حذف آلاینده‌های فلزات سنگین در آب با گرافن اسید
دسترسی ساده به آب پاک و سالم برای سلامت عمومی ضروری است. این امر برای مصارف آشامیدنی و خانگی و همچنین بهداشت تولید مواد غذایی حائز اهمیت است. با این حال، توسط سازمان بهداشت جهانی تخمین زده شده است که تا سال 2025 نیمی از جمعیت جهان برای دسترسی به آب پاک و سالم مشکل خواهند داشت.
تصفیه آب آلوده
نگرانی اصلی در رابطه با آلودگی آب مرتبط با فلزات سنگین مثل سرب و کادمیم است. آلودگی آب با فلزات سنگین اغلب نتیجه فعالیت‌های غیر قانونی در صنعت معدن و متالورژی و نیز ساخت باتری است.
چنین آب آلوده‌ای عواقبی برای اکوسیستم‌های آبی و سلامت انسان خواهد داشت. بنابراین، تحقیق در مورد روش‌های ارزان و مؤثر برای تصفیه آب از فلزات سنگین بسیار مهم است.
متداول‌ترین روش فعلی برای تصفیه آب از فلزات، استفاده از جاذب‌های آلی و معدنی است. مهندسی جاذب‌های کارآمدتر را می‌توان با استفاده از هیبریداسیون مواد کربنی معدنی در مقیاس نانو برای بهبود عملکردهای شیمیایی سطح جاذب به دست آورد. بسیاری از فناوری‌های جذب مورد استفاده، دارای این محدودیت هستند که جاذب‌ها با فلزات تعامل بسیار ضعیفی دارند، که چالشی برای کارآیی این روش‌ها محسوب می‌شود. با این حال، از آنجا که فناوری‌های فعلی مورد استفاده برای حذف فلزات سنگین کارآمد نیستند، روش‌های جدیدی مورد تحقیق قرار گرفته‌اند و پیشنهاد می‌شوند.
جاذب‌های گرافن اسید
یک راه‌حل پیشنهادی برای رفع این چالش استفاده از جاذب با گرافن اسید است. گرافن اسید برای حذف فلزات سمی مثل سرب و کادمیم، مؤثر بوده‌است؛ زیرا می‌تواند به علت شیمی گزینش‌پذیر خود به فلزات سنگین متصل شود.
گرافن به عنوان اولین ماده دو بعدی، علم مواد را با خواص استثنایی و کاربردهای متعدد خود در صنایع مختلف متحول ساخته‌است. با این حال، برخی از کاربردهای آن در چندین زمینه به خاطر طبیعت آب‌گریز و بی‌اثری شیمیایی محدود شده‌اند.
از آنجا که گرافن واکنش‌پذیری پایینی دارد، اغلب شرایط بسیار ویژه‌ای برای رسیدن به مشتقات آن مورد نیاز است. این شرایط خاص اکثراً باعث محدودیت کنترل بر روی ترکیب و ساختار مشتق می‌شوند.
گرافن اسید مشتق‌شده از فلوروگرافن
برای سال‌ها به دست آوردن گرافن دشوار بود، اما محققان دانشگاه پالاکی اولوموک عضو برجسته پرچمدار گرافن، تکنیکی را پیشنهاد کردند که بر این مشکل غلبه می‌کند. آنها با جایگزینی فلوئور با عنصر دیگری که برای تولید مشتق گرافن مربوطه مورد نیاز است، گرافن اسید را از فلوروگرافن تهیه کردند.
فلوروگرافن پایدار است و می‌تواند برای سنتز سایر مشتقات گرافن که به طور مستقیم با عملکرد گرافن به دست نمی‌آیند، مانند گرافن اسید، مورد استفاده قرار گیرد.
فلوروگرافن به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی استثنایی خود توجه محققین را به خود جلب کرده‌است. این ماده یکی از نازک‌ترین عایق‌ها با باندگپ وسیع است. همچنین دارای واکنش‌پذیری بسیار بالایی است که تولید مشتقات گرافن را تسهیل می‌کند.
آماده‌سازی گرافن اسید از فلوروگرافن به دو مرحله نیاز دارد. ابتدا، فلوروگرافن با حذف برخی از اتم‌های فلوئور به دست آوردن سیانوگرافن، که آب‌دوست و بسیار رسانا است، بدون فلوئور می‌شود. پس از آن، هیدرولیز سیانوگرافن انجام می‌شود تا گرافن اسید به عنوان یک محصول تولید شود.
مزایای استفاده از گرافن اسید
یکی از مزایایی که گرافن اسید عرضه می‌کند این است که فلزات سنگین را با میل ترکیبی زیاد در غلظت‌های بالا به هم متصل می‌کند تا غلظت آنها در سطوح قابل قبول برای آب آشامیدنی کاهش دهد. علاوه بر این، گرافن اسید حتی با وجود یون‌هایی که به طور طبیعی در آب آشامیدنی وجود دارند، به عنوان جاذب عمل می‌کند.
مزیت بزرگ دیگر جاذب‌های مبتنی بر گرافن اسید این است که می‌توان از آنها برای استخراج فلزات نجیب از آب نیز استفاده کرد. دسترسی به فلزاتی مانند ایندیوم و گالیوم از بودن در روی زمین محدود است و داشتن روشی ارزان برای استخراج آنها در حین تصفیه آب، مورد توجه بسیاری از صنایع، مانند جواهرسازی و داروسازی است.
فناوری جدیدی که محققان در پروژه 2D-CHEM توسعه داده‌اند، روشی پایدار و کارآمد برای حذف فلزات سنگین از آب آلوده ارائه می‌دهد. این دستاورد مهم برای یافتن راهکارهای چالش‌هایی که جامعه مدرن با آن مواجه است، ضروری است.
داشتن فناوری که آب سالم و با دسترسی آسان و بهبود منابع آب پاک را برای همه فراهم می‌کند نه تنها برای سلامت عمومی مفید است، بلکه باعث تقویت اقتصاد بسیاری از کشورها و کاهش فقر می‌شود.
درباره نویسنده «یولیا یانچوا»
یولیا در حال حاضر مدرک فیزیک MPhys را در دانشگاه منچستر دنبال می‌کند و علاقه زیادی به تحقیقات تجربی چند رشته‌ای دارد. علاقه اصلی یولیا به زمینه‌های فیزیک بیولوژیکی، علوم مواد، فیزیک سطح و فوتونیک متمرکز است. او اشتیاق خود به این رشته‌ها را در سال‌های اول تحصیل خود در رشته فیزیک دانشگاه منچستر کشف کرد.
پس از سال دوم یولیا، دوره کارآموزی خود را در دانشگاه نیکولاس کوپرنیک در تورون لهستان گذراند و در آنجا بر روی یک پروژه تحقیقاتی تابستانی با عنوان "انتقال انرژی از پریدینین-کلروفیل-پروتئین (PCP) به گرافن" کار کرد.