ترکیب نوآورانه برای بهبود بازده فتوکاتالیست تصفیه دارو‌ها از آب

باشگاه خبرنگاران جوان –  آلودگی آب‌های سطحی و زیرزمینی توسط دارو‌های شیمیایی و ترکیبات نوظهور، یکی از دغدغه‌های جدی سلامت عمومی و محیط‌زیست در دهه‌های اخیر است. دارو‌های ضد التهاب، آنتی‌بیوتیک‌ها و مواد محرک سیستم عصبی که پس از مصرف وارد فاضلاب‌ها می‌شوند، اغلب در فرایند‌های تصفیه سنتی به‌طور کامل حذف نمی‌شوند و به همین دلیل می‌توانند تأثیرات مخربی بر اکوسیستم و سلامت انسان‌ها بگذارند. پژوهشی مشترک از دانشگاه تربیت مدرس، دانشگاه بوعلی سینا و دانشگاه گرانادا نشان می‌دهد که استفاده از ترکیب نوین نانوکامپوزیت‌های پلیمری مبتنی بر گوگرد با نیترید کربن گرافیتی (CN) می‌تواند راهکاری مؤثر و پایدار برای تجزیه فتوکاتالیستی دارو‌ها در آب فراهم کند.

روش‌های معمول تصفیه آب، از جمله فیلتر‌های شیمیایی و بیولوژیکی، محدودیت‌هایی در حذف ترکیبات با غلظت پایین و پایداری شیمیایی دارند. فناوری فتوکاتالیستی که با نور خورشید یا نور مصنوعی واکنش‌های اکسیداسیون را تسریع می‌کند، راهکار مؤثری برای تجزیه این آلاینده‌ها ارائه می‌دهد. با این حال، مواد فتوکاتالیستی سنتی مانند نیترید کربن گرافیتی، محدودیت‌هایی از نظر بهره‌وری و جداسازی بار‌های الکتریکی دارند که باعث کاهش کارایی آنها در شرایط واقعی می‌شود. ترکیب این ماده با یک پلیمر آلی گوگردی به‌صورت هتروساختار، نویدبخش بهبود عملکرد و افزایش پایداری فرایند است.

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 و سپس با نیترید کربن گرافیتی تحت سنتز میکروویو ترکیب شد. بررسی‌های ساختاری، شیمیایی و مورفولوژیکی شامل طیف‌سنجی FTIR، پراش اشعه X، میکروسکوپ STEM و آنالیز عنصری نشان داد که هتروساختار حاصل یک سطح فعال وسیع و یکنواخت دارد. علاوه‌بر آن، تحلیل‌های اپتیکی و الکتروشیمیایی از جمله طیف جذبی UV-Vis، فتولومینسانس، طیف مقاومت الکتریکی (EIS) و جریان فوتوگذرای گذرا، تأیید کرد که این ترکیب باعث بهبود جداسازی بار‌های فوتون‌زایی و کاهش بازترکیب ناخواسته آنها می‌شود.

پژوهشگران نسبت‌های مختلف پلیمر به CN را آزمایش کردند و مشخص شد که نسبت ۲۰ درصد وزن پلیمر به CN بهترین عملکرد را دارد. این نمونه به‌طور قابل توجهی در تجزیه دارو‌هایی مانند استامینوفن، کافئین، آنتی‌پیرین، سیپروفلوکساسین، سولفامتوکسازول و دیکلوفناک از خود عملکرد بالاتری نسبت به CN خالص نشان داد. هتروساختار ۲۰٪ COF-CN در شرایط نزدیک به خنثی، با حداقل تأثیر یون‌های HCO۳–، بیشترین بازده را داشت و نشان داد که بهره‌وری فرایند تحت شرایط متنوع محیطی قابل قبول است.

در این پروژه سازوکار تجزیه فتوکاتالیستی توسط این هتروساختار به‌وضوح مشخص شد. 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 به‌عنوان «حوضچه الکترون» عمل می‌کند که باعث تسهیل جداسازی بار‌ها و افزایش کارایی واکنش‌های اکسیداسیون می‌شود.

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

به نقل از ستاد نانو، همچنین سنتز میکروویو آزاد از فلز، محدودیت‌های روش‌های سنتی حل‌پذیر را برطرف کرده و زمان کوتاه‌تر و عملکرد بهتر را ممکن می‌کند. با توجه به عملکرد بالا، پایداری مناسب و سهولت سنتز، این مواد فتوکاتالیستی می‌توانند در طراحی راکتور‌های فتوشیمیایی و سیستم‌های تصفیه نوین آب به‌کار گرفته شوند. پژوهشگران تأکید کرده‌اند که آینده این حوزه نیازمند توجه به طراحی راکتور‌های مؤثر و جداسازی بهینه مواد است تا پتانسیل هتروساختار‌ها به‌طور کامل بهره‌برداری شود.

منبع: ایسنا