استفاده از نانومواد نیمه‌رسانا به عنوان فتوکاتالیست برای تصفیه آب
آلودگی آب
گزارش سازمان جهانی بهداشت (WHO) نشان می‌دهد که آب آلوده مسئول مرگ ناشی از اسهال حدود ۴۸۵ هزار نفر در هر سال است. انتظار می‌رود نبود امکانات آب مناسب تا سال ۲۰۲۵ نیمی از جمعیت جهان را مجبور به زندگی در مناطق دارای تنش آبی کند.
علت آلودگی آب عمدتاً به تاسیسات ناکافی تصفیه آب فاضلاب خانوارها، بیمارستان‌ها و صنایع مربوط می‌شود. علاوه بر این، آلودگی محیط‌زیست به دلیل حمل‌ونقل و کشاورزی باعث گسترش آلاینده‌های آلی شده است که در اتمسفر باقی می‌مانند و در نتیجه بر دریاچه‌ها و نهرهای مجاور تأثیر می‌گذارند.
فناوری کنونی از فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی برای حذف آلودگی‌ها و آلاینده‌های ناشی از فاضلاب استفاده می‌کند. با این حال، هنوز هم به تحقیقات مداوم نیاز است تا بهترین روش در دسترس انسان و محیط زیست قرار گیرد.
راهکارهای تصفیه آب
در حال حاضر براساس کاربرد، راهکارهای مختلفی برای تصفیه فاضلاب موجود است. به عنوان مثال، ته‌نشینی یک فرآیند فیزیکی است که به ذرات اجازه می‌دهد تا در اثر جاذبه از آب خارج شوند. در نتیجه، غلظت جامدات در سوسپانسیون کاهش می‌یابد و مواد شیمیایی را که نیاز به تصفیه دارند به حداقل می‌رساند. یک روش تصفیه شیمیایی متداول دیگر، لخته‌شدن است که مواد جامد را از طریق دستکاری بارهای الکترواستاتیک ذرات از آب حذف می‌کند.
برای آب آشامیدنی، فرآیند جذب یکی از فناوری‌های پرکاربرد برای حذف مواد آلی است، ولی این فناوری در پردازش زباله‌های پزشکی کارایی پایینی دارد و پسماند ثانویه تولید می‌کند.
در حالی که صنعتی‌سازی پیشرفت کرده‌است، اکتشاف مواد شیمیایی و کامپوزیت‌های مختلف، گونه‌های دسته‌بندی‌نشده‌ای تولید کرده‌است که باعث ایجاد مسمومیت در فاضلاب می‌شوند. برای این منظور، فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOP) جذاب‌ترین و ایده‌آل‌ترین انتخاب از زمان معرفی این فناوری در دهه 1980 بوده است.
فرآیند اکسیداسیون پیشرفته
AOP با ایجاد رادیکال‌های هیدروکسیل در آب از گونه‌های بسیار واکنش‌پذیر برای تخریب آلاینده‌ها استفاده می‌کند. در نتیجه بیشتر ترکیبات آلی تا زمانی که به طور کامل معدنی نشده‌اند، به صورت کربن دی‌اکسید و آب، اکسید می‌شوند.
اثربخشی تصفیه در یک فرآیند محبوب برای تصفیه آب آشامیدنی، به انتخاب AOP، خواص آلاینده‌ها و پارامترهای محیطی بستگی دارد. با این حال، عمر کوتاه رادیکال‌ها به این معنی است که این فرآیند برای گندزدایی عوامل بیماری‌زا زیاد مناسب نیستند و آن را تنها برای کاربرد با مقیاس کوچک قابل‌استفاده می‌کند.
سایر AOP های پرکاربرد، مانند فتولیز، فتو-فنتون و فتوکاتالیز، با استفاده از نیمه‌رساناها و انرژی نور، رادیکال ایجاد می‌کنند. تشکیل جفت الکترون-حفره و تولید رادیکال هنگامی رخ می‌دهد که شدت نور بیشتر از انرژی باندگپ نیمه‌رسانا باشد.
دستیابی به این شدت نور برای برخی از نیمه‌رساناها یک چالش است. در نتیجه، این فرآیند نیازمند یکپارچه‌سازی با مواد دیگر مانند پلیمرها، گرافن یا سایر فلزات است.
در اوایل سال جاری، دانشمندان مالزی و تایلند یک فوتوکاتالیست برای تصفیه AOP آب، بر اساس گرافن اکسید کاهش‌یافته (rGO) ایجاد کردند که می‌تواند آلودگی محیط زیست را به حداقل برساند. این پژوهش که در بیست و پنجم فوریه سال ۲۰۲۱ که در مجله Catalysts منتشر شد نشان می‌دهد که این فرآیند، خصوصیات منحصر به فرد گرافن، مانند گستره وسیع جذب نور، جداسازی بارها و ظرفیت بالای جذب آلاینده‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد. این ویژگی‌ها به شدت کارایی فتوکاتالیستی را بهبود می‌بخشد.
