برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۱۳۲
  • بازدید این ماه ۶۳
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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 بوسیله کاتیون‌ها و مولکول‌های آب اشغال شده است و برای تعادل بار الکتریکی واحدهای تتراهدرال آلومینیم و سیلیسیم مورد نیاز می‌باشد. افزایش سطح داخلی منافذ باعث تاثیر 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 نانو زئولیت‌ها، 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 می‌باشد.

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 می‌باشد. 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 می‌باشد. 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 می‌باشند. 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 بکارگیری 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 می‌باشد. 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 دوره‌های از هزار تا میلیون‌ها سال در دریاچه‌های کم عمق بازی کریستاله می‌شوند. نانو زئولیت‌ها را بر اساس خصوصیات مورفولوژی، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، قطر موثر منفذ، نحوه تشکیل و غیره طبقه بندی شده‌اند. بر اساس گزارشی نشان داده شد که گونه‌های نانو زئولیت منحصرا 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 نانو زئولیتها است که عدم تعادل بار به علت حضور آلومینیوم در ساختار نانو زئولیت‌ها تعیین کننده پارامترهای تبادل یون نانو زئولیت می‌باشد 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. نانو زئولیت‌ها بر اساس نسبت سیلیکا به آلومین به صورت زیر طبقه بندی می‌شوند:
1. نانو زئولیت‌های با نسبت Si/Al پایین (1/5-1)
2. نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al متوسط (5-2)
3. نانو زئولیت‌های با نسبت Si/Al بالا (چندین هزار-10)
نانوزئولیت‌ها را بر اساس قطر منفذ به انواع نانوزئولیت‌های با منفذ ریز، با منفذ متوسط، منافذ درشت و منافذ خیلی ریز طبقه بندی می‌شوند. چند نوع طبقه بندی دیگر برای نانو زئولیت‌ها انجام گرفته است که شامل طبقه بندی بر اساس شکل بلور (بلورهای رشته‌ای، ستونی و مختلط)، بر اساس منشا شکل‌گیری آن‌ها (انواع رسوبی و آتشفشانی) و بر اساس خواص اسیدی یا بازی تقسیم بندی می‌شوند. نانو زئولیت‌های موجود در ایران از نوع رسوبی هستند در حالی‌که اکثر گونه‌های طبیعی نانو زئولیت‌های موجود در جهان از نوع آتشفشانی هستند.

3- ساختار نانو زئولیت‌ها
ساختار نانو زئولیت‌ها 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 بطور موازی در ابعاد موازی بلورشناسی a و b منقبض شده و در جهت c منبسط می‌شود. در ساختار نانو زئولیت طبیعی، آب و کاتیون‌ها به طور معکوس می‌تواند بوسیله 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 تولید کننده‌های مصنوعی، استخراج بیشتر نانو زئولیت‌ها در فرایندهای تجاری و بکارگیری تکنیک‌های توصیف شده مدرن برای از هم باز کردن کمپلکس‌ها و خصوصیات ساختاری نانو زئولیت متمرکز شده است. بطور کلی ساختار زئولیت به صورت زیر می‌باشد. (شکل 1)

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1- ساختار سه بعدی نانو زئولیت

کلینوپتیلولایت پر مصرف‌ترین نانوزئولیت کشاورزی می‌باشد 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 نمود.

4- مشخصات کلی نانو زئولیت‌ها
اکثر مواد نانو زئولیتی 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 می‌باشند. به طور کلی نانو زئولیت‌ها با خواص زیر مشخص می‌گردند:
درجه بالای آب‌دار شدن- در زمان بی آب 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 می‌باشد- خواص فیزیکی متنوعی از قبیل هدایت الکتریکی- ضریب گازها و بخارها- خواص کاتالتیکی- جذب و شبکه یونی
خاصیت تبادل کاتیونی نانو زئولیت از مهمترین خصوصیات آن است. کاتیون‌های قابل تبادل یک نانو زئولیت کاتیون‌هایی هستند که به طور سستی با چهارچوب چهار وجهی پیوند شده و حفظ می‌گردند و به آسانی می‌توانند توسط شستن زئولیت با محلولی قوی از کاتیونی دیگر برداشته شده و مبادله گردند. زئولیت‌ها به دلیل سطح ویژه بالا به عنوان جاذب نیز عمل می‌کنند. (شکل 2)

