برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۱۷ تا ۱۳۹۷/۰۹/۲۳

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۶۹۶
  • بازدید این ماه ۱۲۸
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲
  • قبول شدگان ۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوزئولیت، ویژگی‌ها و کاربردها

نانوزئولیت یک آلومینوسیلیکات کریستاله طبیعی و جزء کانی‌های غالب در سنگ‌های رسوبی است که شاخص ارزشمندی در سنگ‌های مادری رسوبی و رسوبات محیط محسوب می‌شود. حدود 40 نوع زئولیت طبیعی توسط محققان بررسی شده است که از مشهورترین آن‌ها می‌توان به clinoptilolite، chabazite، erionite، heulandite، mordenite stilbite و phillipsite اشاره کرد. نانوزئولیت‌ها ساختاری سه بعدی دارای خلل و منافذ داخلی هستند که این منافذ به وسیله کاتیون‌ها و مولکول‌های آب اشغال شده است و برای تعادل بار الکتریکی واحدهای تتراهدرال آلومینیم و سیلیسیم مورد نیاز است. افزایش سطح داخلی منافذ باعث تأثیر بسیار آن در واکنش‌های تبادل کاتیونی است. عدم تعادل بار به‌علت حضور آلومینیوم در ساختار نانوزئولیت است که تعیین‌کننده خصوصیات تبادل یون بوده و به نظر می‌رسد باعث تحریک پتانسیل اسیدی سایت‌ها می‌شود. نسبت Si/Al رابطه عکس با محتوای کاتیون دارد، در حالی‌که نسبت مستقیمی با پایداری دمایی دارد. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها، به همراه فراوانی آن‌ها در نهشته‌های رسوبی و سنگ‌ها با مواد مادری آتشفشانی، باعث کاربردهای مفید زیادی در زمینه کشاورزی شده است. به‌دلیل تخلخل و ظرفیت کاتیونی بالا و خصوصیات تبادل یون، نانوزئولیت به عنوان ماده‌ای با اهمیت در مهندسی کشاورزی و محیط زیست، افزایش بازده محصول و بهبود کارایی عناصر غذایی، حامل کودهای کندرها، حشره‌کش‌ها، قارچ‌کش‌ها و علف‌کش‌ها و به دام انداختن فلزات سنگین است.
1- مقدمه
با افزایش فشار جمعیت بر منابع طبیعی زمین، امنیت جهانی غذا کاهش یافته است؛ که آن هم به دلیل کاهش کیفیت و کمیت منابع پایه خاک است. تجزیه منابع خاک نشان داد که کاهش تولید غذا در نتیجه تهی شدن ذخیره‌های عناصر خاک، کاهش ذخیره کربن آلی خاک، آلودگی فلزات سنگین و غیره است. حذف پیوسته عناصر غذایی از خاک بدون پر شدن دوباره و کافی آن، سبب شده است که حاصلخیزی خاک کم شود که با مشکلات کارایی کم اصلاح‌کننده‌ها، مخصوصاً کودهای شیمیایی و آب، تشدید می‌شود. بنابراین استفاده از نانوزئولیت در مدیریت حاصلخیزی خاک و کشاورزی مورد توجه قرار می‌گیرد. نانوزئولیت‌ها، آلومینوسیلیکات‌های کریستاله‌ای هستند که در سنگ‌های رسوبی و سنگ‌های آتشفشانی گزارش شده‌اند و در سنگ‌شناسی به‌عنوان شاخص با ارزشی برای محیط‌های رسوبی و ژنتیکی سنگ‌های اصلی هستند. این مواد تکتوسیلیکات‌هایی هستند که نشان‌دهنده یک ساختار سه بعدی باز شامل کاتیون‌های مورد نیاز برای تعادل بار الکتروستاتیک ساختار سیلیکا و آلومین تتراهدرال و حاوی آب هستند. اتصالات مختلف سیلیکا و آلومین چهاروجهی منجر به تشکیل ساختار سه بعدی با منافذ و فضای خالی در بعد مولکولی می‌شود که این فضای خالی توسط کاتیون‌ها و مولکول‌های آب اشغال می‌شوند.ساختار شیمیایی نانوزئولیت‌ها با به کارگیری حرارت و به‌وسیله تبادل یون و آب می‌تواند تغییر کند. دیگر خصوصیات فیزیکوشیمیایی نانوزئولیت شامل حجم فضای خالی بالا در تراکم کم، خصوصیات غربال مولکولی عالی و ظرفیت تبادل کاتیونی بالا است. اگرچه رس‌ها و نانوزئولیت‌ها هردو مواد آلومینوسیلیکاتی‌اند، اما در ساختار متفاوتند. رس‌ها به‌راحتی به ذرات کوچک یا کلوئید‌های خاک شکسته می‌شوند ولی نانوزئولیت‌ها ساختار کریستاله سه بعدی سخت دارند که کنترل بیشتری روی تحریک مولکول‌ها دارد. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصر به‌فرد نانوزئولیت‌ها، همراه با فراوانی آن‌ها در رسوبات و سنگ‌های مشتق شده از مواد مادری آتشفشانی، آن‌ها را در بسیاری از کاربردهای کشاورزی سودمند کرده است.

