پیشرفت محققان کشور در استفاده از تکنولوژی پلاسما  (Plasma Technology) در حذف آلاینده های آلی مقاوم به روش های معمولی خالص سازی آب (Water Purification)

مقدمه

افزایش جمعیت جهان و کاهش منابع آب آشامیدنی، نگرانی‌هایی را درباره تأمین آب آشامیدنی (water Drinking) موردنیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به‌وجود آورده است. کمبود آب چه از نظر کیفی و چه از نظر کمی به ویژه در برخی کشورها، مردم را در معرض تهدید جدی قرار داده است. از این رو علم و فناوری دست‌به‌دست هم داده‌اند تا با توسعه برخی روش‌ها این مشکل را از پیش رو بردارند. علیرغم تأثیرات مفید داروها (Drugs) بر سلامتی انسان‌، نگرانی‌های گسترده‌ای در مورد حضور این نوع آلاینده‌های نوظهور (Emerging pollutants) و متابولیت‌های آن‌ها در محیط‌ زیست و منابع آبی وجود دارد. افزایش مصرف داروها و هم‌چنین ناتوانی روش‌های متداول تصفیه فاضلاب در حذف آن‌ها موجب پایداری این آلاینده‌های سمی‌ در محیط ‌زیست شده که اثرات منفی زیادی روی اکوسیستم (ecosystem) به‌وجود آورده است.

دکتر رسول پلالک Dr. Rasool Pelalak

یکی از محققان برتر کشور، دکتر رسول پلالک (Dr. Rasool Pelalak) می‌گوید:

اخیراً، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (Advanced Oxidation Processes, AOPs) توجه بسیاری از محققان را به عنوان یک فناوری برتر(Top technology)، هیبریدی (Hybrid)، اقتصادی (Economical) و مؤثر (Effective) جهت تخریب آلاینده‌های آلی، سمی (Toxic)، مقاوم و بخصوص در حذف آنتی‌بیوتیک‌‌ها (Antibiotics) از فاضلاب‌ها به خود جلب کرده است. فناوری ازناسیون کاتالیستی (Catalytic Ozonation Processes) به عنوان یکی از فرآیندهای AOPs به دلیل دسترسی راحت(Availability) ، واکنش‌پذیری بالای مولکول ازن و هم‌چنین تولید گونه های اکسیژن واکنش پذیر (Reactive Oxygen Species) همچون رادیکال های هیدروکسیل (•OH) می‌تواند جایگزین فرآیندهای معمول (Conventional Processes) غیرموثر در تصفیه فاضلاب‌ها گردد. اما با این وجود این نوع از سیستم ها همچنان با چالش‌هایی مواجه هستند. یکی از مهم‌ترین این چالش‌ها، هزینه‌های بالای تهیه یا تولید کاتالیست(Catalyst) ، طراحی کاتالیست با واکنش‌پذیری سطحی قابل قبول، سازگازی با محیط ‌زیست (کاتالیست و فرآیند تولید)، جداسازی (Separation) و پایداری (Stability) کاتالیست‌ها در فرآیندها می‌باشد.

برای این منظور، تیم علمی ما بعد از طراحی و ساخت دستگاه پلاسمای تخلیه تابان دما پایین (Non-thermal Plasma Glow Discharge)، نانوکاتالیست‌های گوتیت (FeOOH Nanocatalysts–α) که از مواد معدنی گوتیت (Natural Goethite) که ارزان (Cheep) و در دسترس (Available) می‌باشند را فرآوری، تولید و تاثیر این نوع کاتالیست ها را در فرآیندهای AOPs مورد ارزیابی قرار دادند. لازم بذکر می باشد که مقدار مصرف انرژی مورد استفاده در این تکنولوژی نوظهور (پلاسمای تخلیه تابان) در تولید این نوع کاتالیست ها، در حدود مصرف ۱ لامپ ۱۰۰ وات (W) می باشد.

حذف آلاینده های الی مقاوم به روش های معمولی خالص سازی آب با استفاده از تکنولوژی جدید پلاسما

دکتر پلالک (Dr. Pelalak) افزود: فراوری نانوکاتالیست‌ها تحت محیط‌های گازی نیتروژن ( Plasma treated Goethite-N2 gas) و آرگون (Plasma treated Goethite-Ar gas) سبب افزایش مساحت سطح ویژه و دانسیته گرو‌های فعال سطحی شدند. نتایج آنالیزها، مورفولوژی متفاوت قابل توجهی به‌همراه حفظ ساختار کریستالی را برای نمونه‌های فرآوری‌شده تحت پلاسما را نشان داد. نتایج عملکرد این کاتالیست‌های تحت فراوری پلاسما نشان دهنده افزایش سرعت حذف آلاینده های دارویی در زمان های بسیار کم بود. همچنین این نوع کاتالیست ها پایداری بسیار خوبی در فرآیندهای تصفیه آب هم از نظر اقتصادی (Economical) و هم از بابت دوباره استفاده شدن (Reusability) از خود نشان دادند.

دکتر رسول پلالک با بیان اینکه در این پروژه جهت بررسی صنعتی کردن این فرایندها، برآوردی از میزان انرژی الکتریکی مصرفی و هزینه‌ها نیز صورت گرفت و نتایج نشان دادند که فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته بخصوص فرآيندهای ازناسیون کاتالیستی می‌تواند به عنوان فرآیندی مناسب با بازدهی بالا (High efficiency) و مصرف انرژی پایین جهت حذف فاضلاب های خروجی از کارخانجات داروسازی (Pharmaceutical Industry) و بیمارستان ها (Hospitals) مورد استفاده قرار بگیرند.

