بخشی از مقاله
چکیده
آلودگی محیط زیست از مهمترین مشکلاتی است که بشر با آن مواجه است و با توجه به ا فزایش جمعیت و گسترش روز به روز صنایع، اهمیت کنترل آلودگی محیط زیست و جلوگیري از رشد تصاعدي آن، بیش از پیش احساس می گردد. مشکلات ناشی از حضور آلاینده هایی که به طور بیو لوژیکی حذف نمی شوند، بشر را به سمت شناسایی راهکارهاي مختلف جهت کاهش و یا حذف آنها سوق داده است. از دیرباز تاکنون فرایند هاي مختلفی براي حذف آلاینده هاي مخرب زیست محیطی موجود در آب، پساب و هوا به مرحله اجرا در آمده که راندمان چندان مطلوبی نداشته است. در سالهاي اخیر، فناوري نانو نقش بسزایی در شیمی سبز ایفا کرده است و استفاده از نانو ذرات در حذف آلاینده هاي زیست محیطی به عنوان یکی از جدید ترین روشهاي حذف آلاینده ها در جهان مطرح است. این مواد، به علت دارا بودن نسبت سطح به حجم بالا و فعالیت شیمیایی فوق العاده و تولید محصولات بی ضرر کارایی بسیار مطلوبی در کنترل آلودگی زیست محیطی دارند. در این مقاله به معرفی برخی از مهم ترین نانو ذرات و کاربرد آنها در حذف آلاینده هاي زیست محیطی پرداخته می شود.
واژه هاي کلیدي: حذف، نانو ذرات، فوتو کاتالیست، آلاینده هاي زیست محیطی
-1 مقدمه
فناوري نانو به معنی کاربرد ذرات در ابعاد نانو - معمولا 100-1 نانومتر - است. در این فناوري ذرات مانند یک واحد مستقل، خواصی مجزا و متفاوت از ذرات با ابعاد بزرگتر را دارا می باشند. از طریق دنبال کردن مواد در مقیاس نانو، امکان طراحی و ساخت مواد جدید با ویژگی کاملا نو، کیفیت بالا و هزینه کم بوجود می آید. یکی از کاربرد هاي مهم فناوري نانو در پاکسازي آلاینده هاي شیمیایی موجود در منابع آب ، خاك، هوا و پساب می باشد که توانایی حذف آلودگی هاي کوچک از منابع آبی در مقیاس کمتر از 200 نانومتر و آلاینده هاي هوا در مقیاس کمتر از 20 نانومتر را داراست. برا ي حذف آلاینده هاي زیست محیطی روش هاي گوناگونی وجود دارد.
یکی از معایب روشهاي کلاسیک تصفیه فیزیکی و شیمیایی مانند جداسازي شیمیایی آلاینده ها ، جذب سطحی بر روي کربن فعال، فیلتراسیون، اسمز معکوس و نظایر آن این است که این روشها، پر هزینه هستند و به انرژي زیادي لازم دارند، هم چنین آلاینده ها را بطور کامل از بین نمی برند و باعث انتقال آنها ازیک فاز به فاز دیگر، تغلیظ آنها تولید آلاینده ي جدید می شوند که نیاز به تصفیه ي بیشتري دارندب1م. فناوري نانو با ایجاد رویکردي نوین در فرایند هاي فوتوکاتالیستی - فرآیند هاي اکسیداسیون پیشرفته1 بکبقAمض آینده اي بسیار روشن را در زمینه ي حفاظت از محیط زیست نوید می دهد.
-2 فرایندهاي حذف آلاینده ها
از میان روش هاي گوناگونی که براي حذف آلاینده ها مانند جذب، اکسیداسیون، تصفیه بیولوژیکی، انعقاد و لخته سازي وغیره وجود دارد، روش جذب که در آن نانو ذرات نقش جاذب را دارند و هم چنین روش اکسیدایون پیشرفته که از نانو ذرات به عنوان کاتالیست استفاده می شود، با کاربرد جدیدتري نسبت به روش هاي کلاسیک حذف همراهند.
-1-2 روش جذب
تحقیقات بسیاري نشان داده است که نانو ذرات می توانند به عنوان جاذب طی فرایند هاي جذب2 براي حذف آلاینده ها کارآمد باشند.به عنوان مثال در حذف فلزات سنگین جاذب هاي نانو ساختار می توانند توسط روشهاي تزریق جاذب فلزات سنگینی چون سرب، جیوه، نیکل و کادمیوم استفاده شوند.[2] دو تکنیک مهم جذب سطحی و جذب شیمیایی در حذف آلاینده ها موثر واقع شده اندحدر تکنيک جذب سطحی مواد آلاینده موجود در هوا بدون تغییر در ساختار مولکولی به فاز دیگر منتقل می شوند . در این روش از مواد جاذبی نظیر کربن فعال و زئولیت براي جداسازي مواد آلاینده از هوا استفاده می گردد و براي تصفیه هوا با غلظتهاي پایین موثر است و اغلب براي مواد آلیفرَار استفاده می شودح در تکنیک جذب شیمیایی به دلیل اینکه برخی از ترکیبات آلاینده حاوي موادي هستند که بعد از سوختن از فرم خطرناك اولیه خارج شده و به مواد کم خطر تبدیل می گردند با استفاده از سوزاندن کاتالیستی با اضافه کردن ترکیبات سوختی به محیط واکنش فرایند تبدیل مواد صورت می گیرد. یکی از معایب این روش ها افزایش احتمال تولید گازهاي سمی گقش به عنوان محصولات فرعی در جریان تصفیه می باشد.