2- تشکیل نانوزئولیت‌ها
نانوزئولیت‌ها از واکنش سنگ‌های آتشفشانی و لایه‌های خاکستر با آب‌های قلیایی زیرزمینی تشکیل می‌شود. همچنین این مواد در محیط‌های رسوبی در رنج دوره‌هایی از هزار تا میلیون‌ها سال در دریاچه‌های کم عمق بازی کریستاله می‌شوند. نانوزئولیت‌ها بر اساس خصوصیات مورفولوژی، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، قطر مؤثر منفذ، نحوه تشکیل و غیره طبقه‌بندی شده‌اند. بر اساس گزارشی نشان داده شد که گونه‌های نانوزئولیت منحصراً با نسبت Si/Al، به جز heulandite (با نسبت Si/Al<4.0) و clinoptilolite (با نسبت Si/Al>4.0) شناسایی نمی‌شوند. نسبت Si/Al یک خصوصیت مهم نانوزئولیت‌ها است که عدم تعادل بار به علت حضور آلومینیوم در ساختار نانوزئولیت‌ها تعیین‌کننده پارامترهای تبادل یون نانو زئولیت است و انتظار می‌رود سایت‌های پتانسیل اسیدی را تحریک کند. این نسبت به طور معکوس متناسب با محتوای کاتیون است، ضمناً نسبت مستقیمی با پایداری گرمایی دارد. نانوزئولیت‌ها بر اساس نسبت سیلیکا به آلومین به صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
1. نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al پایین (
1/5-1)
2. نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al متوسط (5-2)
3. نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al بالا (چندین هزار-10)
نانوزئولیت‌ها بر اساس قطر منفذ به انواع نانوزئولیت‌های با منفذ ریز، با منفذ متوسط، منافذ درشت و منافذ خیلی ریز طبقه‌بندی می‌شوند. چند نوع طبقه‌بندی دیگر برای نانوزئولیت‌ها انجام گرفته است که شامل طبقه‌بندی بر اساس شکل بلور (بلورهای رشته‌ای، ستونی و مختلط)، بر اساس منشأ شکل‌گیری آن‌ها (انواع رسوبی و آتشفشانی) و بر اساس خواص اسیدی یا بازی تقسیم‌بندی می‌شوند. نانوزئولیت‌های موجود در ایران از نوع رسوبی هستند در حالی‌که اکثر گونه‌های طبیعی نانوزئولیت‌های موجود در جهان از نوع آتشفشانی هستند.

3- ساختار نانوزئولیت‌ها
ساختار نانوزئولیت‌ها در مناطق به دو بخش شکسته می‌شود: ستون‌های ذوب شده حلقه‌ها که با دما منبسط می‌شود و مناطق ستونی داخلی که تمایل به انقباض در اثر حرارت دارند. این تغییرات رقابتی به منجر به تولید یک ماده می‌شود که به طور موازی در ابعاد موازی بلورشناسی a و b منقبض شده و در جهت c منبسط می‌شود. در ساختار نانوزئولیت طبیعی، آب و کاتیون‌ها به طور معکوس می‌تواند به وسیله کاتیون‌های دیگر حذف یا جایگزین شود. ساختار 8 حلقه اشاره دارد به حلقه بسته‌ای که از 8 چهار وجهی پیوندی با اتم‌های سیلیس و آلومین با اتم‌های اکسیژن متعادل ساخته شده است. تحقیقات اخیر در حوزه وسیع تولیدکننده‌های مصنوعی، استخراج بیشتر نانوزئولیت‌ها در فرایندهای تجاری و به کارگیری تکنیک‌های توصیف شده مدرن برای از هم باز کردن کمپلکس‌ها و خصوصیات ساختاری نانوزئولیت متمرکز شده است. به طور کلی ساختار زئولیت به صورت زیر است (شکل 1).

