تجزیه سریع یکی از مشکل‌سازترین آلاینده‌های شیمیایی جهان

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مهندسان شیمی دانشگاه رایس کاتالیزور نوری ارائه کردند که به سرعت اسید پرفلوروکتانوئیک (PFOA)، یکی از مشکل‌سازترین آلاینده‌های شیمیایی جهان را تجزیه می‌کند. این کار با استفاده از نوعی نانوکامپوزیت انجام می‌شود.

مایکل وانگ و شاگردانش در سال ۲۰۲۰ به کشف شگفت‌انگیزی دست یافتند که نیترید بور، یک پودر تجاری که معمولاً در لوازم آرایشی استفاده می‌شود، می‌تواند ۹۹ درصد PFOA یا اسید پرفلوروکتانوئیک را در نمونه‌های آب در عرض چند ساعت در معرض اشعه ماوراء بنفش از بین ببرد.

وانگ، نویسنده مسئول تحقیق در مورد این کاتالیزور گفت: «ساز و کار این فتوکاتالیست عالی بود، زیرا PFOA یک آلاینده مشکل‌ساز فزاینده است که نابود کردن آن واقعا سخت است. البته هنوز کارایی این کاتالیست کمتر از ایده‌آل بود، زیرا نیترید بور توسط UV موج کوتاه فعال می‌شد و اتمسفر زمین تقریباً تمام UV موج کوتاه نور خورشید را فیلتر می‌کند. ما می‌خواستیم تا حد امکان توانایی نیترید بور برای دسترسی به انرژی از سایر طول‌موج‌های نور خورشید را افزایش دهیم.»

UV موج بلند یا UV-A دارای طول موج‌هایی در حدود ۳۱۵-۴۰۰ نانومتر است. این همان چیزی است که باعث برنزه شدن و آفتاب سوختگی می‌شود و در نور خورشید که به زمین می‌رسد فراوان است. نیترید بور یک نیمه‌هادی است و توسط UV-A فعال نمی‌شود. دی اکسید تیتانیوم، یک ماده رایج در کرم ضد‌آفتاب، ماده نیمه‌هادی است که توسط UV-A فعال می‌شود و حتی نشان داده شده بود، تجزیه PFOA را هرچند بسیار آهسته، کاتالیز می‌کند؛ بنابراین بو وانگ، لیجی دوان و کیمبرلی هک تصمیم گرفتند ترکیبی از نیترید بور و دی اکسید تیتانیوم بسازند که با بهترین ویژگی‌های هر یک از این کاتالیزور‌های منفرد را با هم ترکیب کند. در مطالعه جدید خود، آن‌ها نشان دادند که کامپوزیت آن‌ها حدود ۱۵ برابر سریع‌تر از فوتوکاتالیست‌های معمولی دی اکسید تیتانیوم، PFOA را از بین می‌برند.

با تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری‌های پاسخ جریان نوری و سایر داده‌ها، تیم وانگ نشان داد که چگونه کامپوزیت نیمه‌رسانای آن‌ها انرژی UV-A را برای جدا کردن مولکول‌های PFOA در آب جمع‌آوری می‌کند. در آزمایش‌هایی که در فضای باز با استفاده از بطری‌های آب پلاستیکی زیر نور طبیعی خورشید انجام شد، آن‌ها دریافتند که کامپوزیت‌های نیترید بور-دی‌اکسید تیتانیوم آن‌ها می‌توانند حدود ۹۹ درصد از PFOA را در آب دیونیزه شده در کمتر از سه ساعت تجزیه کنند. در آب شور، این فرآیند حدود نه ساعت طول کشید.

شواهد زیاد نشان می‌دهد که PFOA برای سلامت انسان مضر است. برخی از ایالت‌های آمریکا محدودیت‌هایی را برای آلودگی PFOA در آب آشامیدنی تعیین کرده‌اند و در مارس ۲۰۲۱ آژانس حفاظت از محیط زیست برنامه‌هایی را برای توسعه استاندارد‌های فدرال اعلام کرد.

وونگ گفت که افزایش فشار نظارتی برای تعیین استاندارد‌های PFOA باعث شده است که کارخانه‌های تصفیه آب به دنبال راه‌های جدید و مقرون به صرفه برای حذف PFOA از آب باشند.

PFOA یکی از رایج‌ترین PFAS (مواد پرفلوئوروآلکیل و پلی فلوروآلکیل)، خانواده‌ای از ترکیبات است که در قرن بیستم برای ساخت پوشش‌هایی برای لباس‌های ضد آب، بسته‌بندی مواد غذایی و سایر محصولات مورد استفاده قرار گرفته است.

وانگ گفت که فناوری‌های نیترید بور و کاتالیزور کامپوزیتی آن‌ها قبلاً توجه چندین شریک صنعتی را در مرکز تحقیقات مهندسی نانوسیستم‌های رایس برای تصفیه آب مبتنی بر فناوری نانو (NEWT) به خود جلب کرده است و آن‌ها به دنبال تجاری‌سازی این فناوری با کمک شرکای صنعتی هستند.