کاربرد نانومواد در صنعت معدن

فناوری نانو کاربردهای مختلفی و متنوعی در صنعت معدن دارد و درک بهتر اثرات زیست‌محیطی و بهداشتی استخراج، تولید و استفاده از سوخت‌های فسیلی و معدنی را ممکن می‌سازد. نانومواد در صنعت معدن برای تصفیه و اصلاح آب معدن، بهبود کارایی و عملکرد آن به کار می‌روند. نانوتکنولوژی همچنین در تجزیه‌وتحلیل فلزات سنگین و حذف آنها از منابع غذایی و آب نقش دارد. آنها مزایایی مانند گستره خطی وسیع، حساسیت بالا و گزینش‌پذیری خوب را ارائه می‌دهند. علاوه بر این، فناوری نانو به توسعه نانومواد ایمن‌تر و پایدارتر صنایع مختلف کمک کرده است.

نانوتکنولوژی و نانومواد چیست؟

نانوتکنولوژی با مواد و ساختارهایی در مقیاس نانو سروکار دارد که ذرات و وسایلی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر هستند. نانومواد معمولاً بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر و دارای خواص ویژه‌ای هستند که آنها را در فناوری مفید می‌کند، از جمله مساحت سطح بالا، زیست‌سازگاری و خواص نوری و الکتریکی. چهار نوع اصلی نانومواد عبارت‌اند از: نانوذرات، نانوالیاف، نانولوله‌ها و نانوولامینات. از نانومواد در صنعت معدن برای بهبود کارایی فرایندهای استخراج مواد معدنی استفاده می‌شود. به‌عنوان‌مثال، از نانوذرات می‌توان برای افزایش عملکرد سیالات حفاری و تحریک چاه استفاده کرد. نانوتکنولوژی (nanotechnology) همچنین می‌تواند برای توسعه مواد جدید با استحکام و دوام بهبودیافته برای تجهیزات معدن مورداستفاده قرار گیرد که می‌تواند عمر مفید ماشین‌آلات و کارایی آنها را افزایش دهد.

نمونه‌ای از تکنیک‌های جدید مورداستفاده در صنعت معدن، نانوفیلتراسیون است؛ روشی که لیتیوم را از نفت استخراج و تصفیه می‌کند. در نانوفیلتراسیون از نوع خاصی فیلتر به نام غشا برای جداسازی مواد مختلف محلول در آب استفاده می‌شود. غشا دارای سوراخ‌های ریزی است که فقط ذرات بسیار کوچک می‌توانند از آن عبور کنند. این ذرات به غشا اجازه می‌دهد تا مواد با اندازه‌های مختلف را جدا کند.

موارد استفاده از نانومواد در معدن

بیشترین حوزه‌های نانوتکنولوژی که می‌توانند بر صنعت معدن (نانومواد در صنعت معدن) تأثیر بگذارند، محدود به آزمایشگاه‌های دانشگاهی هستند. یکی از زمینه‌های بالقوه استفاده از نانومواد برای بازیابی مواد معدنی با ارزشی است که به زباله‌ها ختم می‌شوند. این قابلیت با تجهیزات تحلیلی مدرن امروزی برای تشخیص اینکه چه زمانی مواد باارزش در چرخه تولید زباله هستند، وجود دارد. تصور می‌شود که این فرآیند بازیابی می‌تواند شکلی شبیه به روش‌های تحویل دارو داشته باشد که در آن حامل‌های نانومتری می‌توانند گونه‌های موردنظر را از زباله‌ها جذب کنند. باطله‌های معدنی را که زمانی به‌عنوان زباله‌های ناخواسته در نظر می‌گرفتند، اکنون به‌عنوان منبع بالقوه نانومواد ارزشمند با طیف وسیعی از کاربردها در حال ظهور هستند. نانومواد به‌دست‌آمده از باطله‌های معدن پتانسیل ایجاد انقلابی در صنایعی مانند الکترونیک، پزشکی، اصلاح محیط‌زیست و غیره را دارند. در حال حاضر روش جدیدی برای بازیابی مواد معدنی با کمک نانوذرات وجود دارد.

مواد افزودنی روان کننده

ماشین‌آلات سنگین، مانند ماشین‌هایی که در معدن استفاده می‌شوند برای عملکرد بهتر به روانکاری مؤثر متکی هستند. عدم روغن‌کاری مناسب می‌تواند منجر به خرابی ماشین‌آلات و تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌نشده و هزینه بالای تعمیرات شود. برای مقابله با این مشکل، نانومواد در صنعت معدن یک‌بار دیگر مورد بررسی قرار گرفت. نانوذرات به‌عنوان غلتک عمل می‌کنند و به قطعات مکانیکی اجازه می‌دهند به‌راحتی روی آنها حرکت کنند. درحالی‌که بیشتر کاربردهای نانومواد در معدن هنوز در مراحل آزمایش و توسعه خود هستند، آنها پتانسیل زیادی برای ایجاد اختلال در صنعت دارند و روش‌هایی را که در حال حاضر برای ایجاد یک بخش کارآمدتر و سودآورتر مورداستفاده قرار می‌گیرند تغییر می‌دهند.

