تاریخ شروع : 1402/03/25
مهلت ارسال : 1402/04/25
گرنت صندوق نوآوری و شکوفایی:
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500میلیون تومان
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500میلیون تومان
مهلت ارسال پروپوزال به اتمام رسیده است
استفاده از نانوسیلان برای ساخت بتن حاوی باطله معدنی سولفیدی
خلاصه فناوری:
«سیلان‌ها» ترکیبات معدنی با فرمول شیمیایی SiH4 هستند. سیلان و سیلوکسان به صورت آستر و با رویه آکریلیک یا رویه پلیاورتان عملکرد بسیار مناسبی در برابر نفوذ یون کلرید دارند. این مواد، باعث کاهش مقدار آب نسبت به سیمان و بهبود جریانپذیری سیمان می‌شوند؛ همچنین به عنوان پایدارکننده خمیر سیمانی در یخبندان کاربرد دارند و به عنوان ماده محافظ برای ترکيبات سيماني واقع در محيط تهاجمی، استفاده می‌شوند. پس از اعمال این مواد بر روی سطح مخلوط، مولکولهای سيلان با يکديگر واکنش می‌دهند، متراکم می‌شوند، يک فيلم معدنی را می‌سازند و از اين طريق از بستر سيمانی محافظت می‌‌کنند. سیلان‌ها اغلب دو نوع گروه عاملی واکنشپذير (معمولاً قطبی و غير قطبی) در يک مولکول دارند. اين مولکولها معمولاً توسط گروه قطبی (قابل هیدرولیز) آن‌ها از نوع آلکوکسی (-CxHyO) و يک گروه عاملی، معمولاً آلی با الکترونگاتيويته قوی، مشخص می‌شوند. با اين‌حال، علاوه بر اين پيکربندی، سيلان‌هايی با چهار گروه قابل هیدرولیز مانند تترا اتوکسی سيلان (TEOS) و تترامتوکسی سيلان (TMOS) وجود دارند که در فرآیندهای مختلف، بیشتر به کار برده می‌شوند. در عمل، سيلانها بر روی سطح ملات یا بتن پاشيده می‌شوند و به تخلخلهای مویرگی موجود، نفوذ می‌‌کنند؛ در حين نفوذ و در نتیجه واکنشهای شيميايی، رزين سيليکون دافع آب (پليسيلوکسان) بر روي سطح داخلي ساختار مويرگي تشکیل ميشود. سیلان‌ها به طور مستقیم در خمیر سیمانی یا ملات نیز استفاده می‌شوند. استفاده از این مواد، اثرات مثبتی نظیر افزایش خواص مکانیکی بتن و کاهش ترک در حین خشک شدن کامپوزیتهای سیمانی دارد، اما باعث کاهش میزان هیدراسیون سیمان و در نتیجه ایجاد اثر نامطلوب بر مقاومت بتن می‌شوند. از نظر شیمی، سیلان ممکن است یک سری از واکنشهای خودتغلیظ را طی کند تا مشتقات مختلف سیلان از جمله الیگومرهای سیلان و نانوذرات سیلان تشکیل شود. این مشتقات اگرچه از همان سیلان مشتق شدهاند، از نظر خواص و ویژگی‌ها با آن متفاوت هستند. الیگومرهای سیلان نیز ابعادی نانومتری دارند و بسته به تعداد واحدهای سیلان به حالت مایع ویسکوز یا پلیمر نرم، دیده می‌شوند. مشتقات سیلان در ساختارهای مولکولی خود گروههای هیدروکسیل بسیار بیشتری نسبت به مونومرهای سیلان برای اتصال با C-S-H و سایر ترکیبات در خمیر سیمان و ملات دارند. این ویژگیهای مشتقات سیلان به روشهای مختلف بر میزان هیدراسیون سیمان و خصوصیات مکانیکی ملاتها، در مقایسه با مونومرهای سیلان مربوطه، تأثیر میگذارند.
