خلاصه فناوری:
جیوه یک عنصر بسیار سمی و در عين حال طبیعی است که علاوه بر آب آشامیدنی، تقریباً در تمام مشتقات نفت و گاز وجود دارد. درکنار آسیبهای جدی جیوه بر سلامتی، جیوه در صنعت حتی در مقادیر کم میتواند به تجهیزات پردازش گاز، قطعات فلزی مختلف و خطوط لوله در طول زمان آسیب برساند. آتشسوزی مخرب در صنایع گاز بهواسطه اثر مخرب جیوه بر Al cold box یا مشکلات در معرض قرارگیری پرسنل در این زمینه گزارش شده است. پیرو اهمیت موضوع، استانداردهای مختلف در رابطه با میزان جیوه مجاز در صنایع مرتبط با آب و گاز از سالها پیش تدوین شده است. روشهایی که در حال حاضر برای اندازهگیری مورد استفاده قرار میگیرند، استفاده از تجهیزاتی نظیرکروماتوگرافی گازی، طیفسنجی جذب اتمی و طیفسنجی فلوئورسانس اتمی است. این روشها برای نمونههای گازی کمی پیچیدهتر از نمونههای مایع می باشند. هرچند آنها در کل میتوانند دقیق باشند، اما گرانقیمت و مبتنی بر پرسنل آموزش دیده و هزینه نگهداری بالا هستند و امکان استفاده از آنها در محل نمونهگیری نیز فراهم نمیباشد.
پدیدههای مرتبط با پلاسمونیک بیش از یک قرن است که شناخته شدهاند. همچنین پتانسیل آنها برای حسگری چند دههای است که به شدت مورد توجه و انتقال فناوری قرار گرفته است. حسگرهای پلاسمونیکی در حالت کلی در گروه حسگرهای بدون برچسب قرار دارند. به طور کلی، حسگرهای پلاسمونیکی از عناصر سنجشی تشکیل شدهاند که از نانوساختارهای فلزی یا دیالکتریک استفاده میکنند.
پلاسمونهای سطحی (SP) با (یا بدون) گیرندههای کمکی حتی توانایی سنجش یک مولکول هدف (آنالیت) را دارا میباشند. برهمكنش نور باعث ایجاد مدهای SP در نانوساختارهای پلاسمونیکی میشود، که در سطح آنها بسیار متمرکز است. هنگامی که یک محلول حاوی آنالیت با حسگر تماس میگیرد، گیرافتادن آنالیت توسط گیرندهای که روی سطح عنصر حسگر بی حرکت است، باعث ایجاد تغییر اپتیکی قابل اندازهگیری و مبنای حسگری میشود. این طرح می تواند منجر به ارائه محصول جدید، کاهش هزینه حسگری، راحتی در استفاده، کاهش زمان بهدست آوردن نتایج و اندازه کوچک دستگاه گردد. در این راستا، طرحی جهت ساخت محصول حسگر جیوه بر پایه فناوری پلاسمونیک با ویژگیهایی چون انتقال مناسب فناوری از دانشگاه به صنعت، بهبود مستمر در کارایی و در نهايت تلاش جهت دستیابی به دقت لازم بر اساس استانداردهای موجود ارائه شده است.
