نانوکامپوزیت‌های پلیمری گوگردی؛ راهکاری نوین برای تصفیه آب از آلاینده‌های دارویی

آلودگی آب‌های سطحی و زیرزمینی با داروهای شیمیایی و ترکیبات نوظهور، به یکی از چالش‌های جدی سلامت عمومی و محیط‌زیست در دهه‌های اخیر تبدیل شده است. داروهای ضد التهاب، آنتی‌بیوتیک‌ها و مواد محرک سیستم عصبی پس از مصرف وارد فاضلاب‌ها شده و اغلب در فرآیندهای تصفیه سنتی به طور کامل حذف نمی‌شوند. این امر می‌تواند تأثیرات مخربی بر اکوسیستم و سلامت انسان‌ها داشته باشد.

پژوهشی مشترک از دانشگاه تربیت مدرس، دانشگاه بوعلی سینا و دانشگاه گرانادا، راهکاری نوین و پایدار برای این معضل ارائه داده است. این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از ترکیب نوین نانوکامپوزیت‌های پلیمری مبتنی بر گوگرد با نیترید کربن گرافیتی (CN) می‌تواند به طور مؤثر و پایدار، داروهای موجود در آب را از طریق تجزیه فوتوکاتالیستی حذف کند.

چالش‌های تصفیه سنتی و مزایای فوتوکاتالیست‌ها

روش‌های معمول تصفیه آب، از جمله فیلترهای شیمیایی و بیولوژیکی، در حذف ترکیبات با غلظت پایین و پایداری شیمیایی بالا، محدودیت‌های قابل توجهی دارند. در مقابل، فناوری فوتوکاتالیستی با استفاده از نور خورشید یا نور مصنوعی، واکنش‌های اکسیداسیون را تسریع کرده و راهکاری مؤثر برای تجزیه این آلاینده‌ها فراهم می‌آورد.

با این حال، مواد فوتوکاتالیستی سنتی مانند نیترید کربن گرافیتی، از نظر بهره‌وری و جداسازی بارهای الکتریکی با محدودیت‌هایی روبرو هستند که کارایی آنها را در شرایط واقعی کاهش می‌دهد. ترکیب این ماده با یک پلیمر آلی گوگردی به صورت هتروساختار، نویدبخش بهبود عملکرد و افزایش پایداری فرآیند تصفیه است.

سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت جدید

در این مطالعه، پلیمر آلی مبتنی بر تیازول و گوگرد از واکنش پلیمریزاسیون ترکیبی تری (۴-فورمیل‌فنوکسی) سیانورات (TFPC) با گوگرد و ناپتایلن دی‌آمین تهیه شد. سپس این پلیمر با نیترید کربن گرافیتی تحت سنتز میکروویو ترکیب گردید.

بررسی‌های ساختاری و عملکردی:

• طیف‌سنجی FTIR، پراش اشعه X، میکروسکوپ STEM و آنالیز عنصری: این بررسی‌ها نشان دادند که هتروساختار حاصل دارای یک سطح فعال وسیع و یکنواخت است.
• تحلیل‌های اپتیکی و الکتروشیمیایی (UV-Vis، فوتولومینسانس، EIS و جریان فوتوگذرای گذرا): این تحلیل‌ها تأیید کردند که ترکیب جدید باعث بهبود جداسازی بارهای فوتون‌زا و کاهش بازترکیب ناخواسته آنها می‌شود.

عملکرد بهینه و کاربردهای گسترده

پژوهشگران نسبت‌های مختلف پلیمر به CN را آزمایش کردند و به این نتیجه رسیدند که نسبت ۲۰٪ وزن پلیمر به CN بهترین عملکرد را دارد. این نمونه به طور قابل توجهی در تجزیه داروهایی مانند:

• استامینوفن
• کافئین
• آنتی‌پیرین
• سیپروفلوکساسین
• سولفامتوکسازول
• دیکلوفناک

عملکرد بالاتری نسبت به CN خالص از خود نشان داد. هتروساختار ۲۰٪ COF-CN در شرایط نزدیک به خنثی و با حداقل تأثیر یون‌های HCO۳–، بیشترین بازده را داشت که نشان‌دهنده بهره‌وری قابل قبول فرآیند تحت شرایط متنوع محیطی است.

سازوکار تجزیه فوتوکاتالیستی:

رادیکال‌های سوپراکسید و حفره‌های فوتون‌زای تولیدشده، گونه‌های اکسیدکننده کلیدی در واکنش بودند، در حالی که رادیکال‌های هیدروکسیل نقش قابل توجهی نداشتند. تحلیل باند هدایت و تخمین گاف انرژی، نشان داد که هتروساختار از نوع I است و پلیمر گوگردی به عنوان حوضچه الکترون عمل می‌کند که باعث تسهیل جداسازی بارها و افزایش کارایی واکنش‌های اکسیداسیون می‌شود.

پایداری، قابلیت استفاده مجدد و چشم‌انداز آینده

این ترکیب نوآورانه نه تنها کارایی بالایی دارد، بلکه پایداری و قابلیت استفاده مجدد مناسبی نیز از خود نشان می‌دهد. آزمایش‌ها تأیید کردند که نمونه بازیابی شده، ساختار بلوری و اثرات طیفی FTIR اصلی خود را حفظ کرده است. این ویژگی‌ها، هتروساختار COF-CN را به گزینه‌ای مناسب و اقتصادی برای کاربردهای مقیاس بزرگ، به ویژه در تصفیه آب صنعتی و محیط‌های شهری تبدیل می‌کند.

همچنین، سنتز میکروویو عاری از فلز، محدودیت‌های روش‌های سنتی را برطرف کرده و زمان کوتاه‌تر و عملکرد بهتر را ممکن می‌سازد. با توجه به عملکرد بالا، پایداری مناسب و سهولت سنتز، این مواد فوتوکاتالیستی می‌توانند در طراحی راکتورهای فوتوشیمیایی و سیستم‌های تصفیه نوین آب به کار گرفته شوند. پژوهشگران تأکید کرده‌اند که آینده این حوزه نیازمند توجه به طراحی راکتورهای مؤثر و جداسازی بهینه مواد است تا پتانسیل هتروساختارها به طور کامل بهره‌برداری شود.