بخشی از مقاله
چكيده
توسعه صنايع داروسازي باعث ورود مقدار زيادي زبالههاي آلي، غيرآلي، زيستتخريبپذير و غيرقابل تجزيه به محيط زيست ميشود. آلودگي محيط زيست از اين طريق نه تنها به علت استفاده و دفع نامناسب بلكه ناشي از پساب صنايع توليد دارويي نيز است. آلايندههاي آلي موجود در فاضلاب صنعتي، تهديد اصلي در دنياي كنوني است. تاسيسات تصفيهخانهها براي تصفيه كامل اين نوع آلايندهها طراحي نشدهاند. بنابراين در حال حاضر تحقيقات زيادي براي حذف اين آلايندهها از اب صورت گرفته است.
يكي از اميدواركنندهترين روشهاي تصفيه، جذب است . اين روش براي حذف تركيبات آلي طبيعي يا مصنوعي در آب آشاميدني به كار ميرود. به تازگي گرافن و مشتقات آن با توجه به ويژگيهاي خاص آن مورد توجه قرار گرفته است. اين مواد توانايي به حركت دراوردن الكترونها، توليد راديكالهاي آزاد و پايداري طولاني مدت دارند. گرافن به عنوان عضو جديد خانواده كربن و يك سيستم جاذب الكتروني بزرگ ميتواند تعاملات قوي با آلايندهها ايجاد كند. اين جاذب با طراحي نانوساختار بهبود يافته و با توجه به سطح ويژه بالا، جايگاههاي جذب فراوان، تغييرات درجه حرارت كم، ظرفيت بازسازي بهتر و خاصيت استفاده مجددبه عنوان يك جاذب تجاري معرفي شده است.
روش جذب با گرافن، روشي ساده و كم هزينه به خصوص براي الايندههاي خاص مانند زبالههاي دارويي كه در مقادير كم - نانوگرم/ليتر و ميكروگرم/ليتر - نيز خطرناك هستند، مناسب است. گرافن در سالهاي اخير به عنوان جايگزين كربن فعال و ساير مواد جاذب توجه بسياري را به خود جلب كرده و توانسته به عنوان يكي از مطمئنترين و همهجانبهترين مواد براي تصفيه فاضلاب عمل كند. اين مطالعه استفاده از گرافن را به عنوان جاذب براي تصفيه فاضلابهاي حاوي آلايندههاي دارويي و پيشرفتهاي اخير در اين زمينه را بررسي ميكند.
١. مقدمه
آلايندههاي دارويي يك گروه از آلايندههاي خطرناك هستند كه شامل گروههاي مختلفي از داروهاي انساني و حيواني است. با رشد و توسعه صنايع دارويي و استفاده از اين تركيبات ميزان زبالههاي آلي كه به محيط وارد ميشود نيز رو به افزايش است. در سالهاي اخير داروها به عنوان آلايندههاي نوظهور معرفي شدهاند كه وارد جريان آب شده و براي سيستمهاي حياتي و موجودات ايجاد خطر ميكنند]١.[ آلودگي محيط زيست نه تنها به علت مصرف و دفع نامناسب بلكه پساب واحدهاي دارويي نيز از منابع اصلي ورود اين تركيبات به منابع آبي هستند.
فرايند توليد داروها عموما شامل فرايندهاي تخمير، استخراج، تصفيه، سنتز شيميايي، فرمولاسيون و بستهبندي است. هريك از اين فرايندها آلايندههاي جامد، مايع و گاز توليد ميكند. پسابهاي ناشي از عمليات تصفيه ممكن است حاوي مواد آلي سمي باشند. علائه بر ضايعات واحدهاي توليدي، داروهايي كه به طور كامل در بدن متابوليزه نميشوند نيز ممكن است به سيستم فاضلاب منتقل شوند. به نظر ميرسد تركيبات دارويي متعددي از سد تصفيهخانههاي فاضلاب عبور كرده و وارد محيط ميشوند]٣،٢.[ در سالهاي اخير مقررات زيستمحيطي شديد در استفاده از برخي تركيبات مثل آفتكشها اعمال شده است. اما با توجه به اثرات بهداشتي و سلامتي و اهميت اقتصادي داروها نميتوان مصرف آنها را محدود كرد و حتي انتظار ميرود مصرف آنها با افزايش جمعيت افزايش پيدا كند.
