حذف علف کش بنتازون به عنوان یک آلاینده در حضور نانو

مقدمه

پساب خروجی بسیاری از کارخانجات صنعتی و معدنی حاوی مقادیر بالایی از ترکیبات سخت تجزیه‌پذیر و سمی همچون سیانیدها و ترکیبات بنزنی است. سیستم‌های متعارف تصفیه قادر به حذف این نوع آلاینده‌ها نیستند و برای حذف آن‌ها از روش‌های پیشرفته تصفیه از جمله تجزیه فوتوکاتالیستی بوسیله نانوذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده می‌شود. در سالهای اخیر به علت ویژگی های جالب فتوکاتالیستی کریستالهای دی اکسید تیتانیوم و تحقیقات زیادی گزارش شده است. استفاده تجاری از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم به عنوان فتوکاتالیست در زمینه هایی چون تصفیه آب، پاکسازی هوا و نیز استریلیزه کردن (ضد عفونی کردن) در دنیا فراگیر شده است. از دی‌اکسید‌تیتانیوم برای از بین بردن آلودگی‌های آلی چون کلروبی‌فنیل، تولوئن، سورفکتنتها، حشره کش‌ها و ترکیبات فنلی، اسیدهای کربوکسیلی، سولفیدهای آروماتیک، هیدروکربن‌ها و رنگ‌های آلی استفاده می شود. فتوکاتالیست سبب اکسیداسیون ترکیبات آلی فرار و هزاران آلاینده هوا می گردد. اولفین‌ها نسبت به هیدروکربن‌های اشباع شده، روی دی‌اکسید‌تیتانیوم بسیار سریع تر تجزیه شده و آلدئیدهایی تشکیل می دهند که سپس به طور کامل به دی‌اکسید‌کربن اکسید می گردد. با توجه به اینکه کنترل عامل بیماریزا ( با استفاده ازآفت کش‌ها) در بخش کشاورزی سودمند است اما آفت کش‌ها میتوانند ایجاد بیماری و مرگ درانسان‌ها می‌گردند، این مشکلات ناشی از شرایط مختلف تماس مستقیم و غیرمستقیم انسان با آفت‌کش‌ها می‌باشد. به محض اینکه پوست در معرض سم قرار می گیرد، ممکن است سم در بدن جذب یا تنها در سطح پوست باقی بماند. اثرموضعی عمومی که از تأثیر سم بر روی پوست دیده می‌شود، مشکلاتی از قبیل درماتیت‌ها (حساسیت‌های پوستی) می‌باشد. جذب آفت‌کش در بدن می‌تواند باعث بروز مشکلاتی برای سلامتی انسان بشود: تماس غیرمستقیم با آفت‌کش‌ها ناشی از خوردن غذاهایی است که سموم آفت‌کش در آن نفوذ کرده‌اند و می تواند باعث افزایش مواد سمی در بدن انسان گردد، که معمولاً وابسته به بودن دراز مدت در معرض این آفت‌کش‌ها می‌باشد که ممکن است منجر به بیماری شود ویا اینکه نگردد. تحقیقات نشان داده است که سموم آفت‌کش‌ها باعث سقط جنین، عدم رشد فکری، اثرات مخرب ساختمانی در بدن هنگام تولد و نقص‌هایی در اعمال و بافت‌های بدن می شوند.  وجود آفت‌کش‌ها در آبهای زیرزمینی برای انسان بسیار خطرناک است و باعث اختلالات ناهنجار در سیستم عصبی، غدد درون‌ریز و سیستم ایمنی بدن می‌شوند. ترکیب آفت‌کش‌ها و کودهای شیمیایی در آب‌های زیرزمینی باعث ایجاد موارد بسیارخطرناکتر در مقایسه با اثرات تک تک این مواد می‌شود. دو نمونه از نانوذرات اکسیدی پرکاربرد در نانوتکنولوژی برای حذف مواد آلاینده، نانوذرات تیتانیا(TiO₂) و سیلیکا(SiO₂) هستند. خاصیت فوتوکاتالیستی و آبدوستی نانوذرات تیتانیا باعث کاربردهای فراوان این ماده در زمینه‌های مختلف از جمله پاکسازی هوا و محیط‌های آلوده، تصفیه آب وتجزیه باکتری، فعالیت‌های ضد تومور، کرمهای ضد آفتاب و … شده است [۱]. فرآیند سل-ژل امکان کنترل ترکیب و ساختار در سطح مولکولی وجود دارد ابلمن اولین ژل‌های سیلیکا را در سال ۱۸۴۶ تولید کرد و کوسا در سال ۱۸۷۰ ژل‌های آلومینا را تولید نمود[۲].لذا در صدد آن شدیم که سیستمی را برای حذف آلاینده‌های حاوی سموم در آب‌های کشاورزی با هزینه کم با استفاده از روش فتوکاتالیزور طراحی نماییم.