مطالعات تیم آنها نشان داد که در حضور نانوکاتالیست‌های تحت فراوری پلاسما، حذف آلاینده های آلی همچون آنتی بیوتیک ها بسیار سریع تر و موثرتر انجام می‌گیرد. برای اولین بار این محققان ۳۱ محصولی میانی (Intermediates Products) حاصل از تخریب این نوع از آلاینده ها را با استفاده از دستگاه‌های پیشرفته همچون LC-MS/MS، شناسایی و مسیرهای احتمالی (Possible Pathway) تخریب این نوع آلاینده های آلی را توسط این نوع از فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته ارایه دادند.

هم‌چنین دکتر پلالک افزود: در این تحقیق برای اولین بار از بحث های تئوری همچون محاسبات کوانتومی (Quantum computation) و ‌نظریه تابعی چگالی Density-functional theory, DFT)) جهت بررسی بیشتر و عمیق‌تر تخریب انواع آلاینده های دارویی در طی فرآیند ازناسیون کاتالیستی تحت فر آوری پلاسما استفاده گردید.

مکان‌های احتمالی حمله رادیکال‌های هیدروکسیل به اتم‌های مولکول های آلی و شکستن پیوندهای این نوع از مولکول ها و هم‌چنین حالت‌های گذار برای واکنش‌های احتمالی توسط محاسبات کوانتومی‌DFT مورد ارزیابی و مدل‌سازی قرار گرفت. محاسبات تئوری در مطابقت و در تایید نتایج حاصل از نتایج آزمایشگاهی LC-MS/MS به‌دست آمد.

دکترپلالک بیان داشتند که تیم آنها برای اولین بار با استفاده از توسعه یادگیری ماشین (Machine Learning)، هوش مصنوعی (Artificial Intelligence) و شبکه های عصبی مصنوعی (Artificial Neuronal Network) حذف انواع آلاینده های دارویی از محیط‌ های آبی را تحت فرآیندهای فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته مورد مدلسازی (Modelling) و شبیه سازی (Simulation) قرار دادند. این نوع محاسبات کامپیوتری اجازه میدهد که هم در زمان و هم هزینه های عملیاتی صرفه جویی صورت گیرد.

استفاده از هوش مصنوعی، شبکه عصبی مصنوعی در تصفیه آب های آلوده

دستاوردهای گروه تحقیقاتی دکتر پلالک اخیراً در چندین پایگاه علمی برتر دنیا (Web of Science) و در انتشارات ELSEVIER و Nature به چاپ رسیده است.

در مقاله اول، دکتر رسول پلالک با همکاری مشترک با دانشگاه صنعتی سهند و دانشگاه های هند (India) و ویتنام (Vietnam) توانستند نتایج حاصل از پژوهش های خود را در مجله Chemical Engineering Journal با ضریب تأثیر Impact factor: 13.27 به چاپ برسانند. این مجله در دسته بندی علم مهندسی شیمی-شیمی دارای رتبه ۴ از بین ۱۴۳ مجله ISI در این زمینه است و جزو ۱ درصد مجلات برتر در زمینه مهندسی شیمی در دنیا به شمار می آید.

مقاله دوم نیز، از نتایج حاصل از این پژوهش در همکاری مشترک با دانشگاه صنعتی سهند در مجله Journal of Hazardous Materials با ضریب تأثیر Impact factor: 10.58 به چاپ رسیده است. این مجله نیز در دسته بندی محیط زیست (Environmental Sciences) دارای رتبه ۱۰ از بین ۲۷۴ مجله ISI در این زمینه است و جزو ۵ درصد مجلات برتر در زمینه محیط زیست در دنیا محسوب می شود.

مقاله سوم، از این تحقیق در انتشارات نیچر Scientific Reports ‪(Nature Publisher Group)‬ به چاپ رسیده است که یکی از معتبرترین مجلات علمی جهان به حساب می‌آید.

چاپ دستاوردهای گروه تحقیقاتی دکتر پلالک در چندین پایگاه علمی برتر دنیا

آقای دکتر رسول پلالک همکاری های بین المللی بسیاری در کارنامه خود داشته و دارای مدال طلای المپیاد اختراعات به همراه دو پتنت و چاپ ۳۵ مقاله ISI و همچنین دو طرح پژوهشی کشوری را در کارنامه خود دارد.

جمع بندی

در آخر انتظار می‌رود که با توسعه بیشتر فناوری های بر پایه تکنولوژی های نوظهور همچون فناوری پلاسما، کارایی روش‌های مختلف تصفیه آب همچون خالص‌سازی (Purification)، نمک‌زدایی (desalination)، ضدعفونی کردن (Disinfection) و پالایش (Refinement) بهبود یابد. همچنین انتظار بر این است که استفاده از محصولات مبتنی بر فناوری های نانو تکنولوژی بر پایه پلاسما هزینه تصفیه آب را کاهش دهد. کشورهای درحال توسعه می‌توانند با بهره‌گیری از فناوری نوین همچون تکنولوژی پلاسما (Plasma Technology) در زمینه تصفیه آب (Wastewater treatment) جهش بزرگی در این زمینه داشته باشند و با حرکت به سمت فناوری‌های پیشرفته، استفاده از فناوری‌های قدیمی نامرغوب، ناکارآمد، گران و آلاینده محیط‌زیست را کنار بگذارند.