ساخت نانوغشای سرامیکی در دانشگاه علم و صنعت ایران

محققان دانشگاه علم و صنعت ایران با بهره‌گیری از فناوری نانو، نانوغشایی سرامیکی ساخته‌اند که قادر است بسیاری از آلاینده‌های موجود در آب‌های صنعتی را حذف و تخریب نماید. این غشاء که به صورت همزمان اقدام به جداسازی فیزیکی و تجزیه فوتوکاتالیستی آلاینده‌ها می‌کند، از بازده بالایی برخوردار است.

استفاده از غشاها در صنایع تصفیه آب و جداسازی آلاینده‌ها، به‌واسطه کاهش میزان آب قابل شرب در جهان، از اهمیت بسزایی برخوردار است. اخیراً استفاده از غشاهای تیتانیایی با پایداری شیمیایی مطلوب، توجه محققان را به خود جلب کرده است. به منظور افزایش کارایی این غشا، این محققان بر آن شدند تا با وارد کردن سیلیکا در ترکیب غشای تیتانیایی، علاوه بر کاهش اندازه تخلخل‌ها، خاصیت فوتوکاتالیستی آن را نیز بهبود بخشند.
به گفته دکتر وحیده تاجر کجینه‌باف، فارغ‌التحصیل دانشگاه علم و صنعت ایران، وجود سیلیکا در شبکه تیتانیا سبب کاهش اندازه تخلخل غشاء شده است و در نتیجه، قابلیت حذف 
آلاینده‌ها بر پایه مکانیزم جداسازی افزایش می‌یابد. از سویی حضور %5 مولی سیلیکا در ترکیب غشاء، با بهبود خاصیت فوتوکاتالیستی قابلیت تخریب آلاینده‌ها را نیز افزایش می‌دهد. بدین ترتیب هر دو عامل جداسازی فیزیکی و تخریب فوتوکاتالیستی، منجر به کاهش آلاینده‌های موجود در سیستم خواهند شد. از سوی دیگر با توجه به آن‌که هزینه استفاده از سیلیکا در مقایسه با تیتانیا کمتر است، جایگزینی آن در ترکیب تیتانیا تا حدودی می‌تواند قیمت تمام شده‌ی غشای فوتوکاتالیست را نیز کاهش دهد.
بر اساس نتایج به دست آمده، متوسط اندازهی تخلخل‌ این غشاء در حضور سیلیکا، حدود 4 نانومتر خواهد بود. قابلیت این غشا، با بررسی جداسازی متیل اورنژ به عنوان مدل آلاینده از آب، با دو روش جداسازی فیزیکی و تخریب فوتوکاتالیستی، به صورت جداگانه و همزمان مطالعه شده است. بررسی‌ها نشان داده است که در شرایط استفاده از امواج فرابنفش (UV)، میزان حذف آلاینده رنگی متیل اورانژ توسط غشای کامپوزیتی تیتانیا-سیلیکا، حدود %63 است. این در حالی است که همراهی فرایند جداسازی فیزیکی با تخریب فوتوکاتالیستی، این میزان را به %94 افزایش می‌دهد.
تاجر کجینه‌باف در خصوص دلایل همراه کردن سیلیکا با تیتانیا در غشای سرامیکی افزود: «وجود محدودیت‌هایی همچون عدم پایداری حرارتی در حین فرایند تولید غشای تیتانیایی و عدم کنترل دقیق اندازه تخلخل‌ها، استفاده از این غشاء را تا حدودی محدود کرده است. استفاده از افزودنی‌های مختلف از جمله اکسیدهای فلزی، یکی از روش‌هایی است که امروزه مورد توجه برخی از پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از افزودنی سیلیکا، در قالب تولید غشای کامپوزیتی تیتانیا-سیلیکا، می‌تواند بسیاری از انتظارات مورد نظر را برآورده سازد. به عبارتی، حضور سیلیکا در ترکیب تیتانیا علاوه بر فراهم کردن شرایط لازم برای دستیابی به یک غشای نانوساختار، خواص فوتوکاتالیستی تیتانیا را نیز تقویت می‌کند. از این‌رو در پژوهش حاضر تلاش شده است پس از تهیه زیرپایه آلومینایی و اعمال یک لایه تیتانیای کلوئیدی به عنوان لایه میانی، شرایط لازم برای ایجاد لایه مؤثر رویی با ترکیب تیتانیا-سیلیکا فراهم شود.»
در راستای تولید غشای مورد نظر، ابتدا زیرپایه آلومینایی به روش پرس تک‌محوری، با تخلخل‌هایی در محدوده ماکرو ساخته شد. سپس با فراوری سل کلوئیدی پایدار تیتانیا و پوشش‌دهی آن بر زیرپایه، لایه میانی سیستم غشایی فراوری شد. در ادامه برای تولید لایه رویی، از فراوری سل‌های پلیمری تیتانیا و تیتانیا-سیلیکا با مقادیر مختلف سیلیکا (5 تا 20 درصد مولی) بهره گرفته شد تا پس از پوشش‌دهی آن بر لایه میانی، غشـاهای تیتانیا و تیتانیا-سیلیکا تولید شوند. تاثیر سیلیکا بر خواص لایه مؤثر تیتانیایی توسط آزمون‌های مختلف همچون توزین حرارتی و آنالیز حرارتی افتراقی (DTA-TG)، طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، پرتونگاری فوتوالکترونی پرتو ایکس (XPS)، پراش پرتو ایکس (XRD) و طیف‌سنجی بازتابی نفوذی ماورابنفش-مرئی (DRS) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین شکل و ریزساختار غشاهای سنتزی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (FESEM) و عبوری (TEM) بررسی شد.

filereader.php?p1=main_52720e003547c7056
نمایی از سیستم مورد استفاده برای تصفیه آب

در بخشی از نتایج تحقیق آمده است که بر پایه اثر همزمان جداسازی و فوتوکاتالیستی، بازده حذف آلاینده ها توسط غشا تیتانیایی %86/5 است که با افزودن 5 و 10 درصد مولی سیلیکا، این میزان به ترتیب به %94/2 و %71/2 تغییر می‌یابد. از این‌رو غشای کامپوزیتی تیتانیا با %5 مولی سیلیکا، که در 500 درجه سانتی گراد کلسینه شده است، به دلیل داشتن بالاترین بازده حذف آلاینده ها، به عنوان غشای بهینه انتخاب شده است. این غشاء نمونه مناسبی برای استفاده در صنایع تصیفه آب خواهد بود.

نتایج این تحقیق که حاصل همکاری دکتر وحیده تاجر کجینه‌باف، دکتر حسین سرپولکی و دکتر تورج محمدی -اعضای هیئت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران– است، در مجله Ceramics International (جلد 40، شماره 1، ماه ژانویه، سال 2014، صفحات 1747 تا 1757) منتشر شده است.