ساخت فوتوالکتروکاتالیست پیشرفته برای حذف ریسین از آب

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، پژوهشگران دانشگاه یاسوج، دانشگاه علم و صنعت ایران و دانشگاه فناوری دونگ‌گوان با توسعه یک فوتوالکتروکاتالیست جدید بر پایه ساختار دوگانه S-scheme، موفق به ساخت دستگاه غشایی پیشرفته‌ای شدند که می‌تواند سم بسیار خطرناک ریسین را به‌صورت پیوسته از آب آلوده حذف کند.

این سامانه که از ترکیب واکنش‌های فوتوالکتروکاتالیسی و فیلتراسیون غشایی استفاده می‌کند، توانسته راندمان حذف ۹۸.۳۹ درصدی و معدنی‌سازی ۸۵.۶۷ درصدی را ثبت کند.

پایداری چشمگیر دستگاه در شش چرخه عملیاتی، کارایی آن را برای تصفیه صنعتی و بلندمدت بسیار امیدوارکننده کرده است. این دستاورد، گامی مهم در توسعه فناوری‌های نوین برای حذف سموم گیاهی و آلاینده‌های مقاوم به‌شمار می‌رود. فوتوالکتروکاتالیست ZnCdFeSe که در این پروژه معرفی شده، یک نانوکامپوزیت است. تمام فاز‌های CdSe، ZnSe و FeSe₂ به صورت نانوساختار سنتز شده‌اند.

این مواد به‌طور معمول در محدوده چند نانومتر تا چند ده نانومتر ساخته می‌شوند تا بتوانند انتقال بار، جذب نور و واکنش‌پذیری را به‌طور اساسی بهبود دهند.

آلودگی منابع آب با سموم گیاهی از جمله ریسین، که یکی از خطرناک‌ترین فیتوتوکسین‌های شناخته‌شده است، به دغدغه‌ای پررنگ در حوزه محیط‌زیست و سلامت عمومی تبدیل شده است.

 افزایش ورود این ترکیبات سمی به پساب صنایع کشاورزی، واحد‌های فرآوری گیاهی و حتی برخی پسماند‌های صنعتی، ضرورت توسعه فناوری‌های پیشرفته و پایدار برای حذف آنها را بیش از پیش آشکار کرده است. روش‌های متداول تصفیه، در برابر ترکیبات پیچیده‌ای مانند ریسین چندان کارآمد نیستند و معمولاً توان حذف پیوسته و بلندمدت ندارند. در چنین شرایطی، پژوهشی مشترک میان دانشگاه یاسوج، دانشگاه علم و صنعت ایران و دانشگاه فناوری دونگ‌گوان چین، راهکاری نوآورانه ارائه کرده که می‌تواند مسیر تازه‌ای برای تصفیه پیشرفته آب در مقیاس صنعتی ترسیم کند.

در این تحقیق، پژوهشگران یک فوتوالکتروکاتالیست جدید بر پایه ساختار ناهمگون با طرح دوگانه S-scheme طراحی کردند که از ترکیبات فلزی Zn، Cd، Fe و Se تشکیل شده و بر پایه «پرسیان بلو آنالوگ» ساخته شده است. این ساختار پیچیده، که ZnCdFeSe نام گرفته، به‌گونه‌ای مهندسی شده که بتواند از نور مرئی حداکثر استفاده را ببرد، بار‌های الکتریکی فوتوژنره‌شده را پایدار نگه دارد و واکنش‌های اکسایش و کاهش سطحی را با بازده بالا انجام دهد. این ویژگی‌ها باعث شده که کاتالیست مذکور یکی از نمونه‌های پیشرفته در حوزه تصفیه نوری آب باشد.

پژوهشگران این فوتوکاتالیست را در قلب یک دستگاه غشایی فوتوالکتروکاتالیستی قرار دادند؛ دستگاهی که علاوه بر انجام واکنش‌های تجزیه فتوکاتالیستی، امکان فیلتراسیون همزمان را نیز فراهم می‌کند. نتیجه این ترکیب، یک سامانه پیوسته برای حذف سم ریسین است که می‌تواند بدون توقف‌های مکرر، فرایند پاک‌سازی آب را ادامه دهد. این کار برای تصفیه پساب‌هایی که به‌طور مستمر آلوده می‌شوند، اهمیت بسیار زیادی دارد.

یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که راندمان حذف فیتوتوکسین‌ها در این دستگاه به ۹۸.۳۹ درصد می‌رسد. این رقم برای یک فناوری نوظهور که همزمان دو فرایند تجزیه و جداسازی را انجام می‌دهد، بسیار چشمگیر است. نکته مهم‌تر این است که غشا در این دستگاه، علاوه بر بهبود نفوذپذیری، ویژگی آنتی‌فولینگ قابل توجهی نشان می‌دهد؛ یعنی در برابر تجمع رسوبات و آلودگی‌ها مقاومت دارد و زمان عملکرد مؤثر آن افزایش می‌یابد.

یکی دیگر از دستاورد‌های مهم این تحقیق، بررسی عملکرد سیستم در شرایط طولانی‌مدت بود. براساس نتایج به‌دست‌آمده، حتی پس از شش چرخه استفاده مداوم، میزان حذف ریسین همچنان ۷۸.۹۶ درصد باقی می‌ماند. این موضوع نشان می‌دهد که ساختار دوگانه S-scheme در هسته فوتوکاتالیست، ثبات قابل قبولی دارد و غشای مورد استفاده نیز توان تحمل شرایط عملیاتی سخت را داراست.

برای درک بهتر عملکرد این سامانه، پژوهشگران از محاسبات تئوری تابع چگالی (DFT) استفاده کردند تا رفتار الکترونی مواد و انتقال بار میان بخش‌های مختلف ناهمساخت بررسی شود. این داده‌ها نشان دادند که ارتباطات بین CdSe، ZnSe و FeSe₂ باعث افزایش جذب نور مرئی و تسریع انتقال بار می‌شود؛ عواملی که برای اکسیداسیون ریسین و معدنی‌سازی آن حیاتی هستند. در همین راستا، میزان معدنی‌سازی (Mineralization) در شرایط ایده‌آل به ۸۵.۶۷ درصد رسید.

در بخش پایانی پژوهش، یک دستگاه فوتورآکتور غشایی کامل طراحی و ساخته شد تا بتواند به‌طور پیوسته پساب آلوده به ریسین را تصفیه کند. این دستگاه که از یک غشای تقویت‌شده با پلی‌آنیلین و نانوترکیبات فلزی تشکیل شده، عملکرد ۸۳.۶۷ درصدی در تجزیه ریسین را در شرایط عملی نشان داد. ترکیب فیلتراسیون غشایی با فوتوالکتروکاتالیسی، توانست بسیاری از محدودیت‌های معمول را که در سیستم‌های نوری وجود دارد، کاهش دهد؛ از جمله مشکل شفافیت کم، افت شار نوری و رسوب مواد روی غشا.

این فناوری نه‌تنها یک گام مهم در توسعه سامانه‌های پایدار برای تصفیه آب آلوده به سموم گیاهی است، بلکه الگویی برای ساخت ساختار‌های پیچیده دوگانه S-scheme ارائه می‌دهد. این ساختار‌ها می‌توانند در آینده برای حذف سایر آلاینده‌های مقاوم نیز به‌کار گرفته شوند. اهمیت این روش در آن است که هم عملکرد نوری و هم قابلیت فیلتراسیون را با یکدیگر ترکیب می‌کند و یک رویکرد دوسویه برای تصفیه آب ارائه می‌دهد؛ رویکردی که برای صنایع کشاورزی، دارویی، و حتی امنیت غذایی می‌تواند کاربردی باشد.

تحقیق مشترک دانشگاه یاسوج، دانشگاه علم و صنعت ایران و دانشگاه فناوری دونگ‌گوان یک مسیر جدید را در حوزه فناوری‌های پاک باز کرده است. با توجه به روند افزایش آلودگی‌های زیستی و سموم گیاهی در منابع آب، توسعه این‌گونه سامانه‌های هیبریدی می‌تواند نقش مهمی در ارتقای ایمنی آب، کاهش خطرات زیست‌محیطی و ارائه فناوری‌هایی با عملکرد پیوسته ایفا کند.