استخدام علم النانو لتعزيز قابلية التحمل

Key Nanomaterials in Sewer Pipe Applications

Carbon Nanotubes (CNTs)

كما أن الصواريخ الوطنية من طراز CNT هي جزيئات متحركة مصنوعة من صحائف بيانية متجددة، وتمتلك قوة غير عادية أقوى من الفولاذ في السادسة الواحدة، وتضع في نطاقها شبكة تتحول إلى ضغط ناقل ويعرقل الانبوب المكسور، وتختبر فيها الأنابيب المركبة المجهزة بالشبكة التي تعمل على إزالة الأنابيب، والتي تؤدي إلى تلف الأنابيب الميكانيكية.

مادة ديوكسيد التيتانيوم (TiO2)

(أ) إنَّ التحلل التراكمي الثاني هو أحد أكثر المواد النانوية دراسة، إذ إنَّ قدرته على إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلي تجعله نافذاً في الملوثات العضوية المهينة والبكتيريا، وحتى في بعض المواد الكيميائية، وفي تطبيقات الطيف المائي، فإنَّ التطفيُّل من النوع الثاني يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة من بناء المدافن الأحيائية وما يقترن بها من بيئة مسببة للتآكل.

غرافين أوكسيد (GO)

كما أن أكسيد الغريفين هو مشتق من مادة الغرافينيين المزينة بمجموعات تشغيلية للأكسجين، وهو مبعثر في الماء، وكثير من البوليمرات، مما يجعل من السهل معالجة بعض المواد البلاستيكية الاصطناعية التي تحتوي على مادة غاز الكوكتيل، ويمكن أن تختلط في الأنابيب أو التصفيات البوليمرية، لإيجاد حاجز غير قابل للتداول في الغازات والجزئات الصغيرة.

نانوكلاي ونانوسيليكا

وتُحدث هذه الجسيمات النانوية (مثلاً، الممونية) والنانوسيلية (السيليكا المكشوفة، السليليكا) ذات الفعالية الكلفة، والمواد النانوية التي يمكن أن تُحسّن بدرجة كبيرة خصائص كل من المنظومات الخرسانية والبوليمرية، وفي الخرسانات، تتفاعل النانوية مع هيدروكسيد الكالسيوم لتشكل كميات إضافية من الكالسلويثيوم.

طرق التطبيق: إدخال نانوميتريل إلى ساور بيبس

التوابل السطحية واللينغز

ومن أكثر التطبيقات وضوحا تطبيق الملاءمة النانوية على السطح الداخلي للمنافذ الحالية أو أجزاء الأنابيب الجديدة، ويمكن تطبيق التصفيات التي تحتوي على جسيمات نانوية آليا في أنابيب ذاتية كبيرة أو بواسطة رذاذ متطور متطورة في خطوط أصغر، مثلا، يمكن رش خليط من مادة التفريغ السطحي ذاتي الارتداد بعلامتين، مع وجود حاجز متين في الحوائطام.

Composite Nanomaterials in Pipe Manufacturing

أما بالنسبة للأنابيب الجديدة، فيمكن إدماج المواد النانوية مباشرة في مادة الأنابيب، وفي الأنابيب المتعددة، يضاف إلى المدافن التي تتراكم عند القذف أو الحرق، مما يضمن أن تكون الخلط بين المواد النانوية موزعة بصورة موحدة في جميع أنحاء الجدار الأنابيبي، مما يوفر تحسينات في الممتلكات السائبة، وفي الظواهر الملموسة، يمكن أن تؤدي إلى تعديل المواد النانوية مثل تقنيات التخريب.

تطبيق الهياكل الأساسية القائمة في الموقع

أما بالنسبة للأنابيب التي يصعب الوصول إليها، فإن أساليب التطبيق في الموقع يجري تطويرها، وتشمل تقنية تعميم سوائل تحتوي على مواد نانوية (مثل تعليق تي أو نانويكلاي) من خلال نظام الأنابيب لإرغام طبقة حمائية رقيقة على السطح الداخلي، ويستخدم نهج آخر التحلل الكهروكيميائي لتطبيق مكوّنات مكيفية مجهزة مباشرة على مراحل إنتاج المعادن أو المواد السامة.

المحاكمات الحالية في مجال البحث والميدان

وقد بدأ الانتقال من البحوث المختبرية إلى تطبيقات العالم الحقيقي، وقد أجريت مشاريع رائدة في عدة بلدان، وعلى سبيل المثال، قام باحثون في جامعة كاليفورنيا، بريكلي، بالتعاون مع مرافق المياه المحلية، باختبار محركات ناو-مركبة على أجزاء صغيرة من أنابيب الصرف الصحي، وكشفت النتائج عن انخفاض بنسبة 90 في المائة في تكوين الليموم الأحيائي، وزيادة كبيرة في معدلات التآكل في الهيدروجين على مدى 12 شهراً.

