موضوع: "بدون موضوع"
بیشترین سهم مصرف گاز طبیعی در بخش خانگی و تجاری کشور است. تقاضا برای گاز طبیعی در ماه های سرد بیشتر از ماه های گرم سال است؛ نوسانات اصلی تقاضای گاز به نیاز گرمایی این بخشها مربوط می‌شود.
علاوه بر تغییرات دما و شرایط جوّی که عامل اصلی نوسانات فصلی تقاضای انرژی محسوب میشوند، عوامل دیگری نظیر شوکهای فصلی غیرقابل مشاهده بر نوسانات فصلی تقاضای انرژی تأثیر می‌گذارند. همچنین غیر از عوامل اقتصادی قابل مشاهده مانند قیمت و درآمد، عوامل غیر‌اقتصادی مثل تغییر سلیقه مصرف کنندگان و پیشرفت تکنولوژی و عوامل دیگری که قابل مشاهده نیز نیستند، بر روند اصلی تقاضای انرژی اثر می‌گذارند. بکار‌گیری روش مدل ساختار سری زمانی ، این امکان را میدهد که بتوان هر دو مؤلفه روند تصادفی و فصلی تصادفی را در تقاضای انرژی به منظور برآورد صحیح کششهای درآمدی و قیمتی، وارد و مدلسازی کرد. سپس با بهره گرفتن از فیلتر کالمن با روش حداکثر راستنمایی برآوردهای نااریب پارامترهای تابع تقاضا محاسبه می‌شود.
در ایران برای اولین بار برآورد تابع تقاضای گاز طبیعی در بخش خانگی و تجاری کشور با روش انجام شده است. در تابع تقاضای برآورد شده مؤلفه روند مشاهده نمی‌شود. ماهیّت مؤلفه فصلی تصادفی بوده و کشش مصرف سرانه گاز طبیعی نسبت به دما 26/0- درصد برآورد شده است. کششهای بلندمدت قیمتی و درآمدی نیز به ترتیب حدود 13/0- و 17/0 درصد محاسبه شده‌اند.
کلید واژه‌ها:
تقاضای گاز طبیعی، نوسانات فصلی، روند اصلی، مدل ساختار سری زمانی و فیلتر کالمن
فهرست مطالب
|
|||
| عنوان | صفحه | ||
| پیشگفتار | ج | ||
| فصل ا- موضوع شناسی پژوهش | 1 | ||
| 1-1. عوامل مؤثر در تقاضای کوتاه‌مدت گاز طبیعی | 5 | ||
| 2-1. عوامل مؤثر در تقاضای بلندمدت گاز طبیعی | 5 | ||
| 3-1. سؤالات تحقیق، فرضیه‌ها و هدف‌های پروژه | 9 | ||
| 4-1. سازمان های بهره‌بردار از نتایج تحقیق | 9 | ||
| فصل 2- مرور اولیه ادبیات | 10 | ||
| 2-1. انگستد و بنتزن | 12 | ||
| 2-2. تیلور | 14 | ||
| 2-3. کلمنتس و مادلنر | 15 | ||
| 2-4. لستر-جاج-نیومیا | 17 | ||
| 2-5. هیلبرت، لیو و لین، ونجرندال و جیومرا | 19 | ||
| 2-6. لیو و کابودان | 19 | ||
| 2-7. سارک و ستمن | 21 | ||
| 2-8. نیل آرس و حیدر آرس | 22 | ||
| 2-9. اس‌‌جیل و جی‌‌دفراری | 24 | ||
| 2-10. جمع بندی فصل | 28 | ||
| فصل 3- روش تحلیل و ارائه اطلاعات | 30 | ||
| 3-1. تحلیل الگوی روند اصلی تقاضای انرژی | 31 | ||
| الف- پیشرفت تكنولوژی | 31 | ||
| ب- سلیقه مصرف كننده | 34 | ||
| ج- ساختار اقتصادی | 34 | ||
| 3-2. تحلیل الگوی نوسانات فصلی تقاضای انرژی | 38 | ||
| 3-4. مدل مؤلفه‌های غیرقابل مشاهده | 39 | ||
| الف- معرفی روش | 39 | ||
| ب- تصریح نظری مدل | 42 | ||
| 3-5. داده‌ها و روش گردآوری | 43 | ||
| فصل 4- حالت-فضا و فیلتر كالمن | 44 | ||
| 4-1. ارائه یک سیستم پویا بصورت حالت-فضا | 45 | ||
| 4-2. فروض بکار رفته در فیلتر کالمن | 47 | ||
| 4-3. چند مثال از ارائه یک سیستم پویا بصورت حالت-فضا | 47 | ||
| 4-5. استخراج فیلتر كالمن | 49 | ||
| 4-6. برآورد پارامترها به روش حداكثرراستنمایی | 52 | ||
| فصل 5- تخمین مدل و نتیجه‌گیری | 54 | ||
| 5-1. تخمین مدل | 55 | ||
| 5-2. تفسیر ضرایب | 62 | ||
| 5-3. تفسیر نتایج | 65 | ||
| 5-4. پیش‌بینی | 65 | ||
| 5-5. خلاصه و نتیجه‌گیری | 68 | ||
| فهرست منابع | 70 | ||
| پیوست | 73 | ||
| فهرست جداول | ||
| عنوان | صفحه | |
| 2-1. برخی از مطالعات انجام شده در تقاضای انرژی که روش هم انباشتگی را بکار گرفتهاند | 15 | |
| 2-2. تعریف متغیرهای وارد شده در سیستم معادلات همزمان | 20 | |
| 3-1. طبقه‌بندی عوامل مؤثر در روند اصلی تقاضای انرژی | 34 | |
| 3-2. طبقه‌بندی حالتهای ممكن الگوی روند تصادفی | 41 | |
| 5-1. خلاصه تخمین تابع تقاضای مصرف گاز طبیعی در بخش خانگی و تجاری ایران | 59 | |
| 5-2. نتایج تخمین تقاضا در بعضی از حالتهای مختلف مؤلفه روند | 61 | |
| فهرست نمودارها | ||
| عنوان | صفحه | |
| 1-1. سهم حاملهای مختلف انرژی در تأمین انرژی بخش خانگی و تجاری سال 83 | 3 | |
