دپارتمان مهندسی مکانیک ایران

انجمن مهندسی مکانیک

انجمن تست های غیر مخرب

انجمن علمی مهندسی پزشکی

انجمن بیومکانیک

آموزش تعمیر تجهیزات پزشکی

آموزش تعمیرات تجهیزات پزشکی

دوره های مهندسی پزشکی

دوره های آموزشی مهندسی پزشکی

انجمن مهندسی پزشکی

آموزش تعمیر تجهیزات دندانپزشکی

آموزش بازرسی جوش

آموزش پایپینگ


             
استفاده از فتوكاتاليست ها براي حفظ محيط زيست
جمعه ، 3 شهریور 1391 ، 19:24

 

امروزه سلامتي بشر و محيط زيست در معرض خطر انواع مختلفي از آلاينده ها قرار دارد. با پيشرفت تكنولوژي در زندگي روزمره با مواد سمي ناشي از اگزوز ماشين ها، فرمالدهيد، بنزن، انواع قارچ ها و مانند آن روبرو هستيم. آمار و ارقام نشان مي دهد كه تنها در چين سالانه بالاي صدهزار نفر به دليل آلودگي مكانهاي سرپوشيده جان خود را از دست مي دهند. بررسي200 اتومبيل جديد نشان داد كه90 درصد اين محصولات داراي گازهاي خروجي بسيار سمي و مرگبار هستند. بنابراين پيدا كردن راهكاري براي پالايش محيط زيست، هدفي است كه بسياري از دانشمندان در سراسر جهان براي رسيدن به آن تلاش مي كنند.

در اين ميان، تكنولوژي جديدي با عنوان فتوكاتاليست (Photocatalyst) مورد توجه بسياري قرار گرفته است. واژه فتوكاتاليست در اصل به معني شتاب بخشيدن به يك واكنش فوتوني توسط كاتاليست است. به طور

دقيق تر، كاتاليست در شرايط تهييج شده يا عادي خود از طريق ميان كنش با مواد واكنشگر يا محصولات اوليه، واكنش فوتوني را تسريع خواهد كرد. كاتاليستها انواع مختلف دارند. بهترين راه براي تميز كردن آبهاي آلوده استفاده از كاتاليستي است كه براي تعداد زيادي از آلاينده ها كاربرد داشته باشد. در چنين شرايطي اكسيدهاي فلزي مثل ZnO، Wo3 و TiO2 بهترين گزينه هستند و مطالعات نشان داده كه در اين ميان اكسيد تيتانيم نسبت به بقيه برتري دارد.

در سال1972 هنگاميكه پروفسور فوجي شيما و دانشجويش هوندا مشغول انجام آزمايش بودند به پديده عجيبي برخوردند. آنها مشاهده كردند كه به هنگام قرار دادن الكترودهايي از جنس TiO2 و Pt در آب، مداري تشكيل مي شود كه بدون اعمال جريان الكتريسيته از بيرون، و تنها در معرض نور مي تواند آب را به اكسيژن و نيتروژن تجزيه كند. به دنبال اين پديده هوندا كشف كرد كه TiO2 خاصيت اكسيدكنندگي قوي دارد. بنابراين مطالعات خود را بر روي اثر اين ماده ارزشمند در پديده هاي زيست محيطي مانند

استريليزه كردن، گندزدايي و حذف آلودگي ها معطوف كرد. محصولات جديد اين فناوري داراي اثرت ضد باكتريايي است و بنابراين يكي از پيشرفته ترين ابزار براي ضد عفوني كردن فضاها و يكي از شاخه هاي اصلي مورد مطالعه در صنعت مواد است.

هم اكنون بيش از5 سال است كه توليد تجاري فتوكاتاليست ها در اروپا، امريكا، ژاپن و كره انجام مي شود. بخصوص در ژاپن از اين پديده در صنايع مختلف استفاده مي شود. آمار بازار تجارت ژاپن نشان مي دهد، پس از ظهور اولين يافته ها مربوط به خاصيت فتوكاتاليستي TiO2 در سال1970، تا سال1990 فتوكاتاليستها جنبه يك كالاي تجاري را به خود گرفتند. از فروش آزمايشي اين محصول0/2 ميليارد ين در سال1997، 1/2 ميليارد ين در سال1998، 4 ميليارد ين در سال1999 و بالغ بر100 ميليارد ين در سال2001 حاصل شد. اين آمار نمايانگر رشد چشمگير تقاضاي اين محصول در بازار جهاني است. پيش بيني مي شود كه تا سالهاي آينده در ژاپن اين رقم بين100 تا500 ميليارد ين افزايش يابد.