ضرورت مسئله:
جیوه سابقهای طولانی در ایجاد مشکلات زیستمحیطی و بهداشتی دارد. تلاش برای اصلاح آلودگی جیوه، با توجه به توافقنامه کنوانسیون میناماتا در مورد جیوه (یک معاهده جهانی برای کاهش انتشار جیوه)، و برنامه محیطزیست سازمان ملل متحد از ديرباز شروع شده است. سالها تحقیقات بینالمللی در مورد منابع جیوه اطلاعات ارزشمندی را در مورد مهار آلودگی جیوه به سیاستگذاران در این زمینه ارائه میكند. با این حال، گزارش سال 2013 سازمان ملل بیان میکند که "اندازهگیریهای بهبود یافته، گستردهتر و هماهنگتر مورد نیاز است". حسگرهای پلاسمونیکی این پتانسیل را دارند که ابزارهای پایش جیوه قویتر و ارزانتری را ارائه کنند که برای استقرار میدانی حتی در مکانهای دوردست نيز مناسب باشد. همچنین، حسگرهای پلاسمونیکی میتواند برای سنجش جیوه در فضاهای با دسترسی سخت، مانند داخل خطوط لوله گاز، مناسب باشند. خوراک پالایشگاه از گازهای ترش معمولا تأمین میگردد. با توجه به مقدار جیوه درخوراک پالایشگاه و تأثیرات مضر این ماده، ترکیبات آن به سه شکل عنصری، معدنی و آلی در ترکیبات گاز طبیعی و میعانات گازی وجود دارند. با توجه به اهمیت اثرات خورندگی جیوه در گاز بر روی بعضی از تجهیزات ازجمله Cold Boxها و قطعههای آلومنیومی ضرورت اندازهگیری جیوه در مقیاس نانوگرم بر مترمکعب وجود دارد. معمولاً اندازهگیری جیوه در گاز با روشهای مختلف از نظر دقت و صحت دادهها، نظیر اسپکتروسکوپی جذب اتمی مستقیم، روش بخار سرد با استفاده از محلول جاذب پرمنگنات پتاسیم و استفاده از جاذب طلا به روش جذب اتمی، میتواند انجام پذیرد. این روشها برای صنعت با مشکلات زیادی مانند هزینه بالا، نیاز به کارشناس با تجربه و دانش کافی، هزینه نگهداری دستگاه، نیاز به نمونهبرداری و انتقال به محل آزمایشگاه، عدم دستیابی به نتایج دقیق در عین استفاده از دستگاههای با تکنولوژی بالا روبرو هستند. حسگر پلاسمونیکی مزایای فراوانی مانند ارزانی، سادگی، در دسترستر بودن، قابل حملتر بودن و ... را در مقایسه با روشهای متعارف در اختيار ما قرار میدهد.
مسئله اصلی تحقیق:
بر اساس مستندات علمی، پژوهشهای متنوع و ثبت اختراعهای ارائه شده بههمراه تجربههای پژوهشی، ساخت حسگر پلاسمونیکی جهت عناصر سنگین بهویژه جیوه پتانسیل بسیار بالایی در جهت اجرايی شدن دارد. با توجه به انتقال فناوری از دانشگاه به صنعت، طراحی، ساخت، بهبود و توسعه در راستای ایجاد حسگری با چندین ارزش افزوده مانند راحتی در استفاده، دقت لازم، قابل حمل بودن، کاهش هزینه و صرفهجویی زمانی امكانپذير خواهد شد. متداولترین نانوساختار مورد استفاده در حسگر پلاسمونیکی، یک ذره نانو فلز (NM) است که از پلاسمونهای سطحی جایگزیده (LSP) روی یک بستر دیالکتریک ناشی میشود. تحریک LSP توسط یک موج نور با جذب و پراکندگی شدید نور بههمراه افزایش زیاد میدان الکترومغناطیسی (EM) در مجاورت NM همراه است. طول موجی که تحریک LSP در آن اتفاق میافتد به شکل، اندازه و ترکیب NM بستگی دارد و برای بیشتر فلزات نجیب، در ناحیه مرئی یا مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی قرار دارد. همچنین فناوریهای مرتبط با تشدید پلاسمونیکی سطحی منتشرشونده (PSPR) نیز در فناوری حسگری مورد استفاده قرار گرفتهاند. کارهای اولیه انجام گرفته در این زمینه (ساخت نانوساختار به روش لیتوگرافی درکنار ساخت زیر لایههای نانو ساختار) بهبود مناسب در پارامترهای کمی حسگری را نشان داده است. با توجه به امکان مهندسی و توسعه ساختار ذکر شده جهت شناسایی جیوه درنمونههاي آب-گاز، این طرح در جهت دستیابی به نتایج بهتر با توجه به الزامهای صنعت و تکرارپذیری، قابلیت بهینهسازی بسيار بیشتری را خواهد داشت. در طول فرآیند هر جا نیاز باشد، از شبیهسازیهای مختلف نيز استفاده خواهد شد. ترکیب نانوذرات فلزی و دیالکتریک برای سنجش جیوه در گاز گزینه خوبی است. این روش شامل استفاده از نانوذرات عاملدار است که قادر به جذب جیوه از نمونه گاز هستند. جیوه جذب شده را میتوان با استفاده از نانوذرات فلزی که به عنوان کاتالیزور برای اکسیداسیون بخار جیوه عمل میکنند، اندازهگیری کرد. جیوه اکسید شده حاصل را میتوان به راحتی با استفاده از تکنیکهای تحلیلی مختلف مانند طیف سنجی UV-Vis یا روشهای الکتروشیمیایی شناسایی کرد. پارامترهای مرتبط با حسگری (حساسیت (S)، عامل شایستگی (FOM) و حداقل قابل شناسایی (LOD) ) با استفاده از فناوریهای ذکر شده قابل بهينهسازی تا حد مطلوب خواهند بود. استفاده از نانوذرات فلزی و دیالکتریک برای سنجش جیوه دارای چندین مزیت از جمله حساسیت بالا، گزینش پذیری و پایداری میباشد. علاوه بر این، سنتز این مواد میتواند مقرون به صرفه باشد و آنها را جایگزینی جذاب برای روشهای حسگری معمولی جیوه میکند.
