پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکی ایران موفق به توسعه سامانهای برای تخریب نانوپلاستیکهای پلیاستایرن در فاضلاب شدند؛ دستاوردی که میتواند افق تازهای در مدیریت آلودگیهای میکرو و نانوپلاستیکی بگشاید. رشد استفاده از پلاستیکها در صنایع مختلف در دهههای اخیر موجب ورود حجم قابل توجهی از ذرات ریز پلاستیکی به اکوسیستمهای آبی شده است؛ ذراتی که به دلیل پایداری شیمیایی بالا بهسختی در محیط طبیعی تجزیه میشوند و تهدیدی جدی برای سلامت محیطزیست و زنجیره غذایی محسوب میشوند. این پژوهش جدید با تمرکز بر ترکیب فناوری کاتالیزوری مغناطیسی و فرایند فنتونمانند، رویکردی پایدار برای تخریب نانوپلاستیکها ارائه کرده است. در این مطالعه، نانوذرات اسپینلی کبالت-آهن بر بستر استخوان ماهی مرکب به عنوان کاتالیست چندردوکس طراحی شدهاند. این ساختار هیبریدی امکان فعالسازی پرسولفات و تولید رادیکالهای اکسیدکننده قوی را فراهم میکند. نتایج آزمایشها نشان میدهد که این سامانه میتواند در مدت کوتاهی بازده حذف بسیار بالایی از نانوپلاستیکهای پلیاستایرن داشته باشد و مسیر جدیدی برای مقابله با بحران آلودگی پلاستیکی پیشنهاد کند.
علوم پزشکی ایران: استخوان ماهی در خدمت فناوری مقابله با آلودگی پلاستیک
در این پروژه، نانوذرات اسپینلی CoFe₂O₄ بر بستر ساختاری مشتقشده از استخوان نوعی ماهی (Cuttlefish Bone) سنتز شدهاند. بستر استخوانی به دلیل تخلخل بالا، سطح ویژه مناسب و ساختار زیستی سازگار، نقش مهمی در جلوگیری از تجمع نانوذرات و افزایش کارایی انتقال الکترون ایفا میکند. این بخش از پژوهش در حوزه نانوفناوری و طراحی مواد کاتالیزوری پیشرفته قرار میگیرد و به طور خاص بر بهینهسازی واکنشهای سطحی در مقیاس نانومتری تمرکز دارد.
هدف اصلی این مطالعه، ارائه راهکاری برای تخریب نانوپلاستیکهای پلیاستایرن است که یکی از رایجترین آلایندههای میکرو و نانوپلاستیکی در محیطهای آبی به شمار میرود. نانوپلاستیکها به دلیل اندازه بسیار کوچک و پایداری ساختاری بالا، میتوانند به راحتی وارد بافتهای زیستی شده و خطرات زیستمحیطی و سلامت عمومی ایجاد کنند. از این رو، توسعه فناوریهای تخریب مؤثر این ذرات از اولویتهای پژوهشی حوزه محیطزیست محسوب میشود.
در سامانه پیشنهادی، نانوذرات CoFe₂O₄ به عنوان کاتالیست مغناطیسی برای فعالسازی پرسولفات آمونیوم مورد استفاده قرار گرفتهاند. این ساختار کاتالیزوری امکان اجرای واکنش فنتونمانند را فراهم میکند که در آن چرخههای ردوکس Co(II/III) و Fe(II/III) نقش اصلی را در تولید گونههای اکسیدکننده فعال ایفا میکنند. مهمترین رادیکالهای شناساییشده در این فرایند شامل رادیکال هیدروکسیل و رادیکال سولفات بودهاند که هر دو از عوامل بسیار قوی در تخریب ترکیبات آلی مقاوم محسوب میشوند.
یکی از ویژگیهای برجسته پژوهش، استفاده از ساختار استخوان ماهی مرکب به عنوان بستر پایدارکننده کاتالیست است. این بستر زیستی موجب تسهیل انتقال الکترون، کاهش پدیده تجمع نانوذرات و محدود شدن میزان آزادسازی یونهای فلزی به محیط شده است. اندازهگیریها نشان داد میزان شستشوی فلزات در سامانه طراحیشده بسیار پایین بوده و به کمتر از ۰٫۰۱ درصد برای آهن و حدود ۱٫۳۵ درصد برای کبالت رسیده است؛ موضوعی که از منظر ایمنی زیستی و کاربرد صنعتی اهمیت ویژهای دارد.