تركيبات دارويي با اينكه با غلظت كم در محيط وجود دارند اما به علت تخليه مداوم آنها به محيط و اثر تجمعي خطر بالقوهاي براي محيط ميباشند. حلاليت بالاي بسياري از تركيبات دارويي باعث تشديد اثر آنها در آب ميشود]٥،٤.[ علاوه بر اين برخي داروهاي استفاده نشده به طور مستقيم به محل دفن زباله منتقل ميشود. در اين حالت به راحتي با اثر بارش نفوذ كرده و منابع آب زيرزميني را آلوده ميكنند. يكي از اثرات اين آلايندهها به اكوسيستم، توليد باكتريهاي مقاوم نسبت به آنتيبيوتيكها است]٧،٦.[ تاسيسات تصفيهخانهها براي تصفيه اين نوع آلايندهها طراحي نشدهاند؛ بنابراين آلايندههاي دارويي نميتوانند به طور كامل حذف شوند]٨.[ تحقيقات بسياري براي حذف اين نوع آلايندهها از آب انجام شده است.
فرايندهايي از قبيل؛ اكسيداسيون فتوكاتاليستي]٩[، نانوفيلتراسيون]١٠[، فرايندهاي بيولوژيكي]١١[، اسمز معكوس]١٢[، اولترافيلتراسيون]١٠.[ بسياري از اين روشها نياز به سرمايهگذاري بالا و هزينههاي تعمير و نگهداري گزاف دارد. از طرفي روشهايي پيچيده هستند و ممكن است طي فرايند آلاينده هاي ثانويه يا فراوردههايي با مسموميت بيشتر از آلاينده اصلي توليد كنند. در نتيجه اين روشها نميتوانند به طور موثر و اقتصادي در حذف آلايندههاي دارويي به كار روند.
از طرف ديگر جذب يك روش ارزان، آسان و سريع است كه در آن گام اصلي معمولا بهينهسازي ظرفيت جذب با تغيير پارامترهاي مختلف مثل pH، دما، زمان تماس و قدرت يوني است و در نتيجه يكي از اميدواركننده ترين روشها است]١٦،١٥.[ اين روش مزاياي متعددي دارد؛ جذب روشي كارامد است كه ميتواند سطوح رديابي آلايندهها را كنترل كند. براي طراحي و عملكرد ساده است. فراورده سمي توليد نميكند. هزينه اوليه در اين روش كم است و ميتواند چندين بار تجديد شود و از اين نظر فرايندي اقتصادي است]١٧.[ تعدادي از جاذبها از قبيل كربن فعال، رس، نانولولههاي كربني و منتموريلونيت براي حذف تركيبات دارويي از اب استفاده شده است اما در مقايسه با اين جاذبها، گرافن ظرفيت جذب بالاتري براي اين تركيبات نشان داده است.
به تازگي گرافن و مشتقات آن با توجه به ويژگيهاي ان مورد توجه قرار گرفته است. اين مواد توانايي به حركت دراوردن الكترونها، توليد راديكالهاي آزاد و پايداري طولاني مدت را دارند. گرافن، يك ماده دوبعدي كريستالي است كه در سالهاي اخير شناسايي و تحليل شده است. صفحهاي ورقهاي شكل به ضخامت اتم كربن را گرافن تكلايه مينامند. صفحات گرافن، با كنار هم قرار گرفتن اتمهاي كربن تشكيل ميشوند .در يك صفحه گرافن، هر اتم كربن با ٣ اتم كربن ديگر پيوند داده است.
اين سه پيوند، در يك صفحه قرار دارند و زواياي بين آنها با يكديگر مساوي و برابر با ١٢٠درجه ميباشد. در اين حالت، اتمهاي كربن در وضعيتي قرار ميگيرند كه شبكهاي از شش ضلعيهاي منظم را ايجاد ميكنند. البته اين ايدهآل ترين حالت يك صفحه گرافن است. در يك صفحه گرافن، هر اتم كربن، يك پيوند آزاد در خارج از صفحه دارد .اين پيوند مكان مناسبي براي قرارگيري برخي از گروههاي عاملي و همچنين اتمهاي هيدروژن است]١٩. [ گرافن نازك ترين و سخت ترين نانو ورقه دوبعدي از اتم هاي كربن sp2 هيبريداسيون است كه با سطح ويزه زياد پتانسيل خوبي به عنوان يك بستر ميزبان براي نانوذرات فلزي دارد.
