بخشی از مقاله
چکیده
فوتوکاتالیست های مناسب زیادی وجود دارند، اما رایج ترین ماده موثر تیتانیوم دی اکسید نانویی است. نانوذرات بسیار موثرتر از مولکول های درشت موجود در فوتوکاتالیست ها عمل می کنند. تیتانیوم دی اکسید از لحاظ شیمیایی پایدار است، توانایی بالایی در شکستن پیوندهای موجود در مولکول ها دارد. نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید به عنوان فوتوکاتالیست روی بسیاری از آلاینده های محیط زیست موثر بوده وعلاوه بر حذف ، آنها را به محصولات سازگار با محیط زیست تبدیل می کند.
این ترکیب ارزان قیمت بوده، بازده بالایی داشته و به دلیل وجود امکان بازیافت آن در تکنولوژی صنعتی جهت حذف آلاینده ها بسیار کاربرد دارد. بنابراین از تیتانیوم دی اکسید به عنوان یک ماده مناسب جهت حذف آلاینده های محیطی نظیر مواد آلی سمی و غیرقابل تجزیه، انواع فلزات سنگین از فاضلاب، تصفیه آبهای آشامیدنی، تخریب باکتریها و ویروسها، تصفیه هوا استفاده می شود. همچنین تیتانیوم دی اکسید علاوه بر حذف آلاینده ها از آب، در حذف رنگ، طعم، مزه و ترکیبات بودار و مزاحم آب نیز کاربرد دارد.
مقدمه
آب سالم - آبی که عاری از مواد شیمیایی سمی و عوامل بیماری زا است - برای سلامتی انسان ضروری است. همچنین آب سالم یک ماده خام حیاتی در بسیاری از صنایع کلیدی از جمله الکترونیک ، دارو و مواد غذایی محسوب می شود. جهان با چالش های زیادی در افزایش تقاضا برای آب سالم به عنوان منابع موجود آب شیرین روبرو است که با توجه به موارد ذیل در حال کاهش می باشد - الف - گسترش وقوع خشکسالی ، - ب - افزایش رشد جمعیت ، - ج - تشدید و بهبود مقررات بهداشتی و سرانجام - د - افزایش رشد مصرف آب .
پیشرفت های اخیر نشان می دهد بسیاری از مسائل مربوط به کیفیت آب با استفاده از نانوذرات، نانوفیلتراسیون یا دیگر محصولات حاصل از فناوری نانو می تواند حل و یا بهبود بخشیده شود. نوآوری در زمینه توسعه فن آوری های جدید برای شیرین نمودن آب از مهمترین این فناوری ها محسوب می شود.
استفاده از نانوذرات خاص که در غشاءها و یا در ساختار فیلترها قرار دارند به صورت موثر، ارزان و به سرعت، آب آشامیدنی غیر قابل استفاده را که از انواع موسسات و کارخانجات بدست می آید، تصفیه می نماید. علاوه بر اینکه تصفیه آب توسط نانو ذرات مزایای زیادی برای کشورهای صنعتی بوجود خواهد آورد ، برای کشورهای در حال توسعه نیز این مزایا فراوان می باشند. یکی دیگر از کاربردهای بالقوه و سودمند استفاده خلاقانه از نانوذرات برای تصفیه فاضلاب های صنعتی است.
بسیاری از کارخانجات مقادیر زیادی فاضلاب صنعتی تولید می کنند. حذف آلاینده ها و بازیافت آب تصفیه شده کاهش قابل توجهی در هزینه ، زمان و نیروی انسانی ارائه می کند و در نتیجه موجب دوستی با محیط زیست می گردد. اصلاح سفره های آب و آبهای زیرزمینی نیز مسائل مهمی هستند و زمانی بر اهمیت این مسائل افزوده می شود که منابع آب به طور پیوسته کاهش و تقاضا برای استفاده از آن رو به گسترش باشد.
امروزه بسیاری از فن آوری ها برای تصفیه مؤثر آب وجود دارند که اغلب بسیار پر هزینه و زمانبر ، به خصوص در روش پمپاژ و تصفیه می باشند. هدف نهایی توانایی حذف ترکیبات سمی از محیط های زیر سطحی و محیط های دیگر که دسترسی به آنها بسیار دشوار است و تصفیه سریع ، موثر و با هزینه معقول آب خواهد بود .دراین مقاله سعی شده است باتوجه به کارها و بررسی های انجام شده توسط محققان دیگر ، شیوه کلی و عملکرد و معایب و مزایای استفاده از نانوذرات فوتوکاتالیستی در تصفیه آبهای سطحی و زیرزمینی به طور اختصار بیان گردد .
فوتوکاتالیست ها
عبارات و واژه های مختلفی در حوزه فوتوکاتالیست1 وجود دارد. فوتواکسیداسیون و فوتواحیاء به فرآیندهای اکسید و احیاء شدنی گفته می شود که با استفاده از نور انجام گیرد. حساس سازی با نور نیز از دیگر عبارت های این حوزه است. جدایی بارها در نانوذرات نیمه رسانا زمانی اتفاق می افتد که نور موجب برانگیختگی باند گپ 2شود. الکترون ها و حفره های تولید شده با نور می تواند موجب اکسید یا احیاء شدن زیرلایه شود نانوخوشه ها میتوانند به عنوان یک واسطه در فرآیند انتقال بار میان دو مولکول عمل کرده و موجب آغاز واکنش فوتوکاتالیستی این فرآیند به کررات درفوتوالکتروشیمی و حوزه تصویربرداری استفاده می شود.