ضرورت مسئله:
هرچند معدنکاری در توسعه جامعه بشری و اقتصاد بسیاری از کشورهای جهان نقش به‌سزایی داشته‌است اما تأثیرات منفی قابل توجهی بر محیط زیست گذاشته است. به عنوان مثال، قسمت بزرگی از سطح زمین تخریب می‌شود، مقدار زیادی باطله جامد روی سطح جمع شده و حفرههای زیرزمینی بسیاری در این فرآیند ایجاد می‌شود که به یک مشکل اساسی تبدیل شدهاست. همچنین باطلههای حاصل از معادن فلزات غیر آهنی غالباً حاوی ترکیبات سولفیدی و مقدار زیادی پیریت و عناصر سمی مانند آرسنیک، مس، روی و جیوه هستند که ممکن است وارد محیط‌زیست شوند. روشهای مختلفی برای مدیریت باطلههای حاوی فلزات سنگين وجود دارد كه شامل خاکبرداری، دفن باطلهها، تصفيه حرارتی، پاک‌سازی الكتروشیمیایی و پوشاندن سطح خاك آلوده است. اما بسياری از اين روشها پرهزينه و بعضاً از منظر زيستمحيطی (به شکل متداول و بدون اصلاح) نيز مخرب هستند. استفاده از باطله معدنی به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در ساخت بتن امکان استفاده مجدد از باطله را فراهم کرده است که نه تنها باعث کاهش آلودگی محیط‌زیست و استفاده از اراضی مرتبط با انباشت باطله (سدهای باطله) می‌شود، بلکه احتمال دارد هزینه تولید بتن را نیز کاهش دهد. از آنجا که سیمان پرتلند یکی از مواد مورد استفاده در صنایع ساخت و ساز است، بیشترین هزینه تولید بتن (%75 هزینه) را به خود اختصاص داده است و یکی از بزرگ‌ترین منابع انتشار گازهای گلخانهای است (حدود 5 تا 7% از کل CO2 تولید شده را تشکیل میدهد). با توجه به اینکه ترکیبات شیمیایی برخی از باطلهها عمدتاً SiO2، Al2O3، CaO و مشابه سیمان است، استفاده از باطله معادن به عنوان جایگزین سیمان، یک راه‌حل جالب‌توجه برای توسعه معادن سبز است. تهیه بتن از باطله، به طور بالقوه يكی از بهترين رويكردهای عملی برای مديريت حجم انبوه باطلههای ناشی از فرآوری است، زيرا مزايای زيستمحيطی، فنی و اقتصادی قابل توجهی را در پی دارد و باعث کاهش استفاده از منابع طبیعی برای ساخت بتن می‌شود. با این‌حال، استفاده از باطله در زمینه بتن معایبی از جمله تاخیر در هیدراسیون و کاهش مقاومت نهایی را در پی دارد. برای غلبه بر این مشکل استفاده از برخی افزودنیها میتواند موثر باشد. نانوذرات سیلان از جمله موادی است که میتواند به عنوان افزودنی در ترکیبات بر پايه سيمان استفاده شود. همچنين سيلانها به عنوان يک ماده محافظ برای ترکيبات سيمانی واقع در محيط تهاجمی، به عنوان درزگیر، به‌طور گستردهای استفاده می‌شوند. پس از اعمال به سطح مخلوط، مولکولهای سيلان با يکديگر واکنش می‌دهند، متراکم شده، يک فيلم معدنی تشکيل می‌دهند و از اين طريق از بستر سيمانی محافظت می‌‌کنند. از این‌رو در طرح حاضر سعی بر آن است که با سنتز نانوذرات سیلان به عنوان یک افزودنی در ملات بتنی، قابلیت ساخت بتن حاوی باطله معدنی ایجاد شود و مقاومت فشاری نمونههای بتنی نیز بهبود یابد.
