03-08-2020, 11:22 PM
(آخرین ویرایش: 06-08-2020, 03:16 PM، توسط امیر پویا شهریاری.)
نیاز به آب سالم
امروزه بر آوردن نیاز آب آشامیدنی پاکیزه در سراسر زمین از چالش های انسان است. بر پایه گزارش سازمان بهداشت جهانی 844 میلیون انسان در سراسر جهان از آب آشامیدنی استاندارد بی بهره هستند. ویروس های بیماری زای شناور در آب، مانند آدنوویروس، هپاتیت، نوروویروس و... را میتوان به شمار زیاد در آب های روی زمینی، زیر زمینی و نیز در آب های تصفیه شده یافت کرد. ویروس های شناور در آب می توانند انسان را به بیماری هایی مانند: تب، آسیب های قلبی، هپاتیت، مننژیت، فلج، عفونت های دستگاه تنفسی و.. دچار کنند. این ویروس ها برای بیماری آفرینی در انسان به شمار ذرات کمتری (10 تا 1000 ذره) در برابر باکتری های نیاز دارند. همچنین شانس بیماری زایی ویروس ها 10 تا 10.000 برابر بیشتر از باکتری هایی با همان شمار است. برای نمونه قرار گرفتن در معرض 1 ذره ی روتاویروس، می تواند تا 31 درصد احتمال بیمار شدن را بهمراه داشته باشد. از همین رو چالش یافتن یک روش با کارایی بالا و سرمایه خواهی کم، برای پالایش آب آشامیدنی از ویروس ها، نگاه پژوهشگران را سوی خود فراخوانده است.
[font=Arial, sans-serif]میکروب زدایی[/font]
[font=Arial, sans-serif]شمار زیادی از میکروب های بیماری زای شناور در آب را میتوان با جذب سطحی و فیلتراسیون از بین برد. همچنین میتوان با بهره گیری از مواد شیمیایی (مانند کلر آزاد، کلر دی اکسید و ازون) و تابش فرابنفش از کارکرد بازشان داشت.
[/font]
اما شوربختانه ویروس ها تواندمندی بیشتری برای گریز از فرایند های میکروب زدایی نشان می دهند. چراکه از دیگرذرات بیماری زا ریزتر هستند و ویژگی های سطحی خاص خود را دارند. برای نمونه کربن فعال گرانولی می تواند در فرایند تصفیه آب باکتری ها را بخوبی جداسازی کند اما بر ویروس ها چندان کارگر نیست. کلر آزاد در جایگاه پرکاربرد ترین میکروب زدای شیمیایی، در برابر ویروس ها بازده خوبی نشان میدهند. اما در میان فراورده های واکنش میکروب زدایی کلر مواد جهش زا و سرطان زا یافت میشود. کلر دی اکسید و ازون که اکسید کننده هایی توانمند هستند در برابر ویروس ها مهارگرهای خوبی بشمار می آیند اما بکارگیری آنها بی چالش نیست. چراکه این مواد باید در همان تصفیه خانه فراوری و سپس بکارگیری شوند و نیز در میان برونداد واکنش میکروب زدایی این مواد نیز ترکیبات سرطان زا یافت میشود.
پژوهشگران در فرایند میکروب زدایی راه هایی سوی بکارگیری تابش فرابنفش گشودند تا از آسیب فراورده های سرطان زای واکنش میکروب زدایی پرهیز شود. اما فرابنفش بتنهایی برای مهار شماری از ویروس ها مانند آدنوویروس و روتاویروس بسنده نیست. از سوی دیگر سازگاری با محیط زیست و تجدید پذیری، میکروب زدایی خورشیدی را روشی امیدبخش و مورد پشتیبانی دولت ها ساخته است. اما همچنان شماری ویروس درون آب هایی که در بازه یک روز برابر تابش خورشید بودند شناسایی شدند که نشان میدهد این روش برای میکروب زدایی بسنده نیست و یا خواهان زمانی بیشتر است.
