محققان دانشگاه علم و صنعت با استفاده از فناوری نانو موفق به ساخت فوتوکاتالیستی شده‌اند که قادر است در محدوده‌ی نور مرئی پساب‌های صنعتی را تصفیه کند. این فوتوکاتالیست در حذف نوعی رنگدانه سرطان‌زا از آب، موفق‌تر از فوتوکاتالیست‌های تجاری موجود در صنعت تصفیه‌ی آب بوده است.
دانشگاه علم و صنعت ایران: حذف رنگدانه‌های آلی از پساب‌ها در محدوده‌ی نور مرئی
رنگدانه آلی مالاکیت سبز با ویژگی‌های جهش‌زایی و سرطان‌زایی، به میزان بالایی در پساب‌های صنایع مختلف از جمله صنعت نساجی، پرورش ماهی، صنعت چرم، کاغذ و کتان، موجود است، بنابراین حذف مؤثر این رنگدانه از پساب‌های صنایع مذکور و جلوگیری از نفوذ آن‌ها به درون آب‌های زیرزمینی، در راستای تأمین سلامت انسان و حفاظت از محیط زیست، حائز اهمیت فراوانی است. هدف این محققان ساخت فوتوکاتالیست‌هایی بر پایه‌ی عنصر منحصر به فرد نیوبیم با عملکرد قوی‌تر نسبت به فوتوکاتالیست قدرتمند تجاری شده اکسید تیتانیوم (Degussa P25 TiO2)، بوده است.
به گفته‌ی دکتر فاطمه هاشم‌زاده، دانش‌آموخته شیمی معدنی از دانشگاه علم و صنعت ایران، در این طرح، عملکرد فوتوکاتالیستی دو نمونه پنتوکسید نیوبیم با ساختارهای متخلخل و توده‌ای که به دو روش مختلف تهیه شده‌اند، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. مقایسه‌ی عملکرد فوتوکاتالیستی نمونه‌های مزومتخلخل با نمونه توده‌ای و نیز نمونه‌های تجاری در رنگ‌زدایی از پساب‌های رنگی حاوی رنگدانه مالاکیت سبز، تحت تابش نور فرابنفش و مرئی و سایر شرایط اعمالی بر سیستم واکنشی از موارد بررسی شده در این طرح است.
بر اساس نتایج موجود، نمونه ساخته شده در دماهای پایین‌تر( دمای کلسینه شدن) دارای قوی‌ترین عملکرد در رنگ‌زدایی از پساب رنگی مالاکیت سبز نسبت به دیگر نمونه‌ها است. بنابراین کاهش انرژی مورد نیاز جهت تهیه‌ی نمونه‌ای با عملکرد بهینه، یکی از اثرات مثبت نتایج این طرح است. ویژگی مهم‌تر، عملکرد قوی نمونه‌ی بهینه تحت تابش نور مرئی است که طیف وسیع طول موج‌های تابشی نور خورشید را شامل می‌شود.
فوتوکاتالیست تجاری اکسید تیتانیوم تنها در اثر تابش فرابنفش فعال است. از این رو، جهت استفاده از این ترکیب نیمه‌رسانا در زمینه‌ی حذف و تخریب آلاینده‌های آلی، نیاز به تابش پرانرژی و مضر فرابنفش است. در حالی که فوتوکاتالیست ساخته شده در این طرح، دارای فعالیت و عملکردی مطلوب در محدوده‌ی تابشی نور مرئی است. کاهش انرژی مصرفی و حذف اثرات مضر نور فرابنفش دستاورد مهمی است که حاصل عملکرد این کاتالیست در طیف تابشی نور خورشید محسوب می‌شود.
هاشم‌زاده در خصوص مراحل انجام این تحقیقات عنوان کرد: «در مرحله‌ی اول، سه دسته نمونه پنتوکسید نیوبیم حاوی تخلخلهایی در محدوده قطری مزو (۵۰-۲ نانومتر) با استفاده از روش خودتجمعی القا شده با تبخیر(EISA) ساخته شد. مشخصات ساختاری، سطحی و نوری نمونه‌های سنتز شده با استفاده از روش‌های تفرق اشعه ایکس (XRD)، آزمون حرارتی ((TG-DTA (STA)، میکروسکوپی الکترون روبشی، جذب سطحی- واجذب N2 و طیف‌سنجی انعکاسی نشری (UV-vis) مورد بررسی قرار گرفت. برای مقایسه‌ی عملکرد، نمونه توده‌ای نیز به روش متداول آبکافت تولید شد. همچنین عوامل مه‌یثر بر بازده عملکرد فوتوکاتالیست ساخته شده با مشخصات ساختاری بهینه، نظیر غلظت اولیه کاتالیست و رنگدانه در محلول و نیز pH آن برای یافتن شرایط بهینه مطالعه شد.»
