استفاده در الکترونیک و تجهیزات انرژی باتریها: بخاطر تخلخل باﻻی اکسید ایروژلها، بسیاری از یونهای کوچک می تواند در شبکه آنها قرار گیرد. علاوه بر این، این دسته ازایروژلها عایق های حرارتی خوبی هستند که میتوانند در باتریهای الکتریکی با حرارت باﻻ استفاده شوند.
الکترود خازن: ایروژلها به عنوان الکترود دوﻻیه ای در ابر خازنها کاربرد دارند. آنها مقاومت الکتریکی کمی در حد ۳ تا ۱۰ اهم دارند. ظرفیت ویژه کربن ایروژلهای مشتق شده ازایروژلهای رزورسینول- فرمالدهید حدود ۴۵ فاراد بر گرم در هر الکترولیت آبی است.
ذخیره کننده انرژی: ایروژلها با دارا بودن مساحت داخلی باﻻ میتوانند بارهای الکتریکی یونها را به سرعت در فضای کوچک ذخیره کنند و به سرعت آنها را آزاد کنند.
استفاده در صفحه نمایش: ایروژلها بر پایه مغناطیسهای شفاف میتوانند در ساخت حافظههای غیرفعال یا در ساخت صفحه نمایشهای تخت که پیکسل آنها به صورت مغناطیستی کنترل می شود، استفاده شوند.
به عنوان نیمه هادی: برخی ازایروژلها مخصوصا ایروژلهایی از نوع کامپوزیتهای فلزی- کالکوزیت[۲۰] در صنعت نیمه هادی می توانند کاربرد داشته باشند.
به عنوان حامل مواد مختلف: ایروژلها می توانند به عنوان حامل ترکیبات مختلف برای مثال رنگدانهها در داروسازی و کشاورزی استفاده شوند.
کاربرد ایروژل در کاتالیستها: ایروژل های سیلیکا و آلومینا به عنوان کاتالیست در واکنش های آلکیله کردن فریدل کرافتس[۲۱] بکار میرود. مثالهای متعددی از این دسته می تواند ذکر شود.
حسگر: ایروژلها به خاطر داشتن مساحت سطح داخلی باﻻ میتوانند در ساختار سنسورهای شیمیایی زیستی به کار گرفته شوند. همچنین باعث افزایش سطح فعال و حساسیت حسگر میشوند.
ضربه گیرها: شکنندگی ایروژل از معایب این مواد در کاربردهای مهندسی و ساختمانی میباشد. این خاصیت ایروژلها در جذب انرژی سنتیکی بسیار عالی است و در کاربردهای مانند ضربه گیر مفید است (Aegerter and Leventis, 2011).
ایروژل آلومینا
آلومینا ایروژل که از اکسید آلومینیوم(Al2O3) تشکیل شده است از جمله ایروژلهای معدنی است. آلومینیوماکسید در فرم های مختلف α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ وجود دارد که در طول حرارت دادن به هیدروکسیدآلومینیوم بدست می آیند. فرم پایدار آلومینا، آلفا آلومینا هست که در مرحله آخر حرارت دادن بدست می آید. ایروژل آلومینا بیشترین کاربرد را به عنوان پایه کاتالیست دارد به خصوص وقتی که با فلزی مثل نیکل ترکیب شود. در بین صدها پایه کاتالیست، آلومینا به علت مقاومت گرمایی، پایداری شیمیایی و تخلخل بالا مورد توجه است (Abu-Jdayil et al., 2012).