خاصيت فتوكاتاليستي TiO2

امروزه فتوكاتاليستهاي نانومتري از ذرات TiO2 با اندازه دانه 20nm ساخته مي شود. پس از جذب UV اشعه خورشيدي توسط اين ذرات، الكترونهاي آنها توسط انرژي UV به تحرك در آمده و از مدار خود خارج مي شوند، كه نتيجه آن بر جاي گذاشتن حفراتي است كه قابليت اكسيدكنندگي بسيار بالايي دارند. در عين حال الكترون ها كه خاصيت احيايي قوي دارند، پس از تماس با H2O و O2 هوا مطابق واكنش زير راديكالهاي آزاد اكسيژني و هيدروكسيدي ايجاد مي كنند. اين راديكالهاي آزاد خاصيت اكسيدكنندگي بالايي داشته و قادر خواهند بود كه مواد آلاينده، دود و باكتريهاي مضر را به مواد بي ضرري مانند H2O و Co2 تجزيه كنند.

سري واكنشهاي زير براي خط سير فتوكاتاليستي در محيط آبي ارايه شده است.

در نتيجه، راديكال هاي تشكيل شده در نقش يك اكسيد كننده قوي با تركيبات آلي واكنش مي دهند.

كاربردهاي فتوكاتاليستي TiO2

محققان از اكسيداسيون فتوكاتاليستي براي شكستن و از بين بردن بسياري از آلاينده هاي ارگانيك (آلي) و تبديل آنها به Co2 و آب استفاده

مي كنند. اين روش براي تصفيه آب آشاميدني، از بين بردن باكتريها و ويروسها و جدا كردن فلزات از جريان فاضلابها بكار مي رود.

در مورد تصفيه آب، تحقيقات نشان داد كه هيدروكربنهاي آليفاتيك كلردار با استفاده از اين روش كلرزدايي شده و به Co2 و H2O شكسته

مي شوند. علاوه براين بسياري از آروماتيك ها كه در برابر واكنشهاي اكسيداسيوني معمولي مقاوم هستند به راحتي از بين مي روند. مواد شيميايي ديگري كه به اين روش از آبهاي آلوده جدا مي شوند، عبارتند از: 

   

نحوه عملكرد فتوكاتاليستيTiO2 در تصفيه آب و هواي آلوده

در روش تصفيه فتوكاتاليستي آب هاي آلوده،TiO2 بصورت پودر به آب اضافه مي شود و يا آنكه برروي يك زمينه پوشش داده شده و آب از روي آن عبور داده مي شود. در حالت اول به يك سيستم بازيابي نياز خواهد بود تا كاتاليست دوباره قابل استفاده شود. تحقيقات نشان مي دهد كه فتوكاتاليست اكسيد تيتانيوم نه تنها آلودگي هاي ذكر شده، بلكه تركيبات رنگي و بدبو را نيز از بين مي برد.

تصفيه هواي آلوده، اغلب موثرتر از آبهاي آلوده است. زيرا سينتيك فاز گازي اين امكان را مي دهد كه واكنشها سريعتر از فاز مايع رخ دهد. در فرآيند تصفيه هوا، TiO2 بايد بر روي سطحي به صورت معلق قرار گيرد، تا جريان گاز از روي آن عبور كرده و واكنش انجام شود. اين سطح معمولاً به صورت ماتريسي با مساحت سطح بالا است كه در معرض تابش اشعه UV قرار دارد.

يكي از كاربرهاي اخير فتوكاتاليست TiO2، اكسيداسيون تري كلرومتان (CHCI3) است. تري كلرومتان يكي از تركيبات سرطان زاي كلروفرم است كه از انحلال مواد آلي در حين فرايند سنتي كلرينه كردن آب بوجود مي آيد. اين فرايند تصفيه فتوكاتاليستي در جريان تحقيقي كه در دانشگاه نورث كارولينا انجام شد بسيار مفيد نشان داده شده است. در اين تحقيق مشخص شد حضور همزمان تابش نور و TiO2 ، باعث توليد يون كلر و ناپديد شدن كلروفرم مي شود. معادله عمومي شكستن كلروفرم بصورت زيرارايه مي شود.