| 1-2. سهم مصرف کنندگان نهایی از کل مصرف گاز طبیعی سال 83 | 3 | |
| 1-3. سهم حامل انرژی گاز طبیعی در تأمین انرژی بخش خانگی و تجاری | 3 | |
| 1-4. سهم بخش خانگی و تجاری از مصرف گاز طبیعی | 3 | |
| 1-5. کل مصرف انرژی بخش خانگی و تجاری | 4 | |
| 2-1. مصرف ماهیانه گاز طبیعی در مقابل مقدار درجه گرمایش روز در شهر اسكی شیر تركیه | 24 | |
| نمودارهای تخمین‌های اریب‌دار کشش قیمتی تقاضای انرژی | 35 | |
| 3-1. افزایش در قیمت و با شیب نزولی (منفی) | 35 | |
| 3-2. افزایش در قیمت و با شیب صعودی (مثبت) | 35 | |
| 3-3. كاهش در قیمت و با شیب نزولی (منفی) | 36 | |
| 3-4. كاهش در قیمت و با شیب صعودی (مثبت) | 36 | |
| نمودارهای تخمین‌های اریب‌دار کشش درآمدی تقاضای انرژی | 36 | |
| 3-5. افزایش در درآمد و با شیب نزولی (منفی) | 36 | |
| 3-6. افزایش در درآمد و با شیب صعودی (مثبت) | 36 | |
| 3-7. كاهش در درآمد و با شیب نزولی (منفی) | 37 | |
| 3-8. كاهش در درآمد و با شیب صعودی (مثبت) | 37 | |
| 5-1. مصرف سرانه گاز طبیعی | 56 | |
| 5-2. لگاریتم طبیعی مصرف كل گاز طبیعی | 56 | |
| 5-3. نسبت قیمت اسمی گاز بر برق | 57 | |
| 5-4. متوسط دمای هوای تهران (فرودگاه مهرآباد) | 63 | |
| 5-5. نمودار همبستگی نگار پسماند‌های تقاضا | 64 | |
| 5-6. پیش‌بینی لگاریتم طبیعی مصرف سرانه گاز طبیعی بخش خانگی و تجاری ایران | 67 | |
پیشگفتار
ایران با در اختیار داشتن 26740 میلیارد مترمكعب گاز و مالكیت 15% از ذخایر گاز طبیعی جهان دومین رتبه پس از روسیه را به خود اختصاص میدهد. عمر ذخایر گاز ایران با توجه به سطح فعلی تولید آن حدود 179 سال برآورد شده است این در حالی است كه نسبت ذخایر به تولید یا عمر ذخایر گازی دنیا به طور متوسط 65 سال است. بر پایه این برآوردها، ایران می تواند به راحتی اقتصاد خود را بر مبنای گاز سامان دهد. این ویژگی سبب می‌شود كه گاز به عنوان یک منبع انرژی استراتژیک مورد توجه قرار گیرد.
مصرف گاز طبیعی در ایران هر ساله با رشد فزاینده‌ای روبرو است كه این امر از ویژگیهای منحصر به فرد این حامل انرژی ناشی می‌شود. فراوانی نسبی و ذخایر گسترده این حامل انرژی در كشور و قیمت پایین آن نسبت به سایر حاملهای انرژی انگیزه لازم را برای جایگزین آن با سایر سوختها فراهم می‌سازد.
بخش خانگی و تجاری كشور بیشترین سهم مصرف گاز طبیعی در اختیار دارد. بنابراین مطالعه تقاضای این حامل انرژی در بخشهای مذكور جایگاه ویژه‌ای دارد. برآورد صحیح تابع تقاضای مصرف گاز طبیعی در بخش خانگی و تجاری كشور سیاستگزاران را در تصمیم‌گیری بهتر و برنامه‌ریزی دقیق‌تر برای واردات، صادرات، ذخیره سازی و تولید گاز طبیعی و نیز در برقراری توازن بین عرضه و تقاضای گاز طبیعی برای پرهیز از زیانهای اقتصادی یاری می‌كند. به همین دلیل تابع تقاضای گاز طبیعی در بخش خانگی و تجاری ایران را با روش مدل ساختار سری زمانی برآورد كرده‌ایم. با بكارگیری این روش در تخمین تقاضا، روی دو واقعیّت موجود در تقاضای انرژی یعنی روند اصلی و ماهیّت نوسانات فصلی متمركز شده و برآوردهای نااریبی از پارامترهای تقاضا بدست می‌آید. ساختار این تحقیق به این صورت است:
در فصل اول مختصری در مورد بیان مسئله، اهمیت و اهداف تحقیق بحث و به عوامل تأثیر گذار در تقاضای بلندمدت و كوتاه‌‌مدت گاز طبیعی پرداخته می‌شود. فصل دوم به مطالعات انجام شده در تقاضای انرژی با تأكید بر تقاضای حامل انرژی گاز طبیعی در بخش خانگی و تجاری بصورت خلاصه میپردازد. در فصل سوم در مورد دو واقعیّت موجود در تقاضای انرژی یعنی روند اصلی و نوسانات فصلی تقاضای انرژی بحث و الگوی تحلیلی تحقیق ومعرفی روش مدل ساختار سری زمانی همراه با تعریف متغیرهای استفاد شده در تخمین تقاضا ارائه می‌شود. فصل چهارم صرف توضیح مختصر حالت-فضا و استفاده از ابزار فیلتر كالمن در برآورد پارامترهای تقاضا به روش حداكثرراستنمایی میگردد. در فصل پنجم جداول نتایج تخمین را ارائه كرده و به تفسیر ضرایب و نتایج تخمین اشاره نموده و تقاضای مصرف گاز را برای دو دوره آتی پیش‌بینی می‌كنیم. در پایان فصل پنجم نیز خلاصه و نتیجه‌گیری تحقیق ارائه می‌شود.
انار (Punica granatum L.) از خانواده Punicaceae است، یکی از قدیمیترین میوه هایی است که به طور وسیع در بسیاری از کشورهای گرمسیری و نیمه گرمسیری کشت می شود (Fadavi et al., 2006). انار به دلیل کیفیت مرغوب از نظر صادرات در بین محصولات کشاورزی محصولی بی رقیب بوده و از نظر اقتصادی دارای اهمیت فراوان است. علاوه بر این انار توجه بسیاری از مصرف کنندگانی که علاقهمند به غذای مغذی با طعم عالی هستند را نیز به خود جلب کرده استPatil,) .(1976 میوه انار که بیشتر به صورت تازه یا فراوری شده (رب انار، آب انار، شربت انار و انار دانه) مصرف یا صادر میگردد بخشی از منابع اقتصادی جهان را به خود اختصاص داده است (Li et al., 2006; Seeram et al., 2005). بخش خوراکی میوه که آریل[1] نام دارد حدود 52 درصد وزن میوه را تشکیل میدهد، که شامل 78 درصد آب میوه و 22 درصد بذر میباشد. آب میوه حاوی مقادیر قابل توجهی از مواد جامد محلول، قندهای احیاء، قند کل، آنتوسیانین[2]، ترکیبات فنولی[3]، اسید اسکوربیک[4] و پروتئینها میباشد (Kulkarni et al., 2004).
پژوهشهای جدید پزشکی نشان میدهد که میوه انار طیف وسیعی از ویژگیهای دارویی مانند اثرات ممانعت کنندگی از سرطان، بیماریهای قلبی و عروقی و اثرات ضد تورمی، ضد ویروسی و ضد باکتری در ممانعت از تورم لثه را دارا میباشد. این اثرات سودمند مربوط به خاصیت آنتی اکسیدانی بالای انار میباشد (Martinez et al., 2006).
انار در آسیای مرکزی بومی ایران و ترکمنستان تا شمال هند میباشد و به صورت وحشی در این مناطق رشد می کند. درخت انار قابلیت سازگاری با اقلیمهای مختلف را دارا میباشد که باعث پراکنش آن در مناطق مختلف دنیا شده است. کشت و کار انار به دوران قبل تاریخ بر میگردد. شرایط آب و هوایی مدیترانهای که دارای ویژگیهایی مانند نور زیاد خورشید، زمستانهای ملایم با کمترین دمای 12- درجه سلسیوس و تابستانهای گرم و خشک بدون بارندگی در طی مراحل آخر نمو میوه است، بهترین شرایط اقلیمی برای پرورش انار میباشد (Levin, 2006). در چنین شرایطی میوه انار به بلوغ کامل میرسد.
انار علاوه بر ایران در 35 کشور دیگر جهان از جمله هندوستان، ترکیه، افغانستان، عراق، پاکستان، سمرقند، ارمنستان، گرجستان، ازبکستان، تاجیکستان، آذربایجان، ترکمنستان یوگوسلاوی سابق، مصر، تونس، لیبی، سوریه، لبنان، فلسطین، سودان، برمه، بنگلادش، موریتانی مراکش، قبرس، اسپانیا، ایتالیا، یونان، فرانسه، آلمان، چین، ژاپن، روسیه، استرالیا و آمریکا وجود دارد. در حال حاضر ایران با حدود 65000 هکتار سطح زیر کشت و بیش از 1470000 تن تولید اولین تولید کننده و صادر کننده انار دنیاست (شاکری، 1387). آمار دقیقی در مورد تولید انار در جهان در دسترس نیست، اما تخمین زده می شود که تولید جهانی آن در حدود 5/1 میلیون تن در سال باشد. چهار کشور برتر تولید کننده انار دنیا شامل ایران، هند، چین و آمریکا میباشد (جدول 1-1) (Holland et al., 2010).
در ایران کشت انار به طور وسیع در مناطق مرکزی و در شهرهای یزد، ساوه، شیراز و اصفهان انجام می شود. آثار به جا مانده و حک شده بر دیوارهای سنگی تخت جمشید و نوشتههای مورخین همه گویای این واقعیت است که انار از میوه های بومی ایران بوده است (بهزادی شهربابکی، 1377).
قسمت خوراکی میوه انار شامل مقدار قابل توجهی اسید، ویتامینها، پلیساکاریدها، پلفنولها، لیپیدها و عناصر معدنی میباشد (Melgarejo et al., 2000).
برای تولید محصول انار با کیفیت مطلوب مانند سایر میوه ها ایجاد شرایط مناسب برای گیاه از لحاظ تغذیه، آبیاری، هرس و مبارزه با آفات و بیماریها در جهت افزایش فتوسنتز و جلوگیری از تضعیف گیاه به ویژه در مرحله رشد سریع میوه ضروری است .(Mengel, 2001)
جدول 1-1 سطح زیر کشت، تولید و صادرات هفت کشور برتر تولید کننده ی انار جهان
| صادرات (تن) | تولید (تن) | سطح زیر کشت (هکتار) | کشور |
| 147000 | 1470000 | 65000 | ایران |
| 22000 | 500000 | 54750 | هند |
| نا مشخص | 2147000 | نا مشخص | چین |
| 17000 | 147000 | 6070 | آمریکا |
| نا مشخص | 90000 | 7600 |
ترکیه |
| 14700 | 37000 | 2400 | اسپانیا |
| 2000 | 25000 | 2600 | تونس |
Holland et al., 2010))
تمامی فعالیتهای آنتیاکسیدانی انار به حضور ترکیبات فنولی متعدد نظیر ایزومرهای پونیکلاژین[5] مشتقات الاژیکاسید[6] و آنتوسیانینهای تریگلوکوزیدها[7] و 3و5 دی گلوکوزید[8] دلفینیدین[9] سیانیدین[10] و پلارگونیدین[11] و فلاونوییدها[12] (کرسیتین[13] و کامپفرول[14]) مرتبط است که این ترکیبات به دلیل خاصیت آنها در جذب رادیکالهای آزاد و ممانعت از اکسیداسیون درون شیشه ای[15] لیپیدها شناخته شده اند (Aviram et al., 2002; Gil et al., 2000).
یکی از مشکلات مهمی که امروزه در کشور ما وجود دارد ضایعات پس از برداشت محصولات کشاورزی به ویژه میوه و سبزی و استاندارد نبودن کیفیت آنها میباشد که از ارزش صادرات و بازاریابی آنها کاسته است. علت اصلی این مشکلات به دو مورد کلی مربوط میگردد: اول شرایط رشد و نمو گیاه و دوم شرایط نگهداری پس از برداشت محصول. بنابراین لازم است عوامل موثر در طول فصل رشد طوری تنظیم گردد که کمیت وکیفیت مطلوب محصول حاصل شود. تغذیه گیاه می تواند کمیت، کیفیت و طول مدت انبارداری را تحت تاثیر قرار دهد.
ارزیابی کیفیت محصولات کشاورزی سالهای زیادی یک موضوع مورد علاقه برای محققین شده است. با این وجود تعریف مشخصی از کیفیت برای محصولات کشاورزی وجود ندارد به طوریکه محققین مختلف تعریفهای مختلفی از کیفیت محصولات ارائه کرده اند. با این حال فاکتورهای پایه و عمده که به طور معمول برای ویژگیهای کیفیت استفاده میشوند عبارتند از: اندازه، شکل، رنگ مزه، بافت، طعم و عاری بودن از عیب و مواد خارجی. از آنجایی که تعداد زیادی از فاکتورهای کیفیت محصولات کشاورزی به خواص بیوفیزیکی آنها مرتبط هستند، روشهای غیر مخرب برای ارزیابی کیفیت محصولات کشاورزی بر اساس خواص بیوفیزیکی گسترش یافتهاند (Chen and Sun, 1991).
امروزه مشتریان محصولات غذایی در هنگام خرید تاکید زیادی بر کیفیت محصولات غذایی دارند و همین امر توجه صنعت غذا را به تکنیکهایی که به صورت بلادرنگ کیفیت محصولات غذایی را کنترل کند، معطوف کرده است. ارزیابی غیر مخرب کیفیت میوه در طول برداشت، انتقال رسیدگی و فراوری می تواند به ارزش آن در بازار بیفزاید. کیفیت خوب محصول می تواند نظر مشتری را برای خرید آن جلب کند. ارزیابی کیفیت داخلی میوه معمولا با بریدن و تست کردن آن همراه است. دستگاه غیر مخربی که بتواند به صورت بلادرنگ خصوصیاتی از کیفیت میوه مانند قند اسیدیته، pH، محتوای رطوبتی و میزان آب را تخمین بزند، می تواند ارزش قابل توجهی برای صنعت غذا داشته باشد. محققان تکنیکهای متنوعی برای ارزیابی کیفیت داخلی میوه مانند پاسخ تشدید مغناطیسی، روشهای نوری، روشهای صوتی، تابش مادون قرمز و اشعه ایکس را امتحان کرده اند. بعضی از این روشها در صنعت غذا با موفقیت گسترش پیدا کرده اند. جذب اشعه یکی از خواص محصولات غذایی میباشد که می تواند به عنوان یک روش پایه برای تجزیه و تحلیل غیر مخرب کیفیت محصولات غذایی استفاده شود (Eufemio et al., 1999).
برخی از انارهای چیده شده از یک باغ ممکن است از نظر میزان درصد پوست و میزان حجم آب با یکدیگر متفاوت باشند. یعنی ممکن است برخی از انارها از لحاظ ابعاد هم شکل باشند اما دارای درصد آب متفاوتی باشند، یا به عبارت دیگر دارای پوسته کلفت و بافت اسفنجی باشند. برخی از انارها ممکن است دارای هستههای درشت یا نسبت بالای حجم هسته به گوشت باشند. وجود این انارها ممکن است بر میزان و کیفیت صادرات این محصول با ارزش تاثیر بگذارد. بنابراین با توجه به مطالب بالا اهدف این تحقیق عبارتند از:
- ارائه الگوریتم مناسب برای بخشبندی تصاویر اجزای درونی میوه انار حاصل از عکس برداری اشعه ایکس
- تعیین مقدار کمی پارامترهای بیوفیزیکی میوه انار شامل حجم آب، حجم آریل، حجم هسته، حجم پوسته و حجم کل میوه انار با بهره گرفتن از فناوری غیر مخرب عکس برداری اشعه ایکس.
- بررسی و ارزیابی روابط تخمین حجم اجزای درونی میوه انار و مقایسه آنها با یکدیگر.
الکتروشیمی شاخهای از شیمی است که به بررسی واکنشهای شیمیایی میپردازد که در اثر عبور جریان الکتریکی انجام میشوند و یا انجام یافتن آنها سبب ایجاد جریان الکتریکی می شود. فنون الکتروشیمیایی تجزیه، تاثیر متقابل شیمی و الکتریسیته، یعنی اندازه گیری کمیتهای الکتریکی، مانند جریان، پتانسیل و بار و ارتباط آنها با پارامترهای شیمیایی را شامل میشوند. چنین استفادهای از اندازه گیریهای الکتریکی برای اهداف تجزیهای، گسترهی وسیعی از کاربردها را به وجود میآورد که بررسیهای زیست محیطی، کنترل کیفیت صنعتی، یا تجزیههای زیست پزشکی را در بر میگیرد. فرایندهای الکتروشیمیایی بر خلاف بسیاری از اندازه گیریهای شیمیایی که در درون محلولهای همگن انجام میگیرند، در حد فاصل الکترود- محلول قرار دارند [1].
الکتروشیمی تجزیهای در سالهای اخیر، به عنوان شاخهای با دو ویژگی بنیادی و کاربردی از شیمی رشد سریع و چشمگیری داشته است،
این امر از یک سو به ماهیت تلفیق پذیری الکتروشیمی با دیگر علوم و فناوری مانند زیست شناسی، پزشکی و الکترونیک مربوط است و از سوی دیگر ویژگیهای خاص الکتروشیمی در مقایسه با برخی روشهای تجزیهای بر کاربرد آنها میافزاید. روشهای الکتروشیمیایی کاربرد زیادی در بررسی فرایندهای انتقال الکترونی بسیاری از مولکولها و زیست مولکولها و مکانیسم واکنشهای احیا در زمینه های مختلف دارند. این روشها دارای مزایای زیادی از قبیل حساسیت زیاد، حد تشخیص کم، محدوده خطی وسیع، تشخیص سریع، سادگی روشها و دستگاههای مورد نیاز و کمهزینه بودن آنالیزها هستند [2].
حسگرها و زیستحسگرهای الکتروشیمیایی به دلیل حساسیت زیاد، انتخابگری بالا، زمان پاسخدهی سریع، قیمت مناسب و قابل حمل بودن بسیار مورد توجه قرار دارند. از طرف دیگر حسگرهای الکتروشیمیایی دارای محدودیتهایی نیز هستند، که از جمله آنها می توان به پایداری کم در مدت زمانهای طولانی، تداخلات با سایر گونه ها در نمونههای حقیقی و همچنین به مشکلات انتقال بار در سطح الکترود در برخی موارد اشاره کرد. اخیرا به کارگیری نانوساختارها تاثیر قابل توجهی در توسعه حسگرهای شیمیایی و زیستحسگرها و افزایش کاربردهای محیط زیستی، کلینیکی و صنعتی داشته است.
نانومواد با توجه به خواص منحصر به فرد خود دارای طیف گستردهای از کاربردها در زمینه انرژی، محیط زیست و فنآوریهای پزشکی هستند که این خواص را در درجه اول اندازه آن، سپس ترکیب و ساختار تعیین می کند که به علت این خواص شگفتانگیز مورد علاقه بسیاری از دانشمندان قرار گرفتهاند [6-3]. از میان انواع نانوساختارها، اکسیدهای فلزی و نانولولههای کربنی کاربردهای ویژه ای در الکتروشیمی و الکتروآنالیز گونه ها دارند. از طرف دیگر روش ساخت نانوذرات فلزات و اکسیدهای فلزی تاثیر قابل توجهی بر خواص فیزیکی، شیمیایی و الکتروشیمیایی آنها دارند. از میان روشهای متنوع ساخت نانوذرات اکسیدهای فلزی، انباشت الکتروشیمیایی به دلیل سادگی روش، سازگار بودن با محیط و انجامپذیری در دمای پایین، بسیار مورد توجه بوده است. انباشت الکتروشیمیایی به فرایندی گفته می شود که با اعمال پتانسیل مناسب و کنترل سایر عوامل لایهای از فلز در سطح الکترود رسوب کرده و منجر به به بهبود خواص آن می شود. با اعمال شرایط مناسب، با بهره گرفتن از این روش میتوان نانوساختارهای فلزی را در سطح الکترود سنتز نموده و الکترود را اصلاح کرد [7].
………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 57
3-2- تعیین جرم مولکولی پلی وینیل الکل……………………………………………………………………………………………… 58
3-3- شناسایی ساختار نانوذرات CdS…………………………………………………………………………………………………….. 58
3-3-1- نتایج XRD…………………………………………………………………………………………………………………………. 58
3-3-2- نتایج SEM…………………………………………………………………………………………………………………………. 60
3-4- شناسایی نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………… 66
3-4-1- نتایج XRD ………………………………………………………………………………………………………………………… 62
3-4-2- نتایج SEM…………………………………………………………………………………………………………………………. 63
3-4-3- نتایج EDX…………………………………………………………………………………………………………………………. 64
و
3-5- بررسی خواص نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS…………………………………………………………….. 66
3-5-1- نتایج آزمون مکانیکی تنش- کرنش…………………………………………………………………………………….. 66
3-5-2- نتایج آزمون حرارتی (DSC)………………………………………………………………………………………………. 70
3-5-3- نتایج جذب نور مرئی- فرابنفش…………………………. ……………………………………………………………… 74
3-5-4- نتایج آزمون جذب آب…………………………………………………………………………………………………………. 78
3-5-5- نتایج آزمون تخریب آنزیمی………………………………………………………………………………………………….83
3-5- نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 87
فهرست منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………..89
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول (2-1)-انواع مواد شیمیایی مورد استفاده……………………………………………………………………………………. 40
جدول (3-1)- زمان ریزش محلولها با غلظتهای مختلف در ویسکومتر استوالد……………………………….. 62
جدول (3-2)- درصد تقریبی عناصر موجود در نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS………………………… 70
جدول (3-3)- داده های آزمون کشش………………………………………………………………………………………………….. 71
جدول (3-4)- داده های مربوط به آزمون کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC)……………………………………. 78
جدول (3-5)- داده های مربوط به باند گپ نمونههای نانوکامپوزیتی…………………………………………………… 80
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل (1-1)- فرمول شیمیایی پلی وینیل الکل………………………………………………………………………………………. 22
شکل (1-2) دستگاه پراش اشعه ایکس……………………………………………………………………………………………………. 34
شکل (1-3) دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی………………………………………………………………………………… 36
شکل (1-4) دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری………………………………………………………………………………… 37
شکل (1-5) دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی………………………………………………………………………………………. 38
شکل (2-1)- دستگاه تست کشش مورد استفاده در این پژوهش…………………………………………………………. 52
شکل (3-1)- الگوی XRD نانوذرات CdS………………………………………………………………………………………….. 63
شکل (3-2)- تصاویر SEM مربوط به نانوذرات CdS…………………………………………………………………………. 65
شکل (3-3)- الگوی XRD مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS………………………………………. 67
شکل (3-4)- تصاویر SEM مربوط به نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS………………………………. 68
شکل (3-5)- آنالیز عنصری (EDX) مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS……………………….. 69
شکل (3-6)- آزمون Tensile………………………………………………………………………………………………………………. 72
شکل (3-7)- آزمون DSC. ترموگرام مربوط به ماتریس پلیمری Starch/PVA……………………………. 77
شکل (3-8)- آزمون DSC. ترموگرام مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS (5%)………….. 77
شکل (3-9)- طیف UV-Vis مربوط به نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS………………………….. 79
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار (3-1)- تاًثیر مقدار نانوذره CdS بر روی استحکام کششی……………………………………………………… 73
نمودار (3-2)- تاًثیر مقدار نانوذرات CdS بر روی مدول کشسانی……………………………………………………… 74
نمودار (3-3)- تاًثیر مقدار نانوذرات CdS بر روی ازدیاد طول……………………………………………………………. 75
نمودار (3-4)- بررسی اثر زمان و مقدار نانوذرات CdS بر روی وزن نمونههای آبدار نانوکامپوزیتی….. 81
نمودار (3-5)- بررسی اثر زمان و مقدار نانوذرات CdS بر روی درجه جذب آب نمونهها………………. 82
نمودار (3-6)- تاًثیر افزایش نانوذرات CdS بر روی تخریب آنزیمی نانوکامپوزیتها…………………………… 83
فهرست علائم و اختصارات
AFM Atomic Force
DSC Differential Scanning Calorimetry
DED Degree of enzymatic degradation
EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy
XRD X-ray Diffraction
PVA Polyvinyl Alcohol
PVAC Polyvinyl Acetate
S Starch
SEM Scanning Electron Microscopy
TGA Termal Gravimetric Analysis
TEM Transmission Electron Microscope
rpm revolution per minute
nm nanometer
Mpa Mega pascal
WAC Water Absorption Capability
-فنآوری نانو چیست؟
فنآوری نانو واژهای است کلی که به تمام فنآوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شود. معمولاٌ منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر میباشد. (1 نانومتر یک میلیاردم متر است) [1]. اولین جرقه فنآوری نانو در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن[1] طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد) ایده فنآوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آیندهای نزدیک میتوانیم مولکولها و اتمها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم [2].
نانومواد در سالهای اخیر به علت کارایی بالایی که در حوزه های وسیعی از زمینه های مختلف دانش مانند الکترونیک، کاتالیست، سرامیک، ذخیره داده های مغناطیسی و…. دارند، گسترش قابل توجهی یافتهاند. در حقیقت برای تحقق نیازهای فنآورانه در زمینه های یاد شده با بهره گرفتن از نانومواد، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتری کاهش مییابد. با کاهش اندازه مواد تا ابعاد نانومتری، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بهبود قابل توجهی پیدا می کند، به طور مثال استحکام مکانیکی و به ویژه مقاومت الکتریکی و حرارتی افزایش مییابد [3].
نانومواد را میتوان در یک طبقه بندی کلی، به دو دسته نانوبلورها و نانوذرات تقسیم کرد:
1-نانوبلورها: عبارتند از مواد چند بلوری با اندازه دانه های کمتر از nm100.
2-نانوذرات: عبارتند از ذرات بسیار کوچک با ابعاد ریز (کمتر از nm100) که به عنوان بلوکهای ساختمانی نانومواد بلوری در نظر گرفته میشوند.
روشهای جدید تولید نانوذرات عمدتاٌ فرایندهایی بر پایه حالت بخار، مایع و جامد میباشند:
روشهای بر پایه بخار:PVD ،CVD ، روشهای پاششی و….
روشهای بر پایه مایع: روش سل-ژل، روشهای شیمیایی تر و….
روشهای بر پایه جامد: آلیاژسازی مکانیکی و…. [4]
هدف نانوتکنولوژی بهره برداری از خواص نانوساختارها با کنترل ساختارها در سطوح اتمی و مولکولی است. نانوساختارها طبق تعریف به مواد و ساختارهایی گفته می شود که در یکی از ردهبندیهای زیر قرار گیرند [5]:
نانوساختارهای صفر بعدی: ساختارهایی که هر سه بعد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند نانوذرات، نانوپودرها، نانوخوشه ها[2].
نانوساختارهای یک بعدی: به مواد و ساختارهایی اطلاق می شود که دو بعد از سه بعد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند نانوسیمها[3] و نانولولهها.
نانوساختارهای دو بعدی: به مواد و ساختارهایی میگویند که دارای یک بعد کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند لایه های نازک و کلیها[4].
نانوساختارهای سه بعدی: ساختارهایی هستند که دارای حفرات نانوساختار هستند مانند زئولیتها[5] [6].
1-1- سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی
بدون شک یکی از مهمترین پیشرفت‌های علمی دهه های اخیر، کوچک‌سازی سیستم‌های ماکرو و توسعه سیستم‌های میکروالکترومکانیکی[1] بوده است. سیستم های میکرو الکترومکانیکی تحولات شگرفی در صنعت و تکنولوژی به وجود آورده‌اند. از آنجا که آنها می‌توانند با بهره گرفتن از تکنیکهای ساخت موجود و استفاده از زیرساختارهای صنعت نیمه هادی‌ها ساخته شوند، با قیمت پایین و حجم تجاری زیاد تولید می‌گردند. جرم و حجم بسیار کم، مصرف انرژی پایین، قابلیت اطمینان بالا و دوام مناسب از جمله خصوصیات اساسی این سیستم‌هاست که باعث جذابیت بیشتر آنها نیز شده است[1].
همچنین در سال های اخیر نیز با پیشرفت سریع فناوری نانو و امکان ساخت قطعات در ابعاد نانو، سیستم‌های نانو الکترو مکانیکی[2] در کنار سیستم‌های میکرو الکترو مکانیکی مطرح شده و بسیاری از وسایلی که پیش از این در ابعاد میکرو ساخته می‌شدند امکان ساخت در ابعاد نانو را پیدا کردند. این سیستمها کاربرد فراوانی در انواع گستردهای از قطعات صنعتی، از جمله مکانیک، هوافضا، پزشکی، حمل ونقل و تکنولوژی ارتباطات دارند.
نمونههای بسیاری از کاربرد سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی را در میکرو و نانوسوییچ‌های خازنی[3]، رزوناتورها[4]، سنسورهای فشار[5]، سنسورهای جرم [6]، سوییچهای رادیوفرکانسی[7]، شتاب‌سنج‌ها[8]، میکروپمپ‌ها[9]، ژیروسکوپ‌ها[10] وحافظه‌های میکرو و نانو الکترو مکانیکی[11] میتوان مشاهده کرد[2].
به طور کلی دو نوع شیو‌ه‌ی انتقال و هدایت در سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی وجود دارد. بعضی روشهای انتقال تغییر یک کمیت فیزیکی مانند فشار و دما را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند. چنین سبک‌هایی با نام روشهای تشخیص یا حس‌‌کن[12] شناخته میشوند. و روشهای الکترواستاتیک پیزوالکتریک[13] و پیزورِسِستیو[14] در این دسته جای میگیرند. بویژه حسگرهای مرتعش[15] که تغییر در فرکانس‌های رزونانس میکرو ونانوسازه‌ها را به محض حس کردن تشخیص می‌دهند در این گروه قرار دارند. شیوه‌های دیگر هدایت، انرژی ورودی سیستم را به حرکت میکرو و نانوسازه تبدیل می‌کنند. که آنها با نام روشهای تحریک شناخته میشوند و روشهای الکترواستاتیک، پیزوالکتریک، الکترومغناطیس و الکتروگرمایی[17] را شامل میشوند[3].
انتخاب روشهای تحریک در این سیستم ها موضوع مهمی در سال های اخیر بوده و بستگی به سیستم موردنظر و قابلیت استفاده از آن دارد. تحریک های اصلی و مشخصه های حساسیت این سیستمها عبارتند از:
مواد پیزوالکتریک: این مواد تحت تأثیر ولتاژ مستقیم تغییر شکل پیدا می‌کنند و همچنین در جهت عکس و با ایجاد تغییرشکل، ولتاژی در دو سر آن تولید می‌شود. که با بهره گرفتن از این خاصیت جابجایی می‌تواند اندازه‌گیری و یا کنترل شود. پس طبق آنچه پیشتر گفته شد مواد پیزوالکتریک هم برای حسگرها و هم تحریک کننده‌ها کاربرد دارند. شکل 1‑1 مفاهیم اصلی پیزوالکتریک و استفاده‌های پایه‌ای برای حس و تحریک را به خوبی توصیف می‌کند.
الکترواستاتیکی: با ایجاد دو قطب یا اختلاف ولتاژ میان دو صفحه یک نیروی الکترواستاتیکی میان صفحات تولید می‌شود که منجر به تغییرشکل و جابجایی سیستم میگردد.
گرمایی: تغییرشکل مواد در اثر گرما می‌تواند به عنوان تحریک مورد استفاده قرار بگیرد، یک راه برای افزایش دما گذراندن جریان از میان صفحات هادی میباشد و راه دیگر تاباندن لیزر به منطقه مورد نظر است.
الکترومغناطیسی: یک میدان مغناطیسی در اثر عبور جریان از یک کویل ایجاد می‌شود که می‌تواند مواد مغناطیسی موجود در محیط را تحریک کند.
تمامی این روشها دارای محاسن و معایبی هستند. پیزوالکتریک‌ها در تحریک و تشخیص (یا اندازه گیری) مورد استفاده قرار میگیرند اما در اندازه‌گیری به دلیل عدم تولید ولتاژ کاملاً مستقیم دارای محدودیتهایی میباشند. و نمی‌توانند در عملیاتی با دمای بالا مقاومت کنند. روشهای دیگر هم محدودیتهایی دارند و وجود تنش‌های حرارتی و تنش‌های ساخت دقت این سیستمها را به شدت کاهش میدهد.
با این وجود تقریباً همه مشکلات با بهره گرفتن از تحریک الکترواستاتیکی از بین می‌رود. ساختن یک خازن با روشهای ساخت موجود بسیار آسان میباشد. با بهره گرفتن از دو سطح موازی و با اعمال یک پتانسیل به دو سر آن به یک سنسور یا عمل کننده با کارآیی بسیار خوب می‌رسیم. سادگی در ساخت و کارآیی مناسب آن استفاده از راه‌انداز الکتریکی را فراگیر کرده است. این تحریک‌کننده‌های خازنی از نظر اقتصادی نیز مقرون‌به‌صرفه می باشند. سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی که از طریق راه‌اندازالکتریکی تحریک میشوند کاربرد گسترده
ای در میکرو و نانو سویچ‌ها و میکرو و نانو رزوناتورها دارند.
تحریک الکتریکی به دلیل سادگی و بازده بالا بر همه روشهای تحریک ترجیح داده می‌شود. و با توجه به برقراری میدان الکتریکی در حجم بسیار کوچک دسترسی به نیروهای بزرگ برای تحریک امکان پذیر میباشد. به همین خاطر در میان روشهای هدایت، مکانیزم‌های تحریک و تشخیص الکترواستاتیک بیشترین کاربرد را در سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی دارند و در زمینه هدایت الکترواستاتیک تحقیقات گسترده‌تری انجام شده است[4].
1-1-1- سوییچهای الكترواستاتیك
یکی از سیستم‌هایی که در نقش متنوعی از سازه‌های الاستیک در مقیاس مهندسی میکرو برجسته و ارائه شده، میکرو سوییچها هستند. اساس ساختار آن ها کاملا ساده است. سوییچ شامل یک جفت الکترود می‌شود. یک الکترود معمولا صلب و ثابت در فضاست، و الکترود دیگر سازه الاستیک تغییر شکل‌پذیری است. این الکترود در طرح‌ها و فرم‌های مشابه با پوسته الاستیک، تیر الاستیک و ورق الاستیک ساخته می‌شود. سوییچ با اعمال اختلاف پتانسیل بین دو الکترود بسته می‌شود. با این کار نیروی الکترواستاتیکی بوجود می‌آید، الکترود تغییر شکلپذیر را خم کرده، و منجر به ایجاد تماس بین الکترودها می‌شود. گروه‌های زیادی چنین سازه‌هایی را ساخته و آزمایش کرده‌اند. مدل‌های ریاضی این قطعات در گستره‌ای از مدل‌های ساده براساس مدل جرم- فنر، تا مدل‌های کاملا توسعه یافته و شبیه‌ساز‌ی‌های سه‌بعدی المان‌محدود، قرار میگیرند.
