کاربرد پسماند کشاورزی برای حذف آلودگی رنگ‌های شیمیایی

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، پژوهشگران بخش فناوری‌نانو پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران با استفاده از بیوپلیمر نشاسته، موفق به تولید نانوکامپوزیت پلیمری زیست‌سازگار و کارآمد به عنوان جاذب‌های گزینش‌پذیر با ظرفیت جذب بسیار برای رنگ‌های شیمیایی کاتیونی شدند. هدف اصلی این طرح کاربرد این ترکیبات در تهیه فرمولاسیون‌های کود اوره آهسته رهش بوده است.

این طرح پژوهشی در راستای انجام تحقیقات مربوط به پروژه تحقیقاتی سنتز نانوکامپوزیت‌های هیدروژل بر پایه نشاسته که در پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی به انجام رسیده است، می‌باشد. الهه معتمدی مجری این طرح گفت: «در این زمینه، یک طرح تحقیقاتی در سال ۹۶ در پژوهشگاه مصوب شد که طی آن از بیوپلیمر نشاسته به منظور تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری استفاده شده و هدف اصلی طرح، کاربرد این ترکیبات در تهیه فرمولاسیون‌های کود اوره آهسته رهش بوده است. در کنار کاربرد اصلی، فرمولاسیون‌های هیدروژل تهیه‌ شده به عنوان جاذب برای حذف آلودگی رنگ‌های شیمیایی نیز به‌ کارگرفته شدند که نتایج بسیار خوبی در این مورد از خود نشان دادند و منجر به انتشار مقاله حاضر شد.»

معتمدی درباره لزوم انجام این طرح گفت: «در سال‌های اخیر تقاضا برای استفاده از مواد نانوساختار جدید برای تولید نانوجاذب‌های مؤثر بسیار افزایش یافته است. در مقاله حاضر، تهیه یک نانوکامپوزیت پلیمری زیست‌سازگار و کارآمد جهت تهیه نانو جاذب‌های گزینش‌پذیر با ظرفیت جذب بسیار بالا گزارش شده است.

در این ترکیب، نشاسته به عنوان پایه پلیمر اصلی برای تولید نانوجاذب و نانوکریستال‌های سلولزی به عنوان تقویت‌کننده فاز پلیمری استفاده شده‌اند.

"ظرفیت جذب عالی (mg/g ۲۵۰۰ برای رنگ کریستال ویولت، و mg/g ۱۴۲۸ برای رنگ متیلن بلو) همراه با قابلیت استفاده مجدد و گزینش‌پذیری بالا از مزایای اصلی این نانوکامپوزیت هیدروژل به‌حساب می‌آیند"در ابتدا نانوکریستال‌های سلولز با استفاده از ضایعات کشاورزی، (تفاله چغندر قند) و به روش هیدرولیز اسیدی سنتز شده‌اند و سپس نانوذرات مگنتیت (Fe ۳ O ۴) بر روی این نانوالیاف سلولزی بارگذاری شده‌اند. در نهایت نشاسته و منومر‌های اکریلیک در حضور نانوفیلر سلولزی و طی یک واکنش تک‌مرحله‌ای پلیمریزاسیون رادیکالی به نانوکامپوزیت هیدروژل تبدیل می‌شوند.

کارایی این ترکیب به عنوان یک نانوجاذب کارآمد و سازگار با محیط زیست برای حذف انتخابی رنگ‌های کاتیونی با ظرفیت و گزینش‌پذیری بالا اثبات شده است. حضور نانوکریستال‌های سلولزی به عنوان نانوفیلر و کراس-لینکر فیزیکی در ماتریس هیدروژل منجر به بهبود حساسیت به نمک‌ها در پلیمر شده و موجب افزایش خواص حرارتی و مغناطیسی هیدروژل می‌شود.

همچنین سطح این نانوذرات دارای بار منفی است که همراه با سایر گروه‌های عاملی زنجیره پلیمری نظیر کربوکسیلات و سولفونات، این ترکیب را به یک نانوجاذب عالی و انتخابی برای حذف رنگ‌های کاتیونی از آب تبدیل کرده‌اند. ظرفیت جذب عالی (mg/g ۲۵۰۰ برای رنگ کریستال ویولت، و mg/g ۱۴۲۸ برای رنگ متیلن بلو) همراه با قابلیت استفاده مجدد و گزینش‌پذیری بالا از مزایای اصلی این نانوکامپوزیت هیدروژل به‌حساب می‌آیند. علاوه بر این، فرآیند تهیه این نانوجاذب، بر پایه شیمی سبز و استفاده از پسماند‌های کشاورزی برای تولید نانومواد ارزشمند بوده است.»