نانومواد نیمه‌رسانا به عنوان فتوکاتالیست
فتوکاتالیست ماده‌ای است که مواد مضر را با نوردهی تخریب و سم‌زدایی می‌کند. اگرچه مواد مختلفی در دسترس هستند که قابلیت فتوکاتالیستی دارند، اما بسیاری از آن‌ها گران هستند یا از کلوخه‌شدگی که واکنش‌پذیری ماده را کاهش می‌دهد، رنج می‌برند. در نتیجه، کارایی عملیات فتوکاتالیستی کاهش می‌یابد.
محبوبیت رو به رشد صنعت نانوفناوری به این معنا است که نانومواد نیمه‌رسانا (NMs) در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که از ویژگی‌های منحصر به فرد وابسته به اندازه مواد استفاده می‌کنند.
تغییرات چشمگیر در خواص الکترونیکی و نوری نانومواد با تغییر اندازه ذرات به دلیل اثر محدودیت کوانتومی رخ می‌دهد. با توجه به باندگپ‌های وسیع و توانایی تنظیم باندگپ برای به دست آوردن خواص مطلوب، این مواد کاربردهایی در فتوکاتالیست، فتو-اپتیک و وسایل الکترونیکی دارند. توانایی این مواد برای استفاده از انرژی نور و تولید حامل‌های بار برای کاربردهای مختلف، تلاش‌های تحقیقاتی قابل توجهی را در چند سال گذشته برای افزایش کارایی فوتوکاتالیستی آن‌ها فراهم کرده‌است.
با توجه به تحقیقاتی که توسط دانشمندان در مالزی و تایلند انجام شده است، رایج‌ترین نانومواد نیمه‌رسانا مورد استفاده در فتوکاتالیست،TiO2،ZnO،BiFeO3،BiVO4، SnO2 و CdO هستند. با این حال، استفاده از گرافن در چشم‌انداز برای سطح تنظیم، بسیار مطلوب است.
گرافن به عنوان یک فتوکاتالیست
هیبریداسیون نانومواد نیمه‌رسانا با گرافن و مشتقات آن، به ویژه rGO، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. گرافن دارای سه اوربیتال هیبرید sp2 است که با اتم‌های کربن پیوند خورده‌اند و پیوند چهارم عمود بر آرایه شش‌ضلعی اتم‌های کربن باقی می‌ماند. این پیوند آویزان برای هر گروه عاملی در محلول برای اتصال مورد توجه است.
هنگامی که گرافن در یک حلال مایع ته‌نشین می‌شود، گروه‌های عاملی موجود در حلال، صفحات را می‌پوشانند و با افزودن عوامل کاهنده، گرافن به اکسید گرافن (GO) و سپس به rGO تبدیل می‌شود. استفاده از rGO از ویژگی‌های قابل توجهی شامل تحرک حامل بار بالا، خواص مکانیکی خوب، رسانایی حرارتی و مساحت سطح زیاد برخوردار است.
علاوه بر این، با توجه به فرآیند کاهش، rGO برخی از پیک‌های جذب به ویژه پیک‌های گروه عاملی حاوی اکسیژن را ندارد که به نظر می‌رسد در GO ظاهر می‌شود. این تیم تحقیقاتی از rGO های مبتنی بر کامپوزیت‌ها استفاده کرد که توانایی فتوکاتالیستی عالی و تخریب نوری قوی طیف وسیعی از آلاینده‌های آلی را ارائه می‌دهد.
پیشرفت‌های آینده
این پیشرفت اخیر در استفاده از rGO به عنوان فتوکاتالیست یک نوآوری پیشگامانه و مهم برای حذف آلاینده‌های سمی از فاضلاب محسوب می‌شود. جالب است که این نظریه همچنین به مسائل وسیع‌تری از آلودگی محیط زیست که نیازمند توجه فوری هستند، پاسخ می‌دهد. با پیشرفت این فناوری، دانشمندان از تئوری حمایتی کافی برای ارتقاء و ارائه محیطی تمیزتر و آب آشامیدنی سالم برای جمعیت‌های انسانی برخوردارند.
درباره نویسنده «پروا چانتیال»
پروا چانتیال در سال 2013 پس از فارغ‌التحصیلی از دانشگاه منچستر در رشته مهندسی شیمی با گرایش انرژی و محیط زیست، به دانشگاه لایبنیتس هانوفر آلمان رفت تا مدرک دکترای خود را در رشته فناوری نانو دنبال کند. وی در دوران دکترا نیز سمت دستیاری تحقیق را در Laser Zentrum Hannover e.V به عهده داشت.
تجربه کاری و دکترای او به درک خصوصیات نوری نانو مواد اختصاص دارد. او از زمان پایان دوره دکترا در سال 2017، در Steinbeis R-Tech به عنوان مدیر پروژه مشغول به کار است. مسئولیت‌های کاری وی در همکاری با شرکای مختلف صنعتی شامل مدیریت علمی و مدیریت پروژه در زمینه ارزیابی چرخه عمر فرآیندهای تولید و آنالیز ریسک نانومواد است.