ساخت فوتوراکتور جریان پیوسته حاوی فوتوکاتالیست تثبیت‌شده به منظور کاهش نیترات آب در حضور نور UV

آلودگی آب به نیترات چالشی در سطح جهانی است و پیامدهای متعدد بر سلامت انسان و محیط زیست دارد. با توجه به هدف اصلی این پروژه می‌توان گفت که کامپوزیت

فوتوکاتالیستی تیتانیوم‌دی‌اکسید /کربن‌نیترید گرافیتی تثبیت‌شده روی بستر انتخاب مناسبی برای کاهش محتوی نیترات آبی است.


حذف نیترات آب با فرآیندهای معمول تصفیه آب میسر نیست. تکنیک‌های معمول برای حذف نیترات شامل فیلتراسیون، جذب، اسمز معکوس، فرآیند تبادل یونی و روش‌های

بیولوژیکی و شیمیایی است که هریک با محدودیت‌های متعددی همراه هستند.

استفاده از فناوری‌های کاتالیستی جایگزینی مناسب برای حذف نیترات از محلول‌های آبی است. از میان فناوری‌های کاتالیستی، فناوری نوظهور فوتوکاتالیستی دارای پتانسیل

بالایی در حذف آلاینده‌های آب و از جمله نیترات می‌باشد. تاکنون از نانوموادی مانندنانولوله‌های کربنی، نانوخوشه‌ها و نانوکامپوزیت‌ها به عنوان فوتوکاتالیست برای حذف

نیترات استفاده شده است. نسبت سطح به حجم بالا، سنتز نسبتا آسان، فعالیت کاتالیستی و هدایت الکتریکی خوب، از مزایای عمده این مواد است. نانوذرات یا به صورت

تثبیت‌نشده و یا تثبیت‌شده بر روی سطوح بستر استفاده می‌شوند. عواملی مانند pH، غلظت کاتالیست، دما، زمان تماس و غلظت نیترات اولیه، بر کارآیی این نانوذرات در

حذف نیترات تاثیر می‌گذارد.

مقدار نیترات نیز از طریق اسپکتروفوتومتری UV، کروماتوگرافی یونی، طیف‌سنجی تحرک یونی و روش‌های رنگ‌سنجی تعیین می‌گردد. استفاده از تکنیک‌های جدید مانند

نانوکامپوزیت‌ها برای حذف نیترات منجر به بهبود کارایی حذف نیترات می‌شود.

هم‌چنین، تثبیت نانوذرات بر روی بستر جامد و یا غشا بر محدودیت جداسازی و بازیافت این سیستم‌ها از آب غلبه می‌کند. فوتوکاتالیست‌های حساس به نور مرئی، گزینه‌های

بسیار خوبی برای کاربردهای زیست‌پالایی هستند.

با این حال، کاربرد عملی آن‌ها برای تصفیه آب به تحقیقات بیشتری نیاز دارد. ارتقاء کاتالیست برای افزایش بهره‌وری نوری که با حساسیت بالا به طیف وسیع‌تری از نور پاسخ

دهد، برای اهداف تصفیه آب بسیار مهم و حیاتی است.

خواص نوری و کاتالیستی فوتوکاتالیست‌ها سبب گسترش مطالعات در حوزه تهیه و کاربردی کردن این مواد شده است.

از زمانی که برای اولین بار در سال 1972 خواص فوتوکاتالیتیکی تیتانیوم‌دی‌اکسید توسط فوجی‌شیما و هوندا گزارش شد، تاکنون مطالعات گسترده‌ای بر روی ساخت و بهبود

ویژگی‌های فوتوکاتالیست‌ها و بررسی کاربردهای آنها انجام گرفته و همچنان این فعالیت‌ها ادامه دارد. مقالات و ثبت اختراعات بسیار زیادی در خصوص استفاده از

فوتوکاتالیست‌ها در تصفیه آب منتشر شده که بیانگر اهمیت بالای این مواد است. حذف نیترات از آب با به‌کارگیری فوتوکاتالیست ایده جدیدی است و بنابراین به دلیل

کارایی و کیفیت فوق‌العاده فوتوکاتالیست‌ها در حذف نیترات، طراحی و سنتز سیستم‌های فوتوکاتالیستی جدید در حال افزایش است.


پس از سنتز فوتوکاتالیست‌های مختلف و بررسی عملکرد آنها در کاهش نیترات، بهترین نتایج با به‌کارگیری کامپوزیت فوتوکاتالیستی تیتانیوم‌دی‌اکسید /کربن‌نیترید گرافیتی

به دست آمد. در مرحله بعد این فوتوکاتالیست با هدف به‌کارگیری در فوتوراکتور جریان پیوسته روی بستر جامد مناسب تثبیت گردید.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM) از این کامپوزیت در کنار دیگر آنالیزها از قبیل FTIR، XRD، و EDS، به خوبی بیانگر تثبیت این نانوذرات به صورت همگن با فواصل

منطقی از یکدیگر بر روی بستر کاتالیستی می‌باشد.

