خبر کامل
فناوری نانو: راه‌حلی نوین برای تصفیه سریع آلاینده‌های دارویی در آب
فناوری نانو و راه حلی برای آلاینده‌های نوظهور دارویی در آب
آب سالم، نیاز حیاتی بشر، اکنون با چالش جدی آلاینده‌های نوظهور دارویی مواجه است. در این میان، پژوهشی پیشگامانه با استفاده از فناوری نانو، راهکاری مؤثر برای حذف سریع و کارآمد این آلاینده‌ها ارائه داده است. این دستاورد، با تکیه بر مهندسی فصل مشترک و ساختارهای نانویی محصور، عملکرد کاتالیست را به‌طور محسوسی افزایش داده و نویدبخش آینده‌ای روشن برای تصفیه آب و حفاظت از محیط زیست است.
چالش آلاینده‌های نوظهور در منابع آبی
سال‌هاست که انسان با ورود انواع آلاینده‌ها به منابع آبی، کیفیت آب را کاهش داده است. در سال‌های اخیر، گروه جدیدی از آلاینده‌ها موسوم به آلاینده‌های نوظهور، توجه دانشمندان را به خود جلب کرده‌اند. این مواد شامل داروها، آنتی‌بیوتیک‌ها، ترکیبات هورمونی و محصولات بهداشتی و آرایشی هستند که در مقادیر کم وارد آب می‌شوند اما اثرات زیست‌محیطی قابل‌توجهی دارند.
یکی از مهم‌ترین این گروه‌ها، داروها و محصولات مراقبت شخصی (PPCPs) هستند. این ترکیبات از طریق فاضلاب‌های خانگی، بیمارستانی و صنعتی وارد محیط زیست شده و بسیاری از سامانه‌های تصفیه متداول قادر به حذف کامل آن‌ها نیستند. باقی‌ماندن این مواد در آب می‌تواند به مقاومت آنتی‌بیوتیکی، اختلالات هورمونی در آبزیان و تهدید سلامت انسان منجر شود.
سامانه پیشرفته تصفیه آب نانویی
پژوهشگران دانشگاه ولی‌عصر رفسنجان با همکاری دانشگاه معماری و فناوری شی‌آن و دانشگاه فری‌استیت، سامانه‌ای پیشرفته بر پایه فرایند فوتوفنتون‌مانند برای حذف سریع این آلاینده‌ها توسعه داده‌اند. این سامانه عملکردی بسیار سریع و مؤثر از خود نشان داده است.
فرایندهای فنتون و فوتوفنتون از روش‌های پیشرفته اکسیداسیون برای تصفیه آب هستند که با کمک کاتالیست و اکسیدکننده‌ها، گونه‌های فعال بسیار واکنش‌پذیر تولید می‌کنند که قادر به تجزیه مولکول‌های آلاینده هستند.
مشکل اصلی در این فرایندها، بازده ناکافی بسیاری از کاتالیست‌ها و کُندی انتقال مواد واکنش‌دهنده در سطح آن‌ها بود که پژوهشگران برای حل این مشکل، دو راهبرد مهندسی فصل مشترک و محدودسازی فضایی را به کار گرفته‌اند.
ساختار هیبریدی TCN-LDH
محققان با رشد دادن هیدروکسیدهای دولایه‌ای (LDH) بر روی لوله‌های توخالی گرافیتی نیترید کربن (g-C₃N₄)، ساختاری هیبریدی به نام TCN-LDH ایجاد کردند. این ساختار نانویی دارای ویژگی‌های زیر است:
- سطح تماس بالا: امکان تعامل بیشتر با آلاینده‌ها را فراهم می‌کند.
- بهینه‌سازی مسیر حرکت مواد و بارهای الکتریکی: کارایی واکنش را افزایش می‌دهد.
