نوع مقاله: مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 کارشناس ارشد ارزیابى محیطزیست - دانشگاه آزاد اسلامى- واحد علوم و تحقیقات تهران
2 دکتراى مواد - دانشگاه صنعتى مالک اشتر
3 کارشناس ارشد مهندسی مکانیک – دانشگاه مادی مسکو
4 کارشناس ارشد مهندسی موادـ دانشگاه آزاد اسلامی ـ واحد تهران جنوب
چکیده
کلیدواژهها
41
رفـع آلودگی از محیط زیسـت با
استفاده از نانوذرات آهن فلزى
محمدرضا کمالى ) کارشناس ارشد ارزیابى محیطزیست - دانشگاه آزاد اسلامى- واحد علوم و تحقیقات تهران (
على رضا کمالى )دکتراى مواد - دانشگاه صنعتى مالک اشتر(
سید محمد مهاجرزاده )کارشناس ارشد مهندسی مکانیک – دانشگاه مادی مسکو(
جواد فهیم )کارشناس ارشد مهندسی موادـ دانشگاه آزاد اسلامی ـ واحد تهران جنوب(
چکیده
پودر فلزات نقشــى مهــم در آشکارســازى و رفع آلودگى مــواد آلاینده از
محیط زیســت به خود اختصاص داده اســت. در این میان نانوذرات آهن به
عنوان ماده اى جدید در رفع آلودگی از محیطزیســت بکار گرفته شــده اند.
بدین ترتیب راه حلی بهصرفه و اقتصادی براى حل بســیاری از چالشهای
محیط زیســتی در زمینه حذف آلودگیها ابداع شده است. اکسیدهاى فلزى
نظیر در مقیاس نانومترى به عنوان موادى ارزان قیمت، قابلیت شــرکت در
فرآیندهاى فتوکاتالیســتى و رفع آلودگــى را دارند. در این مقاله ضمن مرور
خواص نانوذرات فلزى و اکســیدى در فرآیند رفع آلودگى از محیط زیســت،
فرآیند آلودگى زدایى توســط نانوذرات آهن فلزى مورد بررسى قرار گرفته و
به عنوان نمونه فرآیند رفع آلودگى کروم 6ظرفیتى )) (Cr(VIتوســط این
نانوذرات شرح داده شده است.
کلمـات کلیدی: رفــع آلودگی، نانوذرات ،آهن، دى اکســید تیتانیوم،
نانوفناوری.
Tel: 021-22808723 جواد فهیم
محمد رضا کمالى 021-44632174
42انسان و محیط زیست شماره دهم پاییز 1388
شکل2ـ انتقال الکترون و نعادل لایه فرمى در یک نانوکامپوزیت
فلزى نیمه هادى ][6
مقدمه
در هزاره جدید، بشر به طور جدى با چالش پاک سازى منابع طبیعى از جمله
آب و هوا روبروست ] .[1در این راستا دانشمندان کوشیدهاند ضمن بهرهگیری
از فنآوریهای نو و بهینه، آثار ســوء توســعه بر محیط زیست را کاهش داده
و بــه حداقل برســانند. نانو فنــاوری از جمله مهمترین این فناورى ها اســت
کــهکاربردهــاىآندرهمهجابا هزینه کمتــر،دواموعمربیشتر،مصرف
انــرژى پایینتر، هزینه نگهدارى کمتر و خواص بهتر همراه اســت. از این رو
به کارگیرى این دانش در عرصه مهندســی محیط زیست نیز، به سان دیگر
جنبههاىدانشبشــرى،باشــتابروبهتوســعهگذاردهاســت].[2
از جملــه مهمترین کاربردهاى نانو فنآورى در محیط زیســت مىتوان به
اســتفاده از آن در کاهــش انتشــار آلایندهها، رفع آلودگــى و پایش محیط