معرفی سیال فوق بحرانی:
یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که بیش از دما و فشار بحرانی اش(Tc ,Pc) فشرده و گرم شدهاست. سیال فوق بحرانی نه گاز است و نه مایع و بهتر است که به عنوان حد واسط دو فاز معرفی شود. این فاز دارای قدرت حلالیتی در حدود مایع است در حالی که خصوصیات انتقال معمول در گازها را دارا می باشد. ویسکوزیته پایین سیال فوق بحرانی به همراه قدرت نفوذ بالای آن همراه با نیروی شناوری بسیار زیاد که سبب دانسیته بسیار بالایی در فصل مشترک می شود سبب بروز خصوصیات انتقال جرم بهتر این سیال در مقایسه با حلالهای معمولی می شود .رفتار حلالیت سیال به فاز مایع نزدیک است و این در حالی است که نفوذ در جامد به وسیله خصوصیات انتقالی مشابه گاز سیال فراهم می شود .در نتیجه سرعت استخراج و جداسازی فازی می تواند به طور قابل ملاحظهای سریع تر از حالتی گردد که فرایند استخراج به طور معمول صورت میگیرد. نکته قابل توجه این است که کشش سطحی یک SCF[22]صفر میباشد. این امر رسیدن به اعماق سوراخهای ریز روی یک ماده جامد را تسهیل می کند. از مزایای اصلی استخراج SCF آن است که حلالیت جزء حل شده در یک حلال با دما و فشار تغییر می کند. حلالهایی که به عنوان سیال فوق بحرانی به کار میروند باید خصوصیاتی از جمله : حلالیت خوب، بی اثر بودن بر محصولات، غیر سمی بودن، خورنده نبودن، جداسازی آسان از محصولات، ارزان بودن و فشار بحرانی پایین - به دلیل مقاصد اقتصادی- را دارا باشند. سازگاری با محیط زیست علاوه بر شرایط مذکور، یک سیال فوق بحرانی را مورد توجه قرار میدهد که در این میان CO2قابل ملاحظه است. علت این امر آن است که دارای ثوابت بحرانی قابل دسترسی (Tc=31/1, Pc=73/8 atm) است، علاوه بر آن ترکیبی ارزان قیمت، از لحاظ شیمیایی پایدار، بی اثر و غیر قابل اشتعال، در کاربردهای اشعه ای پایدار و غیر سمی، از نظر زیست محیطی قابل پذیرش و به سهولت به سیستم باز گردانده می شود (Reverchon et.al, 1999).
تاریخچه سیال فوق بحرانی
در سال ۱۸۲۲ بارون به نقطه بحرانی یک ماده در آزمایشگاه پی برد. او مشاهده کرد که با گرم کردن یک ماده در یک ظرف بسته و شیشه ای در یک دمای مشخص مرز بین فاز گاز و مایع ناپدید می شود و ماده وارد فاز متفاوتی از مایع و گاز که همان فوق بحرانی است می شود. بعد از بارون در سال ۱۸۷۹ هانای و هوگارت اولین کسانی بودند که به قدرت انحلال سیالات فوق بحرانی برای جامدات پی بردند. آنها متوجه شدند که افزایش فشار سیال فوق بحرانی باعث افزایش انحلال حل شونده و کاهش فشار باعث می شود که مواد حل شونده رسوب کنند.
تا سال ۱۹۰۶ محققان فکر میکردند که فقط مایعات در حالت فوق بحرانی حلال خوبی هستند و گازها نمی توانند حلال مواد جامد باشند. اما در سال ۱۹۰۶ بوچنر انحلال نفتالین به عنوان یک ماده نمونه در کربن دی اکسید فوق بحرانی را اندازه گرفت و خلاف این باور را به اثبات رساند. در سالهای بعد سیال فوق بحرانی به خصوص کربن دی اکسید فوق بحرانی کاربردهایی در جداسازی و استخراج پیدا کرد اما چندان مورد توجه نبود. در سال ۱۹۷۰ پیشرفت قابل توجهی در استخراج به وسیله سیال فوق بحرانی توسط زوسل انجام شد و کار او انگیزه ای برای پیشرفت و مطالعه گسترده در آینده شد. او به کمک کربن دی اکسید فوق بحرانی کافئین را از قهوه سبز جدا کرد. از سال ۱۹۸۰ تا کنون مقالات متعددی روی سیال فوق بحرانی و کاربرد آن توسط محققان به چاپ رسیدهاست.
کاربرد سیال فوق بحرانی
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی:
سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی به دو صورت حلال و محیطی برای انجام واکنش استفاده میشوند. از جمله کاربردهای سیالات فوق بحرانی به عنوان حلال، میتوان به استخراج قیر از سنگ نفت زا، استخراج مواد پایه رنگ و استخراج مشتقات نیتروفنل به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی اشاره کرد. به علاوه بسیاری از واکنشهای هیدروژناسیون درمحیط آب فوق بحرانی قابل انجام است.
تولید انرژی به وسیله اکسیداسیون زغال سنگ در آب فوق بحرانی یکی از روش های تولید انرژی است.
