راهبردی برای تصفیه بهتر آرسنیک از آب

آرسنیک یک عنصر سمی است و قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در برابر مقادیر حتی کم آن نیز می‌تواند منجر به بیماری های ناتوان کننده و بالقوه کشنده از جمله سرطان پوست، سرطان ریه، کراتوز و اختلالات عصبی شود. اعتقاد بر این است که ۱۰۰-۲۰۰ میلیون نفر در سطح جهان از طریق آشامیدنی‌های آلوده به آب زیرزمینی در معرض آرسنیک قرار می گیرند. با استفاده از تصفیه‌های چند مرحله ای آب می‌توان برای از بین بردن آرسنیک اقدام کرد، اما این فرایند نیاز به پیش تصفیه (اکسیداسیون) دارد.

تیمی از محققان کالج امپریال لندن به رهبری پروفسور ویس امکان تصفیه یک مرحله‌ای آب آلوده را فراهم کرد. یافته‌های آنها در مجله Surfaces and Interfaces به چاپ رسیده است. پرتوهای B۱۸ به آنها اجازه داد تا طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس (XAS) را بر روی نمونه های خود انجام دهند و نتایج را با مدل های پیش بینی کننده مقایسه کنند.

آرسنیک را می توان به اشکال مختلفی در آب از جمله آرسنیت و آرسنات یافت. یون های آرسنیت (به عنوان (III)) با استفاده از تصفیه معمولی مانند جذب یا انعقاد به دلیل بار خنثی آن، از آب آلوده خارج می‌شوند. در مقابل‌، یون‌های آرسنات ۵ ظرفیتی (HASO۴۲ و H۲ASO۴) هر دو، به راحتی جذب می شوند و  سمیت کمتری نسبت به H۳ASO۳ دارند. در نتیجه در تصفیه آب، آلودگی AS (III) از اکسیداسیون AS (III) به AS (V) بهره می‌برد. اکسیداسیون AS (III) با استفاده از فوتوکاتالیست های ناهمگن، مانند TiO_۲ و اشعه ماوراء بنفش (UV) قابل دستیابی است. با این حال ، سایر مواد مانند اکسیدهای آهن (Fe۲O۳) برای جذب کارآمدتر هستند.

نویسندگان داده های طیف سنجی به دست آمده در منبع نور الماس (EXAFS) را با اندازه گیری‌های FTIR و ZETA در کالج امپریال لندن ترکیب کردند تا هنگامی که آرسنیک توسط نانومواد کامپوزیت TiO۲/Fe۲O۳ جذب می شود. تصویری از کمپلکس‌های غالب به دست آورند.

این کار برای ارزیابی و تأیید مشخصات آرسنیک جذب شده پیش بینی شده توسط مدل مجتمع سطح قبلی نویسندگان (SCM)، استفاده شد.

مطالعات قبلی توسط همین گروه نشان داد که مواد کامپوزیتی که ترکیب قابلیت‌های عالی فوتوکاتالیستی TiO۲ با ظرفیت‌های جذب بالا اکسیدهای آهن (Fe۲O۳) را دارند، نامزدهای خوبی برای رفع آلودگی بودند. نویسندگان متعاقباً یک مدل پیچیده سطح (SCM) را برای پیش بینی تغییرات در میزان جذب آرسنیک و خاصیت آن به عنوان تابعی از متغیرهای تجربی مانند pH تهیه کردند. نویسندگان می‌خواستند تأیید کنند که ساختارهای آرسنیک جذب شده برای این مدل واقع بینانه بوده است، بنابراین از روش‌های طیف سنجی استفاده کردند. طیف سنجی جذب اشعه ایکس (XAS) به لطف انتخاب عنصر، توانایی آن در تمایز به عنوان حالت اکسیداسیون (XANES) و شناسایی ساختار مجتمع های AS که در سطح TiO۲/Fe۲O۳ (EXAFS) جذب می شوند ، نقش اساسی داشتند.

دکتر بولن از محققان این پروژه، توضیح می دهد: «ما می خواستیم ماهیت جذب آرسنیک را بر روی  نانوکامپوزیت TiO_۲/Fe_۲O_۳ بهتر بشناسیم. برای درک اینکه آیا آرسنیک به همان روشی که بر روی مواد معدنی خالص TiO_۲ و خالص Fe_۲O_۳ متصل می شود،  طیف سنجی جذب اشعه ایکس روش مناسبی برای انجام این کار است.»

این تیم برای آزمایشات خود از B۱۸ استفاده کرد. با این پرتو، آنها قادر به ثبت طیف های Exafs از نمونه های جامد بودند تا مشخص کنند که چه تعداد آرسنیک پیوندهای کووالانسی با سطح مواد ایجاد می‌کنند.

دکتر بولن ادامه می دهد: «این آزمایشات به ما اجازه می‌دهد تا به طور مستقیم ساختار مجتمع‌های سطح تشکیل شده هنگام اتصال آرسنیک به نانومواد TiO۲/Fe۲O۳  را بررسی کنیم.»