زیســت، تولیدات ســبز، تصفیه آب و غیره اشــاره نمود ] .[3در فرآیند رفع
آلودگــى از محیط زیســت، هم اکنون گزارشهای بســیاری وجود دارند که
از بهکارگیری طیف وســیعی از نانــو مواد در این زمینه حکایت دارند ]4و.[5
در این رابطه نانو فناورى خواهد توانســت با بهــره گیرى از نانو ذرات نیمه
هادى روش هایى جدید براى پاک ســازى محیط زیست پیشنهاد نماید. در
این قبیــل فناورى ها، نانوذرات به عنوان کاتالیزور یا حس گر آلودگى مورد
اســتفاده قرار مى گیرند. به عــلاوه به کارگیرى نور و امواج فراصوت، جهت
فعال سازى این نانو ذرات، طراحى فناورى هاى اکسیداسیون سبز براى رفع
آلودگى از محیط زیست را امکان پذیر نموده است. ویژگى هاى الکترونیکى
و نورى وابســته به شــکل و اندازه نانو ذرات، بابى جدید و مهیج از مطالعات
را براى محققین محیط زیســت در راه شــناخت نقش آن ها در فرآیند رفع
آلودگى محیط زیســت گشــوده اســت ] .[6تمرکــز فعلى ایــن مطالعات بر
فرآیندهاى پیشــرفته اکسیداسیون مى باشــد ] .[7تجارى شدن محصولاتى
از قبیل شیشــه هاى خودپالا، کاشــى هاى گندزدا و فیلترهاى مانع آلودگى،
اولین موفقیت هاى نانوسیســتم ها در کاربردهاى محیط زیستى هستند ].[8
به حداکثر رســاندن کارایى انتشار بارهاى نورالقادر سیستم هاى نیمه هادى،
هنوزهمبهعنوانچالشىمهمدرمیانجوامععلمىمطرحمىباشد. مطالعات
پیشــین ً عمدتا بر روى قوانین و مکانیزم هاى واکنش هاى فوتوکاتا لیستى در
فرآیندهاى پیشرفته اکسیداسیون متمرکز بوده است ]11ـ.[9
در این مقاله، کاربرد نانو ذرات فلزى در فرآیندهاى رفع آلودگى مورد بررسى
و بحث قرار گرفته است.
کاربرد اکسـیدهاى فلزى نانومترى در رفـع آلودگى محیط
زیست
در حال حاضر نانوذراتی که بهوســیله نور فعال میشــوند به منظور اســتفاده
در فرآیند رفع آلودگى هاى آلی از محیط های گوناگون مورد توجه هســتند.
از جملــه این نانوذرات میتوان به نیمههادیهایی از قبیل دیاکســیدتیتانیوم
) (TiO2و اکســید روی ) (ZnOاشــاره نمود. مواد یاد شــده در دسترس و
ارزانقیمت بوده و سمیت چندانی ندارند ]12و.[13
نانــوذرات نیمــه هادى به طــور مســتقیم و غیــر مســتقیم در فرآیندهاى
فوتوکاتالیستىشرکتمىنمایند. اینموضوعدرشکل)(1نشاندادهشدهاست.
توزیعبارموردنیازدرذراتنیمههادىهنگامىاتفاقمىافتدکهالکترونهاى
سست آن ها برانگیخته شوند. الکترون هایى که در اثر برانگیختگى توسط نور
تولیدشدهاند،بههمراهحفرههاىموجوددرسطحنانوذره،قادربهاکسیداسیون
و احیاى مواد جذب سطحى شده هستند. به همین ترتیب کلونى هاى نانوذرات
نیزباعثگســترشواکنشفوتوکاتالیستىمىشــوند. دراینکارکرد،نانومواد
نیمه هادىبه عنوان واســطه هاى انتقالىباربین مولکول هاىجذب سطحى
شدهعملمىکنند.