آنالیز TGA نیز به خوبی پایداری حرارتی و مکانیکی این فوتوکاتالیست را نشان داد. فوتوراکتور پک‌شده با این فوتوکاتالیست نتایج خوبی را در حذف یون نیترات نمونه

آزمایشگاهی تا 92% و نیترات نمونه حقیقی تا 82.7% نشان داد.

میزان نیترات آب آلوده (ppm 50- بر حسب نیتروژن) پس از یک ساعت پرتودهی توسط تابش UV در یک سیستم چرخشی پیوسته آب (جریان 1 لیتر بر دقیقه) در

فوتوراکتور، به کمتر از ppm 10 رسید. یکی از ویژگی‌های بارز این فوتوراکتور، انتخاب‌گری بالا در تولید گاز نیتروژن و تبدیل نسبتا کامل نیترات به نیتروژن است.

بنابراین نگرانی از تولید یون‌های نیتریت و آمونیوم که معمولا در فرایندهای فوتوکاتالیستی به عنوان یون‌های واسطه و جانبی تولید می‌شوند، در این

برطرف گردیده است. ویژگی بارز فوتوکاتالیست ابداع‌شده در این پروژه، تکرارپذیری بالای این فوتوکاتالیست در فرایندهای متوالی حذف نیترات از منابع مختلف است.

تکرارپذیری به عنوان یک عامل کلیدی، به دلیل کاهش هزینه‌های تهیه کاتالیست نقشی تعیین‌کننده در کاربرد آن در مقیاس صنعتی دارد؛ چرا که برآوردهای اقتصادی متاثر

از این عامل کلیدی هستند. ویژگی دیگر اقتصادی این فوتوکاتالیست، دسترسی تجاری به مواد اولیه مورد نیاز برای تولید آن در مقیاس‌های افزایش‌یافته می‌باشد.

هم‌چنین، راکتور استیل و لامپ UV داخل آن که در این پروژه از آن به عنوان فوتوراکتور استفاده شده است، هم‌اکنون در صنایع تصفیه پساب بیمارستانی و دارویی و در

تصفیه آب استخرها به عنوان گندزدا و ضدعفونی‌کننده استفاده می‌شود و بسته به حجم پساب، در مقیاس‌های مختلف به صورت تجاری موجود است. میکروارگانیسم‌های

مضر مانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و بیماری‌زاها (پاتوژن‌ها) با اشعه ضدعفونی‌کننده UV از بین می‌روند.

بیش از 99.99% بیماری‌زاها در سیستم فوتوراکتور تحت تابش مستقیم UV و حتی بدون حضور فوتوکاتالیست از بین می‌روند.

در مجموع، استفاده از فوتوراکتور بستر ثابت حاوی فوتوکاتالیست ابداع‌شده در این پروژه برای حذف و کاهش محتوی نیترات آبی اعم از آب شهری و روستایی، گزینه مناسبی

برای استفاده در مقیاس‌های بالاتر است.

در ذیل مزایای استفاده از فوتوراکتور ابداع‌شده در این پروژه به اختصار لیست شده است:


- دسترسی تجاری به مواد اولیه مورد نیاز برای تولید فوتوکاتالیست تثبیت‌شده روی الیاف سرامیک

- دسترسی تجاری به تجهیزات فوتوراکتور در ابعاد مختلف

- دسترسی به دانش فنی ساخت فوتوکاتالیست

- عملکرد بسیار خوب فوتوراکتور در کاهش محتوی نیترات آبی تا استانداردهای مطلوب بین‌المللی

- تکرارپذیری عملکرد فوتوراکتور در کاهش محتوی نیترات برای نمونه‌های مختلف آب آلوده به نیترات

- تولید یون‌های نیتریت و آمونیوم بسیار کمتر از استانداردهای بین‌المللی

- مقیاس‌پذیری فرایند؛ با افزایش ابعاد فوتوراکتور و تولید فوتوکاتالیست در مقیاس‌های بالاتر، می‌توان آب آلوده به نیترات با جریان‌های بالاتر را تصفیه نمود.

- نقش بالقوه و چندگانه فوتوکاتالیست در حذف دیگر آلاینده‌ها از جمله میکروارگانیسم‌ها و پاتوژن‌ها

بنابراین، با کسب نتایج رضایت‌بخش در این پروژه و با توجه به قابلیت ضد ویروس نانوکامپوزیت CFT در حضور تابش فرابنفش-مرئی، می‌توان گفت که یکی

از اهداف این پروژه علاوه بر تجاری‌سازی نتایج، ابداع یک سیستم کامپوزیتی تثبیت‌شده به منظور به‌کارگیری در فیلترهای فوتوکاتالیستی برای مقاصد تصفیه

آب و هوا از عوامل بیماری‌زا و از جمله ویروس کرونا می‌باشد.