[font=Arial, sans-serif]به راستی اندیشه ی بکارگیری فوتو کاتالیست ها راهی برگرفته از همان روش میکروب زدایی خورشیدی و فرایندی جایگزین برای آن است تا آب پاکیزه با بازده بهتر و زمان کمتر دستیافتنی باشد. در این روش یک فوتو کاتالیست با تابش نور برانگیخته میشود و اکسیژن را در هوا یا آب را فعال میکند تا آغازگر ساخت گونه های واکنشگر (reactive species) مانند هیدروژن پراکسید، هیدرونیوم و رادیکال های آزاد سوپراکسید، هیدروکسیل و... باشد. گونه های واکنشگر در فرایند تصفیه آب توان مهار کردن ذرات بیماری زا را در شرایطی ساده فراهم میکنند.[/font]
[font=Arial, sans-serif][font=Arial, sans-serif]فوتو کاتالیست های ویروس زدا[/font][/font]
برای نخستین بار در سال 1994 دو دانشمند پژوهش های خود را در زمینه مهار ویروس Bacteriophage MS2 با فوتو کاتالیست TiO2 به انجام رساندند. پس از آن بررسی های بیشتری درباره ویژگی ویروس زدایی TiO2 در محیط آبی انجام شد. برای یافتن راهی بهتر در فرایند مهار ویروس، فوتوکاتالیست های فلزی دیگر نیز آزمایش شدند. نیز فوتوکاتالیست های بدون فلز که سازگار با محیط زیست و تجدید پذیرند و همچنین در ساخت و کاربرد بی خطر هستند نگاه پژوهشگران را سوی خود خوانده اند.
نانو ساختار های TiO2 به گستردگی بررسی شدند. در میان این بررسی ها Degussa P25 از آن رو که در برابر نور بسیار فعال است و پایدار و غیر سمی است، بیش از دیگر ساختار های TiO2 آماج نگاه ها بوده است. آنچه در آزمایش های زدایش ویروس با P25 گزارش شده با یکدیگر همسان نیست. چرا که مقدار فوتوکاتالیست بکار رفته، گونه و شمار ویروس های باشنده در آب، چگونگی تابش نور و ساختار آب ( PH، دما و گونه های یونی) همه در بازده فرایند ویروس زدایی دست اندر کار هستند.
[font=Arial, sans-serif][font=Arial, sans-serif]سرعت ویروس زدایی درهمه ساختارهای کریستالی TiO2 با یکدیگر همسان نیست. آزمایش ها نشانگر آن است که ویروس زدایی در مخلوط ساختارهای anatase و rutile که در بر دارنده ی %70 ساختار anatase بودند، 2 برابر سریعتر از anatase به تنهایی و نیز 11 برابر سریعتر از rutile به تنهایی، انجام شده است. این افزایش سرعت برآیند تماس میان دو گونه ذرات TiO2 است که کمک میکند تا بهره کوانتومی افزایش یابد و گونه های واکنشگر بیشتر ساخته شوند.[/font][/font]
![[تصویر: u7540_.png]](http://imgurl.ir/uploads/u7540_.png)
بکارگیری TiO2 در فرایند پالایش آب آشامیدنی چالش های ویژه ی خود را داد. گردهمایی ذرات کاتالیزور در غلظت های بالا و دشوار بودن بازیابی آنها از آب پالایش شده کمی کار را سخت کرده است. به راستی تلاش هایی برای چیره شدن بر این دشواری ها انجام شده است، اما هرکدام بهایی داشتند. برای نمونه گروهی از پژوهشگران کوشش هایی در راستای بکارگیری نوار هایی برپوشیده با TiO2 انجام دادند تا چاره ای برای بازیابی دشوار ذرات از آب باشد. اما ایستا شدن کاتالیزورها با کاهش بازده ویروس زدایی تا یک سوم همراه بود.
