استفاده از مواد دارای خواص پیشرفته برای حفظ محیط زیست

امروزه سلامتی بشر و محیط زیست در معرض خطر انواع مختلفی از آلاینده ها قرار دارد. با پیشرفت تکنولوژی در زندگی روزمره با مواد سمی ناشی از اگزوز ماشین ها، فرمالدهید، بنزن، انواع قارچ ها و مانند آن روبرو هستیم. آمار و ارقام نشان می دهد که تنها در چین سالانه بالای صدهزار نفر به دلیل آلودگی مکانهای سرپوشیده جان خود را از دست می دهند. بررسی۲۰۰ اتومبیل جدید نشان داد که۹۰ درصد این محصولات دارای گازهای خروجی بسیار سمی و مرگبار هستند. بنابراین پیدا کردن راهکاری برای پالایش محیط زیست، هدفی است که بسیاری از دانشمندان در سراسر جهان برای رسیدن به آن تلاش می کنند.
در این میان، تکنولوژی جدیدی با عنوان فتوکاتالیست (Photocatalyst) مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. واژه فتوکاتالیست در اصل به معنی شتاب بخشیدن به یک واکنش فوتونی توسط کاتالیست است.
به طوردقیق تر، کاتالیست در شرایط تهییج شده یا عادی خود از طریق میان کنش با مواد واکنشگر یا محصولات اولیه، واکنش فوتونی را تسریع خواهد کرد. کاتالیستها انواع مختلف دارند. بهترین راه برای تمیز کردن آبهای آلوده استفاده از کاتالیستی است که برای تعداد زیادی از آلاینده ها کاربرد داشته باشد. در چنین شرایطی اکسیدهای فلزی مثل ZnO، Wo۳ و TiO۲ بهترین گزینه هستند و مطالعات نشان داده که در این میان اکسید تیتانیم نسبت به بقیه برتری دارد.
در سال۱۹۷۲ هنگامیکه پروفسور فوجی شیما و دانشجویش هوندا مشغول انجام آزمایش بودند به پدیده عجیبی برخوردند. آنها مشاهده کردند که به هنگام قرار دادن الکترودهایی از جنس TiO۲ و Pt در آب، مداری تشکیل می شود که بدون اعمال جریان الکتریسیته از بیرون، و تنها در معرض نور می تواند آب را به اکسیژن و نیتروژن تجزیه کند. به دنبال این پدیده هوندا کشف کرد که TiO۲ خاصیت اکسیدکنندگی قوی دارد. بنابراین مطالعات خود را بر روی اثر این ماده ارزشمند در پدیده های زیست محیطی مانند
استریلیزه کردن، گندزدایی و حذف آلودگی ها معطوف کرد. محصولات جدید این فناوری دارای اثرت ضد باکتریایی است و بنابراین یکی از پیشرفته ترین ابزار برای ضد عفونی کردن فضاها و یکی از شاخه های اصلی مورد مطالعه در صنعت مواد است.
هم اکنون بیش از۵ سال است که تولید تجاری فتوکاتالیست ها در اروپا، امریکا، ژاپن و کره انجام می شود. بخصوص در ژاپن از این پدیده در صنایع مختلف استفاده می شود. آمار بازار تجارت ژاپن نشان می دهد، پس از ظهور اولین یافته ها مربوط به خاصیت فتوکاتالیستی TiO۲ در سال۱۹۷۰، تا سال۱۹۹۰ فتوکاتالیستها جنبه یک کالای تجاری را به خود گرفتند. از فروش آزمایشی این محصول۰/۲ میلیارد ین در سال۱۹۹۷، ۱/۲ میلیارد ین در سال۱۹۹۸، ۴ میلیارد ین در سال۱۹۹۹ و بالغ بر۱۰۰ میلیارد ین در سال۲۰۰۱ حاصل شد. این آمار نمایانگر رشد چشمگیر تقاضای این محصول در بازار جهانی است. پیش بینی می شود که تا سالهای آینده در ژاپن این رقم بین۱۰۰ تا۵۰۰ میلیارد ین افزایش یابد.
