کاربرد گرافن در محیط زیست - ایران گرافن

یکی دیگر از کاربرد های گرافن کاربرد گرافن در محیط زیست است.

قرن بیست و یکم را قرن محیط زیست نامیده اند. با رشد جمعیت جهان؛ تشدید فعالیت های کشاورزی و صنعتی؛ آلودگی هوا، خاک و اکوسیستم های آبی؛ و تغییرات آب و هوایی جهانی؛ مسائل زیست محیطی در حال تبدیل شدن به کانون اصلی توجه سیاسی و علمی است. در حال حاضر تلاش جهانی برای درک تأثیر فعالیت های انسانی بر محیط زیست و توسعه فناوری های جدید برای کاهش پیامدهای بهداشتی و زیست محیطی مرتبط وجود دارد. در میان راهبردهای مختلف برای پرداختن به این چالش‌های محیطی مبرم، پیشرفت‌های اخیر در زمینه فناوری نانو باعث افزایش علاقه به استفاده از خواص منحصر به فرد نانومواد برای کاربردهای زیست‌محیطی شده است.

نانومواد به دلیل ابعاد نانومقیاس خود دارای خواص منحصر به فردی هستند که می توانند برای طراحی فناوری های جدید یا بهبود عملکرد فرآیندهای موجود مورد استفاده قرار گیرند. نانومواد کاربردهای متعددی در تصفیه آب، تولید انرژی و سنجش آلاینده‌ها پیدا کرده‌اند، و تعداد فزاینده‌ای از تحقیقات چگونگی استفاده از نانومواد جدید را برای مقابله با چالش‌های زیست‌محیطی بزرگ توصیف می‌کند. آخرین ماده ای که توجه محققان را به خود جلب کرده، گرافن است، یک لایه دو بعدی از اتم های کربن که در یک ساختار کریستالی شش ضلعی قرار گرفته اند. علاقه به گرافن از خواص فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد آن، به ویژه سطح فوق العاده بالا، تحرک الکترون و حرارتی، و استحکام مکانیکی ناشی می شود.

این ویژگی‌های استثنایی تلاش‌های گسترده‌ای را برای استفاده از گرافن در همه زمینه‌های فناوری، از سیستم‌های الکترونیکی گرفته تا دستگاه‌های زیست‌پزشکی، آغاز کرده است. در زمینه محیط زیست، گرافن و مواد مبتنی بر گرافن برای توسعه مواد جاذب یا فوتوکاتالیستی جدید برای آلودگی‌زدایی محیطی، به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای غشاهای تصفیه آب نسل بعدی، به عنوان مواد الکترود برای نظارت یا حذف آلاینده‌ها و تولید انرژی استفاده شده‌اند. از کاربردهای گرافن در محیط زیست که تا به حال مورد ارزیابی قرار گرفته است می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مواد گرافن برای جذب آلاینده

رشد سریع جمعیت و تشدید فعالیت های کشاورزی و صنعتی منجر به افزایش چشمگیر تعداد آلاینده های منتشر شده در محیط شده است. این آلاینده ها که از نظر ماهیت بسیار متنوع هستند، یک نگرانی بزرگ زیست محیطی و بهداشت عمومی را نشان می دهند. در نتیجه، یک تلاش جهانی برای توسعه فن آوری های قوی برای حذف موثر آلاینده ها از هوا و آب و خاک وجود دارد.

در میان این فناوری ها، جذب یک روش سریع، ارزان و موثر برای حذف آلاینده ها از محیط های آب، خاک و هوا است. جذب فرآیندی است که در آن آلاینده (جاذب) توسط نانومواد (جاذب) از طریق فعل و انفعالات فیزیکوشیمیایی جذب می شود. غشاهای اکسید گرافن در حذف آلاینده ها از آب، از جمله فلزات سنگین، آلاینده های آلی و باکتری ها، از خاک مانند هیدرو کربن های آروماتیک چند حلقه ای و از هوا مانند اکسید نیتروژن و ریز ذرات و غیره کاربرد دارند. که کاربرد گرافن در محیط زیست یکی از راهکار های حل این مشکلات است.

جذب و ذخیره کربن

مواد مبتنی بر گرافن را می توان برای جذب و ذخیره کربن استفاده کرد. مساحت سطح بالا و ماهیت متخلخل گرافن آن را به یک جاذب عالی برای جذب دی اکسید کربن از گازهای دودکش تبدیل می کند. در CCS، گرافن می تواند به عنوان یک غشای انتخابی برای جذب دی اکسید کربن (CO₂) از انتشارات صنعتی یا نیروگاهی استفاده شود.

گرافن در محیط زیست کاربرد زیادی دارد یکی از این کاربرد ها این است که غشاهای مبتنی بر گرافن گزینش پذیری بالایی برای جذب CO₂ نشان داده اند و در عین حال به گازهای دیگر اجازه عبور می دهند که می تواند هزینه و انرژی مورد نیاز برای جداسازی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. علاوه بر این، گرافن همچنین می تواند به عنوان یک حسگر برای تشخیص و نظارت بر سطوح CO₂ در محیط استفاده شود. از مواد مبتنی بر گرافن نیز می توان در ساخت و مواد ذخیره سازی کربن مانند نانو لوله های کربنی استفاده کرد.