مسئله اصلی تحقیق :
مشتقات سيلان اگرچه از همان سيلان مشتق شدهاند، اما با آن متفاوت هستند. اليگومرهای سيلان از چند واحد سيلان با وزن مولکولی محدود تشکيل شدهاند. به عنوان مثال، ديمر و تريمر سيلان اليگومرهای سيلان هستند که به ترتيب از دو و سه واحد سيلان تشکيل شدهاند. نانوذرات سيلان نوع ديگری از مشتقات سيلان با هزاران واحد سيلان و وزن مولکولی بالا هستند. اندازههای فيزيکی اليگومرهای سيلان و نانوذرات ممکن است در محدوده نانو باشد که از اندازه مونومر سيلان بزرگتر است. حالت فيزيکی اليگومرهای سيلان بسته به تعداد واحدهای سيلان، مايعی ويسکوز يا پليمری نرم است. با اين‌حال، حالت فيزيکی نانوذرات سيلان جامد است. به‌علاوه، مشتقات سيلان در ساختارهای مولکولی خود گروههای هيدروکسيل بسيار بيشتری از مونومرهای سيلان برای اتصال با C-S-H و ساير ترکيبات در بتن و ملات دارند. اين ويژگيهای مشتقات سيلان بر ميزان هيدراسيون سيمان و خصوصيات مکانيکی ملاتها به روشهای مختلف در مقايسه با مونومرهای سيلان مربوطه تأثير میگذارند. در مجموع میتوان بیان داشت سیلان‌ها چسبندگی بتن را بهبود می‌بخشند، مقدار مصرف آب را کاهش می‌دهند و باعث کاهش ترک در حین خشک شدن ملات سیمان می‌شوند اما از طرفی باعث تاخیر در فرآیند هیدراسیون می‌شوند که این مسئله بر بهبود مقاومت تأثیر نامطلوب میگذارد. بنابراین، استفاده از مشتقات سیلان با تأثیر مثبت بر خواص مکانیکی بدون به خطر انداختن میزان هیدراسیون سیمان باید مورد توجه قرار گیرد. یکی از چالش‌ها در استفاده از سیلان‌ها، اگلومره‌شدن آن‌ها است که اگر از مشتقات سیلان استفاده شود میتوان بر این مشکل غلبه کرد. از این‌رو در این طرح از نانوذرات سیلان به عنوان یکی از مشتقات سیلان در ساخت نمونههای بتنی استفاده خواهد شد.
«سیلان‌ها» ترکیبات معدنی با فرمول شیمیایی SiH4 هستند. سیلان و سیلوکسان به صورت آستر و با رویه آکریلیک یا رویه پلیاورتان عملکرد بسیار مناسبی در برابر نفوذ یون کلرید دارند. این مواد، باعث کاهش مقدار آب نسبت به سیمان و بهبود جریانپذیری سیمان می‌شوند؛ همچنین به عنوان پایدارکننده خمیر سیمانی در یخبندان کاربرد دارند و به عنوان ماده محافظ برای ترکيبات سيماني واقع در محيط تهاجمی، استفاده می‌شوند. پس از اعمال این مواد بر روی سطح مخلوط، مولکولهای سيلان با يکديگر واکنش می‌دهند، متراکم می‌شوند، يک فيلم معدنی را می‌سازند و از اين طريق از بستر سيمانی محافظت می‌‌کنند. سیلان‌ها اغلب دو نوع گروه عاملی واکنشپذير (معمولاً قطبی و غير قطبی) در يک مولکول دارند. اين مولکولها معمولاً توسط گروه قطبی (قابل هیدرولیز) آن‌ها از نوع آلکوکسی (-CxHyO) و يک گروه عاملی، معمولاً آلی با الکترونگاتيويته قوی، مشخص می‌شوند. با اين‌حال، علاوه بر اين پيکربندی، سيلان‌هايی با چهار گروه قابل هیدرولیز مانند تترا اتوکسی سيلان (TEOS) و تترامتوکسی سيلان (TMOS) وجود دارند که در فرآیندهای مختلف، بیشتر به کار برده می‌شوند. در عمل، سيلانها بر روی سطح ملات یا بتن پاشيده می‌شوند و به تخلخلهای مویرگی موجود، نفوذ می‌‌کنند؛ در حين نفوذ و در نتیجه واکنشهای شيميايی، رزين سيليکون دافع آب (پليسيلوکسان) بر روي سطح داخلي ساختار مويرگي تشکیل ميشود. سیلان‌ها به طور مستقیم در خمیر سیمانی یا ملات نیز استفاده می‌شوند. استفاده از این مواد، اثرات مثبتی نظیر افزایش خواص مکانیکی بتن و کاهش ترک در حین خشک شدن کامپوزیتهای سیمانی دارد، اما باعث کاهش میزان هیدراسیون سیمان و در نتیجه ایجاد اثر نامطلوب بر مقاومت بتن می‌شوند. از نظر شیمی، سیلان ممکن است یک سری از واکنشهای خودتغلیظ را