● خاصیت فتوکاتالیستی TiO۲
امروزه فتوکاتالیستهای نانومتری از ذرات TiO۲ با اندازه دانه ۲۰nm ساخته می شود. پس از جذب UV اشعه خورشیدی توسط این ذرات، الکترونهای آنها توسط انرژی UV به تحرک در آمده و از مدار خود خارج می شوند، که نتیجه آن بر جای گذاشتن حفراتی است که قابلیت اکسیدکنندگی بسیار بالایی دارند. در عین حال الکترون ها که خاصیت احیایی قوی دارند، پس از تماس با H۲O و O۲ هوا مطابق واکنش زیر رادیکالهای آزاد اکسیژنی و هیدروکسیدی ایجاد می کنند. این رادیکالهای آزاد خاصیت اکسیدکنندگی بالایی داشته و قادر خواهند بود که مواد آلاینده، دود و باکتریهای مضر را به مواد بی ضرری مانند H۲O و Co۲ تجزیه کنند.
سری واکنشهای زیر برای خط سیر فتوکاتالیستی در محیط آبی ارایه شده است.
در نتیجه، رادیکال های تشکیل شده در نقش یک اکسید کننده قوی با ترکیبات آلی واکنش می دهند.
● کاربردهای فتوکاتالیستی TiO۲
محققان از اکسیداسیون فتوکاتالیستی برای شکستن و از بین بردن بسیاری از آلاینده های ارگانیک (آلی) و تبدیل آنها به Co۲ و آب استفاده می کنند. این روش برای تصفیه آب آشامیدنی، از بین بردن باکتریها و ویروسها و جدا کردن فلزات از جریان فاضلابها بکار می رود.
در مورد تصفیه آب، تحقیقات نشان داد که هیدروکربنهای آلیفاتیک کلردار با استفاده از این روش کلرزدایی شده و به Co۲ و H۲O شکسته می شوند. علاوه براین بسیاری از آروماتیک ها که در برابر واکنشهای اکسیداسیونی معمولی مقاوم هستند به راحتی از بین می روند. مواد شیمیایی دیگری که به این روش از آبهای آلوده جدا می شوند، عبارتند از:
▪ نحوه عملکرد فتوکاتالیستیTiO۲ در تصفیه آب و هوای آلوده
در روش تصفیه فتوکاتالیستی آب های آلوده،TiO۲ بصورت پودر به آب اضافه می شود و یا آنکه برروی یک زمینه پوشش داده شده و آب از روی آن عبور داده می شود. در حالت اول به یک سیستم بازیابی نیاز خواهد بود تا کاتالیست دوباره قابل استفاده شود. تحقیقات نشان می دهد که فتوکاتالیست اکسید تیتانیوم نه تنها آلودگی های ذکر شده، بلکه ترکیبات رنگی و بدبو را نیز از بین می برد.
تصفیه هوای آلوده، اغلب موثرتر از آبهای آلوده است. زیرا سینتیک فاز گازی این امکان را می دهد که واکنشها سریعتر از فاز مایع رخ دهد. در فرآیند تصفیه هوا، TiO۲ باید بر روی سطحی به صورت معلق قرار گیرد، تا جریان گاز از روی آن عبور کرده و واکنش انجام شود. این سطح معمولاً به صورت ماتریسی با مساحت سطح بالا است که در معرض تابش اشعه UV قرار دارد.
یکی از کاربرهای اخیر فتوکاتالیست TiO۲، اکسیداسیون تری کلرومتان (CHCI۳) است. تری کلرومتان یکی از ترکیبات سرطان زای کلروفرم است که از انحلال مواد آلی در حین فرایند سنتی کلرینه کردن آب بوجود می آید. این فرایند تصفیه فتوکاتالیستی در جریان تحقیقی که در دانشگاه نورث کارولینا انجام شد بسیار مفید نشان داده شده است. در این تحقیق مشخص شد حضور همزمان تابش نور و TiO۲ ، باعث تولید یون کلر و ناپدید شدن کلروفرم می شود. معادله عمومی شکستن کلروفرم بصورت زیرارایه می شود.