آزمایشهای انجامشده نشان دادند که بازده حذف نانوپلاستیکهای پلیاستایرن در شرایط بهینه به حدود ۹۹٫۳ درصد رسیده است. این بازده بالا در شرایطی حاصل شد که غلظت کاتالیست CoFe₂O₄/CFB برابر ۰٫۸ گرم بر لیتر، غلظت پرسولفات آمونیوم ۰٫۷۵ گرم بر لیتر و مقدار pH اولیه سامانه در حدود ۷ تنظیم شده بود. همچنین ثابت سرعت واکنش در این شرایط به ۰٫۱۵۱ دقیقه⁻¹ رسید که نشاندهنده سرعت بالای فرایند تخریب است.
بررسی سینتیک جذب نشان داد که مدل شبه مرتبه دوم با ضریب تعیین ۰٫۹۹۰ بهترین تطابق را با دادههای تجربی داشته است. همچنین ایزوترم جذب لانگمویر با ضریب تعیین ۰٫۹۹۸، نشاندهنده آن است که جذب نانوپلاستیکها بر سطح کاتالیست به صورت تکلایه و همگن انجام میشود. این موضوع بیانگر غالب بودن سازوکار شیمیجذب در فرایند حذف آلاینده است.
پژوهشگران عملکرد سامانه را در نمونههای واقعی آب نیز آزمایش کردند. آزمایشها در محیط آب لولهکشی و آب رودخانه نشان داد که کارایی فرایند در ماتریسهای واقعی نیز حفظ میشود و تغییر محسوسی در بازده حذف مشاهده نمیشود؛ موضوعی که برای کاربرد صنعتی اهمیت حیاتی دارد.
یکی از دستاوردهای مهم این تحقیق، پایداری بالای کاتالیست در چرخههای متوالی واکنش است. سامانه طراحیشده توانست عملکرد خود را در پنج چرخه متوالی حفظ کند و بازده حذف در محدوده ۹۸٫۴۰ تا ۸۳٫۳۵ درصد باقی ماند. این ویژگی نشان میدهد که کاتالیست مورد استفاده قابلیت بازیافت و استفاده مجدد را داراست و میتواند هزینههای عملیاتی را کاهش دهد.
محققان تأکید کردهاند که ترکیب ساختار چندردوکس CoFe₂O₄ با بستر زیستی استخوان ماهی مرکب باعث افزایش سرعت انتقال الکترون و بهبود فعالسازی پرسولفات شده است. تفاوت این سامانه با بسیاری از کاتالیستهای گزارششده در مطالعات اخیر، توانایی عملکرد مؤثر در محدوده وسیع pH و کاهش چشمگیر پدیده نشت فلزات است.
مطابق تحلیل سازوکار واکنش، تخریب نانوپلاستیکهای پلیاستایرن تحت اثر همافزایی چرخههای ردوکس کبالت و آهن و همچنین تولید گونههای رادیکالی قوی انجام میشود. این فرایند موجب شکست ساختار مولکولی مقاوم پلیمر و تبدیل آن به ترکیبات سادهتر میشود که میتوانند در مسیر چرخه کربن اکوسیستم وارد شوند.
اهمیت این پژوهش در آن است که سرعت بالای واکنش، هزینه نسبتاً پایین مواد اولیه و امکان مقیاسپذیری صنعتی را به طور همزمان ارائه میدهد. پژوهشگران معتقدند سامانه توسعهیافته میتواند در تصفیهخانههای فاضلاب صنایع تولید پلاستیک و مراکز آلوده به نانوپلاستیک مورد استفاده قرار گیرد.
بر اساس اعلام گروه پژوهشی، تحقیقات آینده بر امکان فعالسازی پرسولفات در محل خروجی پساب کارخانههای تولید نانوپلاستیک و همچنین بهینهسازی ساختار کاتالیست برای افزایش طول عمر عملکرد متمرکز خواهد بود. نتایج این پژوهش میتواند در درک فرایندهای تخریب و پیرشدگی نانوپلاستیکها نیز نقش مهمی ایفا کند.
