انرژی
  • مهندسی نوری
  • مهندسی زیست
  • نانوبیوتکنولوژی
  • داروسازی
  • آرایشی و بهداشتی
  • تولید نانو مواد

سنتز سبز نانوذرات

مزایای سنتز سبز نانوذرات

  • کمک به کاهش عناصر سمی در تولید محصولات
  • تمیز و دوستدار محیط زیست
  • مقرون به صرفه
  • دارای عملکردی بالا در مقیاس وسیع برای  سنتز نانوذرات
  • انرژی زیاد و فشار بالا برای انجام سنتز نیاز نیست، در نتیجه موجب ذخیره‌ی انرژی می‌گردد
  • اثرات آنتی باکتریال، ضد قارچ و ضد انگل

سیستم‌های باکتریایی، میکروبی، قارچ‌ها، و ویروس‌ها باعث تولید گستره‌ی بزرگی از نانوذرات می‌شوند. به عنوان مثال نانوذرات دو فلزی نقره و طلا و طلا و کادمیم، از این طریق سنتز می‌شوند.

سیستم‌های باکتریایی از طریق روش خارج سلولی و درون سلولی (درون سیتوپلاسم)، سیستم‌های قارچی و مخمر‌ها از طریق روش خارج سلولی منجر به سنتز سبز نانوذرات می‌گردند.

همچنین از گیاهان و عصاره‌ی آن‌ها برای سنتز نانوذرات اکسید فلزی در مقیاس زیاد و طی یک مرحله استفاده می‌گردد.

مزایای استفاده از عصاره‌ی گیاهان در سنتز سبز نانوذرات

  • غیر سمی
  • دفع آسان
  • غالبا تک مرحله ای
  • سنتز نانوذرات با روش سبز،  بسیار پایدارتر از روش‌های فیزیکی و شیمیایی می‌باشد
سبز نانو ذرات
سنتزهای زیست محیطی برای تولید نانوذرات سبز  به دو دسته تقسیم می شوند

1- سنتز میکروبی (شامل باکتری‌ها، قارچ ها، مخمرها و ویروس‌ها)

2- فیتوسنتز (به منظور افزایش میزان سنتز و همچنین افزایش پراکندگی نانوذرات با اغلب گیاهان انجام می‌شود. در نتیجه به عنوان یک جایگزینِ در دسترس، برای تولید نانوذرات در مقیاس بزرگ در نظر گرفته می‌شود)

شیمی سبز و نانوکاتالیست‌ها

جمعیت جهان هر لحظه رو به افزایش است. این افزایش، محققان را برای تولید سیستم‌های پایدارتر ترغیب کرده. شیمی سبز، گزینه ای مناسب برای مقابله با چالش‌های موجود است. کاتالیزورها در شیمی سبز بسیار ضروری هستند، زیرا منجر به بهبود اقتصاد، کاهش گازهای گلخانه ای، کاهش حجم زباله، ضایعات و پسماند‌ها می‌شوند.

نانوکاتالیز دوره ای نوین در شیمی سبز است، نانو کاتالیز با به حداقل رساندن نیازهای انرژی و مواد اولیه، فرآیند‌های شیمیایی قابل ملاحظه ای را بهبود می‌بخشد.

 زمینه استفاده از شیمی سبز برای تجزیه با نانوذرات از سال 2002 تا کنون رشد گسترده‌ای داشته است. همچنین شیمی سبز، تولید نانوکاتالیست‌های سبز و نیز شرایط سبز در طول تجزیه واکنش‌های مهم صنعتی رخ داده است. تهیه نانوکاتالیست‌های سبز به سنتز نانوکاتالیست‌ها با استفاده از حلال‌های سبز گفته می‌شود.

اندازه معمولی نانوکاتالیست‌های سبز 2-3 نانومتر است زیرا این اندازه، برای بسیاری از واکنش‌های کاتالیزوری مطلوب است. البته اندازه‌های بزرگتری از نانوکاتالیست‌های سبز نیز برای این اهداف سنتز شده‌اند.

نانوکاتالیست‌های سبز کارآمد مانند (نانو ذرات فلزی سیلیس، تیتانیوم، پالادیوم، پلاتین، طلا و …)  برای چندین واکنش در شرایط چند فازی مناسب هستند.

 به عنوان مثال نانوذرات سیلیس، به عنوان کاتالیزور، برای سنتز پیریدین‌های جایگزین استفاده شده‌اند. این کاتالیزورها پس از سه بار استفاده مجدد، اکثر فعالیت کاتالیزوری خود را حفظ کردند.

کلوئیدها و نانوذرات سیلیس را می‌توان به راحتی با استفاده از روش سنتز اِستوبر، سنتز کرد و در آب، که یک حلال سبز و سازگار با محیط زیست است پخش کرد.  نانوذرات سیلیس سازگار با محیط زیست به عنوان کاتالیزور برای سنتز تیواترها و وینیل تیو‌اترها استفاده شده است.

تصفیه فاضلاب‌ها و پساب‌ها با استفاده از نانوکاتالیست‌های سبز

بطور کلی صنایع، دارای فاضلاب متشکل از آلاینده‌های آلی و  معدنی با غلظت بالا هستند که بر آبزیان و محیط زیست تاثیر می‌گذارند. صنایع مختلف از جمله نساجی، رنگ، داروسازی، چاپ و … روزانه تعداد زیادی از آلاینده‌های معطر (آروماتیک)، تولید می‌کنند که شامل ترکیبات نیترو و رنگ‌ها می‌باشد.

تجزیه‌ی بیولوژیکی اکثر این آلاینده‌های معطر (آروماتیک) که در آب حل شده اند بسیار سخت است. در نتیجه تهدیدی طولانی مدت و مستقیم برای زندگی آبزیان، حیوانات، میکروارگانیسم‌ها و در نهایت انسان می‌باشد. زیرا بسیاری از این آلاینده‌ها بسیار سمی و سرطان زا هستند.

بنابراین توسعه‌ی کاتالیزورها در شیمی سبز، یک اصل مهم می‌باشد. و طبق این اصل، معرف‌های کاتالیزوری بسیار بهتر از معرف‌های استوکیومتری می‌باشند، زیرا در مقدار کم استفاده می‌شوند و یک واکنش را چندین بار انجام می‌دهند.

نانوکاتالیست‌های سبز مبتنی بر روی، مس و کبالت و نانوذرات پشتیبانی شده از مواد نانو مغناطیس در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نقش نانوکاتالیست‌های سبز در تصفیه فاضلاب‌ها شامل

  • حذف فلزات سنگین
  • حدف آلاینده‌های دارویی
  • حذف مواد آلی و معدنی از فاضلاب‌ها

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر

منابع:

به اشتراک بگذارید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *