فوتوکاتالیست های شناور فعال شده با نور خورشید، امکان تصفیه آب را برای مناطق دورافتاده و جوامع در حال توسعه ارائه می کنند.
به گزارش ایسنا، شیمیدانان در حال بهره برداری از انرژی موجود در نور خورشید برای پاک سازی آب شیرین از آلاینده ها هستند.
به نقل از ادونسد ساینس نیوز، پژوهشگران «دانشگاه میلان» (University of Milan) در یک پژوهش جدید، از فرآیندی به نام «فوتوکاتالیز» استفاده کردند و در آن نشان دادند که انرژی موجود در نور خورشید می تواند به تجزیه شدن مولکول های آلی منجر شود.
استفاده کردن از فوتوکاتالیز برای پاکسازی فاضلاب، ایده جدیدی نیست. بسیاری از آلاینده های آلی رایج پیشتر با استفاده از این روش با موفقیت تجزیه شده اند. با وجود این، کاربرد این فرآیند در مقیاس بزرگ هنوز با موانع قابل توجهی روبرو است.
راه حل پایدار برای تصفیه آب
این پژوهش، بخشی از تلاش برای ایجاد یک روش قابل دسترس به منظور پاک سازی آب در کشورهای در حال توسعه و مناطق دورافتاده است. پژوهشگران امیدوارند که با این کار بتوانند با معضل محدودیت آب آشامیدنی و همچنین نیاز به ضدعفونی کردن فاضلاب و استفاده مجدد از آن مقابله کنند.
«کلودیا بیانکی» (Claudia Bianchi)، استاد شیمی صنعتی در دانشگاه میلان و یکی از پژوهشگران ارشد این پروژه گفت: یافتن یک روش جهانی ساده، مقرون به صرفه و دردسترس برای استفاده از فوتوکاتالیز در تصفیه آب، به ویژه در جوامعی که دسترسی محدودی به آب تمیز دارند، یک چالش مداوم باقی مانده است.
بیانکی به دشواری طراحی کردن یک روش مؤثر برای حذف آلاینده ها اشاره کرد و در عین حال اطمینان داد که فوتوکاتالیز یک روش قابل استفاده مجدد و زیست تخریب پذیر است و واکنش های جانبی ناخواسته و مضر را ایجاد نمی کند.
کاتالیزور شناور
تلاش های پیشین برای اعمال فوتوکاتالیز در تصفیه فاضلاب، کاتالیزورهایی را به صورت پودر اضافه می کردند، اما این امر جمع آوری آنها را در مراحل بعد دشوار می کند. پژوهشگران در مقاله خود نوشتند:استفاده کردن از مواد به شکل پودر از نقطه نظر عملی، به دلیل دشواری جداسازی آنها از مخلوط برای استفاده مجدد محدود است.
بیانکی و گروهش، راه حل جدید خود را به شکل یک کاتالیزور شناور ارائه کردند که توسط دانه های متخلخل خاک رس پشتیبانی می شود. این دانه ها به اندازه کافی سبک هستند که بتوانند روی سطح آب باقی بمانند. بنابراین، پس از استفاده به راحتی می توان آنها را جدا کرد. خاک رس از نظر شیمیایی بی اثر است؛ به این معنی که با مواد دیگر واکنش نشان نمی دهد و هیچ خطری برای اکوسیستم های آبی ندارد.
این گروه پژوهشی برای فرآیند فوتوکاتالیز خود، لایه هایی از «بیسموت اکسی بروماید» (bismuth oxybromide) را روی سطح دانه ها پرورش دادند. این ماده، فعالیت فوتوکاتالیز بالایی دارد، از نظر شیمیایی پایدار است و خطر تجزیه خود و ایجاد یک منبع دیگر از آلودگی را به حداقل می رساند.
بیانکی توضیح داد: نور خورشید (Sunlight) به سطح بیسموت اکسی بروماید برخورد می کند و به الکترون ها انرژی می دهد تا از نوار ظرفیت به نوار هدایت حرکت کنند. در نتیجه، جفت الکترون- حفره ایجاد می شود.
به عبارت ساده، این بدان معناست که نور در فرآیند فوتوکاتالیز، الکترون ها را تحریک می کند تا به سمت لایه بیرونی ماده حرکت کنند و در آنجا با مولکول های حاوی کربن واکنش دهند تا آنها را تجزیه کنند. بیانکی اضافه کرد: این جفت های الکترون- حفره، تجزیه آلاینده های آلی را به دی اکسید کربن و آب تسهیل می کنند.
آزمایش تجزیه آلاینده های رایج
این گروه پژوهشی، روش خود را روی آب لوله کشی حاوی دو داروی رایج دیکلوفناک و ایبوپروفن آزمایش کردند و آنها را همراه با کاتالیزور شناور در معرض خورشید قرار دادند. دیکلوفناک حتی پس از چندین بار شست وشو و استفاده مجدد از دستگاه ها، به طور کامل از نمونه های آب حذف شد.
از طرف دیگر، تجزیه ایبوپروفن به ویژه زمانی که کاتالیزور مجددا استفاده شد، کارآمدتر بود. این می تواند به دلیل واسطه هایی باشد که طی تجزیه دیکلوفناک تشکیل شده اند. واسطه ها ممکن است به ذرات شناور بچسبند و در نتیجه، توانایی کاتالیزور را در تجزیه ایبوپروفن کاهش دهند. شیمیدانان می گویند که این فرضیه اکنون در حال بررسی است.
بیانکی افزود: در حال حاضر پژوهش های خود را برای ارزیابی توانایی دستگاه در مقابله با سایر آلاینده های آلی از جمله رنگ ها و پلی فنل ها که معمولا به صورت جداگانه یا مخلوط در آب های طبیعی یافت میشوند، گسترش می دهیم.
محدودیت های بالقوه ای نیز برای این روش وجود دارد. یکی از محدودیت ها، وابستگی کاتالیزور به نور خورشید است که اگرچه بعنوان یک منبع رایگان و پاک مطلوب توصیف می شود، اما کاربردهای آن را در مکان های جغرافیایی با نور خورشید ناکافی در طول سال محدود می کند.
ترکیب پیچیده فاضلاب، یک چالش دیگر است که به بررسی بیشتر نیاز دارد، زیرا این گروه پژوهشی، روش خود را در نمونه هایی با تنها دو آلاینده آلی آزمایش کردند.
بیانکی با تاکید بر این که نکته اصلی پژوهش آن ها فراتر از نتایج علمی است، گفت:این یک تصویر قانع کننده از قدرت شیمی برای رسیدگی به چالش های پایدار از طریق راه حل های نوآورانه ای است که هم برای بشریت و هم برای محیط زیست سودمند هستند.
این پژوهش در مجله «Advanced Sustainable Systems» به چاپ رسید.
- 10
- 3