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1- ساختار سه بعدی نانوزئولیت

کلینوپتیلولایت پرمصرف‌ترین نانوزئولیت کشاورزی است که از جمله خصوصیات مهم آن می‌توان به ظرفیت تبادلی بالا (200-300 meq/100gr mineral)، قابلیت هیدراته و دهیدراته شدن، حفظ ساختار اولیه و مقاوم بودن در درجه حرارت‌های بالا اشاره کرد.

4- مشخصات کلی نانوزئولیت‌ها
اکثر مواد نانوزئولیتی به صورت سفید رنگ هستند. با این حال بعضی از آن‌ها که حاوی مقادیر جزئی یا کم آهن هستند، به رنگ زرد کم رنگ یا قهوه‌ای مایل به قرمز دیده می‌شوند. با این حال بعضی از آن‌ها که حاوی مقادیر جزئی یا کم آهن هستند، به رنگ زرد کم رنگ یا قهوه‌ای مایل به قرمز دیده می‌شوند. به طور کلی نوع رسوبی یک گونه زئولیت خاص، در مقابل اسید پایدارتر از نوع آتشفشانی آن است زیرا معمولاً حاوی Si بیشتری است. به طور کلی نانوزئولیت‌ها با خواص زیر مشخص می‌شوند:
درجه بالای آب‌دار شدن- در زمان بی‌آب شدن، تراکم پایین و فضاهای خالی بالایی دارند- ساختمان بلوری اغلب زئولیت‌ها موقع بی‌آب شدن، پایدار می‌ماند- دارای خاصیت تبادل کاتیونی هستند- بلور دهیدراته دارای کانال‌های یکنواختی از نظر مولکولی و اندازه است- خواص فیزیکی متنوعی از قبیل هدایت الکتریکی- ضریب گازها و بخارها- خواص کاتالتیکی- جذب و شبکه یونی
خاصیت تبادل کاتیونی نانوزئولیت از مهمترین خصوصیات آن است. کاتیون‌های قابل تبادل یک نانوزئولیت کاتیون‌هایی هستند که به طور سستی با چهارچوب چهار وجهی پیوند شده و حفظ می‌شوند و به آسانی می‌توانند توسط شستن زئولیت با محلولی قوی از کاتیونی دیگر برداشته شده و مبادله شوند. زئولیت‌ها به دلیل سطح ویژه بالا به عنوان جاذب نیز عمل می‌کنند (شکل 2).