TiO2 در جایگاه یک فوتوکاتالیست کارامد، پژوهشگران را بر آن داشته تا از آنچه یاد شد گام فراتر گذارند و برای بهبود بازده ویروس زدایی، TiO2 را همراه با فلزات و غیرفلزات دیگر مانند Ag، CuO،SiO2 و... بکار گیرند. این افزونه ها هرکدام ویژگی هایی یکتا به فرایند می بخشند. برای نمونه، نانوذرات Ag با به دام انداختن الکترون ها از نوآرایی بار در TiO2 پیشگیری میکنند و TiO2 را بر آن میدارد تا کارایی خود را نگاه دارد. نیز خود Ag با فراهم ساختن مساحت بیشتر، جذب سطحی ویروس ها را افزایش میدهد. و نباید فراموش کرد که Ag+ خود در مهار ویروس ها توانمند است.
اما کاربرد فلزات در ویروس زدایی تنها به TiO2 پایان نمی پذیرد. نانو ساختار های graphene oxide در همبندی با WO3 می توانند در برابر طول موج های آشکار فوتوکاتالیست هایی قدرتمند باشند. آسیب های وارد آمده بر ویروس ها در فرایند زدایش با graphene-WO3 بررسی شد و آنچه به نگاه آمد، تخریب کپسید پروتئینی و بدنبال آن رها شدن RNA از ویروس ها بود. از دیگر فوتوکاتالیزورهای فلزی میتوان اکسید های آهن و Ag-AgI/Al2O3 را نام آور شد.
Buckminsterfullerene یک مولکول کروی با فرمول C60 است که رسانای بسیار خوبی برای انرژِی و الکترون است. این ویژگی که مولکول C60 میتواند در برابر طول موج های آشکار برانگیخته شود، پژوهشگران را به کارآیی آن در واکنش های کاتالیز نوری بویژه ویروس زدایی امیدوار ساخته است. اما حلالیت اندک این مولکول در آب یک چالش بزرگ است. چاره اما میتواند افزودن گروه های آبدوست به این مولکول باشد. برای نمونه افزودن گروه های آمینو به C60 برای بیشتر شدن حلالیت C60 در آب و ایستا کردن در بستری از SiO2 تلاشی برای پیشگیری از گردهمایی و کاهش کارایی ذرات C60 بوده است. نیز نگاه داشتن مولکول ها در بستر SiO2 از هدر رفت آنها در جریان آب پیشگیری میکند و امکان بهره گیری دوباره از آنها را فراهم می کند. از فوتو کاتالیزور های غیرفلزی دیگری چون (graphitic carbon nitride (g-C3N4 و Graphene oxide که خود به تنهایی می تواند برابر نور فعال باشد نیز میشود نام برد .
امروزه بر آوردن نیاز آب آشامیدنی پاکیزه در سراسر زمین از چالش های انسان است. بر پایه گزارش سازمان بهداشت جهانی 844 میلیون انسان در سراسر جهان از آب آشامیدنی استاندارد بی بهره هستند. ویروس های بیماری زای شناور در آب، مانند آدنوویروس، هپاتیت، نوروویروس و... را میتوان به شمار زیاد در آب های روی زمینی، زیر زمینی و نیز در آب های تصفیه شده یافت کرد. ویروس های شناور در آب می توانند انسان را به بیماری هایی مانند: تب، آسیب های قلبی، هپاتیت، مننژیت، فلج، عفونت های دستگاه تنفسی و.. دچار کنند. این ویروس ها برای بیماری آفرینی در انسان به شمار ذرات کمتری (10 تا 1000 ذره) در برابر باکتری های نیاز دارند. همچنین شانس بیماری زایی ویروس ها 10 تا 10.000 برابر بیشتر از باکتری هایی با همان شمار است. برای نمونه قرار گرفتن در معرض 1 ذره ی روتاویروس، می تواند تا 31 درصد احتمال بیمار شدن را بهمراه داشته باشد. از همین رو چالش یافتن یک روش با کارایی بالا و سرمایه خواهی کم، برای پالایش آب آشامیدنی از ویروس ها، نگاه پژوهشگران را سوی خود فراخوانده است.
[font=Arial, sans-serif]میکروب زدایی[/font]
[font=Arial, sans-serif]شمار زیادی از میکروب های بیماری زای شناور در آب را میتوان با جذب سطحی و فیلتراسیون از بین برد. همچنین میتوان با بهره گیری از مواد شیمیایی (مانند کلر آزاد، کلر دی اکسید و ازون) و تابش فرابنفش از کارکرد بازشان داشت.