به گفته‌ی دکتر فاطمه هاشم‌زاده، دانش‌آموخته شیمی معدنی از دانشگاه علم و صنعت ایران، در این طرح، عملکرد فوتوکاتالیستی دو نمونه پنتوکسید نیوبیم با ساختارهای متخلخل و توده‌ای که به دو روش مختلف تهیه شده‌اند، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. مقایسه‌ی عملکرد فوتوکاتالیستی نمونه‌های مزومتخلخل با نمونه توده‌ای و نیز نمونه‌های تجاری در رنگ‌زدایی از پساب‌های رنگی حاوی رنگدانه مالاکیت سبز، تحت تابش نور فرابنفش و مرئی و سایر شرایط اعمالی بر سیستم واکنشی از موارد بررسی شده در این طرح است.
بر اساس نتایج موجود، نمونه ساخته شده در دماهای پایین‌تر( دمای کلسینه شدن) دارای قوی‌ترین عملکرد در رنگ‌زدایی از پساب رنگی مالاکیت سبز نسبت به دیگر نمونه‌ها است. بنابراین کاهش انرژی مورد نیاز جهت تهیه‌ی نمونه‌ای با عملکرد بهینه، یکی از اثرات مثبت نتایج این طرح است. ویژگی مهم‌تر، عملکرد قوی نمونه‌ی بهینه تحت تابش نور مرئی است که طیف وسیع طول موج‌های تابشی نور خورشید را شامل می‌شود.
فوتوکاتالیست تجاری اکسید تیتانیوم تنها در اثر تابش فرابنفش فعال است. از این رو، جهت استفاده از این ترکیب نیمه‌رسانا در زمینه‌ی حذف و تخریب آلاینده‌های آلی، نیاز به تابش پرانرژی و مضر فرابنفش است. در حالی که فوتوکاتالیست ساخته شده در این طرح، دارای فعالیت و عملکردی مطلوب در محدوده‌ی تابشی نور مرئی است. کاهش انرژی مصرفی و حذف اثرات مضر نور فرابنفش دستاورد مهمی است که حاصل عملکرد این کاتالیست در طیف تابشی نور خورشید محسوب می‌شود.
هاشم‌زاده در خصوص مراحل انجام این تحقیقات عنوان کرد: «در مرحله‌ی اول، سه دسته نمونه پنتوکسید نیوبیم حاوی تخلخلهایی در محدوده قطری مزو (۵۰-۲ نانومتر) با استفاده از روش خودتجمعی القا شده با تبخیر(EISA) ساخته شد. مشخصات ساختاری، سطحی و نوری نمونه‌های سنتز شده با استفاده از روش‌های تفرق اشعه ایکس (XRD)، آزمون حرارتی ((TG-DTA (STA)، میکروسکوپی الکترون روبشی، جذب سطحی- واجذب N2 و طیف‌سنجی انعکاسی نشری (UV-vis) مورد بررسی قرار گرفت. برای مقایسه‌ی عملکرد، نمونه توده‌ای نیز به روش متداول آبکافت تولید شد. همچنین عوامل مه‌یثر بر بازده عملکرد فوتوکاتالیست ساخته شده با مشخصات ساختاری بهینه، نظیر غلظت اولیه کاتالیست و رنگدانه در محلول و نیز pH آن برای یافتن شرایط بهینه مطالعه شد.»
شماتیکی از محفظه فوتوکاتالیستی راه اندازی شده در این طرح
این محققان معتقدند که استفاده از فرایند خودتجمعی القا شده با تبخیر، افزایش مساحت سطحی نمونه و نیز کاهش احتمال ترکیب مجدد الکترون- حفره را به دنبال دارد. نتیجه‌ی این امر، افزایش بازده رنگ‌زدایی فوتوکاتالیست است. وجود تخلخلهایی با ابعاد مزو(محدوده ۵۰-۲ نانومتر) به دلیل افزایش مساحت سطحی، بهبود عملکرد فوتوکاتالیستی نمونه را سبب می‌شود. این در حالی است که، افزایش دمای کلسینه شدن، کاهش سطح ویژه کاتالیست و به دنبال آن کم شدن بازده فرایند را در پی دارد.
نتایج این تحقیقات که حاصل همکاری دکتر رحمت‌اله رحیمی، دکتر علی غفاری‌نژاد- اعضای هیئت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران– و دکتر فاطمه هاشم‌زاده است، در مجله‌ی Ceramics International ( جلد ۴۰، شماره ۷، ماه ژانویه، سال ۲۰۱۴، صفحات ۹۸۱۷ تا ۹۸۲۹) انتشار یافته است.
