تجزیه مؤثر رنگ‌های آلاینده آب با کاتالیست نانوالیافی دوگانه‌فعال

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، این سامانه نوآورانه بر پایه چارچوب آلی فلزی زیرکونیومی، مایع یونی و نانوالیاف پلی‌اکریلونیتریل طراحی شده و از اثر هم‌افزای پیزوکاتالیسیس و فوتوکاتالیسیس بهره می‌برد. نتایج نشان می‌دهد این نانوالیاف در مقایسه با نمونه‌های پودری، عملکردی به‌مراتب بهتر در تخریب رودامین B دارند و از پایداری و قابلیت بازیافت مناسبی برخوردارند.

این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های پیشرفته و کم‌مصرف برای تصفیه پساب‌های صنعتی را هموار کند.

پژوهشگران دانشگاه الزهرا با همکاری دانشگاه تهران و دانشگاه Yuan Ze تایوان، موفق به طراحی و ساخت یک نانوکاتالیستی پیشرفته شده‌اند که با بهره‌گیری هم‌زمان از نور و ارتعاشات مکانیکی، توانایی بالایی در تجزیه رنگ‌های آلی آلاینده آب از خود نشان می‌دهد. این سامانه که بر پایه ترکیب چارچوب آلی فلزی زیرکونیومی، مایع یونی و نانوالیاف پلیمری ساخته شده، نمونه‌ای شاخص از هم‌افزایی فناوری نانو، فوتوکاتالیست‌ها و پیزوکاتالیست‌ها در تصفیه آب به‌شمار می‌رود.

در این پژوهش، چارچوب آلی فلزی Zr-UiO-۶۶ به‌عنوان هسته اصلی کاتالیستی انتخاب شده است. این ماده که به‌دلیل پایداری شیمیایی بالا و ساختار متخلخل منظم شناخته می‌شود، ابتدا از طریق فرایند سولوترمال سنتز شده و سپس با مایع یونی HMIM⁺TFSI⁻ در غلظت‌های مختلف ترکیب شده است. هدف از این مرحله، تقویت پاسخ پیزوالکتریکی و بهبود جداسازی بار‌های الکتریکی در حین تحریک مکانیکی بوده است.

در گام بعد، این نانوکامپوزیت کاتالیستی در یک ماتریس پیزوالکتریک پلیمری از جنس پلی‌اکریلونیتریل (PAN) قرار داده شده و با استفاده از روش الکتروریسی (Electrospinning) به‌صورت نانوالیاف پیوسته درآمده است. نتیجه این فرایند، تولید نانوالیاف ZrU@IL/PAN بوده که سطح ویژه بالا، توزیع یکنواخت فاز‌های فعال و دسترسی آسان آلاینده‌ها به سایت‌های واکنش‌پذیر را فراهم می‌کند.

ضرورت انجام این پژوهش از آنجا ناشی می‌شود که بسیاری از فوتوکاتالیست‌های متداول تنها تحت نور کارایی دارند و در شرایط کم‌نور یا پساب‌های کدر عملکرد آنها به‌شدت افت می‌کند. از سوی دیگر، پیزوکاتالیست‌ها به‌تنهایی اغلب نیازمند تحریک مکانیکی مداوم هستند.

ترکیب این دو مکانیسم در قالب پیزو–فوتوکاتالیسیس، امکان استفاده هم‌زمان از نور محیط و ارتعاشات مکانیکی مانند امواج فراصوت یا جریان سیال را فراهم می‌کند و بهره‌وری فرایند تصفیه را افزایش می‌دهد.

بخش نانویی این پژوهش در چند لایه کلیدی تعریف می‌شود: نخست، استفاده از MOF نانومتخلخل Zr-UiO-۶۶ که نقش اصلی در جذب و فعال‌سازی مولکول‌های آلاینده را ایفا می‌کند. دوم، حضور مایع یونی در مقیاس نانو که به بهبود انتقال بار و افزایش پاسخ پیزوالکتریکی سامانه کمک می‌کند. سوم، ساختار نانوالیافی PAN که نه‌تنها حامل این اجزا است، بلکه با ایجاد کرنش مکانیکی تحت ارتعاش، تولید بار الکتریکی و گونه‌های فعال را تسهیل می‌کند. این معماری چندسطحی، نمونه‌ای روشن از مهندسی نانو در خدمت محیط‌زیست است.

آزمایش‌های عملکردی نشان داد که در میان چند رنگ آلی بررسی‌شده، رودامین B (RhB) بیشترین میزان تخریب را تجربه کرده است. مقایسه کارایی اجزای مختلف نشان می‌دهد که نانوالیاف ZrU@IL/PAN عملکردی به‌مراتب بهتر از نمونه‌های پودری یا ترکیبات دوتایی دارند. این موضوع اهمیت شکل فیزیکی نانوالیافی را در افزایش بازده کاتالیستی تأیید می‌کند.

نتایج حاکی از آن است که بازده تخریب پیزو–فوتوکاتالیستی رودامین B از حدود ۲٫۲ درصد تا بیش از ۹۵ درصد افزایش یافته است، در حالی که فوتوکاتالیسیس یا پیزوکاتالیسیس به‌تنهایی بازدهی به‌مراتب پایین‌تری داشته‌اند. ثابت سرعت واکنش شبه‌مرتبه اول برای نمونه بهینه، به‌ترتیب ۱٫۶۷ و ۱۲٫۸ برابر بیشتر از حالت‌های پیزوکاتالیسیس و فوتوکاتالیسیس منفرد گزارش شده است.

این نانوکاتالیست همچنین از پایداری و قابلیت استفاده مجدد مناسبی برخوردار است. پس از چهار چرخه استفاده، افت محسوسی در عملکرد مشاهده نشده و میزان مینرالیزاسیون رودامین B به حدود ۶۷ درصد در مدت ۴۰ دقیقه رسیده است. این ویژگی، کاربردپذیری عملی سامانه را برای تصفیه پساب‌های واقعی تقویت می‌کند.

مطالعات طیف‌سنجی و الکتروشیمیایی، از جمله نمودار‌های Tauc و اندازه‌گیری‌های Mott–Schottky، در کنار آزمایش‌های به‌دام‌اندازی رادیکال‌ها نشان می‌دهد که گونه‌های فعال سوپراکسید (O₂•⁻) و هیدروکسیل (HO•) نقش اصلی را در مکانیسم تخریب رودامین B ایفا می‌کنند. همچنین، آنالیز LC–MS/MS برای شناسایی ترکیبات میانی به‌کار گرفته شده تا مسیر تجزیه آلاینده به‌طور دقیق روشن شود.

پژوهشگران تأکید می‌کنند که طراحی نانوالیاف پیزو–فوتوکاتالیستی ZrU@IL/PAN نشان می‌دهد چگونه می‌توان با ترکیب هوشمند مواد نانوساختار، مایعات یونی و پلیمر‌های پیزوالکتریک، سامانه‌هایی کارآمد برای تصفیه پیشرفته آب توسعه داد. این رویکرد می‌تواند گامی مهم در جهت فناوری‌های پایدار و کم‌مصرف برای مقابله با آلودگی‌های آلی مقاوم باشد.