پژوهشگران ایرانی در همکاری با دانشگاههای خارجی موفق شدند با طراحی سامانه نوری-فنتونمانند، آلایندههای پیچیده دارویی و آرایشی را با سرعتی باورنکردنی و تنها در ۱۵ دقیقه تجزیه کنند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه ولیعصر رفسنجان با همکاری دانشگاه معماری و فناوری شیآن چین و دانشگاه فریاستیت آفریقای جنوبی، سامانهای نوری-فنتونمانند طراحی کردهاند که میتواند آلایندههای دارویی و محصولات بهداشتی را با سرعت بسیار بالا از آب حذف کند. این فناوری با تکیه بر مهندسی فصل مشترک و ساختارهای نانویی محصور، عملکرد کاتالیست را بهطور محسوسی افزایش داده و انتقال مواد درون سامانه را بهبود بخشیده است.
نتایج نشان میدهد این ساختار توانسته داروی دیکلوفناک را تنها در ۱۵ دقیقه تجزیه کند و در برابر مزاحمت ناخالصیهای موجود در آب نیز پایداری مناسبی داشته باشد. اهمیت این دستاورد از آن جهت است که آلایندههای نوظهور دارویی در بسیاری از منابع آبی جهان شناسایی شدهاند و روشهای متداول تصفیه، اغلب در حذف کامل آنها ناکارآمدند. این پژوهش میتواند مسیر تازهای برای توسعه سامانههای پیشرفته تصفیه آب و حفاظت زیستمحیطی فراهم کند.
آب سالم، یکی از بدیهیترین نیازهای بشر است؛ البته بدیهی فقط در حرف. در عمل، انسان سالهاست هرچه میتواند وارد منابع آبی کرده و بعد با نگرانی میپرسد چرا کیفیت آب پایین آمده است. در سالهای اخیر، گروه تازهای از آلایندهها به نام آلایندههای نوظهور توجه دانشمندان را جلب کردهاند؛ موادی مانند داروها، آنتیبیوتیکها، ترکیبات هورمونی و محصولات بهداشتی و آرایشی که در مقادیر کم وارد آب میشوند، اما اثرات زیستمحیطی قابلتوجهی دارند.
یکی از مهمترین این گروهها، داروها و محصولات مراقبت شخصی یا PPCPs هستند. این ترکیبات از طریق فاضلاب خانگی، بیمارستانی و صنعتی وارد محیط زیست میشوند و بسیاری از سامانههای تصفیه متداول قادر به حذف کامل آنها نیستند. باقیماندن این مواد در آب میتواند به مقاومت آنتیبیوتیکی، اختلالات هورمونی در آبزیان و تهدید سلامت انسان منجر شود.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه ولیعصر رفسنجان با همکاری دانشگاه معماری و فناوری شیآن و دانشگاه فریاستیت سامانهای پیشرفته برای حذف سریع این آلایندهها توسعه دادهاند. این سامانه بر پایه فرایند فوتوفنتونمانند طراحی شده و توانسته عملکردی بسیار سریع و مؤثر از خود نشان دهد.
فرایندهای فنتون و فوتوفنتون از روشهای پیشرفته اکسیداسیون برای تصفیه آب هستند. در این روشها، با کمک کاتالیست و اکسیدکنندهها، گونههای فعال بسیار واکنشپذیر تولید میشود که میتوانند مولکولهای آلاینده را تجزیه کنند. مشکل اصلی اما این است که بسیاری از کاتالیستها بازده کافی ندارند و انتقال مواد واکنشدهنده در سطح آنها نیز کند است. نتیجه، سامانههایی است که روی کاغذ عالیاند و در واقعیت کمی کمتر از بروشور تبلیغاتی عمل میکنند.
پژوهشگران برای حل این مشکل، دو راهبرد را همزمان به کار گرفتهاند: مهندسی فصل مشترک و محدودسازی فضایی.
محققان با رشد دادن هیدروکسیدهای دولایهای (LDH) بر روی لولههای توخالی گرافیتی نیترید کربن (g-C۳N۴) ساختاری هیبریدی ایجاد کردند که با نام TCN-LDH معرفی شده است. این ساختار نانویی هم سطح تماس بالایی دارد و هم مسیر حرکت مواد و بارهای الکتریکی را بهینه میکند.