درباره تیم پژوهشی:
نام و نامخانوادگی |
رشته/ مقطع تحصیلی |
همکار/ مشاور طرح |
وضعیت شغلی |
غلامحسین حیدری |
فیزیک/ دکتری |
مدیر فنی-اجرایی |
عضو هیئتعلمی دانشگاه شهرکرد |
محسن درخشان سامانی |
مکانیک/ دکتری |
کارشناس ساخت و تجهیز/ مشاور |
محقق در اداره گاز |
محمدرضا اورعی |
اپتیک و لیزر/ دکتری |
کارشناس و مشاورفنی-اجرایی و بازاریابی |
محقق آزاد و کارشناس تخصصی بازار |
سوابق عرضهکننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی:
دکتر غلامحسین حیدری، (دکتری فیزیک از دانشگاه اصفهان) عضو هیئتعلمی دانشگاه شهرکرد، دارای بیش از یک دهه سابقه کار تحقیقاتی، شبیهسازی و تجربی در حوزه پلاسمونیک میباشند. همچنین سابقه حضور در پژوهشکدههای دانشگاهی کشور آلمان و هلند را نیز دارا هستند.
آقای دکتر محسن درخشانی سامانی، (دکتری مکانیک از دانشگاه امیرکبیر) کارشناس رسمی و محقق در حوزه صنایع گاز کشور میباشند.
آقای دکتر محمدرضا اورعی، ( دکتری اپتیک- لیزر از دانشگاه شهید بهشتی) به غیر از موارد فنی و مشاورههای مناسب علمی-فنی، چندین سال است بهعنوان کارشناس فروش فعالیت میکنند و تجربههای خوبی در قسمت تهیه تجهیزات، بازاریابی، فروش و ... دارا میباشند.
از مزایا و ویژگیهای ساخت و توسعه محصول حسگر پلاسمونیکی جیوه میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- فراهم ساختن سنجش دقیق جیوه و توليد محصول قابل استفاده در صنایع مرتبط با آب، فاضلاب، محیط زیست و گاز
- ایجاد ارزش افزوده در مواردی از قبیل راحتی در استفاده، دقت لازم، قابل حمل بودن، کاهش هزینه و صرفهجویی زمانی در مقایسه با روشهای موجود
- قابلیت مهندسی کردن جنبههای مختلف محصول با استفاده از فناوریهای مرتبط با نانو جهت دستيابی به هدفهای مورد نظر
- قابلیت بهبود مستمر و توسعه
- قابلیت توسعه محصول جهت اندازهگیری سایر عناصر سنگین مانند سرب
- قابلیت مشارکت بینالمللی در ساخت، توسعه و فروش
زمینههای کاربرد این محصول عبارتاند از:
- حسگری و اندازهگیری جیوه در نمونههای آب و گاز
- تعمیم حسگری به نمونههای فاضلاب و زیستمحیطی
- تعمیم حسگری به عناصر آلاینده دیگر
- ساخت محصولات جدید بهعنوان نمونه محصولات با دانش فنی مشابه
خروجیهای مورد انتظار تحقیق:
- ساخت حسگر جیوه سبک و قابلحمل با زمان اندازهگیری کوتاه
- ساختار کلی حسگر دارای عمر مصرف طولانی و قطعات مصرفی ارزان باشد.
- تنظیم حساسیت حسگر در بازه میکروگرم بر مترمکعب ( ) جهت نمونههای مایع و گاز
- توسعه و بالا بردن حساسیت در بازه نانوگرم بر مترمکعب ( )
- امکان اندازهگیری در نمونههای مختلف آب و گاز
- هزینه اجرای طرح حدود 500 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 15 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:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@