نوآوری مشترک ایران و چین:
دستیابی به فناوری پایدار و کمهزینه در تصفیه آب
تیمی متشکل از دانشگاه علوم پزشکی البرز و مراکز علمی چین، راهکاری نوین برای پاکسازی منابع آبی ارائه دادند. استفاده از کاتالیستهای نانوساخته دقیق، امکان حذف موثر آلایندههای سختجان را فراهم کرده و گامی مؤثر در جهت مدیریت بحران آب محسوب میشود.
به گزارش سیناپرس، در شرایطی که آلودگی منابع آبی به یکی از دغدغههای جدی جهانی تبدیل شده، پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکی البرز با همکاری مراکز علمی بینالمللی، رویکردی نوین برای ارتقای کارایی فرایندهای تصفیه آب ارائه کردهاند. آنها با طراحی یک کاتالیست نانوساختار مبتنی بر چارچوبهای آلی-فلزی، موفق شدهاند محدودیتهای رایج در سامانههای فنتونمانند را تا حد زیادی برطرف کنند.
این کاتالیست با بهرهگیری از سایتهای فعال دوگانه، امکان فعالسازی همزمان مسیرهای رادیکالی و غیررادیکالی را فراهم میکند و در نتیجه، عملکرد بهتری در حذف آلایندههای مقاوم از خود نشان میدهد. نتایج این پژوهش نشان میدهد که استفاده از طراحیهای دقیق در مقیاس نانو، میتواند به توسعه فناوریهای پایدار، کمهزینه و کارآمد برای تصفیه آب منجر شود؛ موضوعی که در شرایط بحران منابع آب، اهمیتی دوچندان دارد.
آلودگی منابع آبی یکی از چالشهای جدی قرن حاضر است؛ مشکلی که نهتنها کیفیت زندگی انسان را تهدید میکند، بلکه بهطور مستقیم بر سلامت اکوسیستمها نیز اثر میگذارد. ترکیبات آلی پیچیده، داروها و آلایندههای صنعتی، بهراحتی در محیطزیست تجزیه نمیشوند و حضور آنها در آب، به یک بحران جهانی تبدیل شده است.
در این میان، توسعه روشهای کارآمد، پایدار و کمهزینه برای حذف این آلایندهها، به یکی از اولویتهای اصلی پژوهشگران تبدیل شده است.
در همین راستا، فرایندهای موسوم به «فنتونمانند» بهعنوان یکی از روشهای پیشرفته اکسیداسیون، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. این روشها با تولید گونههای فعال شیمیایی، قادر به تجزیه آلایندههای مقاوم هستند. با این حال، یک چالش اساسی در این حوزه وجود دارد: افزایش واکنشپذیری معمولاً به کاهش پایداری منجر میشود و بالعکس. همین مسئله، طراحی کاتالیستهایی را که بتوانند هر دو ویژگی را همزمان ارائه دهند، به یک مسئله پیچیده تبدیل کرده است.
اکنون، تیمی از پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکی البرز با همکاری مراکز علمی بینالمللی، راهکاری نوآورانه برای عبور از این محدودیت ارائه کردهاند. آنها با استفاده از چارچوبهای آلی-فلزی دوفلزی (ZIF) بهعنوان پیشماده، موفق به ساخت کاتالیستی مبتنی بر کبالت شدهاند که دارای ساختاری نانومقیاس و سایتهای فعال دوگانه است.
این کاتالیست که با ترکیب Co۰.۷۵Zn۰.۲۵-NC شناخته میشود، از نظر طراحی، بهگونهای مهندسی شده که بتواند مسیرهای واکنشی مختلف را بهطور همزمان فعال کند.
بخش نانویی این پژوهش دقیقاً در همینجا معنا پیدا میکند؛ جایی که ساختار کاتالیست در مقیاس نانو کنترل شده و آرایش اتمی سایتهای فعال بهصورت هدفمند طراحی شده است. وجود دو نوع سایت فعال شامل پیوندهای Co–Co و Co–N، امکان فعالسازی همزمان دو مسیر متفاوت اکسیداسیون را فراهم میکند.
سایتهای Co–Co عمدتاً در تولید رادیکالهای سولفات نقش دارند، درحالیکه سایتهای Co–N به تولید اکسیژن تکتایی کمک میکنند. این ترکیب هوشمندانه باعث میشود که فرایند تخریب آلایندهها از مسیرهای رادیکالی و غیررادیکالی بهصورت همزمان پیش برود.
نتایج این طراحی پیشرفته نشان میدهد که کاتالیست توسعهیافته عملکرد بسیار مطلوبی در حذف آلایندهها دارد، بهویژه در مورد ترکیبات غنی از الکترون مانند تتراسایکلین که از جمله آلایندههای رایج دارویی در منابع آبی محسوب میشود.
همچنین، این سامانه از نظر بهرهوری در مصرف ماده اکسیدکننده (پراکسومونوسولفات) عملکرد بالایی از خود نشان داده و در برابر پیچیدگیهای ماتریس آب، از جمله حضور یونها و ترکیبات مزاحم، مقاومت قابلتوجهی دارد.
از دیگر ویژگیهای مهم این کاتالیست، سازگاری آن با طیف وسیعی از شرایط محیطی است. عملکرد مناسب در محدودههای مختلف pH و کیفیتهای متفاوت آب، نشان میدهد که این فناوری میتواند در شرایط واقعی نیز کاربردپذیر باشد، نه فقط در محیطهای آزمایشگاهی کنترلشدهای که معمولاً همهچیز در آنها بیش از حد ایدهآل است.
علاوه بر این، پژوهشگران توانستهاند این کاتالیست را در قالب یک غشای سرامیکی کاتالیستی بهکار بگیرند و عملکرد آن را در شرایط جریان پیوسته بررسی کنند. نتایج نشان میدهد که این سامانه قادر است در عملیات طولانیمدت، حدود ۷۰ درصد از آلایندهها را حذف کند، بدون آنکه افت عملکرد قابلتوجهی داشته باشد. این موضوع، گامی مهم در جهت کاربرد صنعتی این فناوری بهشمار میرود.
اهمیت این دستاورد را باید در رویکرد طراحی آن جستوجو کرد؛ جایی که بهجای تکیه بر یک مسیر واکنشی، از ترکیب مسیرهای مختلف برای افزایش کارایی استفاده شده است.
این رویکرد میتواند بهعنوان الگویی برای توسعه نسل جدیدی از کاتالیستهای فنتونمانند مورد استفاده قرار گیرد؛ کاتالیستهایی که نهتنها کارآمدتر هستند، بلکه با رویکردهای توسعه پایدار و کاهش مصرف انرژی نیز همخوانی دارند.
به نقل از نانو ایران، در نهایت، این پژوهش نشان میدهد که مهندسی دقیق ساختار در مقیاس نانو، میتواند راهحلی عملی برای چالشهای پیچیده زیستمحیطی ارائه دهد. شاید هنوز راه زیادی تا تجاریسازی گسترده این فناوری باقی مانده باشد، اما همین که یک قدم از «آب آلوده را چه کنیم؟» فاصله گرفتهایم و به «چطور هوشمندانهتر تصفیه کنیم؟» رسیدهایم، خودش پیشرفت محسوب میشود.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان ZIF-Derived Catalyst with Co–Co/Co–N Dual Active Sites for Boosting Mixed Pathway Decontamination in Fenton-like Catalysis منتشر شده است.