وی در ادامه گفت: «امروزه، استفاده گسترده از رنگ‌های شیمیایی در صنایع مختلف از جمله منسوجات، مواد غذایی، کاغذسازی، مواد آرایشی، چرم و داروسازی و ورود پساب این کارخانجات به رودخانه‌ها موجب آلودگی منابع آبی به رنگ‌های سنتزی شده و این مسئله به یک مشکل جدی زیست‌محیطی تبدیل شده است.

از آنجا که اکثر رنگ‌ها از ثبات شیمیایی قابل‌توجهی برخوردارند و در برابر تخریب میکروبی و نوری پایدار هستند، حذف آن‌ها از آب به سادگی توسط روش‌های متداول تصفیه آب امکان‌پذیر نیست.

علاوه بر این، رنگ‌های شیمیایی حتی در دوز‌های اندکی از تماس بر روی موجودات زنده اثرات خطرناکی داشته و سمی و سرطان‌زا هستند. بنابراین، توسعه تکنیک‌های نوآورانه برای حذف مؤثر رنگ از آب به عنوان یک اولویت جدی جامعه مورد توجه محققان واقع شده است و در همین راستا طرح حاضر به طراحی، سنتز و کاربرد یک نانوجاذب جدید و کارآمد برای حل معضل پساب آلوده به رنگ‌های شیمیایی پرداخته است.»

مجری این طرح معتقد است این محصول قابلیت تولید مقرون به‌صرفه در مقیاس بالا را خواهد داشت، به دلیل این‌که پایه پلیمر آن از جنس بیوپلیمر نشاسته است که یک پلیمر در دسترس و ارزان‌ قیمت است و همچنین نانوذرات تقویت‌کننده آن از جنس نانوسلولز هستند که از ضایعات کشاورزی سنتز می‌شوند و اینکه فرآیند سنتز نیاز به تجهیزات خاص نداشته و قابل تولید در مقادیر صنعتی است.

نمونه حقیقی پساب حاصل از کارخانه نساجی در شهر سمنان مورد ارزیابی قرار گرفته و نانوجاذب برای نمونه پساب حقیقی با کارایی بالا موفق به حذف رنگ شده است.

استادیار پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران درباره ویژگی‌های نوآورانه این پژوهش که با استفاده از فناوری نانو به آن دست یافته‌اند گفت: «نانوکریستال‌های سلولز مغناطیسی می‌توانند مانند یک عامل اتصال عرضی فیزیکی در ماتریس هیدروژل عمل کنند که از یک سو موجب تقویت فاز پلیمری و بهبود خواص جذب و پایداری حرارتی جاذب شده و از سوی دیگر به دلیل خواص مغناطیسی امکان جداسازی آسان نانوجاذب از محیط واکنش و بازیابی و استفاده مجدد آن‌را فراهم آورند. محصول سنتزشده در این تحقیق یک ترکیب کاملاً جدید بوده و همچنین میزان ظرفیت حذف رنگ آن برای دو رنگ مدل مورداستفاده نسبت به سایر مقالات گزارش‌شده تاکنون بسیار بالاتر بوده است.»

وی گفت: «کاهش هزینه در تولید نانوجاذب، تبدیل ضایعات کشاورزی به نانومواد با ارزش و کارایی بالا، افزایش ظرفیت جذب در حذف رنگ و همچنین حذف رنگ‌های کاتیونی به‌صورت گزینشی از نتایج مهم و کلیدی این طرح تحقیقاتی بوده است.»

الهه معتمدی، استادیار بخش نانوتکنولوژی پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران به عنوان مجری پروژه و نویسنده مسئول این مقاله با همکاری پریسا محرمی فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد از گروه مهندسی علوم خاک، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران موفق به چاپ این طرح پژوهشی در مجله BIORESOURCE TECHNOLOGY با ضریب تأثیر ۷٫۵۳۹ با عنوان Application of cellulose nanocrystals prepared from agricultural wastes for synthesis of starch-based hydrogel nanocomposites: Efficient and selective شدند.