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

در عمل رفتار تبادل یونی یک نانو زئولیت 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.
نانو زئولیت‌های طبیعی کلینوپتیلولایت به دلیل تعداد Al کم در ساختمان خود دارای ظرفیت تبادل یونی حدود 2/3 میلی اکی والان در گرم می‌باشد و ترتیب انتخاب کنندگی آن برای جابجایی کاتیون‌های مختلف به صورت زیر است:
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
5- خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانو زئولیت‌ها
خواص فیزیکی و شیمیایی نانو زئولیت‌های طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونه‌های مختلف یک نوع خاص از نانو زئولیت نیز تفاوت‌هایی در خواص فیزیکی (اندازه منفذ، اندازه بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد. موارد استفاده نانو زئولیت‌های مصنوعی و طبیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی وجود دارد. دو فرایند اصلی به عنوان سینتیک فرایند تبادل یون در نانو زئولیت‌ها شناسایی شده‌اند: پخشیدگی ذرات و پخشیدگی لایه. نانو زئولیت‌ها یکی از بزرگترین مبادله کننده‌های درونی کاتیونی می‌باشند و ظرفیت تبادل درونی 2 تا 3 برابر بزرگتر از دیگر انواع کانی‌های یافت شده در خاک‌ها است. نانو زئولیت‌ها بعلت توانایی ساختارهای با منفذ ریزشان برای جذب مولکول‌ها در فشار نسبتاً پایین، جاذبهای توانایی هستند. بنابراین بطور خلاصه نانو زئولیت‌ها 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 نانو زئولیت نسبتاً زیاد است. البته میزان جذب آب بستگی به نوع نانو زئولیت و هم‌چنین نوع کاتیون‌های موجود در کانال‌های آن دارد. بطور کلی عرض کانال‌ها، اندازه کاتیون‌ها و انرژی هیدراتاسیون، تعیین کننده میزان آب جذب شده به وسیله این کانی‌ها هستند. جذب انتخابی یون‌های فلزات سنگین Ag و Th در همه نانو زئولیت‌های بسیار متداول مانند کلینوپتیلولایت برای جدا کردن و غیر متحرک 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 اصلاح کننده خاک و بهبود نگهداری نیتروژن در خاک-ها به کار می‌رود. کلینوپتیولایت که عضوی از گروه heulanditesاز زئولیت‌های طبیعی است.ظرفیت تبادل کاتیونی بالا دارد و جاذبه زیادی برای یون‌های آمونیوم دارد.

1-6- کلینوپتیلولایت Clinoptilolite
از لحاظ رده بندی جزء سلیکات‌هاست و دارای شکستگی ناصاف است. شکل بلوری تقریبا کمیاب و بیشتر در آمریکا، استرالیا، زلاندنو و چک اسلواکی مشاهده شده است. منشا 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 می‌باشد که تمایل شدیدی به تبادل با آمونیوم دارد. مثال تپیک آن استفاده از آن بعنوان کود می‌باشد. کاربرد دیگر آن بعنوان رفع کننده بوی بد می‌باشد.

2-6-شابازیت Chabazite
تکتوسیلیکاتی از گروه نانو زئولیت 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 می‌باشد. معمولا به صورت جفت شده مشاهده می‌شود. رنگ آن‌ها ممکن است بی‌رنگ، سفید، نارنجی، قهوه‌ای، صورتی، سبز و یا زرد باشند.درخشش شیشه‌ای دارند.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4- شابازیت

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