با طراحى و تولید نانوکامپوزیت هاى متشــکل از یک فلز و یک نیمه هادى
نظیر ، Ag /TiO2امکان بهبود خواص کاتالیســتى فتوکاتالیست ها امکان
پذیر مى گردد)شــکل .(2برخورد با نیمه هادى به صورت غیر مســتقیم باعث
انتقال بار واســطه پر انرژى در مسیر دلخواه مى شود. ترسیب یک فلز نجیب
بر روى نانــوذرات نیمه هادى عامل مهمى براى به حداکثر رســاندن کارایى
واکنش هاى فتوکاتالیستى به شمار مى رود] ً .[14عموما چنین فرض مى شود
که فلزات نجیب ) از قبیل پلاتین( به عنوان یک ســینک براى بارهاى تولید
شده توســط نورعمل کرده و باعث انتقال بارها در فصل مشترک مولکول ها
مى شود ]15و.[16
شکل . 1انتقال بار نور القا در نانوخوشخه هاى نیمه هادى ][6
43
شکل4ـ فتومیکروگراف تهیه شده از یک دسته نانوذره آهن.طول میله میزان
200نانومتر است ].[1
رفع آلودگی از محیط زیست با استفاده از نانوذرات آهن فلزى
محققین بســیار علاقه مندند با دستکاری سطح نانو ذرات توسط رنگهای
آلی یا غیرآلی، حساســیت آنها را ازاشــعه ماورای بنفش به ســمت نور مریی
افزایش دهند؛ چرا که تنها 5درصد طیف نور را امواج ماورای بنفش تشــکیل
میدهند ].[2
کاربرد نانوذرات آهن فلزى در رفع آلودگى
آهن فلــزی ) (Fe0از احیاکنندههای متوســط با قابلیت واکنش با اکســیژن
محلول ) (DOو ً گاها آب بر اساس معادلات زیر میباشد ].[1
2FeO
(s)
+ 4H+ + O
2(aq)
→ 2Fe2+
(aq)
.2H
2
o
[FeO
(s)
+ 2H
2
o
(aq)
→ 2Fe2+
(aq)
+ H
2(g)
+ 2OH-
(aq)
]
معادلات بالا، واکنشهای خوردگی الکتروشــیمیایی کلاسیکی هستند که در
آن ها آهن در نتیجه مواجهه با اکســیژن و آب اکســید میشود. واکنشهای
خوردگی را میتوان از طریق دستکاری شیمی محلول و یا ترکیب فلز شدت
بخشید و یا از انجام آن ممانعت به عمل آورد.
از آغــاز دهه 90میلادی، شــیمی خوردگی آهــن در فرآیندهای تصفیه مواد
شــیمیایی خطرناک و ســمی مورد اســتفاده قرار گرفته اســت ]17و .[18در
این خصوص محققین بســیاری موضوع را بررســی و به نتایج مشابهی دست
یافتهانــد. در این قبیل واکنش ها، آلاینــده اى مانند تتراکلرواتن )،(C2Cl4
الکترونهای حاصل از اکسیداســیون آهن را به سرعت جذب نموده و احیاى
ماده به اتن در واکنش زیر به وقوع مى پیوندد ]:[1
C
2
CL
4
+ 4FeO + 4H+ C
2
H
4
+ 4Fe2+ + 4CL-
کاربردهای محیط زیستی آهن فلزی توسط بسیاری از محققین مورد بررسى
و تایید قرار گرفته اســت. از جمله مزایای این فرایندها، هزینه ً نســبتا پایین و
عدم تشــکیل ترکیبات سمی است ] .[19همچنین از این فناورى ها مى توان
جهت رفع آلودگى در محل استفاده نمود )شکل.[2] (3
ً عمومــا نانــوذرات را میتوان با اســتفاده از هیدرید ســدیم بــور بعنوان یک
احیاکننــدهی کلیدی تهیه نمود. بعنوان مثال اگــر 0/2) NaBH4مول( به
محلول FeCl3و 0/6H2O05مولار به نســبت حجمی 1:1اضافه شــود،
نانوذرات آهن از طریق واکنش زیر تولید می شود ].[20
4Fe3+ + 3BH4- + 9H
2
o → 4FeO
+ 3H2BO3- + 12H+
+ 6H2
ً عموما به منظور شــدت بخشــیدن به واکنش و اطمینان از رشــد یکســان
بلورهــای آهن، به میزان بیــش از حد هیدرید بور نیاز نمیباشــد. ذرات آهن
پالادیمــی از طریق خیســاندن ملایم نانوذرات آهن بــا محلول اتانول حاوی
٪1وزنــی از اســتات پالادیم ) ( [2(Pd (C2H3O2]3تهیه میشــود. این
فرآیند باعث احیا و ترسیب پالادیم بر روی سطح آهن میشود. در روش هاى
مشــابه به منظور تهیه ذرات کامپوزیتى از آهن و پالادیم، آهن و آرگون، آهن
و نیکل، آهن و کبالت، آهن و مس استفاده شده است ] .[21در شکل ) (4یک
تصویر فتومیکروگراف گرفته شده از نانوذرات آهن توسط نوعی میکروسکوپ
الکترون عبوری ) ، (TEMنشان داده شده است.
اندازهگیری بیش از 150ذره محصول، نشــان داد که قطر ٪80آنها کم تر
از 100نانومتر و قطر ٪30آنها از 50نانو متر کم تر اســت. نانوذرات فلزی
آهن آلودگی زداهای قوی به حســاب میآیند و دارای قابلیت آگلومره شــدن