[/font]
اما شوربختانه ویروس ها تواندمندی بیشتری برای گریز از فرایند های میکروب زدایی نشان می دهند. چراکه از دیگرذرات بیماری زا ریزتر هستند و ویژگی های سطحی خاص خود را دارند. برای نمونه کربن فعال گرانولی می تواند در فرایند تصفیه آب باکتری ها را بخوبی جداسازی کند اما بر ویروس ها چندان کارگر نیست. کلر آزاد در جایگاه پرکاربرد ترین میکروب زدای شیمیایی، در برابر ویروس ها بازده خوبی نشان میدهند. اما در میان فراورده های واکنش میکروب زدایی کلر مواد جهش زا و سرطان زا یافت میشود. کلر دی اکسید و ازون که اکسید کننده هایی توانمند هستند در برابر ویروس ها مهارگرهای خوبی بشمار می آیند اما بکارگیری آنها بی چالش نیست. چراکه این مواد باید در همان تصفیه خانه فراوری و سپس بکارگیری شوند و نیز در میان برونداد واکنش میکروب زدایی این مواد نیز ترکیبات سرطان زا یافت میشود.
پژوهشگران در فرایند میکروب زدایی راه هایی سوی بکارگیری تابش فرابنفش گشودند تا از آسیب فراورده های سرطان زای واکنش میکروب زدایی پرهیز شود. اما فرابنفش بتنهایی برای مهار شماری از ویروس ها مانند آدنوویروس و روتاویروس بسنده نیست. از سوی دیگر سازگاری با محیط زیست و تجدید پذیری، میکروب زدایی خورشیدی را روشی امیدبخش و مورد پشتیبانی دولت ها ساخته است. اما همچنان شماری ویروس درون آب هایی که در بازه یک روز برابر تابش خورشید بودند شناسایی شدند که نشان میدهد این روش برای میکروب زدایی بسنده نیست و یا خواهان زمانی بیشتر است.
[font=Arial, sans-serif]به راستی اندیشه ی بکارگیری فوتو کاتالیست ها راهی برگرفته از همان روش میکروب زدایی خورشیدی و فرایندی جایگزین برای آن است تا آب پاکیزه با بازده بهتر و زمان کمتر دستیافتنی باشد. در این روش یک فوتو کاتالیست با تابش نور برانگیخته میشود و اکسیژن را در هوا یا آب را فعال میکند تا آغازگر ساخت گونه های واکنشگر (reactive species) مانند هیدروژن پراکسید، هیدرونیوم و رادیکال های آزاد سوپراکسید، هیدروکسیل و... باشد. گونه های واکنشگر در فرایند تصفیه آب توان مهار کردن ذرات بیماری زا را در شرایطی ساده فراهم میکنند.[/font]
[font=Arial, sans-serif][font=Arial, sans-serif]فوتو کاتالیست های ویروس زدا[/font][/font]
برای نخستین بار در سال 1994 دو دانشمند پژوهش های خود را در زمینه مهار ویروس Bacteriophage MS2 با فوتو کاتالیست TiO2 به انجام رساندند. پس از آن بررسی های بیشتری درباره ویژگی ویروس زدایی TiO2 در محیط آبی انجام شد. برای یافتن راهی بهتر در فرایند مهار ویروس، فوتوکاتالیست های فلزی دیگر نیز آزمایش شدند. نیز فوتوکاتالیست های بدون فلز که سازگار با محیط زیست و تجدید پذیرند و همچنین در ساخت و کاربرد بی خطر هستند نگاه پژوهشگران را سوی خود خوانده اند.
نانو ساختار های TiO2 به گستردگی بررسی شدند. در میان این بررسی ها Degussa P25 از آن رو که در برابر نور بسیار فعال است و پایدار و غیر سمی است، بیش از دیگر ساختار های TiO2 آماج نگاه ها بوده است. آنچه در آزمایش های زدایش ویروس با P25 گزارش شده با یکدیگر همسان نیست. چرا که مقدار فوتوکاتالیست بکار رفته، گونه و شمار ویروس های باشنده در آب، چگونگی تابش نور و ساختار آب ( PH، دما و گونه های یونی) همه در بازده فرایند ویروس زدایی دست اندر کار هستند.