طی کند تا مشتقات مختلف سیلان از جمله الیگومرهای سیلان و نانوذرات سیلان تشکیل شود. این مشتقات اگرچه از همان سیلان مشتق شدهاند، از نظر خواص و ویژگی‌ها با آن متفاوت هستند. الیگومرهای سیلان نیز ابعادی نانومتری دارند و بسته به تعداد واحدهای سیلان به حالت مایع ویسکوز یا پلیمر نرم، دیده می‌شوند. مشتقات سیلان در ساختارهای مولکولی خود گروههای هیدروکسیل بسیار بیشتری نسبت به مونومرهای سیلان برای اتصال با C-S-H و سایر ترکیبات در خمیر سیمان و ملات دارند. این ویژگیهای مشتقات سیلان به روشهای مختلف بر میزان هیدراسیون سیمان و خصوصیات مکانیکی ملاتها، در مقایسه با مونومرهای سیلان مربوطه، تأثیر میگذارند.
ضرورت مسئله:
هرچند معدنکاری در توسعه جامعه بشری و اقتصاد بسیاری از کشورهای جهان نقش به‌سزایی داشته‌است اما تأثیرات منفی قابل توجهی بر محیط زیست گذاشته است. به عنوان مثال، قسمت بزرگی از سطح زمین تخریب می‌شود، مقدار زیادی باطله جامد روی سطح جمع شده و حفرههای زیرزمینی بسیاری در این فرآیند ایجاد می‌شود که به یک مشکل اساسی تبدیل شدهاست. همچنین باطلههای حاصل از معادن فلزات غیر آهنی غالباً حاوی ترکیبات سولفیدی و مقدار زیادی پیریت و عناصر سمی مانند آرسنیک، مس، روی و جیوه هستند که ممکن است وارد محیط‌زیست شوند. روشهای مختلفی برای مدیریت باطلههای حاوی فلزات سنگين وجود دارد كه شامل خاکبرداری، دفن باطلهها، تصفيه حرارتی، پاک‌سازی الكتروشیمیایی و پوشاندن سطح خاك آلوده است. اما بسياری از اين روشها پرهزينه و بعضاً از منظر زيستمحيطی (به شکل متداول و بدون اصلاح) نيز مخرب هستند. استفاده از باطله معدنی به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در ساخت بتن امکان استفاده مجدد از باطله را فراهم کرده است که نه تنها باعث کاهش آلودگی محیط‌زیست و استفاده از اراضی مرتبط با انباشت باطله (سدهای باطله) می‌شود، بلکه احتمال دارد هزینه تولید بتن را نیز کاهش دهد. از آنجا که سیمان پرتلند یکی از مواد مورد استفاده در صنایع ساخت و ساز است، بیشترین هزینه تولید بتن (%75 هزینه) را به خود اختصاص داده است و یکی از بزرگ‌ترین منابع انتشار گازهای گلخانهای است (حدود 5 تا 7% از کل CO2 تولید شده را تشکیل میدهد). با توجه به اینکه ترکیبات شیمیایی برخی از باطلهها عمدتاً SiO2، Al2O3، CaO و مشابه سیمان است، استفاده از باطله معادن به عنوان جایگزین سیمان، یک راه‌حل جالب‌توجه برای توسعه معادن سبز است. تهیه بتن از باطله، به طور بالقوه يكی از بهترين رويكردهای عملی برای مديريت حجم انبوه باطلههای ناشی از فرآوری است، زيرا مزايای زيستمحيطی، فنی و اقتصادی قابل توجهی را در پی دارد و باعث کاهش استفاده از منابع طبیعی برای ساخت بتن می‌شود. با این‌حال، استفاده از باطله در زمینه بتن معایبی از جمله تاخیر در هیدراسیون و کاهش مقاومت نهایی را در پی دارد. برای غلبه بر این مشکل استفاده از برخی افزودنیها میتواند موثر باشد. نانوذرات سیلان از جمله موادی است که میتواند به عنوان افزودنی در ترکیبات بر پايه سيمان استفاده شود. همچنين سيلانها به عنوان يک ماده محافظ برای ترکيبات سيمانی واقع در محيط تهاجمی، به عنوان درزگیر، به‌طور گستردهای استفاده می‌شوند. پس از اعمال به سطح مخلوط، مولکولهای سيلان با يکديگر واکنش می‌دهند، متراکم شده، يک فيلم معدنی تشکيل می‌دهند و از اين طريق از بستر سيمانی محافظت می‌‌کنند. از این‌رو در طرح حاضر سعی بر آن است که با سنتز نانوذرات سیلان به عنوان یک افزودنی در ملات بتنی، قابلیت ساخت بتن حاوی باطله معدنی ایجاد شود و مقاومت فشاری نمونههای بتنی نیز بهبود یابد.