لوله‌های توخالی نیترید کربن مانند کانال‌های ریز در مقیاس نانو عمل می‌کنند که واکنش‌دهنده‌ها را در فضای محدود هدایت می‌کنند. این فضای محصور، تماس آلاینده‌ها با مراکز فعال کاتالیستی را افزایش داده و سرعت واکنش را بیشتر می‌کند.
مهندسی فصل مشترک و ناهم‌پیوند S-scheme
مهندسی فصل مشترک میان دو ماده، به تشکیل ناهم‌پیوند S-scheme منجر شده است. این نوع اتصال در سامانه‌های نوری بسیار ارزشمند است، زیرا جداسازی بهتر الکترون‌ها و حفره‌ها را ممکن می‌کند. این ساختار به مهاجرت مؤثر بارها کمک کرده و عمر آن‌ها را افزایش می‌دهد، که نتیجه آن جذب بهتر نور و انتقال مؤثرتر حامل‌های بار است.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که مهندسی سطح، وضعیت الکترونی کاتالیست را تغییر داده و باعث بهبود جذب شیمیایی و انتقال الکترون به پرمونوسولفات (PMS) می‌شود که برای تولید گونه‌های فعال اکسیدکننده به کار می‌رود. به بیان ساده‌تر، کاتالیست هم نور را بهتر استفاده می‌کند و هم ماده اکسیدکننده را سریع‌تر فعال می‌سازد، که منجر به تولید رادیکال‌ها و گونه‌های واکنش‌پذیر بیشتر و تخریب سریع آلاینده‌ها می‌شود.
نتایج آزمایش و کارایی سامانه
آزمایش‌ها نشان داد که سامانه TCN-LDH توانسته داروی دیکلوفناک را تنها در ۱۵ دقیقه حذف کند. ثابت سرعت واکنش نیز ۰.۵۶۱۸ دقیقه معکوس گزارش شده که نشان‌دهنده عملکرد بسیار سریع سامانه است. دیکلوفناک یکی از داروهای ضدالتهاب پرمصرف است که به‌عنوان آلاینده‌ای نگران‌کننده در منابع آبی جهان شناسایی شده است.
این سامانه تنها به دیکلوفناک محدود نمانده و توانسته انواع دیگر آلاینده‌های گروه PPCPs را نیز با سرعت بالا تجزیه کند. همچنین، ساختار فضایی محصور آن در برابر ناخالصی‌های موجود در آب، عملکرد پایدارتری نشان داده که این موضوع در شرایط واقعی آب بسیار حائز اهمیت است.
بررسی سازوکار تخریب و سمیت
پژوهشگران برای درک بهتر سازوکار تخریب آلاینده، محل‌های واکنش‌پذیر مولکول دیکلوفناک را با استفاده از تابع فوکویی (Fukui Function) بررسی کردند. ارزیابی سمیت محصولات میانی نیز انجام شد و نشان داد که برخی واسطه‌های حاصل از تخریب ممکن است زیست‌سمیت بالقوه داشته باشند، که این نکته بر اهمیت اطمینان از کم‌خطر بودن محصولات نهایی تصفیه آب تأکید می‌کند.
چشم‌انداز آینده و نقش نانوفناوری
این پژوهش چشم‌اندازی روشن برای توسعه نسل تازه‌ای از کاتالیست‌های نانویی در تصفیه آب ارائه می‌دهد. ترکیب مهندسی سطح، طراحی ساختارهای توخالی و کنترل انتقال جرم می‌تواند سامانه‌هایی سریع‌تر، مقاوم‌تر و کاربردی‌تر بسازد.
دستاورد پژوهشگران دانشگاه ولی‌عصر رفسنجان نشان می‌دهد که نانوفناوری می‌تواند در یکی از جدی‌ترین چالش‌های قرن حاضر، یعنی بحران آب و آلودگی منابع آبی، نقشی عملی و مؤثر ایفا کند. این تحقیقات در قالب مقاله‌ای با عنوان "Spatial confinement and interface engineering enhanced photo-Fenton-like system for ultrafast PPCPs degradation" به چاپ رسیده است.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
