تصفیه پساب های حاوی آلایند های دارویی به روش فتوکالیستی
محور پژوهش
محیط زیست
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی مواد
حوزه پژوهش
پایش آلودگی‌های محیط (آب، خاک و هوا) و راه‌های کنترل کاهش آنها
عنوان
تصفیه پساب های حاوی آلایند های دارویی به روش فتوکالیستی
هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه
: توسعه و پیشرفت تمدن های جدید از یک سو و عدم رعایت الزامات زیستی از سوی دیگر، منجر به گسترش آلودگی های محیطی در تمام جهان شده است. بــه طــورکلی آلوده کننده های آب عبـارت انـد از: آلاینده‌های آلی، عوامل بیماری زا (پاتوژن)، مواد غذایی و پسماند کشاورزی، مواد جامد معلق و رسوبات، آلاینده‌های غیرآلی (انواع نمک‌ها و فلزات)، آلاینده‌های حرارتی و آلاینده‌های رادیواکتیو. ورود داروها و بقایای دارویی به محیط های آبی و پایداری آن ها در محیط از یک سو و حضور عوامل بیماری زا در منابع آب از سوی دیگر می تواند تهدیدی جدی برای سلامتی انسان باشد و تصفیه آب به روشی کارآمد برای رسیدن به استانداردهای موجود، یکی از نیازهای اساسی است. نگرانی عمده از حضور آنتی بیوتیک ها به عنوان یکی از مهم ترین آلاینده های نوظهور در محیط زیست، افزایش مقاومت به آنتی بیوتیک ها در گونه های باکتریایی است که درمان عفونت های ناشی از آن ها را با مشکل روبرو می کند. در این بین نورفلوکساسین1 جز دسته آنتی بیوتیک هایی است که بیشترین تجویز در ایران و جهان را دارند و در ایران مقدار 07/3 درصد از کل مقدار مصرفی را به خود اختصاص داده است. از سوی دیگر، اشرشیاکلی2 یکی از پاتوژن های قابل تکثیر است که از طریق ورود فضولات حیوانی و انسانی به آب های پذیرنده، منجر به آلودگی آب می شود. این باکتری در ارزیابی کیفیت باکتری شناسی آب آشامیدنی، به عنوان اصلی ترین شاخص آلودگی میکروبی اعلام شده است و حضور آن آب را غیر قابل شرب و نیازمند تصفیه و گندزدائی بیشتر می نماید. استفاده از فناوری های نوین برای حذف یا اصلاح آلاینده های محیطی در دهه ی اخیر روند رو به رشدی داشته است. روش های تجاری موجود برای تصفیه آب های آلوده و پساب های صنعتی، بر اساس روش های فیزیکی مانند فرایند جذب سطحی توسط کربن فعال و فرایند هوادهی، بیولوژیکی از جمله لجن فعال و شیمیایی مثل اکسیداسیون توسط ازن و اسمز معکوس استوار هستند که هر کدام از این روش ها در برخی موارد کارایی نسبتاً خوبی نیز دارند، اما قادر به حذف یا تخریب کامل ترکیبات هیدروکربنی نیستند. در میان فناوری های موجود برای کنترل آلودگی، فرایند فتوکاتالیستی یکی از نویدبخش ترین و پربازده ترین رویکردهای تخریب آلاینده ها است. از آنجایی که فقط در حدود چهار درصد از نور خورشید در محدوده فرابنفش قرار دارد، بیشتر مطالعات بر روی توسعه فتوکاتالیست هایی با گستره جذب وسیع تری از این منبع انرژی پایدار استوار است. در این بین، Bi2WO6 دارای خواص فتوکاتالیستی منحصر به فردی تحت نور مرئی است. هدف از این پژوهش، توسعه نانوفتوکاتالیست های مغناطیسی بر پایه فوم گرافن سه‌بعدی- میکروکره های گل-مانند Bi2WO6-FeOx جهت غیرفعال سازی باکتری اشرشیاکلای (E. coli K12) و تخریب آنتی بیوتیک نورفلوکساسین (NFX) است. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها این پژوهش با همکاری دانشگاه صنعتی اصفهان و دانشگاه EPFL سوئیس انجام گرفته است. در این پژوهش، ابتدا میکروکره های(BWO) Bi2WO6 به روش هیدروترمال سنتز شد. مشخصه یابی پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آنالیز BET، طیف سنجی فتوالکترون پرتو ایکس (XPS)، طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف سنج بازتاب نفوذی (DRS) و طیف سنجی نوری لومینسانس (PL) انجام شد. ساختار سلسله مراتبی گل-مانند BWO در دمای 200 درجه سانتی گراد و مدت زمان 24 ساعت به طور کامل توسعه یافت و سازوکار رشد آن ارائه شد. بررسی سینتیک غیرفعال سازی باکتری و محاسبه ثابت سرعت مرتبه اول (Kapp) بیانگر افزایش Kapp از 004/0±0195/0 به 005/0±0488/0 بر دقیقه در نمونه ذره ای نسبت به میکروکره های گل-مانند BWO است. نقش غلظت کاتالیست، باکتری، شدت نور فرودی و پایداری فتوکاتالیستی در سینتیک غیرفعال سازی باکتری مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به مقدار شکاف انرژی محاسبه شده 8/2 الکترون ولت مربوط به نمونه بهینه، موقعیت لبه نوار رسانش و ظرفیت آن به ترتیب 47/0+ و 25/3+ الکترون ولت حاصل شد. درادامه، برای بهبود خاصیت فتوکاتالیستی نمونه سنتز شده و امکان جداسازی مغناطیسی نمونه، کامپوزیت هایی با نسبت های مختلف از BWO به Fe3O4 (MBWO) به روش هیدروترمال سنتز شدند. علاوه بر آنالیز های ذکرشده، آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری وضوح بالا (HRTEM) و مغناطش سنج ارتعاشی (VSM) نیز انجام شد. نتایج نشان داد که علاوه بر Fe3O4، اکسیدهای آهن با استوکیومتری های مختلف (FeOx) ازجمله Fe2O3 و FeO در نمونه وجود دارد که مقدار Fe3O4 غالب است. نتایج فتولومینسانس و سینتیک غیرفعال سازی باکتری و تخریب NFX بیانگر آن است که تماس مستقیم نانوذرات FeOx با نانوورقه های BWO به عنوان چاه الکترونی عمل کرده و منجر به کاهش بازترکیب الکترون-حفره و بهبود خاصیت فتوکاتالیستی شد. تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط


شکل1-شماتیک روش سنتز میکروکره های گل-مانند مغناطیسی Bi2WO6.


شکل2-سنتز نانوکامپوزیت مغناطیسی بر پایه فوم گرافن سه‌بعدی- میکروکره های گل-مانند Bi2WO6-FeOx به روش هیدروترمال.


شکل 3-سازوکار انتقال بار فصل مشترکی غیرفعال سازی باکتری و تخریب نورفلوکساسین در حضور Bi2WO6-FeOx.