در حالت اول، انتقال بار در سطح، میان الکترولیت و نیمه رسانا اتفاق می افتد که در آن باندگپ نانوذرات نیمه رسانا برانگیخته می شود . در حالت دوم، نانوذرات نیمه رسانا با پذیرش الکترون یا انتقال بار به زیرلایه دیگر یا ایجاد جریان، موجب از بین رفتن حالت برانگیختگی می شود. کلمه فوتوکاتالیستی، به لحاظ فنی، زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که یک کاتالیست بعد از انجام فرآیند، دوباره به حالت اولیه خود باز گردد . این مطالب بطور شماتیک در شکل - 1 - نشان داده شده است .
شکل : 1 نمودار شماتیک توضیح فوتوکاتالیست درسطح نیمه رسانا ]1]
باتوجه به تحقیقات اخیر و گزارش های سازمان های فعال در حوزه محیط زیست و نانوتکنولوژی ، فوتوکاتالیست های خورشیدی به عنوان پیشرفتی مهم در تکنولوژی پالایش و تصفیه آب بویژه در کشورهای درحال توسعه بوده و پروژه های ازمایشی اولیه در این زمینه در حال انجام می باشند . سیستم های فوتوکاتالیک همچنین میتوانند به عنوان مکملی بر روش های موجود در حذف اثرات الاینده ها به حساب آیند. از این قبیل سیستم ها که در حال حاضر در ابعاد تجاری نیز استفاده میشوند ، میتوان به سیستم های تصفیه آب استخرهای شنا اشاره کرد .
فوتوکاتالیست ها از نانوساختارهایی از نیمه رساناهای اکسیدهای فلزهایی مانند زینک اکسید - ZnO - ، تیتانیوم اکسید - - TiO2 ، اکسید تنگستن - - WO3 و استانات روی - - Zn2SnO4 استفاده می کنند که میتوان به عنوان راهی مورد توجه در جهت تصفیه آب که قادر است آلاینده های شیمیایی را به خوبی آلاینده های بیولوژیکی حذف نماید ، به کار برد. فوتوکاتالیست مناسب بهتر است مقادیر نور در ناحیه مرئی یا نزدیک به بخش UV طیف الکترومغناطیسی را جذب نماید . به عنوان بخش عمده ای از استفاده هایی که از فوتوکاتالیست ها در عرصه کشاورزی و بیولوژی میشود ، مهم است که فوتوکاتالیست ها از نظر بیولوژیکی بی اثر و غیر سمی باشند
فوتوکاتالیست های نانوساختار سطح بزرگتری نسبت به حجم ارایه میدهد که خود باعث جذب مولکول های هدف بیشتری میشود . اثر فوتوکاتالیستی درسم زدایی از طیف گسترده ای ازفاضلاب های صنعتی و کشاورزی نیز به خوبی قابل بررسی هستند . [8] یکی دیگر از جنبه های جذاب استفاده از فوتوکاتالیست ها ، استفاده بالقوه از نور خورشید برای درمان های با انرژی های کارامد از راه دور می باشد .
برخی تحقیقات و کاربردهای عملی فوتوکاتالیست ها در سم زدایی و تصفیه
کارها و مطالعات زیادی برای حذف اثرات مخرب آلاینده های شیمیایی از آب های زیرزمینی به ویژه بوسیله فوتوکاتالیست هایی که از نانوذرات با ساختار اکسید فلزات مانند TiO2 و ZnO بهره می برند ، در حال انجام است . [10-9 ] دیگر نانوساختارهای نیمه رسانایی که از جانب محققان به عنوان فوتوکاتالیست های پایدار مورد توجه قرار گرفته اند ، گروه سه تایی استانات زینک اکسید می باشد
هم چنین دانشمندان فوق بر روی کاهش سینتیک دو آفت کش دیچلورووس3 و فسفامیدون4 با استفاده از نانوذارت TiO2 پرداخته و مشاهده کردند که اضافه کردن جاذب های الکترون مانند هیدروژن پراکسید - - H2O2 باعث بهبود کاهش نرخ آلاینده ها می گردد . فوت وکاتالیست های خورشیدی با موفقیت برای کاهش سطح آلدرین با سه محصول انتقالی دایلدرین ، کلورودین و 1و2هیدروکسی دایلدرین استفاده شده اند
دیچلورووس که بخاطر سمی بودن آن در دسته بندی آفت کش های ممنوعه قرار گرفته بود ، با بکارگیری موفق فوتوکاتالیست های TiO2 و ZnO ضعیف تر شده و قابل استفاده قرار گرفته است. مشاهده شده است که اضافه کردن جاذب های الکترون مانند هیدروژن پراکسید - - H2O2 یا پتاسیم پرسولفات - - K2S2O8 باعث افزایش نرخ تخریب در حضور TiO2 میشود ولی باعث تاخیر در حضور ZnO می شوند