اکسیژن مورد نیاز این واکنش از طریق هوا دهی داخل آب آلوده تأمین می شود. در این واکنش یون کلر تولید شده با هیدروژن ترکیب ایمن تر HCL را تشکیل می دهد. نتایج نشان می دهد استفاده همزمان هر دو فرآیند هوا دهی و فتوکاتالیستی نتایج بسیار رضایت بخشی از حذف تری کلرومتان را در بر دارد.
از دیگر کاربردهای اکسید تیتان، استفاده از خاصیت آب دوستی (Hydrophilicity) آن به هنگام تابش UV است. سطح TiO۲ در معرض اشعه UV آبدوست می شود، که این خاصیت از مه گرفتگی به عنوان مثال شیشه و آینه ها جلوگیری می کند. هنگامیکه هوای مرطوب در تماس با آینه یا شیشه قرار می گیرد، قطرات کوچک آب تشکیل می شود، و شئ مه گرفته می شود، اما در شیشه ها و آینه هایی که با TiO۲ پوشش داده شده اند آب یک لایه پیوسته و مسطح را تشکیل می دهد که به دنبال آن مه گرفتگی وجود نخواهد داشت. علاوه براین کثیفی روی سطح به آسانی با آب از بین می رود، که این خاصیت »خود پیرایی« (self- cleaning) نامیده می شود. از این خاصیت برای تمیز نگهداشتن ساختمانها استفاده می شود، به این ترتیب که مواد ساختمانی مانند کاشی ها و سنگ های نما را قبل از استفاده با اکسید تیتانیم و مانند آن پوشش دهی می کنند و به این ترتیب مواد یاد شده تنها با استفاده از آب به راحتی قابل تمیز شدن خواهند بود.
▪ استفاده از نانو تکنولوژی در بهبود خاصیت فتوکاتالیستی TiO۲
نانو تکنولوژی تنها به ذرات بسیار کوچک مربوط نیست، بلکه یک دانش انقلابی و هنر دستکاری ماده در مقیاس اتمی یا مولکولی است. محققان در حوزه های مرتبط با نانو مواد، نیازمند روشهای پیشرفته ساخت مواد هستند که از اشتراک فرایندهای بالا به پایین و پایین به بالا حاصل می آید.
زمانی که ماده به اندازه ۱-۱۰۰nm کوچک شود، بسیاری از خواص آن تغییر کرده و خواص منحصر به فردی که از هر دو حالت ماکرو و تک اتم متفاوت است، پیدا می کند. دلیل این امر، اثرات کوانتومی، محدودیت منطقه ای ماده، و تأثیرات فصل مشترک است. هدف نهایی تکنولوژی نانو تولید محصولاتی با کاربری ویژه و خواص فیزیکی و شیمیایی جدید است. به عنوان مثال دست یابی به استحکامی۱۰ برابر بیشتر از آهن، بسیار آسان خواهد شد، تمامی اطلاعات یک کتابخانه در یک تراشه (chip) به اندازه حبه قند قابل جمع آوری، و تومور هایی به اندازه چندین سلول قابل شناسایی خواهد بود.
مشخصات فتوکاتالیستی اکسید تیتانیم نیز به کمک نانو تکنولوژی پیشرفت چشمگیری کرده است. در مقیاس نانو، نه تنها مساحت سطح ذرات اکسید تیتانیم افزایش قابل ملاحظه ای می یابد، بلکه اثرات دیگری برروی خواص نوری و الکترومغناطیسی خواهد داشت. آزمایشات نشان می دهد با کاهش سایز ذره TiO۲ و افزایش پتانسیل اکسیداسیون- احیا، سرعت واکنش فتوکاتالیستی افزایش چشمگیری خواهد داشت. حتی در برخی شرایط انرژی ساطع شده از هر منبع نوری در محیط می تواند به جای تابش اشعه ماوراء بنفش (UV) منبع انرژی مؤثری برای فتوکاتالیست باشد. بنابراین انتظار می رود در آینده ای نزدیک بتوان با استفاده از تکنولوژی نانو، موادی با خواص عالی و منحصر به فرد تهیه و کارهای غیرممکن را ممکن کرد.

منبع : ماهنامه نفت پارس