چکیده

فنآوری نانو عبارتست از فناوری تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید در اندازه های مولکولی و اتمی، در دست گرفتن کنترل این ساختهها و استفاده از ویژگیهایی که در این ابعاد ظاهر میشوند. این تحقیق با هدف شناسایی کاربردهای فناوری نانو در معدن و صنایع معدنی و نیز بررسی فرایندهای تولید مواد معدنی در مقیاس نانو و معرفی برخی از مواد معدنی قابل تولید و استفاده در مقیاس نانو انجام شده است. لذا ضمن مروری بر کاربردهای فنآوری نانو در صنایع معدنی، روشها و فرآیندهای تولید برخی از مواد معدنی در مقیاس نانو مورد بررسی قرار گرفتهاند که فرآیندهای تولید نانوذرات طلا، نانوذرات تیتانیوم، نانوذرات کلسیت و سیلیس از این جمله میباشند. برخی از کاربردهای نانوفنآوری در صنایع معدنی که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفتهاند شامل استفاده از رویکردهای مقیاس نانو در فرآوری مواد معدنی، کاربرد نانوذرات در کاهش هزینههای سوخت دیزل ماشین آلات معدنی، ساخت نانوسنسورهای گازسنجی در معادن زیرزمینی، کاربرد نانوذرات در تولید سیمان و جذب یونهای فلزی از پسابها است.

کلمات کلیدی: فنآوری نانو، نانوذرات، فرآوری مواد، محیط زیست.

-۱ مقدمه

هنگامی که ذرات تا حد نانومتر ریز میشوند از خواص ویژهای برخوردار می شوند. اولین اثر کاهش اندازه ذرات افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات موجب میشود که اتمهای واقع در سطح اثر بسیار بیشتری نسبت به اتمهای درون

۱ دانشجوی کارشناسی ارشد فرآوری مواد معدنی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد.
۲ استادیار فرآوری مواد معدنی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، مرکز پژوهشی زغال سنگ، دانشگاه یزد. rdehghans@yazduni.ac.ir

۶۶۱۱

حجم ذرات بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی واکنشپذیری نانو ذرات را به شدت افزایش میدهد بهگونهای که ذراتشدیداً تمایل به آگلومره یا کلوخهای شدن داشته باشند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزی به محض قرارگیری در هوا به سرعت اکسید میشوند. البته این خاصیت مزایایی هم دربر دارد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت میتوان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیتها با استفاده از این ذرات پیوندهای شیمیایی مستحکمتری بین ماده زمینه و ذرات برقرار کرد. علاوه بر این افزایش سطح ذرات، تولید مواد در ابعاد نانومتر فشار سطحی را تغییر داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتمهای ذرات میشود. فاصله بین اتمهای ذرات با کاهش اندازه آنها کاهش مییابد. البته این امر بیشتر برای نانوذرات فلزی صادق است. در مورد نیمههادیها و اکسیدهای فلزی مشاهده شده است که با کاهش قطر نانو ذرات فاصله بین اتمهای آنها افزایش مییابد. تغییر در فاصله بین اتمها سطح پتانسیل شیمیایی را نیز تغییر میدهد، و این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تاثیرگذار است، ملاحظه میشود که نقطه ذوب با کاهش اندازه ذرات کاهش مییابد و نرخ کاهش نقطه ذوب در اندازه خیلی کوچک بسیار شدید است. بر اساس خواص جدیدی مواد تولید شده در مقیاس نانو، تلاشهایی در جهت استفاده از این فنآوری در معدنکاری و صنایع معدنی نیز در راستای افزایش بهرهوری، کاهش هزینه های تولید و کاهش مشکلات زیست محیطی در دست انجام میباشد که در این تحقیق به مواردی از این چشماندازها اشاره شده است.

-۲روشهای کلی تولید نانوذرات

اصلیترین روشهای ساخت مواد نانو را میتوان در دو روش کلی بالا به پایین و روش پایین به بالا خلاصه کرد. در روش بالا به پایین با استفاده از یک سری ابزارها، مواد از جسم حجیم جدا شده و کوچک میشود تا به اندازههای نانومتری برسد. روش پایین به بالا درست در جهت مخالف روش بالا به پایین است. در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوکهای سازنده مانند اتمها و مولکولها و قرار دادن آنها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خودآرایی، تولید میشوند.[۱] در روش تولید بالا به پائین و جدایش ابعادی این مواد از ایدههای موجود در تجهیزات خردایش مواد معدنی نظیر آسیاها و تجهیزات طبقه بندی ابعادی استفاده زیادی شده است. در روش تولید پایین به بالا برای نانوذرات نیز معمولا نیازمند استفاده از یک عامل تهاجمی شیمیایی کاهنده مانند سدیم بیوهیدرید و هیدرازین است و علاوه بر این ممکن است شامل یک عامل پوشش آلی فرار و حلال تولوئن و یا کلروفرم باشد..[۲] فرآیندهای هیدرومتالورژیکی و بیوهیدرومتالورژیکی پتانسیل بالقوه زیادی را در این زمینه دارا میباشند که برخی از پتانسیلها در حال تبدیل شده به حالت بالفعل هستند. روشهایی که در تولید انبوه مواد نانومتری به کار میروند به طور کلی شامل روشهای مکانیکی، سل ـ ژل، واکنش حالتهای جامد- مایع و چگالش فاز گازی هستند که در ادامه مثالهایی از کاربرد این روشها به اختصار بحث خواهد شد.

-۱-۲روشمکانیکی

این روش یک نمونه از روشهای بالا به پایین است و براساس متلاشی شدن ساختار دانههای درشت استوار است. تکنیک آلیاژسازی مکانیکی روشی است که در آن با استفاده از یک آسیاب ساچمهای انرژی بالا مخلوط پودرهای مختلف را در سطح اتمی با یکدیگر آسیاب و ترکیب میکنند. با استفاده از این تکنیک علاوه بر پودرهای عنصری خالص از پودرهای آلیاژی و سرامیکها، نظیر اکسیدها، نیتریدها و غیره برای ایجاد آلیاژها و کامپوزیتها استفاده میشود. مکانیزمی که در حقیقت به کار میرود، مکانیزم سایش مکانیکی همراه با خرد شدن است. شکست دانهها در حقیقت به علت انرژی است که به آنها انتقال داده میشود، که این انرژی به سرعت دورانی (یا ارتعاشی)، محفظه، اندازه و تعداد گلوله ها، نسبت وزنی گلولهها به ذرات و مدت سایش در حین فرآیند

۶۶۱۶

۶۶۱۱

PML H/V

سایش بستگی دارد. از جمله معایب این روش آلودگی و ناخالصی ناشی از ماده ساینده، ایجاد ساختار خشن در پودرهای تولیدی، عدم یکنواختی در اندازه دانهها وترکیب شیمیایی غیر یکنواخت است۱]و.[۳