دستاورد پژوهشگران ایرانی در توسعه جاذب نانویی سبز برای تصفیه فاضلاب‌های رنگی

ایسنا/پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی به توسعه یک جاذب پیشرفته نانویی بر پایه هیدروژل خودآرا با ساختار چندعملکردی دست یافته‌اند که قادر است رنگ کریستال ویوله را از محلول‌های آبی با بازده بالا حذف کند. این سامانه با بهره‌گیری از ترکیب صمغ زانتان اصلاح‌شده، نانوذرات سیلیکا و پلیمر نیمه‌هیدرولیزشده پلی‌آکریل‌آمید طراحی شده و نشان می‌دهد فناوری نانو می‌تواند نقش مهمی در توسعه روش‌های سبز تصفیه آب داشته باشد.

آلودگی منابع آبی به مواد رنگی صنعتی یکی از چالش‌های جدی محیط‌زیستی در دهه‌های اخیر به شمار می‌رود. رنگ‌های کاتیونی به‌ویژه در پساب صنایع نساجی، چاپ و داروسازی، پایداری بالایی در محیط دارند و ورود آن‌ها به چرخه آب می‌تواند سلامت اکوسیستم‌ها و انسان را تهدید کند. در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی به توسعه یک جاذب پیشرفته نانویی بر پایه هیدروژل خودآرا با ساختار چندعملکردی دست یافته‌اند که قادر است رنگ کریستال ویوله را از محلول‌های آبی با بازده بالا حذف کند. اهمیت این پژوهش در ارائه جاذبی پایدار، قابل‌ احیا و سازگار با محیط‌زیست نهفته است.

این گروه تحقیقاتی موفق به طراحی و سنتز یک هیدروژل نانوساختار خودآرا بر پایه صمغ زانتان اصلاح‌شده با نانوذرات سیلیکا و پلیمر نیمه‌هیدرولیزشده پلی‌آکریل‌آمید (HPAM) شده‌اند که می‌تواند به‌عنوان جاذب پیشرفته برای حذف رنگ کاتیونی کریستال ویوله از محلول‌های آبی مورد استفاده قرار گیرد. بخش نانوفناوری این پروژه در طراحی و سنتز ساختار هیدروژلی شامل پراکندگی یکنواخت نانوذرات سیلیکا در ماتریس پلیمری و ایجاد شبکه‌ای با تراکم بالای گروه‌های عاملی فعال متمرکز بوده است. این پژوهش با رویکرد شیمی سبز و بر پایه فرایند خودآرایی مولکولی و برهم‌کنش‌های هیدروژنی انجام شده است.

افزایش فعالیت صنایع رنگ‌سازی، نساجی و برخی واحدهای شیمیایی موجب افزایش نگرانی‌ها درباره ورود ترکیبات آلی پایدار به منابع آبی شده است. کریستال ویوله یکی از رنگ‌های کاتیونی با کاربرد گسترده صنعتی است که به دلیل ساختار آروماتیک پایدار، تجزیه طبیعی بسیار کندی در محیط دارد و می‌تواند در غلظت‌های پایین نیز اثرات سمی زیستی ایجاد کند. از این‌رو توسعه جاذب‌های کارآمد، اقتصادی و قابل احیا برای حذف این آلاینده‌ها ضرورت علمی و صنعتی قابل‌توجهی یافته است.

در این پروژه، هیدروژل نانوساختار HPAM/SiO2@XG از طریق فرایند ژل‌سازی سبز در محیط آبی و بدون استفاده از عامل اتصال‌دهنده شیمیایی سنتز شده است. استفاده از صمغ زانتان اصلاح‌شده به‌عنوان بستر زیستی پلی‌ساکاریدی، علاوه بر کاهش هزینه و افزایش سازگاری محیط‌زیستی، موجب افزایش ظرفیت جذب سطحی و بهبود خواص تورمی شبکه هیدروژلی شده است. حضور نانوذرات سیلیکا نیز نقش مهمی در افزایش سطح ویژه و ایجاد مراکز فعال جذب داشته و ساختار یکنواختی در ماتریس پلیمری ایجاد کرده است.

بررسی‌های ساختاری و شیمیایی نشان داده است که برای شناسایی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سامانه طراحی‌شده از طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه، میکروسکوپ الکترونی نشر میدانی، پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آنالیز سطح ویژه BET و تحلیل حرارتی TG/DTG استفاده شده است. نتایج این آزمون‌ها حاکی از تشکیل موفق شبکه هیدروژلی خودآرا و توزیع مناسب نانوذرات سیلیکا در ساختار پلیمر است.