مسئله اصلی تحقیق :
مشتقات سيلان اگرچه از همان سيلان مشتق شدهاند، اما با آن متفاوت هستند. اليگومرهای سيلان از چند واحد سيلان با وزن مولکولی محدود تشکيل شدهاند. به عنوان مثال، ديمر و تريمر سيلان اليگومرهای سيلان هستند که به ترتيب از دو و سه واحد سيلان تشکيل شدهاند. نانوذرات سيلان نوع ديگری از مشتقات سيلان با هزاران واحد سيلان و وزن مولکولی بالا هستند. اندازههای فيزيکی اليگومرهای سيلان و نانوذرات ممکن است در محدوده نانو باشد که از اندازه مونومر سيلان بزرگتر است. حالت فيزيکی اليگومرهای سيلان بسته به تعداد واحدهای سيلان، مايعی ويسکوز يا پليمری نرم است. با اين‌حال، حالت فيزيکی نانوذرات سيلان جامد است. به‌علاوه، مشتقات سيلان در ساختارهای مولکولی خود گروههای هيدروکسيل بسيار بيشتری از مونومرهای سيلان برای اتصال با C-S-H و ساير ترکيبات در بتن و ملات دارند. اين ويژگيهای مشتقات سيلان بر ميزان هيدراسيون سيمان و خصوصيات مکانيکی ملاتها به روشهای مختلف در مقايسه با مونومرهای سيلان مربوطه تأثير میگذارند. در مجموع میتوان بیان داشت سیلان‌ها چسبندگی بتن را بهبود می‌بخشند، مقدار مصرف آب را کاهش می‌دهند و باعث کاهش ترک در حین خشک شدن ملات سیمان می‌شوند اما از طرفی باعث تاخیر در فرآیند هیدراسیون می‌شوند که این مسئله بر بهبود مقاومت تأثیر نامطلوب میگذارد. بنابراین، استفاده از مشتقات سیلان با تأثیر مثبت بر خواص مکانیکی بدون به خطر انداختن میزان هیدراسیون سیمان باید مورد توجه قرار گیرد. یکی از چالش‌ها در استفاده از سیلان‌ها، اگلومره‌شدن آن‌ها است که اگر از مشتقات سیلان استفاده شود میتوان بر این مشکل غلبه کرد. از این‌رو در این طرح از نانوذرات سیلان به عنوان یکی از مشتقات سیلان در ساخت نمونههای بتنی استفاده خواهد شد.
| نام و نام‌خانوادگی | رشته/ مقطع تحصیلی | همکار/ مشاور طرح | وضعیت شغلی |
| احمد جمشیدی | محیط زیست/ دکتری |
مدیر فنی | دانشیار دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه تربیت مدرس |
| عالیه ساعدی | فرآوری مواد معدنی/ دکتری | مدیر اجرایی | فارغ‌التحصیل مقطع دکتری از دانشگاه تربیت مدرس |
سوابق عرضه‌کننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی:
جناب آقای دکتر احمد جمشیدی، به عنوان مدیر فنی و مجری طرح، دانشآموخته رشته مهندسی عمران در گرایش مهندسی محیط زیست و دانشیار دانشگاه تربیت مدرس هستند. ایشان طرحهای پژوهشی و مقالات متعددی را در زمینه ساخت بتنهای غیر متداول به ثبت رسانده‌اند؛ H-index ایشان مرتبه 21 است و دارای بیش از 1300 ارجاع علمی هستند. مقالات منتشر شده دکتر جمشیدی از لینک زیر قابل دریافت است.