میکروسوییچ تحریک شده الکترواستاتیکی مثالی از یک سیستمی است که اغلب در حالت ناپایداری به کار می‌افتد. ساختار میکروسوییچ به طور گسترده ای مطابق با کاربرد آن، تغییر می‌کند[5].
از نانولولههای کربنی میتوان درساختن سوییچهای الکترومکانیکی در مقیاس نانو(نانوسوییچ لوله‌کربنی الکترومکانیکی[1]) برای نسل‌های جدید اشاره کرد. نانوله‌های کربنی نامزد مناسبی برای نانوسوییچ‌های الکترومکانیکی به خاطر مقاومت مکانیکی فوق‌العاده و ویژگیهای خاص الکتریکی هستند. مدول الاستیسیته بالا و جرم کم، انتظار می‌رود، سرعت بالای سوییچینگ ( بالاتر از چندین گیگاهرتز) را امکان پذیر سازد. با وجود آنکه چندین نوع نانولوله‌کربنی برای سوییچهای نانو الکترومکانیکی مدلسازی، طراحی و ساخته شده اند. ولی مطالعات بیشتری برای پی بردن به رفتار پایداری آنها در طول زمان ضروری میباشد[6].
1-1-1-1- مزایا و معایب میکرو و نانوسوییچ‌ها
بررسی سوییچهای میكرو و نانو الكترومكانیک یكی از موضوعات جدیدی است كه در سالهای اخیر به سرعت در حال گسترش بوده است. همانند رزوناتورها، سوییچها نیز از المان مكانیكی ساخته میشوند كه با نیروی الكترواستاتیک ناشی از جریان مستقیم عمل كرده و باعث قطع و وصل جریان می‌گردند.
در سوییچها این مسأله كه ولتاژ كاری سوییچ با ولتاژ كاری مدار همخوانی داشته و همچنین بتواند با سرعت بسیار بالا كار كند بسیار مورد توجه و مطلوب است. اما سوییچهای حاضر هنوز با این نیاز فاصله دارند و همین مسأله باعث استفاده كمتر این سوییچها می‌شود. از مزایای استفاده از نانوسوییچ‌ها میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
مصرف انرژی کم: این مصرف انرژی مربوط به كارایی سوییچ برای عبور یک سیگنال میباشد كه معمولا برای سوییچهای مخابراتی بر حسب دسیبل بوده و مطابق با مشخصات آمپلی‌فایر مربوطه می باشد. معمولا توان خروجی متناسب با توان ورودی فرض می‌شود. اما در خیلی از سیستمها یک حد بالای توان وجود دارد كه در آنجا این نسبت خطی به هم خورده و اعتبار خود را از دست میدهد.
عایق بندی بالا: عایق‌بندی یک سوییچ هنگامی مورد بررسی قرار میگیرد كه هیچ سیگنالی از آن عبور نمی‌كند. این پارامتر بین دو ترمینال ورودی و خروجی در مدار در موقعیت عبور سیگنال بسیار كم در حد نانو و یا هنگامی كه سوییچ در موقعیت خاموش میباشد، اندازه‌گیری می‌شود. در مقادیر بالای توان، مقداری وابستگی در ترمینالهای ورودی و خروجی مشاهده می‌شود، بنابراین هدف در طراحی اینگونه سوییچها اینست كه این عایق بندی افزایش یابد.
تلفات انرژی کم: تلفات ورودی یک سوییچ مربوط به میزان كارایی آن در انتقال سیگنال است. در سوییچها تلفات فقط هنگام عبور سیگنال و یا وقتی سوییچ در حالت روشن قرار دارد مطرح می‌شود. این تلفات بر حسب ضریب عبور سیگنال، بر مبنای دسیبل، میان ترمینالهای ورودی و خروجی مدار تعریف می‌شود. معمولاً کاهش تلفات برای طراحی سوییچها بسیار مورد توجه قرار میگیرد. با افزایش فرکانس سوییچها تلفات انرژی در سیستم کاهش مییابد.
اما استفاده از نانوسوییچ‌ها موانعی را نیز در بر دارد كه از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره كرد:
نیاز به ولتاژ بالای راه‌اندازی:
تأخیر در پاسخ سیستم: نانوسوییچ الكترواستاتیک با معلق شدن نانولوله تك دیواره و یا چند دیواره بالای الكترود زمین ساخته می‌شود. هنگامی كه بین نانولوله و بستر، اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود، نانولوله به طرف الكترود زمین خم می شود و هنگامی كه این اختلاف پتانسیل به اندازه كافی بزرگ باشد، با زمین اتصال برقرار خواهد كرد.
برای مثال در شکل 1-3 سر نانولوله به الکترود بالایی ثابت شده و روی الکترود پایین معلق است. نیروی الکترواستاتیک باعث می‌شود نانولوله کربنی به طرف الکترود پایینی شتاب بگیرد. موقعی که لبه آزاد نانولوله به الکترود پایین میرسد، جریان الکتریکی آغاز می‌شود، و مدار بسته می‌شود. این جریان از مقامت الکتریکی پسخورد[1] گذشته، و باعث کاهش ولتاژ بایاس[2] (کاهش نیروی الکترواستاتیک) شده و با این روش مقامت مدار ولتاژ را تنظیم می‌کند تا سوییچ در حالت روشن باقی بماند[7].
[1] Feed back
[2] bias
[1] CNT-based NEM Switch
[1] Microelectromechanical systems (MEMS)
[2] Nanoelectromechanical systems (NEMS)
[3] Micro/Nano Capacitor switch
[4] Resonator
[5] Pressure sensor
[6] Mass sensor
[7] R-F MEMs Switch
[8] Accelerator
[9] Micro Pump
[10] Gyroscopes
[11] Micro/Nano electromechanical memories
[12] Sensing
[13] Piezoelectric
[14] Piezoresistive
[15] Resonator sensor
[16] Actuate
[17]Electrothermal
