تصفیه آب با نور خورشید

فوتوکاتالیست‌های شناور فعال‌شده با نور خورشید، امکان تصفیه آب را برای مناطق دورافتاده و جوامع در حال توسعه ارائه می‌کنند.

به گزارش ایسنا، شیمیدانان در حال بهره‌برداری از انرژی موجود در نور خورشید برای پاکسازی آب شیرین از آلاینده‌ها هستند.

پژوهشگران «دانشگاه میلان» (University of Milan) در یک پژوهش جدید، از فرآیندی به نام «فوتوکاتالیز» استفاده کردند و در آن نشان دادند که انرژی موجود در نور خورشید می‌تواند به تجزیه شدن مولکول‌های آلی منجر شود.

استفاده کردن از فوتوکاتالیز برای پاکسازی فاضلاب، ایده جدیدی نیست. بسیاری از آلاینده‌های آلی رایج پیشتر با استفاده از این روش با موفقیت تجزیه شده‌اند. با وجود این، کاربرد این فرآیند در مقیاس بزرگ هنوز با موانع قابل توجهی روبه‌رو است.

راه حل پایدار برای تصفیه آب

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

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

بیانکی به دشواری طراحی کردن یک روش مؤثر برای حذف آلاینده‌ها اشاره کرد و در عین حال اطمینان داد که فوتوکاتالیز یک روش قابل استفاده مجدد و زیست‌تخریب‌پذیر است و واکنش‌های جانبی ناخواسته و مضر را ایجاد نمی‌کند.

کاتالیزور شناور

تلاش‌های پیشین برای اعمال فوتوکاتالیز در تصفیه فاضلاب، کاتالیزور‌هایی را به صورت پودر اضافه می‌کردند، اما این امر جمع‌آوری آن‌ها را در مراحل بعد دشوار می‌کند. پژوهشگران در مقاله خود نوشتند: استفاده کردن از مواد به شکل پودر از نقطه نظر عملی، به دلیل دشواری جداسازی آن‌ها از مخلوط برای استفاده مجدد محدود است.

بیانکی و گروهش، راه حل جدید خود را به شکل یک کاتالیزور شناور ارائه کردند که توسط دانه‌های متخلخل خاک رس پشتیبانی می‌شود. این دانه‌ها به اندازه کافی سبک هستند که بتوانند روی سطح آب باقی بمانند. بنابراین، پس از استفاده به راحتی می‌توان آن‌ها را جدا کرد. خاک رس از نظر شیمیایی بی‌اثر است؛ به این معنی که با مواد دیگر واکنش 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 ایجاد یک منبع دیگر از آلودگی را به حداقل می‌رساند.

بیانکی توضیح داد: 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 ایجاد 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 واکنش 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 پس از چندین بار شست‌وشو و استفاده مجدد از دستگاه‌ها، به طور کامل از نمونه‌های آب حذف شد.

از طرف دیگر، تجزیه ایبوپروفن به‌ویژه زمانی که کاتالیزور مجددا استفاده شد، کارآمدتر بود. این می‌تواند به دلیل واسطه‌هایی باشد که طی تجزیه دیکلوفناک تشکیل شده‌اند. واسطه‌ها ممکن است به ذرات شناور بچسبند و در نتیجه، توانایی کاتالیزور را در تجزیه ایبوپروفن کاهش دهند. شیمیدانان می‌گویند که این فرضیه اکنون در حال بررسی است.

بیانکی افزود: در حال حاضر پژوهش‌های خود را برای ارزیابی توانایی دستگاه در مقابله با سایر آلاینده‌های آلی از جمله رنگ‌ها و پلی‌فنل‌ها که معمولا به صورت جداگانه یا مخلوط در آب‌های طبیعی یافت می‌شوند، گسترش می‌دهیم.

محدودیت‌های بالقوه‌ای نیز برای این روش وجود دارد. یکی از محدودیت‌ها، وابستگی کاتالیزور به نور خورشید است که اگرچه به عنوان 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 بررسی بیشتر نیاز دارد، زیرا این گروه پژوهشی، روش خود را در نمونه‌هایی با تنها دو آلاینده آلی آزمایش کردند.

بیانکی با تاکید بر این‌که نکته اصلی پژوهش آن‌ها فراتر از نتایج علمی است، گفت: این یک تصویر قانع‌کننده از قدرت شیمی برای رسیدگی به چالش‌های پایدار از طریق راه حل‌های نوآورانه‌ای است که هم برای بشریت و هم برای محیط زیست سودمند هستند.