التحديات والنظر في المسألة

ارتفاع تكاليف الإنتاج والقدرة على التصعيد

ورغم التقدم المحرز، فإن العديد من المواد النانوية المتقدمة مثل النانووبات العالية الجودة والغرافينية العملية لا تزال باهظة التكلفة لإنتاجها على نطاق واسع، ويمكن أن تكون هذه أقساط التكلفة باهظة الاستخدام على نطاق واسع في أنابيب المجاري التي تشتريها السلطات البلدية الحساسة من حيث التكلفة، غير أن تقنيات التصنيع تزداد وتزداد حجماً، كما أن التكاليف تتناقص باطراد.

المخاطر البيئية والصحية

ومن أهم الشواغل احتمال إطلاق جسيمات النانوب في البيئة أثناء التصنيع أو التطبيق أو تدهور الأنابيب، ويمكن أن تكون للجسيمات النانوية آثار سمية غير معروفة على الحياة المائية والصحة البشرية إذا دخلت إلى إمدادات المياه، فعلى سبيل المثال، أظهرت بعض الدراسات أن اختبارات القدرة على إحداث ضغط أكسي في الأسماك، وقد تكون نانووبات الكربون مصممة على النسيج الرئوي في حالة حدوث مخاطرة.

العقبات والمعايير التنظيمية

وقد تكون المواد النانوية في منتجات البناء في كثير من الأحيان في إطار الأطر التنظيمية القائمة للمواد الكيميائية والمواد، ولكن المبادئ التوجيهية المحددة لتطبيقات الأنابيب المجارية لا تزال آخذة في التطور، وفي الولايات المتحدة، ينظم برنامج العمل البيئي الأوروبي المواد النانوية بموجب قانون مراقبة المواد السمية (TSCA) ومعايير المبيدات الحشرية الاتحادية، ومبيدات الحشرات، وقانون مبيدات الأسنان (FIFRA) فيما يتعلق بمطالبات مكافحة المخدرات.

توجيهات المستقبل: نظم الرماة، والخضر، والسيارات الأكثر قدرة على التكيف

نظم برج الذكاء مع نانوسينسير

ومن أكثر الحدود إثارة إدماج أجهزة الاستشعار النانوية مباشرة في مواد الأنابيب، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار، التي ربما تستند إلى نانوير أو نقط كمية، أن تكشف التغيرات في الهيدروجين، أو درجة الحرارة، أو معدل التدفق، أو وجود مواد كيميائية محددة )مثلا، سلفيد الهيدروجين أو تدفقات مياه المجارير(، وسوف تنقل البيانات من هذه أجهزة الاستشعار عن طريق اللاسلكي إلى نظام رصد مركزي، مما يتيح إمكانية إجراء تقييم دوري

مواد الصحة الذاتية والإعالة

وهناك مفهوم واعد آخر هو أنبوب المجارير التي تُحمى ذاتياً، بينما يمكن أن تُضمَّن الأنابيب التي تُملأ بالوكلاء المشفى (مثل سلائف البوليمر أو مثبطات التآكل) في المستقبل، إذا كانت نماذج التصدِّع، فإن الأنابيب التي تُحدث في المستقبل تمزق وتُطلق عامل التدفئة، الذي يُعدُّل أو يُثبُ لإغلاق الضرر.

المواد النانوية المستدامة والمنقولة من الناحية الأحيائية

وفيما يتعلق بالبيئة، فإن تطوير المواد النانوية القائمة على أساس بيولوجي ويمكن التحلل الأحيائي هو أولوية، إذ أن هذه المواد النانوية المستخرجة من بلاء الخشب توفر بديلاً متجدداً وغير سامي عن المواد النانوية الاصطناعية، ويمكن للشركات عبر الوطنية أن تعزز البوليمرات الحيوية مثل البوليكتيكية، وذلك من أجل إيجاد تطبيقات مؤقتة قابلة للاشتعال في المدن الاصطناعية.

خاتمة

(أ) أن يكون العلم [العلم الخفيف] بعيد المنال، وقد بدأ بالفعل في إعادة تشكيل المواد التي نستخدمها في البنية التحتية الجوفية، ومن خلال الأنابيب الهندسية في النانويكات، يمكن أن نخلق أسطحاً مقاومة للتآكل، والتبريد، والتعافي، وحتى الإبلاغ عن حالتها الذاتية، والفوائد من حيث توسيع نطاق الخدمة، وخفض تكاليف الصيانة، وتحسين الحماية البيئية، تظل التحديات قائمة في خفض التكاليف، وضمان السلامة، والهيكل الأساسي.