گرافن اكسايد يكي از مهمترين مشتقات گرافن با سطح ويژه بالا، هدايت عالي و مقاومت مكانيكي قوي است ]٢٠.[ جذابيتهاي گرافن به علت ويژگيهاي فيزيكي و شيميايي فوقالعادهاي مانند سطح ويژه بالا، مورفولوژي منحصر به فرد، ساختار شيميايي، خواص الكتريكي و حرارتي و مقاومت مكانيكي آن است. گرافن به عنوان يك سيستم جاذب الكتروني بزرگ قادر است تعاملات قوي با آلايندهها ايجاد كند و به عنوان يك جاذب سريع براي آلودگيهاي مختلف استفاده ميشود. گرافن ويژگيهايي از قبيل سطح ٢٦٣٠ مترمربع، شفافيت نوري، سيستم الكتروني π، استحكام مكانيكي - ٤,٠-٤,٢ - و سطح شديدا هيدروفوبيك است.
ساختار گرافن به صورت يك شبكه لانه زنبوري است و در مقايسه با نانولوله هاي كربني به عنوان يك فيلر مناسبتر است. به علاوه گرافن داراي سيستم نسبتا بزرگ -πالكترون است كه اين ويژگي باعث اتصال به آلاينده هدف است. خواص و كاربرد گرافن مربوط به شكل، اندازه و مورفولوژي آن است]٢٦-٢٢ ,٢١.[ برودي اولين كسي بود كه مخلوط اكسيد كننده KClO4 و HNO3 كشف كرد كه ميتوانست از اين طريق تنها با كربنهاي ساختار گرافيت، گرافن اكسايد را تشكيل دهد]٢٧.[ پس از آن محققان ديگر از جمله استادنماير، هافمن و فرنزلز، هومر و هامدي سنتز گرافن اكسايد را از گرافيت در حضور اكسيد كننده ها در شرايط آزمايشگاهي گزارش كردند.
٢. مكانيسم جذب
آلايندههاي آلي معمولا نياز به اكسيژن بالا و زيستتخريبپذيري پاييني دارند و بخاطر چربي دوست بودن تراكمپذيري بالايي در طول زنجيره غذايي دارند]٢٨.[ جذب يك فرايند چندمرحلهاي است كه شامل انتقال مولكولهاي جذبشونده از فاز مايع به سطح جامد جاذب و سپس انتشار از طريق لايه مرزي به سطح خارجي جاذب ميباشد. در نهايت جذب در محل فعال در سطح جاذب از طريق نفوذ از منافذ جاذب رخ ميدهد.
مكانيسم جذب آلايندههاي آلي روي گرافن وابسته به سيستم -πالكترون مولكولهاي ماده آلي و -πالكترون حلقه آروماتيك گرافن است. به طور كلي ٥ فعاليت اثر هيدروفوبيك، پيوندهاي π-π، پيوندهاي هيدروژني و اثرات متقابل كووالان و الكترواستاتيك در مواد كربني وجود دارد و به نظر ميرسد كه اين موارد مسئول جذب مواد شيميايي آلي روي سطح نانوذرات كربن است. معمولا فرمولاسيونهاي دارويي از جمله تتراسايكلين، ايبوپروفن، ديكلوفناك و داروهايي از اين دست شامل يك يا چند حلقه آروماتيك و -πالكترون هستند. مطالعات نشان ميدهد نيروي بين مولكولي اصلي بين جاذب و جذبشونده ممكن است نيروي متقابل π-π باشد. علاوه بر اين نيروهاي الكترواستاتيك و پيوند هيدروژني نيز داراي نقش موثر در مكانيزم جذب براي تركيبات دارويي معرفي شدهاند]٣١،٣٠