لولههای توخالی نیترید کربن مانند کانالهایی ریز در مقیاس نانو عمل میکنند که واکنشدهندهها را در فضای محدود هدایت میکنند. این فضای محصور سبب میشود تماس آلایندهها با مراکز فعال کاتالیستی افزایش یابد و سرعت واکنش بیشتر شود. به زبان ساده، مولکول آلاینده راه فرار کمتری دارد و ناچار است با کاتالیست روبهرو شود؛ چیزی شبیه صف اجباری، اما مفید.
در سوی دیگر، مهندسی فصل مشترک میان دو ماده باعث تشکیل ناهمپیوند S-scheme شده است. این نوع اتصال در سامانههای نوری بسیار ارزشمند است، زیرا جداسازی بهتر الکترونها و حفرهها را ممکن میکند. هنگامی که نور به کاتالیست میتابد، حاملهای بار تولید میشوند. اگر این بارها سریع بازترکیب شوند، انرژی هدر میرود. اما ساختار S-scheme به مهاجرت مؤثر بارها کمک کرده و عمر آنها را افزایش میدهد.
نتیجه این طراحی هوشمندانه، جذب بهتر نور و انتقال مؤثرتر حاملهای بار بوده است. افزون بر آن، پژوهشگران نشان دادند مهندسی سطح، وضعیت الکترونی کاتالیست را نیز تغییر داده و مرکز باند d و حالتهای ضدپیوندی را به سطوح انرژی بالاتری منتقل کرده است. این تغییرات باعث بهبود جذب شیمیایی و انتقال الکترون به پرمونوسولفات (PMS) میشود؛ مادهای که برای تولید گونههای فعال اکسیدکننده به کار میرود.
به بیان سادهتر، کاتالیست نهتنها نور را بهتر استفاده میکند، بلکه ماده اکسیدکننده را هم سریعتر فعال میسازد. در نتیجه، رادیکالها و گونههای واکنشپذیر بیشتری تولید میشود که میتوانند آلایندهها را با سرعت بالا تخریب کنند.
آزمایشها نشان داد این سامانه توانسته داروی دیکلوفناک را تنها در ۱۵ دقیقه حذف کند. ثابت سرعت واکنش نیز ۰٫۵۶۱۸ دقیقه معکوس گزارش شده که نشاندهنده عملکرد بسیار سریع سامانه است. دیکلوفناک یکی از داروهای ضدالتهاب پرمصرف است که بارها در منابع آبی جهان شناسایی شده و بهعنوان آلایندهای نگرانکننده شناخته میشود.
سامانه TCN-LDH تنها به دیکلوفناک محدود نمانده و توانسته انواع دیگر آلایندههای گروه PPCPs را نیز با سرعت بالا تجزیه کند. همچنین ساختار فضایی محصور آن در برابر ناخالصیهای موجود در آب عملکرد پایدارتری نشان داده است؛ موضوعی مهم، زیرا آب واقعی آزمایشگاه نیست و معمولاً پر از یونها، مواد آلی و مزاحمهایی است که دوست دارند همه چیز را خراب کنند.
پژوهشگران برای درک بهتر سازوکار تخریب آلاینده، محلهای واکنشپذیر مولکول دیکلوفناک را با استفاده از تابع فوکویی (Fukui Function) بررسی کردند. این تحلیل نشان داد کدام بخشهای مولکول بیشتر در معرض حمله گونههای فعال قرار میگیرند و مسیر تجزیه چگونه پیش میرود.
ارزیابی سمیت محصولات میانی نیز انجام شد و نشان داد برخی واسطههای حاصل از تخریب ممکن است زیستسمیت بالقوه داشته باشند. این نکته اهمیت زیادی دارد، زیرا هدف تصفیه آب فقط شکستن مولکولها نیست، بلکه باید اطمینان حاصل شود محصولات نهایی نیز کمخطر هستند.
این پژوهش چشماندازی روشن برای توسعه نسل تازهای از کاتالیستهای نانویی در تصفیه آب ارائه میدهد. ترکیب مهندسی سطح، طراحی ساختارهای توخالی و کنترل انتقال جرم میتواند سامانههایی سریعتر، مقاومتر و کاربردیتر بسازد.
به نقل از نانو ایران، دستاورد پژوهشگران دانشگاه ولیعصر رفسنجان نشان میدهد نانوفناوری میتواند در یکی از جدیترین چالشهای قرن حاضر، یعنی بحران آب و آلودگی منابع آبی، نقشی عملی و مؤثر ایفا کند. گاهی نجات یک رودخانه، از یک لوله توخالی در مقیاس نانو آغاز میشود.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Spatial confinement and interface engineering enhanced photo-Fenton-like system for ultrafast PPCPs degradation به چاپ رسیده است.