حسگری برای کنترل یونهای فلزی

یکی از اصلی ترین فعالیت های انجام شده برای بهبود عملکرد صنایع ، ارائه راهکارهایی برای کاهش مخاطرات زیست محیطی ناشی از آنهاست.

کد خبر: ۱۳۷۸۹۰

یکی از عوامل پرخطر حاصل از فعالیت های صنعتی ، آزاد شدن بدون کنترل یونهای عناصر فلزی سنگین چون نقره ، جیوه و سرب است. چرا که این عناصر می توانند از طرق مختلف به صورت مستقیم یا غیرمستقیم وارد بدن انسان و به بروز انواع بیماری ها منجر شوند.حال محققان گروه شیمی دانشگاه امیرکبیر به سرپرستی دکتر مهران جوانبخت موفق به طراحی و ساخت نوعی حسگر شیمیایی شده اند که قادر به اندازه گیری یون نقره در صنایع مختلف است. گفتگوی ما را با وی بخوانید.

اصولا حسگر شیمیایی چه نوع سیستمی است و در کدام دسته از صنایع و به چه منظور به کار گرفته می شود؛
حسگرهای (سنسورهای) شیمیایی (Chemical sensors) سیستم هایی هستند که قادر به تشخیص و اندازه گیری یک گونه بر اساس روشهای شیمیایی هستند. یک دسته از حسگرهای شیمیایی که بر اساس روشهای الکتروشیمیایی کار می کنند، حسگرهای الکتروشیمیایی نامیده می شوند. حسگر طراحی شده در این طرح یک نوع حسگر الکتروشیمیایی است.
در دهه های اخیر کارهای زیادی برای ابداع روشها و وسایلی که بتواند تجزیه یک گونه خاص با مقدار کم را در حضور دیگر اجزای موجود در نمونه با دقت و حساسیت بسیار زیاد ممکن کند، انجام شده است. حسگرهای شیمیایی در آزمایشگاه ها و صنایع مختلف (شیمیایی ، پتروشیمی و نفت ، نساجی ، فلزی ، غذایی و دارویی) به منظور اندازه گیری و کنترل غلظت گونه های مورد نظر به کار می روند.

کنترل و اندازه گیری یونهای فلزی و بویژه یون نقره از چه نظر در صنایع اهمیت دارد؛
در قسمت کنترل کیفیت صنایع مختلف ، اندازه گیری و کنترل کمی یونهای فلزی مهم است. برای مثال ، سختی آب مورد مصرف در صنایع مهم است و میزان دقیق یونهای فلزی آبی که برای مصارف دارویی و غذایی استفاده می شود و یا آبی که در بویلرها و راکتورها وارد می شود باید کاملا مشخص و کنترل شده باشد. امروزه میزان یونهای فلزی باید در پسآب کارخانه ها نیز کنترل شود تا به اکوسیستم و محیط زیست صدمه وارد نشود. با توجه به موارد مصرف نقره در صنایع مختلف از جمله صنایع فلزی (آلیاژهای مختلف نقره)، صنایع شیمیایی (انواع نمکهای نقره و محلول ها و فیلمهای عکاسی) و صنایع دارویی (انواع داروها و فرمولاسیون های شامل نقره)، اندازه گیری یون نقره در این صنایع و پسآب مربوط به آنها کاملا ضروری و اجتناب ناپذیر است.

افزایش یا کاهش میزان مشخصی از این یون فلزی چه تبعاتی را از نقطه نظر زیست محیطی و صنعتی به همراه دارد؛
یونهای عناصر سنگینی مانند نقره ، جیوه ، سرب ، کادمیم و کروم در صورتی که بدون کنترل در محیطزیست رها شوند، باعث تغییر در اکوسیستم اطراف می شوند. مقدار این عناصر در انواع سبزیجات ، میوه ها، ماهی ها و جانوران افزایش می یابد و به صورت مستقیم و غیر مستقیم وارد بدن انسان و باعث انواع بیماری ها می شوند.

ساخت حسگری شیمیایی برای اندازه گیری یون نقره با چه انگیزه ای صورت گرفت؛
تجزیه و اندازه گیری مقدار یون نقره در یک نمونه که از بافت پیچیده ای برخوردار است ، همواره با مشکلاتی روبه رو بوده است که فراروی کارشناسان تجزیه مواد در رشته های مختلف قرار داشته است. این تحقیق به منظور طراحی یک حسگر الکتروشیمیایی برای اندازه گیری یون نقره (حتی در مقادیر بسیار کم) در حضور دیگر اجزای موجود در نمونه با دقت و حساسیت بسیار زیاد، انجام شده است. از طرفی این روش مزایایی از جمله سادگی و ارزان بودن وسایل مربوطه و همچنین سهولت کار را نیز به همراه دارد.

