شیمیدانان در حال منفعت‌برداری از انرژی حاضر در نور خورشید برای پاکسازی آب شیرین از آلاینده‌ها می باشند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، پژوهشگران «دانشگاه میلان»(University of Milan) در یک پژوهش تازه، از فرآیندی به نام «فوتوکاتالیز» منفعت گیری کردند و در آن نشان دادند که انرژی حاضر در نور خورشید می‌تواند به تجزیه شدن مولکول‌های آلی منجر شود.

منفعت گیری کردن از فوتوکاتالیز برای پاکسازی فاضلاب، ایده جدیدی نیست. تعداد بسیاری از آلاینده‌های آلی رایج پیشتر با منفعت گیری از این روش با پیروزی تجزیه شده‌اند. با وجود این، کاربرد این فرآیند در مقیاس بزرگ تا این مدت با مانع ها قابل توجهی مواجه است.

راه حل پایدار برای تصفیه آب

این پژوهش، بخشی از تلاش برای تشکیل یک روش قابل دسترس به منظور پاکسازی آب در کشورهای در حال گسترش و مناطق دورافتاده است. پژوهشگران امیدوارند که با این کار بتوانند با معضل محدودیت آب آشامیدنی و این چنین نیاز به ضدعفونی کردن فاضلاب و منفعت گیری مجدد از آن مقابله کنند.

«کلودیا بیانکی»(Claudia Bianchi)، استاد شیمی صنعتی در دانشگاه میلان و یکی از پژوهشگران ارشد این پروژه او گفت: یافتن یک روش جهانی ساده، مقرون‌به‌صرفه و در دسترس برای منفعت گیری از فوتوکاتالیز در تصفیه آب، به‌اختصاصی در جوامعی که دسترسی محدودی به آب تمیز دارند، یک چالش مداوم باقی مانده است.

بیانکی به سختی طراحی کردن یک روش مؤثر برای حذف آلاینده‌ها اشاره کرد و در عین حال مطمعن داد که فوتوکاتالیز یک روش قابل منفعت گیری مجدد و زیست‌تخریب‌پذیر است و عکس العمل‌های جانبی ناخواسته‌ و زیان اور را تشکیل نمی‌کند.

کاتالیزور شناور

کوششهای قبل برای اعمال فوتوکاتالیز در تصفیه فاضلاب، کاتالیزورهایی را به طور پودر اضافه می‌کردند، اما این کار جمع‌آوری آنها را در مرحله های سپس دشوار می‌کند. پژوهشگران در مقاله خود نوشتند: منفعت گیری کردن از مواد به شکل پودر از نقطه نظر عملی، به علت سختی جداسازی آنها از مخلوط برای منفعت گیری مجدد محدود است.

بیانکی و گروهش، راه حل تازه خود را به شکل یک کاتالیزور شناور اراعه کردند که توسط دانه‌های متخلخل خاک رس حمایتمی‌شود. این دانه‌ها به قدر کافی سبک می باشند که بتوانند روی سطح آب باقی بمانند. به این علت، بعد از منفعت گیری به راحتی می‌توان آنها را جدا کرد. خاک رس از نظر شیمیایی بی‌تاثییر است؛ به این معنی که با مواد دیگر عکس العمل نشان نمی‌دهد و هیچ خطری برای اکوسیستم‌های آبی ندارد.

این گروه پژوهشی برای فرآیند فوتوکاتالیز خود، لایه‌هایی از «بیسموت اکسی‌بروماید»(bismuth oxybromide) را روی سطح دانه‌ها پرورش دادند. این ماده، فعالیت فوتوکاتالیز بالایی دارد، از نظر شیمیایی پایدار است و خطر تجزیه خود و تشکیل یک منبع دیگر از آلودگی را به حداقل می‌رساند.

بیانکی گفت: نور خورشید به سطح بیسموت اکسی‌بروماید برخورد می‌کند و به الکترون‌ها انرژی می‌دهد تا از نوار ظرفیت به نوار هدایت حرکت کنند. در نتیجه، جفت الکترون-حفره تشکیل می‌شود.

به عبارت ساده، این بدان معناست که نور در فرآیند فوتوکاتالیز، الکترون‌ها را تحریک می‌کند تا به سمت لایه بیرونی ماده حرکت کنند و در آنجا با مولکول‌های حاوی کربن عکس العمل دهند تا آنها را تجزیه کنند. بیانکی اضافه کرد: این جفت‌های الکترون-حفره، تجزیه آلاینده‌های آلی را به دی‌اکسید کربن و آب تسهیل می‌کنند.

آزمایش تجزیه آلاینده‌های رایج

این گروه پژوهشی، روش خود را روی آب لوله‌کشی حاوی دو داروی رایج دیکلوفناک و ایبوپروفن آزمایش کردند و آنها را همراه با کاتالیزور شناور در معرض خورشید قرار دادند. دیکلوفناک حتی بعد از چندین بار شست‌وشو و منفعت گیری مجدد از دستگاه‌ها، به طور کامل از مثالهای آب حذف شد.

از طرف دیگر، تجزیه ایبوپروفن به‌اختصاصی وقتی که کاتالیزور مجددا منفعت گیری شد، کارآمدتر می بود. این می‌تواند به علت واسطه‌هایی باشد که طی تجزیه دیکلوفناک راه اندازی شده‌اند. واسطه‌ها امکان پذیر به ذرات شناور بچسبند و در نتیجه، توانایی کاتالیزور را در تجزیه ایبوپروفن افت دهند. شیمیدانان می‌گویند که این فرضیه اکنون در حال بازدید است.

بیانکی افزود: اکنون پژوهش‌های خود را برای برسی توانایی دستگاه در مقابله با دیگر آلاینده‌های آلی از جمله رنگ‌ها و پلی‌فنل‌ها که طبق معمول به طور جداگانه یا مخلوط در آب‌های طبیعی یافت خواهد شد، گسترش می‌دهیم.

محدودیت‌های بالقوه‌ای نیز برای این روش وجود دارد. یکی از محدودیت‌ها، وابستگی کاتالیزور به نور خورشید است که اگرچه به گفتن یک منبع رایگان و پاک مطلوب توصیف می‌شود، اما کاربردهای آن را در مکان‌های جغرافیایی با نور خورشید ناکافی در طول سال محدود می‌کند.

ترکیب پیچیده فاضلاب، یک چالش دیگر است که به بازدید زیاد تر نیاز دارد، چون این گروه پژوهشی، روش خود را در مثالهایی با تنها دو آلاینده آلی آزمایش کردند.

بیانکی با اصرار بر این‌که مسئله مهم پژوهش آنها فراتر از نتایج علمی است، او گفت: این یک عکس قانع‌کننده از قوت شیمی برای رسیدگی به چالش‌های پایدار از طریق راه حل‌های نوآورانه‌ای است که هم برای بشریت و هم برای محیط زیست سودمند می باشند.

این پژوهش در مجله «Advanced Sustainable Systems» به چاپ رسید.