نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• آرمین جمالی ¹
• حسین یوسفی ²
• مهدی مشکور ³
• استیون سورتسون ⁴
• آلین دوفرن ⁵
• پراشانت کومار ⁶

¹ دکتری تخصصی، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

² دانشیار گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران،

³ دانشیار گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

⁴ استاد دانشکده مهندسی محصولات و سیستم‌های زیستی، دانشگاه مینه‌سوتا، ایالات متحده آمریکا

⁵ استاد دانشگاه گرنوبل آلپ، فرانسه

⁶ مرکز جهانی تحقیقات هوای پاک (GCARE)، استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، استاد دانشکده مهندسی و علوم فیزیکی (FEPS)، دانشگاه سری، انگلیس

چکیده

سابقه و هدف : یکی از روش‌های موثر و مستقیم مقابله با انواع آلودگی هوا، استفاده از فیلترها می‌باشد. نسخه‌های موجود در بازار، از مواد اولیه نفتی ساخته شده‌اند و پسماند حاصل از آن‌ها تبدیل به یک چالش جهانی شده است. در این راستا، جایگزینی مواد اولیه زیستی، بالقوه می‌تواند ضمن حل مشکلات پسماند، بازده فیلتراسیون را نیز افزایش دهد. از جمله این مواد، نانوالیاف سلولز می‌باشد. تمرکز اغلب پژوهش‌ها، بر ساخت فیلتر از نانوالیاف سلولز چوب و روش قالب‌گیری بوده است و مطالعات بر روی نانوالیاف سلولز باکتری و اساسا بررسی انواع مختلف روش‌های لایه نشانی این نانوبیومواد، بسیار محدود می‌باشد. لذا در پژوهش حاضر تلاش شد تا اثرات دو روش لایه نشانی غوطه‌وری و مه‌پاشی، برای ساخت مدیا فیلتر هوا با استفاده از نانوالیاف سلولز چوب و باکتری مورد بررسی و مقایسه قرار گیرد.
مواد و روشها : برای این منظور، نانوالیاف سلولز چوب تولید شده به روش مکانیکی (WCNF) با درجه پلی‌مریزاسیون ۱۲۰۰-۷۰۰ و نانوالیاف سلولز سنتز شده توسط باکتری (BCNF) با درجه پلی‌مریزاسیون ۲۵۰۰-۱۵۰۰ از شرکت دانش بنیان نانونوین پلیمر تهیه گردید. پارچه سلولزی نیز با گراماژ ۳۰ گرم بر متر مربع به عنوان بستر مورد استفاده برای لایه‌نشانی، از شرکت لیو تهیه و در ابعاد ۱۵×۱۵ سانتی متر آماده گردید. جهت ساخت نمونه‌ها ابتدا نانوبیومواد را به غلظت ۵/۰ درصد وزنی به وسیله آب مقطر رسانده و سپس به میزان گراماژ 1/0±2 گرم بر متر مربع بر روی بستر پارچه‌ای سلولزی با روش‌های غوطه‌وری و مه‌پاشی، لایه نشانی شدند. سپس نمونه‌ها به دستگاه خشک کن انجمادی منتقل تا در دمای منفی ۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۰۴/۰ میلی‌بار به مدت ۲۴ ساعت آماده شوند. جهت ارزیابی مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش از آزمون‌هایی نظیر آزمون طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR)، آزمون طیف سنجی پراش اشعه ایکس (XRD) و آزمون پتانسیل زتا استفاده گردید. جهت ارزیابی و مقایسه عملکرد نمونه‌های ساخته شده در این پژوهش نیز از آزمون‌هایی نظیر آزمون میکروسکوپ الکترونی گسیل میدان (FESEM)، آزمون جذب ریزگردهای هوا (Particle removal efficiency)، آزمون افت فشار فیلتر (Pressure Drop) و آزمون محاسبه ضریب کیفیت فیلتر (Quality Factor) استفاده گردید.
نتایج : نتایج آزمون‌های FTIR و XRD نشان داد که مواد اولیه مورد استفاده شامل بستر پارچه‌ای، نانوالیاف سلولز چوب و نانوالیاف سلولز باکتری، همگی از سلولز نوع یک بتا هستند که یکسانی شیمیایی، تشکیل پیوندهای هیدروژنی مؤثر میان نانوبیومواد و بستر را تقویت نمود. تصاویر FESEM بیانگر توزیع یکنواخت‌تر و ساختار شبکه‌ای با منافذ ریزتر در نمونه‌های لایه‌نشانی شده به روش مه‌پاشی نسبت به روش غوطه‌وری بود. بررسی عملکرد فیلتراسیون نشان داد که هر دو روش لایه‌نشانی، بازده جذب بالای ۹۰ درصد را برای تمامی ذرات در دامنه ۳/۰ تا ۱۰ میکرون به همراه داشتند. روش مه‌پاشی در هر دو نوع نانوماده، عملکرد برتری از خود نشان داد که به تشکیل لایه‌ای سطحی و یکپارچه‌تر با قابلیت کنترل دقیق‌تر گراماژ مرتبط است. نانوالیاف سلولز باکتری به‌دلیل درجه پلی‌مریزاسیون بالاتر (۲۵۰۰-۱۵۰۰) و پتانسیل زتای منفی بیشتر (۲۵- در برابر ۱۲-)، بازده جذب بالاتری نسبت به نانوالیاف سلولز چوب در هر دو روش لایه‌نشانی نشان داد. بهترین عملکرد مربوط به نمونه نانوالیاف سلولز باکتری لایه‌نشانی شده به روش مه‌پاشی بود که با بازده جذب ۵۶/۹۹ درصد برای ذرات ۳۰۰ نانومتر و افت فشار ۱۱۲ پاسکال، بالاترین ضریب کیفیت را در میان تمامی نمونه‌ها به خود اختصاص داد. بازده جذب ذرات ۳۰۰ نانومتر برای نمونه‌های نانوالیاف سلولز باکتری ساخته شده به روش غوطه‌وری، نانوالیاف سلولز باکتری ساخته شده به روش مه‌پاشی، نانوالیاف سلولز چوب ساخته شده به روش غوطه‌وری و نانوالیاف سلولز چوب ساخته شده به روش مه‌پاشی به‌ترتیب ۹۲/۹۳، ۵۶/۹۹، ۶۳/۹۱ و ۴/۹۵ درصد و افت فشار آن‌ها به‌ترتیب ۸±۸۸، ۷±۱۱۲، ۴±۹۶ و ۸±۱۱۸ پاسکال بدست آمد.
نتیجه‌گیری: هر دو روش لایه‌نشانی غوطه‌وری و مه‌پاشی، پتانسیل بالایی جهت ساخت مدیا فیلتر هوا زیستی از خود نشان دادند. با این حال، مدیاهای ساخته شده به روش مه‌پاشی کارآمدتر از نمونه‌های ساخته شده به روش غوطه‌وری در هر دو نانوبیوماده بود. از سوی دیگر، بازده جذب نمونه‌های ساخته شده توسط نانوالیاف سلولز باکتری نیز بالاتر از نمونه‌های ساخته شده توسط نانوالیاف سلولز چوب بدست آمد. روش مه‌پاشی برای نانوالیاف سلولز چوب امکان ساخت فیلتر با عملکرد N95 و برای نانوالیاف سلولز باکتری امکان ساخت فیلتر با عملکرد N99 را در این پژوهش فراهم آورد.

کلیدواژه‌ها

• نانوالیاف سلولز چوب
• نانوالیاف سلولز باکتری
• لایه نشانی
• مه‌پاشی
• غوطه‌وری

موضوعات

• نانو کامپوزیت