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
 
شکل 2- رفتار تبادلی جذبی نانوزئولیت در سطح

در عمل رفتار تبادل یونی یک نانوزئولیت به عوامل دیگری نیز بستگی دارد که عبارتند از: ناصاف بودن چهار چوب (شکل و ابعاد کانال)، اندازه و شکل یون‌ها (قدرت قطبی بودن)، تراکم بار الکتریکی در کانال‌ها و حفره‌ها، ظرفیت بار منفی بودن و تراکم آن، ترکیب و غلظت در محلول خارجی.
نانوزئولیت‌های طبیعی کلینوپتیلولایت به دلیل تعداد Al کم در ساختمان خود دارای ظرفیت تبادل یونی حدود 2/3 میلی اکی والان در گرم است و ترتیب انتخاب‌کنندگی آن برای جابه‌جایی کاتیون‌های مختلف به صورت زیر است:
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
5- خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها
خواص فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌های طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونه‌های مختلف یک نوع خاص از نانوزئولیت نیز تفاوت‌هایی در خواص فیزیکی (اندازه منفذ، اندازه بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد. موارد استفاده نانوزئولیت‌های مصنوعی و طبیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی وجود دارد. دو فرایند اصلی به عنوان سینتیک فرایند تبادل یون در نانوزئولیت‌ها شناسایی شده‌اند: پخشیدگی ذرات و پخشیدگی لایه. نانوزئولیت‌ها یکی از بزرگ‌ترین مبادله‌کننده‌های درونی کاتیونی هستند و ظرفیت تبادل درونی 2 تا 3 برابر بزرگ‌تر از دیگر انواع کانی‌های یافت شده در خاک‌ها است. نانوزئولیت‌ها به علت توانایی ساختارهای با منفذ ریزشان برای جذب مولکول‌ها در فشار نسبتاً پایین، جاذب‌های توانایی هستند. بنابراین به طور خلاصه نانوزئولیت‌ها مواد طبیعی هستند با توانایی تبادل یون‌ها، جذب گازها و بخار آب و به عنوان غربال با مقیاس مولکولی عمل می‌کند و واکنش‌های کاتالیزوری مختص به اندازه منافذ فیکس شده و سایت‌های فعال در شبکه کریستال را به عهده دارد. جذب آب در هر واحد سلولی نانوزئولیت نسبتاً زیاد است. البته میزان جذب آب بستگی به نوع نانوزئولیت و همچنین نوع کاتیون‌های موجود در کانال‌های آن دارد. به طور کلی عرض کانال‌ها، اندازه کاتیون‌ها و انرژی هیدراتاسیون، تعیین‌کننده میزان آب جذب شده به وسیله این کانی‌ها هستند. جذب انتخابی یون‌های فلزات سنگین Ag و Th در همه نانوزئولیت‌های بسیار متداول مانند کلینوپتیلولایت برای جدا کردن و غیرمتحرک کردن یون‌های رادیواکتیو از فاضلاب‌ها به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

6- زئولیت‌های طبیعی اصلی در کشاورزی
کلینوپتیلولایت از فراوان‌ترین در خاک‌ها و رسوبات است. در میان زئولیت‌های طبیعی کلینوپتیلولایت به طور معمول بیشترین استفاده را در عملیات کشاورزی دارد و به صورت اصلاح‌کننده خاک و بهبود نگهداری نیتروژن در خاک‌ها به کار می‌رود. کلینوپتیولایت که عضوی از گروه heulandites از زئولیت‌های طبیعی است، ظرفیت تبادل کاتیونی بالا دارد و جاذبه زیادی برای یون‌های آمونیوم دارد.

1-6- کلینوپتیلولایت Clinoptilolite
از لحاظ رده‌بندی جزء سلیکات‌هاست و دارای شکستگی ناصاف است. شکل بلوری تقریباً کمیاب و بیشتر در آمریکا، استرالیا، زلاندنو و چک اسلواکی مشاهده شده است. منشأ تشکیل آن هیدروترمال است.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3- کلینوپتیلولایت

استفاده از کلینوپتیلولایت در صنایع و محافل علمی به دلیل خصوصیت تبادل یونی‌اش است که تمایل شدیدی به تبادل با آمونیوم دارد. مثال آن استفاده از آن به عنوان کود است. کاربرد دیگر آن به عنوان رفع کننده بوی بد است.

2-6- شابازیت Chabazite
تکتوسیلیکاتی از گروه نانوزئولیت است. بر حسب غالبیت کاتیون در منطقه به صورت‌های مختلفی دیده می‌شود. کریستال‌های شابازیت حاوی کلسیم، شابازیت-پتاسیم، شابازیت-سدیم و شابازیت-استرنسیم. کریستال‌های شابازیت دارای سیستم تری کلینیک هستند. از لحاظ شکل شبه مکعبی است. معمولاً به صورت جفت‌شده مشاهده می‌شود. رنگ آن‌ها ممکن است بی‌رنگ، سفید، نارنجی، قهوه‌ای، صورتی، سبز یا زرد باشند. درخشش شیشه‌ای دارند.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4- شابازیت

7- کاربردهای کشاورزی نانوزئولیت
کاربردهای کشاورزی نانوزئولیت به اختصار به قرار زیر است: به عنوان ماده جاذب رطوبت در زراعت، افزایش‌دهنده تبادلات کاتیونی و حاصلخیزی، کنترل بو، مواد افزودنی خوراک دام، گلخانه، پرورش گل، سبزیجات، درخت و درختچه، اصلاح خاک چمن، محوطه‌سازی، احداث جنگل (سازمان جنگل‌ها، مزارع درخت)، کاربرد در سیستم‌های آبکشت، تصفیه آمونیاک استخر ماهی و آبزیان.