تجزیه آنیلین در آب فوق بحرانی: آنیلین یک ماده سمی است که به طور گسترده در صنایع شیمیایی، لاستیک، پلاستیک و صنایع دارویی به عنوان یک ماده اولیه استفاده می شود.
استخراج مواد شیمیایی به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی، مانند استخراج دی اتیل آمونیوم کربامیت یکی از کاربردهای سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی است.
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع غذایی
سیالات فوق بحرانی نسبت به حلالهای مایع از مزایای زیادی برخوردارند. از جمله این مزایا میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
فرایند استخراج بیشتر سیالات فوق بحرانی در دمای پایین انجام می شود. بنابراین، این فرایند برای مواد حساس به دما مناسب است.
در فرایند سیالات فوق بحرانی حلال به طور کامل از محصول قابل بازیابی است و به دلیل کاهش مصرف حلال و استفاده مجدد از آن، از نظر اقتصادی با صرفه است.
عدم حضور حلال در محصول نهایی که باعث بالا رفتن کیفیت محصول نهایی می شود.
وجود این مزایا سبب کاربرد گسترده سیال فوق بحرانی در صنایع غذایی شده است که در زیر به بعضی از آنها اشاره می شود:
استخراج کلسترول (C27H45OH) از چربی گاو به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی،
که مقدار کلسترول استخراج شده با افزایش فشار یا افزایش شدت جریان، CO2 افزایش می یابد.
استخراج روغن زرده تخم مرغ به وسیله دی اکسید فوق بحرانی
پودر کردن روغن نارگیل به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی نیز یکی دیگر از کاربردهای سیالات فوق بحرانی است که به فرایند انبساط سریع محلول فوق بحرانی[۲۳] مربوط می شود.
استخراج اسیدهای چرب از روغن سویا
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع دارویی
یکی از جدیدترین کاربردهای سیالات فوق بحرانی, استفاده از آنها به منظور بلورسازی مواد است.
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع نفت و پتروشیمی
خواصی مانند انتقال جرم، زمان استخراج کم وجداسازی آسان حلال از مواد استخراج شده باعث شده که سیالات فوق بحرانی در صنایع نفت و پتروشیمی کاربرد زیادی داشته باشند. از سیالات فوق بحرانی برای استخراج بسیاری از ترکیبات نفتی مانند پارافین ها, آروماتیک ها و ترکیبات گوگردی استفاده می شود. همچنین از سیالات فوق بحرانی برای تبدیل ترکیبات سنگین نفتی به ترکیبات سبکتر و برای بازیابی بسیاری از کاتالیستهای غیرفعال شده استفاده می شود (احمدپناه، ۱۳۹۲).
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع پلیمر
در صنایع پلیمر توزیع اندازه ذرات پلیمر تولید شده بسیار مهم است. در روشهای معمول برای تغییر توزیع اندازه، ذرات را خرد می کنند یا می سایند، اما بسیاری از مواد را نمی توان به آسانی توسط فرایند خرد کردن به اندازه دلخواه درآورد. یکی از روش ها برای تولید پلیمر با توزیع اندازه مطلوب روش باز تبلور است. از سیالات فوق بحرانی می توان برای گستره وسیعی از مواد به عنوان عامل باز تبلور استفاده کرد. چندین روش برای استفاده از سیالات فوق بحرانی در باز تبلور مواد جامد پلیمری وجود داردکه فرایندگاز ضد حلال و فرایند انبساط سریع محلول فوق بحرانی از جمله آنهاست. کاربرد دیگر سیالات فوق بحرانی در صنایع پلیمر، جداسازی منومر از پلیمر است. پودر کردن پلی اتیلن گلیکول به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی نیز یکی دیگر از کاربردهای سیال فوق بحرانی در صنایع پلیمر است (احمدپناه، ۱۳۹۲).
فصل دوم
پیشینه تحقیق
یلداس در سال ۱۹۷۳ برای اولین بار هیدرولیز الکوکسیدآلومینیوم با آب را در دماهای مختلف انجام داد و تاثیر آن را روی تغییر شکل و ساختار هیدروکسیدهای بدست آمده بررسی کرد. یلداس به این نتیجه رسید که هیدرولیز الکوکسید آلومینیوم با آب داغ منوهیدروکسیدهای شفاف[۲۴] با فرمول شیمیایی AlO(OH) را نتیجه می دهد در حالی که از هیدرولیز با آب سرد منوهیدروکسید بی شکل[۲۵] بدست می آید. در طول فرایند پیرسازی منوهیدروکسیدهای بی شکل به تری هیدروکسید[۲۶] با فرمول شیمیایی Al(OH)3 تبدیل می شوند (Yoldas, 1973).