آب سخت

سختی آب که معمولا قابلیت آب در فعل و انفعال با صابون را تداعی می کند، به مجموعه املاح کلسیم و منیزیم موجود در آب که برحسب میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم بیان می شود، اطلاق می گردد. تجربه نشان داده است ، آبهای سخت در صورت حرارت دیدن ، بر جداره تاسیسات حرارتی ، رسوبات کربناتی از خود باقی می گذارند. وجود این رسوبات نه تنها باعث هدر رفتن گرما می شود، بلکه باعث خسارت دیدن جدار تاسیسات نیز خواهد شد. مطالعه نشان داده است مصرف آبهای سخت تر، مرگهای ناشی از امراض قلبی و عروقی را بشدت کاهش می دهد. در حال حاضر هیچ گونه رابطه ای میان پیدایش سنگ کلیه و سختی آب گزارش نشده است.
تجربه نشان داده است ، روزانه 35 درصد کلسیم و منیزیم مورد نیاز از طریق مصرف مواد غذایی جذب بدن می شود. عوارض مطلوب و نامطلوب مصرف آبهای سخت و سبک به 2 گروه آثار شیمیایی و آثار فیزیولوژیکی تقسیم می شوند. از مهمترین آثار نامطلوب شیمیایی مصرف آبهای سخت ، ایجاد رسوبات در تاسیسات حرارتی منازل است که با آب در تماس هستند؛ مانند کتری ، سماور و نیز ایجاد رسوبات سخت کربنات کلسیم در دیگ های بخار که هردو مورد باعث بروز خسارت در وسایل زندگی و تاسیسات صنعتی می شود. آبهای نرم و با pH پایین تر تمایل زیادتری در انحلال املاح و فلزات موجود در شبکه های توزیع آب دارند. به همین دلیل در این گونه آبها همواره فلزاتی نظیر سرب ، کادمیوم ، روی و مس دیده می شود که مصرف مداوم آنها هر کدام با اثرات فیزیولوژیک خاصی در مصرف کننده همراه است

طی چه مکانیسمی این سنجش در سیستم طراحی شده از سوی شما صورت می گیرد؛
حسگر طراحی شده متناسب با غلظت یون نقره پتانسیل سطح آن تغییر می کند. این تغییرات پتانسیل را می توان با یک میلی ولت متر ساده اندازه گیری کرد و به غلظت یون نقره ربط داد. از این نظر حسگر مورد نظر را حسگر پتانسیومتری نیز می گویند.

طرح شما چه مزیت هایی در مقایسه با نمونه های مشابه در دنیا دارد؛ تا کنون این اندازه گیری چگونه صورت می گرفته است؛
مزیت این حسگر در مقایسه با نمونه های مشابه تکرارپذیری ، گزینش پذیری بالا، طول عمر و پایداری آن است. یکی از مشکلات اصلی حسگرهای شیمیایی ، طول عمر و پایداری کم آنهاست . از طرفی حسگرهای تجارتی در حال حاظر قیمت بالا و گزینش پذیری پایینی دارند.
حسگر طراحی شده در این طرح ، طول عمر و پایداری حداقل 2 برابر نمونه های مشابه در دنیا دارد و با هزینه 10 - 20 درصد نمونه های خارجی قابل تهیه است.

چرا از ترکیبات سیلیکا ژل در این طرح استفاده کرده اید؛ این ترکیبات چه خصوصیاتی دارند؛
ابتکار ما در این طرح استفاده از ترکیبات سیلیکاژل متخلخل با ابعاد نانو بوده است. این ترکیبات بر پایه سیلیس هستند که ابتدا در ابعاد نانو متخلخل شده و بعد ترکیبات آلی مورد نظر را روی سطح آنها تثبیت می کنیم.
از آنجا که ترکیبات سیلیس سخت و محکم بوده اند و در آب حل نمی شوند، استفاده از این مواد در حسگر نقره باعث شده است طول عمر و پایداری به میزان قابل توجه ای افزایش یابد.