فناوري هاي بسیاري براي حذف آلاینده هاي زیست محیطی معرفی شده است و تکنیک جذب به دلیل ساده بودن، ارزان بودن و داشتن اثر مطلوب در حذف یون هاي فلزي سنگین مثل آرسنات، جیوه، کادمیوم وکروم، یکی از بهترین و مطمئن ترین روش ها است.گسترده ترین روش فیزیکی براي حذف آلاینده ها در صنعت، استفاده از کربن فعال است. یکی از معایبی که این روش دارد این است که جاذب بعد از اتمام فرایندجذب، به راحتی از محلول جدا نمی شود و راندمان را به میزان زیادي کاهش می دهد. کارایی تکنیک جذب به ویژگی هاي جاذب استفاده شده بستگی دارد. نانو ذرات به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا، اندازه کوچک و فراهم آوردن سینتیک مناسب تري براي جذب آلاینده هاي آلی و معدنی، می توانند به عنوان جاذبی متاسب ایفاي نقش کنند .
به عنوان مثال نانو ذرات اکسید تنگستن می توانندجاذب مناسبی براي حذف یون جیوه موجود در آب آلوده باشند. تکنیک جذب به طور گسترده اي براي حذف گروهی خاص ازآلاینده هاي آلی موجود در آب، به خصوص آلاینده هایی که توسط تصفیه بیولوژیکی تخریب نمی شوند، مانند رنگها استفاده می شود. .همچنین مشتقات فنولی می توانند به طرز قابل توجهی توسط نانو جاذب ها حذف شوند. به منظور بهبود راندمان حذف آلاینده ها و افزایش ظرفیت جذب، اطلاع از مکانیزم عمل جاذب ضروري است و اطلاع از مکانیزم جذب نانو ذرات هنوز نیاز به مطالعات بیشتري دارد. اما هم اکنون مکانیزم ممکنی که براي جاذب هاي نانو ساختار مورد بررسی است، جذب نانو ذرات براساس بر هم کنش بین یک کاتیون و یونهاي آنیون هیدروکسیل روي سطح این نانو ذرات است.
-2-2 فرایند فوتو کاتالیست
فناوري فوتوکاتالیست ها بطور وسیع از سال 1970 میلادي مورد مطالعه قرار گرفته استب3مح طی فرآیندهاي فوتوکاتالیزوري، آلاینده ها در اثر تابش اشعه ي فرا بنفش و در حضور کاتالیست هاي نیمه هادي، بطور کامل تخریب شده و به دي اکسید کربن و آب تبدیل می شوند. فرآیندهاي اکسیداسیون پیشرفته - کبق - A که می توانند جایگزین مناسبی براي انواع فرآیندهاي متداول تصفیه باشد، بر اساس تولید گونه هاي فعال از جمله رادیکالهاي هیدروکسیل بتدقم می باشند که محدوده ي وسیعی از آلاینده هاي آلی مقاوم و سمی با هر دو ترکیب آروماتیکی و آلیفاتیکی را بطور سریع تخریب می کندب٤مح موادآلی توسط رادیکال هیدروکسیل به محض تولید بتدقم مورد حمله قرار می گیرند.یکی از امتیازات عمده ي فناوري نانو در صنایع، ایجاد فرآیندهایی است که از نظر زیست محیطی بی ضرر هستند. از روشهاي حذف این آلودگی ها استفاده از کاتالیست هایی براي تبدیل مولکول هاي آلی به مواد بی ضرر براي طبیعت است. از مؤثر ترین کاتالیست هاي مورد استفاده می توان به نانو ذرات دي اکسید تیتانیوم - 1لقط - 1 ،اکسید روي2 - قشظ - ،اکسید تنگستن3 - صقح - ،آهن صفر ظرفیتی4 - عبظش - و نظایر آن اشاره نمود [5]ح
-1-2-2 نانوذرات TiO2
نیمه هادي لقط1 یکی از پایدارترین و واکنش پذیرترین فوتوکاالیست هاست و در سه فاز آنافاز، روتیل و بروکیت وجود دارد]۶.[ این نانو ذره داراي شکاف انرژي بالا بک -3/ 2 است. در نوري با طول موج تقریبی 380 نانومتر خاصیت فوتوکاتالیستی از خود نشان می دهد که در ناحیه ي فرابنفش نور خورشید قرار داردح از آنجایی که در نور خورشید فقط درصد کمی فرابنفش وجود دارد منبع فرابنفش دیگري نیاز است که واکنش هاي اکسید و احیا روي سطح آن به خوبی رخ می دهد. حذف سمیت آب هاي آلوده حاوي آلاینده هاي آلی، با استفاده از لقط1 و نور خورشید بخش عظیمی از تحقیقات را به خود اختصاص می دهد.
این فوتوکاتالیست ها با جذب تابش فرابنفش، پیوند قلد را می شکند و رادیکال هیدروکسیل تولید می شود که با اکسیژن هوا تبدیل به هیدروژن پراکسید می شود و می تواند مواد سمی و آلاینده هایی که به وسیله تصفیه ي بیولوژیکی حذف نمی شوند به دي اکسید کربن و آب و مواد معدنی بی ضرر تبدیل کند7]و[8ح فوتو کاتالیست لقط1 با احیاي فوتوکاتالیتیکی قادر به حذف مؤثر فلزاتسنگین از آب و پساب می باشد. بدین ترتیب که با احیاء فلزات با بار مثبت باعث می شود که فلزات از آب حذف می شوندبراي استفاده از عملکرد فوتوکاتالیستی لقط1 در یک روش پودر لقط1 را به جریان فاضلاب یا آب وغیره اضافه می کنند و در معرض پرتو فرا بنفش قرار می دهند. در روش هاي دیگر لقط1 را روي سطح یک ماده پایه پوشش می دهند و این ترکیبات را در جریان فاضلاب یا آب