https://scholar.google.com/citations?user=WAhdeqwAAAAJ&hl=en
سرکار خانم دکتر عالیه ساعدی، به عنوان همکار اصلی طرح و دانشآموخته دکتری فرآوری مواد معدنی از دانشگاه تربیت مدرس هستند. زمینه اصلی تحقیقاتی ایشان بهبود ویژگیهای باطلههای معدنی به منظور استفاده در زمینه بتن است. مقالات اصلی دکتر ساعدی در مجلات معتبر با نمایه Q1+ منتشر شده است.
جناب آقای دکتر احمد جمشیدی، به عنوان مدیر فنی و مجری طرح، دانشآموخته رشته مهندسی عمران در گرایش مهندسی محیط زیست و دانشیار دانشگاه تربیت مدرس هستند. ایشان طرحهای پژوهشی و مقالات متعددی را در زمینه ساخت بتنهای غیر متداول به ثبت رسانده‌اند؛ H-index ایشان مرتبه 21 است و دارای بیش از 1300 ارجاع علمی هستند. مقالات منتشر شده دکتر جمشیدی از لینک زیر قابل دریافت است.
https://scholar.google.com/citations?user=WAhdeqwAAAAJ&hl=en
سرکار خانم دکتر عالیه ساعدی، به عنوان همکار اصلی طرح و دانشآموخته دکتری فرآوری مواد معدنی از دانشگاه تربیت مدرس هستند. زمینه اصلی تحقیقاتی ایشان بهبود ویژگیهای باطلههای معدنی به منظور استفاده در زمینه بتن است. مقالات اصلی دکتر ساعدی در مجلات معتبر با نمایه Q1+ منتشر شده است.
مهم‌ترین مزایای نانوذرات سیلان به عنوان یک افزودنی در ساخت بتن عبارت‌اند از:
- خواص ساختاری و محیط زیستی نمونههای بتنی که در آن‌ها مقادیری از باطلههای معدنی جایگزین سیمان شده است بهبود می‌یابد.
- محصول تولید شده نسبت به محصولات مشابه در بازار قیمت کمتری دارد.
- با مقدار بسیار کم و به‌صرفه قابل استفاده در صنعت بتن است.
- مواد اولیه این محصول عموما دارای درجه صنعتی است و ارزبری چندانی ندارد.
این محصول در تولید انواع محصولات بتنی کاربرد دارد. از جمله این محصولات میتوان به بتنهای غیر متداول که حاوی برخی پسماندهای جامد و انواع باطلههای معدنی هستند اشاره کرد. از محصول ساخته‌شده میتوان برای افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی نمونههای بتنی استفاده کرد.
- تولید یک افزودنی با فناوری نانو به منظور بهبود خواص نمونههای بتنی
- بهینهسازی نانوسیلان تولیدشده برای مصارف کاربردی در زمینه بتن
- کاهش مصرف سیمان در صورت استفاده از محصول تولیدشده
- هزینه اجرای طرح حدود 600 میلیون تومان برآورد می‌شود که حداکثر 70 درصد این مبلغ تا سقف 500 میلیون تومان، از محل حمایت صندوق نوآوری و شکوفایی تامین خواهد شد.
- مدت‌زمان اجرای طرح حدود 9 ماه برآورد می‌شود.
- مالکیت معنوی: مشارکت‌کننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکت‌کننده در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتاب‌دهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجه‌به سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعه‌دهنده، سهم مالکیت قابل‌مذاکره و توافق است).
شماره تماس:
09025555482
09025555471
اینستاگرام:
iran.challenges@
09025555482
09025555471
اینستاگرام:
iran.challenges@