اكسيژن مورد نياز اين واكنش از طريق هوا دهي داخل آب آلوده تأمين مي شود. در اين واكنش يون كلر توليد شده با هيدروژن تركيب ايمن تر HCL را تشكيل مي دهد. نتايج نشان مي دهد استفاده همزمان هر دو فرآيند هوا دهي و فتوكاتاليستي نتايج بسيار رضايت بخشي از حذف تري كلرومتان را در بر دارد.

از ديگر كاربردهاي اكسيد تيتان، استفاده از خاصيت آب دوستي (Hydrophilicity) آن به هنگام تابش UV است. سطح TiO2 در معرض اشعه UV آبدوست مي شود، كه اين خاصيت از مه گرفتگي به عنوان مثال شيشه و آينه ها جلوگيري مي كند. هنگاميكه هواي مرطوب در تماس با آينه يا شيشه قرار مي گيرد، قطرات كوچك آب تشكيل مي شود، و شئ مه گرفته مي شود، اما در شيشه ها و آينه هايي كه با TiO2 پوشش داده شده اند آب يك لايه پيوسته و مسطح را تشكيل مي دهد كه به دنبال آن مه گرفتگي وجود نخواهد داشت. علاوه براين كثيفي روي سطح به آساني با آب از بين مي رود، كه اين خاصيت »خود پيرايي« (self- cleaning) ناميده مي شود. از اين خاصيت براي تميز نگهداشتن ساختمانها استفاده مي شود، به اين ترتيب كه مواد ساختماني مانند كاشي ها و سنگ هاي نما را قبل از استفاده با اكسيد تيتانيم و مانند آن پوشش دهي مي كنند و به اين ترتيب مواد ياد شده تنها با استفاده از آب به راحتي قابل تميز شدن خواهند بود.

   

استفاده از نانو تكنولوژي در بهبود خاصيت فتوكاتاليستي TiO2

نانو تكنولوژي تنها به ذرات بسيار كوچك مربوط نيست، بلكه يك دانش انقلابي و هنر دستكاري ماده در مقياس اتمي يا مولكولي است. محققان در حوزه هاي مرتبط با نانو مواد، نيازمند روشهاي پيشرفته ساخت مواد هستند كه از اشتراك فرايندهاي بالا به پايين و پايين به بالا حاصل مي آيد.

زماني كه ماده به اندازه 1-100nm كوچك شود، بسياري از خواص آن تغيير كرده و خواص منحصر به فردي كه از هر دو حالت ماكرو و تك اتم متفاوت است، پيدا مي كند. دليل اين امر، اثرات كوانتومي، محدوديت

منطقه اي ماده، و تأثيرات فصل مشترك است. هدف نهايي تكنولوژي نانو توليد محصولاتي با كاربري ويژه و خواص فيزيكي و شيميايي جديد است. به عنوان مثال دست يابي به استحكامي10 برابر بيشتر از آهن، بسيار آسان خواهد شد، تمامي اطلاعات يك كتابخانه در يك تراشه (chip) به اندازه حبه قند قابل جمع آوري، و تومور هايي به اندازه چندين سلول قابل شناسايي خواهد بود.

مشخصات فتوكاتاليستي اكسيد تيتانيم نيز به كمك نانو تكنولوژي پيشرفت چشمگيري كرده است. در مقياس نانو، نه تنها مساحت سطح ذرات اكسيد تيتانيم افزايش قابل ملاحظه اي مي يابد، بلكه اثرات ديگري برروي خواص نوري و الكترومغناطيسي خواهد داشت. آزمايشات نشان مي دهد با كاهش سايز ذره TiO2 و افزايش پتانسيل اكسيداسيون- احيا، سرعت واكنش فتوكاتاليستي افزايش چشمگيري خواهد داشت. حتي در برخي شرايط انرژي ساطع شده از هر منبع نوري در محيط مي تواند به جاي تابش اشعه ماوراء بنفش (UV) منبع انرژي مؤثري براي فتوكاتاليست باشد. بنابراين انتظار مي رود در آينده اي نزديك بتوان با استفاده از تكنولوژي نانو، موادي با خواص عالي و منحصر به فرد تهيه و كارهاي غيرممكن را ممكن كرد.

 
سامانه هوشمند ژورنال مقالات