در سال ۱۹۷۵ یلداس به بررسی تاثیر غلظت الکترولیتها روی حجم ژل آلومینای سنتز شده طی فرایند سل- ژل پرداخت. او به این نتیجه رسید که وقتی غلظت الکترولیت تقریبا ۰۷/۰مول به ازای هر مول هیدروکسید باشد حجم نسبی ژل به سمت کمترین مقدار خود میرود. نمودار ۲-۱ تاثیر غلظت الکترولیت روی حجم ژل را نشان می دهد که از یک اسید معدنی و یک اسید آلی به عنوان الکترولیت استفاده شده است (Yoldas, 1975).
نمودار۲-۱: حجم ژل بر حسب نسبت مولی اسید به هیدروکسید (Yoldas, 1975)
در سال ۱۹۸۷ آرمور و همکارش با هیدرولیز آلومینیوم ایزوپروپکساید[۲۷](AIP) به عنوان پیش ماده و استفاده از متانول به عنوان حلال، ژل آلومینا را سنتز و در شرایط فوق بحرانی متانول خشک کردند. آنها سنتز ژل را در شرایط مختلف انجام دادند و نشان دادند که نسبت حجمی آب به الکل و غلظت AIP در محلول اولیه از جمله پارامترهای موثر بر مساحت سطح و حجم حفرهها هستند (Armor and Carlson , 1987).
بلکریشنان و همکارش در سال ۱۹۹۳ کاتالیست پلاتین بر پایه ایروژل و زیروژل آلومینا را تهیه کردند و تاثیر متغییرهایی چون نسبت آب به الکوکسید فلز و pH محلول اولیه را روی ویژگیهای فیزیکی پایه کاتالیست بررسی کردند. آنها نشان دادند وقتی نسبت مولی آب به پیش ماده برابر با ۳ باشد بیشترین مساحت سطح حاصل خواهد شد و بیان کردند که تغییر pH تاثیری روی میانگین اندازه حفرههای ایروژل ندارد اما مقدار مساحت اندازه گیری شده به کمک جذب نیتروژن در pH های متفاوت تغییر می کند (Balakrishnan and Gonzalez, 1993).
میزوشیما و همکارش در سال ۱۹۹۳ تاثیر چندین افزودنی به ایروژل آلومینا را برای افزایش مقاومت حرارتی بررسی کردند. سیلیکا، فسفریک اسید، اکسید باریم، اکسید لانتانیم و کاربید سیلیسیم[۲۸] در حفظ سطح ویژه ایروژل آلومینا در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد موثر بودند. در واقع این مواد، به ویژه سیلیکا از انتقال فاز آلومینا از آمورف به فازهای تتا و آلفا آلومینا جلوگیری می کنند (Mizushima and Hori, 1993).
میزوشیما و همکارش در سال ۱۹۹۴ ژل آلومینا را با هیدرولیز آلومینیوم سک بوت اکساید و عامل ژل ساز اتیل استو استات سنتز نموده و در شرایط مختلف خشک کردند. در روش اول ژل آلومینای خیس در شرایط فوق بحرانی مخلوط کربن دی اکسید و اتانول و در استخراج کننده کربن دی اکسید در دمای ۸۰ درجه سانتی گراد و فشار ۷/۱۵ مگاپاسکال خشک شد. در روش دوم ژل آلومینا در شرایط فوق بحرانی اتانول، دمای ۲۷۰ درجه سانتی گراد و فشار ۵/۲۶ مگاپاسکال، در اتوکلاو خشک شد. برای روش سوم از خشک کردن ژل با بهره گرفتن از تبخیر در دما و فشار محیط استفاده کردند و ژل خیس را به مدت یک ماه در معرض محیط قرار دادند. در جدول ۲-۱ مشاهده می کنید مساحت ویژه، چگالی و مواد آلی باقی مانده برای این سه روش باهم مقایسه شد (Mizushima and Hori, 1994).
جدول ۲-۱: مقایسه خواص ژل خشک شده به سه روش مختلف (Mizushima and Hori, 1994)
فرم در حال بارگذاری ...