مطالعات جذب سطحی به‌صورت آزمایش‌های نوبتی در شرایط مختلف عملیاتی شامل تغییرات pH، مقدار جاذب، زمان تماس، غلظت اولیه رنگ، قدرت یونی محلول و دما انجام شده است. بهترین عملکرد جذب در شرایط pH برابر با ۷، غلظت رنگ ۱۵۰ میلی‌گرم بر لیتر، مقدار جاذب ۸۵ میلی‌گرم، زمان تماس ۱۸۰ دقیقه و دمای ۳۰ درجه سلسیوس مشاهده شد.

تحلیل داده‌های تعادلی نشان داد که مدل هم‌دمای لانگمویر بیشترین انطباق را با داده‌های آزمایشگاهی دارد. بر اساس این مدل، ظرفیت بیشینه جذب رنگ کریستال ویوله در حالت تعادل به مقدار ۳۴۲.۱۹ میلی‌گرم بر گرم رسید که نشان‌دهنده توان بالای سامانه نانویی طراحی‌شده در حذف آلاینده‌های رنگی از محیط آبی است. انطباق مناسب داده‌های سینتیکی با مدل شبه مرتبه دوم نیز نشان داد که فرایند جذب بیشتر تحت کنترل برهم‌کنش‌های شیمیایی سطحی بوده است.

مکانیزم غالب جذب در این هیدروژل نانوساختار بر پایه برهم‌کنش‌های الکترواستاتیکی میان گروه‌های باردار سطح جاذب و مولکول رنگ کاتیونی کریستال ویوله، همراه با پیوندهای هیدروژنی چندگانه میان مراکز فعال شبکه پلیمری و مولکول آلاینده تبیین شده است. همچنین ظرفیت تورمی بالای هیدروژل موجب افزایش نفوذپذیری محلول رنگی به داخل شبکه و تقویت فرایند انتقال جرم شده است.

یکی از ویژگی‌های قابل‌توجه این سامانه نانویی، قابلیت بازیابی و استفاده مجدد آن است. آزمایش چرخه‌های جذب و واجذب نشان داد که هیدروژل طراحی‌شده حتی پس از پنج مرحله استفاده متوالی، همچنان بازده حذف قابل‌قبولی در محدوده ۹۴.۵ تا ۷۱.۵ درصد حفظ کرده است. این ویژگی از منظر اقتصادی و صنعتی اهمیت بالایی دارد، زیرا کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش عمر مفید جاذب را به همراه خواهد داشت.

پژوهشگران تأکید کرده‌اند که ساخت این هیدروژل نانویی بر پایه فرایند ژل‌سازی سبز و در محیط آبی انجام شده و در آن از عامل اتصال‌دهنده شیمیایی سنتی استفاده نشده است. ساختار شبکه‌ای هیدروژل عمدتاً از طریق برهم‌کنش‌های هیدروژنی میان صمغ زانتان، پلی‌آکریل‌آمید و گروه‌های سیلانول سطح نانوذرات سیلیکا شکل گرفته است. این رویکرد نه‌تنها پیچیدگی فرایند سنتز را کاهش می‌دهد، بلکه با اصول توسعه پایدار و شیمی سبز نیز همخوانی دارد.

افزایش سطح ویژه ناشی از توزیع یکنواخت نانوذرات سیلیکا در ماتریس پلیمری و افزایش تراکم گروه‌های عاملی فعال، مهم‌ترین عامل ارتقای عملکرد جذب در این سامانه معرفی شده است. پژوهشگران معتقدند که طراحی هوشمندانه ساختار مولکولی و استفاده از خودآرایی سوپرامولکولی می‌تواند مسیر توسعه نسل جدید جاذب‌های کارآمد برای تصفیه پساب‌های صنعتی را هموار کند.

به نقل از ستاد نانو، نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که هیدروژل نانوساختار چندعملکردی طراحی‌شده می‌تواند به‌عنوان گزینه‌ای امیدبخش برای حذف ترکیبات آلی رنگی از محیط‌های آبی مورد استفاده قرار گیرد و ظرفیت قابل‌توجهی برای توسعه فناوری‌های تصفیه آب در مقیاس صنعتی داشته باشد. پژوهشگران همچنین تأکید کرده‌اند که بهینه‌سازی بیشتر ساختار شبکه هیدروژلی و بررسی عملکرد آن در حذف سایر آلاینده‌های آلی می‌تواند در مطالعات آینده دنبال شود.