انرژی زمین گرمایی

گرافن به عنوان یک ماده بالقوه برای استفاده در کاربردهای انرژی زمین گرمایی به دلیل خواص حرارتی و الکتریکی منحصر به فردش مورد بررسی قرار گرفته است. انرژی زمین گرمایی یک منبع انرژی تجدید پذیر است که برای تولید برق به گرمای ذخیره شده در پوسته زمین متکی است. یکی از کاربردهای بالقوه گرافن در انرژی زمین گرمایی به عنوان ماده ای برای مبدل های حرارتی است.

مبدل های حرارتی دستگاه هایی هستند که گرما را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می کنند و جرء مهم نیروگاه های زمین گرمایی هستند. رسانایی حرارتی بالا و اسنحکام مکانیکی گرافن آن را به ماده ای جذاب برای استفاده در مبدل های حرارتی تبدیل می کند، زیرا به طور بالقوه می تواند کارایی و دوام آن ها را بهبود بخشد. یکی دیگر از کاربردهای گرافن در انرژی زمین گرمایی به عنوان ماده ای برای پوشش چاه های زمین گرمایی است.

چاه های زمین گرمایی در پوسته زمین حفر می شوند تا به آب گرم و بخاری که برای تولید برق استفاده می شود دسترسی پیدا کنند. روکش چاه برای محفاظت چاه در برابر ریزش و جلوگیری از آلودگی آب های زیرزمینی استفاده می شود. استحکام مکانیکی بالای گرافن و مقاومت در برابر خوردگی آن را به یک ماده بالقوه برای پوشش چاه تبدیل می کند، زیرا می تواند دوام آن ها را بهبود بخشد و هزینه های نگهداری را کاهش دهد.

علاوه بر این کاربردها، گرافن نیز به عنوان یک ماده بالقوه برای ذخیره انرژی حرارتی در سیستم های زمین گرمایی مورد بررسی قرار گرفته است. ذخیره انرژی حرارتی جزء مهمی از سیستم های انرژی گرمایی است، زیرا امکان ذخیره گرمای اضافی را در دوره های تقاضای بالا مورد استفاده قرار گیرد. رسانایی حرارتی بالا و مساحت سطح بزرگ گرافن آن را به ماده ای بالقوه برای استفاده در سیستم های ذخیره انرژی حرارتی تبدیل می کند، زیرا می تواند کارای و ظرفیت آن ها را بهبود ببخشد.

حسگرهای گاز

حسگرهای گاز مبتنی بر گرافن را می توان برای نظارت بر کیفیت هوا با تشخیص گازهای مضر مانند دی اکسید نیتروژن، مونو اکسید کربن و دی اکسید گوگرد استفاده کرد. این گازها اثرات نامطلوبی بر سلامت انسان و محیط زیست دارند. سنسورهای گاز مبتنی بر گرافن مزایای متعدی نسبت به سنسورهای گاز سنتی دارند، ازجمله حساسیت بالا، انتخاب پذیری و پایداری. مساحت سطح بالا و رسانای الکتریکی عالی گرافن امکان تشخیص غلظت کم گازها را فراهم می کند.

حسگرهای گاز مبتنی بر گرافن همچنین می توانند در دمای اتاق کار کنند و از نظر انرژی کارآمد و مقرون به صرفه باشند. یکی از کابردهای گرافن در سنجش گاز محیطی در پایش کیفیت هوای شهری است. حسگرهای گاز مبتنی بر گرافن را می توان در شبکه های پایش کیفیت هوا ادغام کرد تا داده های بی درنگ در مورد سطوح آلودگی هوا فراهم کند. این اطلاعات می تواند برای اطلاع رسانی تصمیمات سیاسی و مداخلات بهداشت عمومی برای کاهش قرار گرفتن در معرض آلاینده های مضر مورد استفاده قرار گیرد. که از کاربرد های جالب گرافن در محیط زیست است.

یکی دیگر از کاربردهای گرافن در محیط زیست استفاده از آن در سنجش گازهای محیطی در پایش کیفیت هوای داخل ساختمان است. حسگرهای گاز مبتنی بر گرافن را می توان برای تشخیص ترکیبات آلی فرار (VOCs) در محیط های داخلی استفاده کرد. VOCها توسط محصولات خانگی مانند لوازم پاک کننده و خوشبو کننده هوا منتشر می شوند و می توانند اثرات نامطلوبی بر سلامتی داشته باشند.

با ترکیب مواد مبتنی بر گرافن در سیستم های تصفیه آب و هوا و همچنین سیستم های اصلاح خاک و آب های زیرزمینی و تولید انرژی می توان کارایی و پایداری این سیستم ها بهبود بخشید و تاثیر آلودگی بر محیط زیست را کاهش داد. با وجود خواص منحصر به فرد گرافن که آن را به ماده ای جذاب برای انواع کاربردهای زیست محیطی تبدیل می کند؛ ولی تحقیقات در مورد استفاده از گرافن در مدیریت زیست محیطی هنوز در مراحل اولیه قرار دارد و انتظار می رود در آینده کاربردهای گرافن در محیط زیست افزایش یابد.

منبع:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b04758

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/ee/c3ee43385d