استفاده از نانومواد گرافن برای حفاری

نمونه‌ای دیگر از کاربرد نانومواد در صنعت معدن استفاده از گرافن در پوشش مانع، مته‌ها و همچنین باعث ایجاد سوراخ‌هایی برای کاوشگر است. این فرایندهای حفاری می‌توانند زمان بر باشند، به‌خصوص زمانی که صحبت از یک سوراخ عمیق است. مته‌ها در برابر سایش مکانیکی، گرما و افزایش فشار زیاد قرار می‌گیرند. نانوماده گرافن از این مته‌ها محافظت می‌کند؛ زیرا در برابر ضربه، دما و گونه‌های شیمیایی فعال پایداری زیادی دارد. استفاده از گرافن مزایای بیشتری دارد و با استفاده از مقدار کمی از این نانوماده می‌توان طول عمر را افزایش و دفعات تعویض مته را کاهش داد. برای شناخت بیشتر گرافن و کاربردهای گرافن به مقاله اختصاصی آن مراجعه کنید.

همچنین استفاده از نانومواد در معدن روشی است برای جداسازی طلا از منابع خام که امکان استخراج بدون استفاده از مواد شیمیایی سمی مانند سیانید (مورداستفاده در فرآیند استاندارد) را فراهم می‌کند محققان آلفا سیکلودکسترین مشتق شده از نشاسته و نمک طلای محلول (KAuBr 4) را با هم مخلوط کردند که سوزن‌های منفرد از هزاران دسته رشته نانومتری فوق مولکولی (۱.۳ نانومتر به قطر) را تشکیل داد. در هر سیم، یون طلا در وسط چهار اتم برم کنار هم قرار می‌گیرد، درحالی‌که یون پتاسیم توسط شش مولکول آب احاطه می‌شود. این یون‌ها به طور متناوب توسط حلقه‌های آلفا سیکلودکسترین احاطه می‌شوند. فرآیند سنتز سوزن نسبتاً سریع است و می‌تواند از نظر تجاری قابل‌دوام باشد.

اهمیت نانومواد در معدن

نانومواد به دلیل خواص منحصربه‌فردی که دارند به موضوع جالبی برای بسیاری از صنایع تبدیل شدند. کاربردهای نانومواد در صنعت معدن عمدتاً هنوز در مرحله توسعه هستند و هنوز برای استفاده در دنیای واقعی معدن آماده نیستند. بااین‌حال، زمانی که آنها از محدوده آزمایشگاه خارج می‌شوند، انتظار می‌رود که تأثیر قابل‌توجهی بر صنعت معدن بگذارند، زیرا آنها تغییر کرده‌اند. دانشمندان توانستند روش پردازش شناورسازی را ابداع کنند که روشی جدید برای جداسازی طلا، نقره، مس و سایر فلزات از سنگ معدن است. این روش شامل خردکردن مواد معدنی به ذرات ریز است که سپس برای جداکردن فلزات و سنگ شناور می‌شوند. سپس یک کلکتور برای جمع‌آوری کانی‌های موردنظر معرفی خواهد شد. در فرآیند جدید، از نانومواد باخاصیت دفع آب استفاده می‌شود و آزمایش‌های آزمایشگاهی تقریباً ۱۰۰ درصد موفقیت را با این روش ثبت کردند.

سوالات متداول کاربرد نانومواد در صنعت معدن

۱- خطرات استفاده از نانومواد در معدن چیست؟

وقتی صحبت از سلامت انسان و محیط‌زیست به میان می‌آید، استفاده از نانومواد در صنعت معدن می‌توانند اثرات نامطلوبی داشته باشند. قرارگیری در معرض طولانی‌مدت می‌تواند منجر به مشکلات تنفسی، قلبی عروقی و تولیدمثل شود.

۲- کاربرد نانومواد در استخراج زمرد چیست؟

یکی دیگر از کاربردهای نانومواد در صنعت معدن استفاده از فناوری نانو برای ردیابی منشأ زمرد است که از نانوذرات (با قطر حدود ۱۰۰ نانومتر) ترکیب شده با DNA استفاده می‌کند. زیرا نانوموادها در برابر فرایندهای استخراج، برش و صیقل مقاومت خواهند کرد.

۳- مزایای اصلی استفاده از نانومواد در صنعت معدن چیست؟

مزایای اصلی استفاده از نانومواد در صنعت معدن این است که آنها برای کاهش اثرات زیست‌محیطی در معدن، حذف فلزات سنگین موجود در فرآیند زهکشی معدن اسیدی و همچنین برای بازیابی تا ۱۰۰٪ فلزات گران‌بها در مواد معدنی خام استفاده می‌شوند.

۴- اثرات مخرب عدم استفاده از نانومواد در صنعت معدن چیست؟

استفاده از نانومواد در صنعت معدن می‌تواند بسیار مفید باشد و سرمایه‌گذاری در آن یک بخش اساسی از فرآیند است. فقدان آن احتمالاً مانع بزرگی برای نوآوری‌ها در بیرون آمدن از آزمایشگاه‌های دانشگاه و کمک مؤثر به این صنعت است.

۵- مهم‌ترین کاربرد نانومواد در صنعت معدن چیست؟

مهم‌ترین کاربرد نانومواد در صنعت معدن در استخراج مواد معدنی برای توسعه لیگاندها و جاذب‌های انتخابی و قابل‌بازیافت با ظرفیت بالا و استخراج یون‌های فلزی ارزشمند و عناصر خاکی کمیاب از محلول‌ها و مخلوط‌ها است.