فصل اول کلیات

• اهمیت حذف علف کش بنتازون

انسان با پیشرفت‌هایی که در اثر تلاش فراوان بدست آورده سعی در فراهم نمودن زندگی بهتر و آسایش بوده است اما با حاصل آمدن این پیشرفت‌ها و افزایش فعالیت‌های صنعتی، کشاورزی، پزشکی و حتی علمی، آلودگی محیط زیست و منابع طبیعی افزایش یافته و به یکی از بزرگترین مشکلات بشر تبدیل شده است. تولید فاضلاب‌های صنعتی و بهداشتی و نفوذ آنها به منابع آب و از طرفی محدودیت در منابع آب قابل استفاده در صنعت، کشاورزی و شرب، جوامع بشری را به استفاده بهینه از این منابع و نیز استفاده مجدد از آب‌های آلوده مجبور کرده است. از مهمترین مشکلات روش‌های معمول تصفیه آب عدم امکان تصفیه مواد آلاینده در غلظت‌های کم و همچنین خواص سمی و مقاوم برخی از آلاینده‌هاست که به سادگی تخریب نشده و در مقابل عوامل بیولوژیکی مقاوم هستند. برای حل این مشکلات در سال‌های اخیر تحقیقات زیادی بر روی فرآیندهای اکسایش پیشرفته (Advanced oxidation processes)  صورت گرفته است فرآیند  UV/TiO₂ یکی از جدیدترین و پرکارترین روش‌های تصفیه این نوع آلاینده‌هاست. در این فعالیت در اکسید تیتانیم بعنوان فتوکاتالیزور مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از ذرات بسیار ریز (در اندازه نانو) فتوکاتالیزور در فرآیند UV/TiO₂  سرعت آن را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. تحقیقات نانوتکنولوژی در شاخه‌های بسیار زیادی در حال انجام است که یکی از آنها سنتر نانوکاتالیزورها می باشد. در همین راستا تلاش‌های زیادی برای سنتر و بکارگیری انواع نیمه‌هادی‌ها بویژه TiO₂ در اندازه نانو و کاربرد آن در فرآیندهای اکسایش پیشرفته صورت گرفته است.

• بیان مسئله

تیتانیوم‌دی‌اکسید به عنوان یک فوتوکاتالیزور هتروژن به دلیل ارزانی و فعال بودن از نظر شیمیایی و تولید حفرات اکسنده و همچنین پایداری نسبتا, یک فوتوکاتالیزور ایده آل محسوب می‌شود و ضمن آنکه غیرسمی است و به وسیله سانتریفیوژ یا صاف کردن بازیافت می‌شود و پس از انجام تصفیه، آلاینده دیگری بر جای نمی‌گذارد. اما به هر حال کاربردهای آن در فاز آبی به علت اینکه تیتانیوم‌اکساید سطح قطبی دارد و در نتیجه جاذب خوبی جهت مولکول‌های آلی غیرقطبی نمی‌باشد محدود می‌شود. یک راه حل جهت حذف این محدودیت نشاندن آن بر روی بسترهای مناسب است که موجب بهبود خواص کاتالیزوری آن میشود. علاوه بر‌آن هنگامی که بر روی یک بستر تثبیت شود فعالیت خود را برای مدت طولانی حفظ می کند. از طرف دیگر در سال‌های اخیر مطالعات گسترده‌ای بر روی کاربرد مواد در حالیکه با فوتوکاتالیزور تیتانیم‌اکساید مخلوط یا پوشش داده شده‌اند متمرکز شده است. این پوشش ها گاه به عنوان حذف آلاینده های گوناگون موجود در هوا و گاه جهت فوتوکاتالیز آلاینده‌های آلی موجود در آب و فاضلاب به کار می‌روند.