[font=Arial, sans-serif][font=Arial, sans-serif]سرعت ویروس زدایی درهمه ساختارهای کریستالی TiO2 با یکدیگر همسان نیست. آزمایش ها نشانگر آن است که ویروس زدایی در مخلوط ساختارهای anatase و rutile که در بر دارنده ی %70 ساختار anatase بودند، 2 برابر سریعتر از anatase به تنهایی و نیز 11 برابر سریعتر از rutile به تنهایی، انجام شده است. این افزایش سرعت برآیند تماس میان دو گونه ذرات TiO2 است که کمک میکند تا بهره کوانتومی افزایش یابد و گونه های واکنشگر بیشتر ساخته شوند.[/font][/font]
بکارگیری TiO2 در فرایند پالایش آب آشامیدنی چالش های ویژه ی خود را داد. گردهمایی ذرات کاتالیزور در غلظت های بالا و دشوار بودن بازیابی آنها از آب پالایش شده کمی کار را سخت کرده است. به راستی تلاش هایی برای چیره شدن بر این دشواری ها انجام شده است، اما هرکدام بهایی داشتند. برای نمونه گروهی از پژوهشگران کوشش هایی در راستای بکارگیری نوار هایی برپوشیده با TiO2 انجام دادند تا چاره ای برای بازیابی دشوار ذرات از آب باشد. اما ایستا شدن کاتالیزورها با کاهش بازده ویروس زدایی تا یک سوم همراه بود.
TiO2 در جایگاه یک فوتوکاتالیست کارامد، پژوهشگران را بر آن داشته تا از آنچه یاد شد گام فراتر گذارند و برای بهبود بازده ویروس زدایی، TiO2 را همراه با فلزات و غیرفلزات دیگر مانند Ag، CuO،SiO2 و... بکار گیرند. این افزونه ها هرکدام ویژگی هایی یکتا به فرایند می بخشند. برای نمونه، نانوذرات Ag با به دام انداختن الکترون ها از نوآرایی بار در TiO2 پیشگیری میکنند و TiO2 را بر آن میدارد تا کارایی خود را نگاه دارد. نیز خود Ag با فراهم ساختن مساحت بیشتر، جذب سطحی ویروس ها را افزایش میدهد. و نباید فراموش کرد که Ag+ خود در مهار ویروس ها توانمند است.
اما کاربرد فلزات در ویروس زدایی تنها به TiO2 پایان نمی پذیرد. نانو ساختار های graphene oxide در همبندی با WO3 می توانند در برابر طول موج های آشکار فوتوکاتالیست هایی قدرتمند باشند. آسیب های وارد آمده بر ویروس ها در فرایند زدایش با graphene-WO3 بررسی شد و آنچه به نگاه آمد، تخریب کپسید پروتئینی و بدنبال آن رها شدن RNA از ویروس ها بود. از دیگر فوتوکاتالیزورهای فلزی میتوان اکسید های آهن و Ag-AgI/Al2O3 را نام آور شد.
Buckminsterfullerene یک مولکول کروی با فرمول C60 است که رسانای بسیار خوبی برای انرژِی و الکترون است. این ویژگی که مولکول C60 میتواند در برابر طول موج های آشکار برانگیخته شود، پژوهشگران را به کارآیی آن در واکنش های کاتالیز نوری بویژه ویروس زدایی امیدوار ساخته است. اما حلالیت اندک این مولکول در آب یک چالش بزرگ است. چاره اما میتواند افزودن گروه های آبدوست به این مولکول باشد. برای نمونه افزودن گروه های آمینو به C60 برای بیشتر شدن حلالیت C60 در آب و ایستا کردن در بستری از SiO2 تلاشی برای پیشگیری از گردهمایی و کاهش کارایی ذرات C60 بوده است. نیز نگاه داشتن مولکول ها در بستر SiO2 از هدر رفت آنها در جریان آب پیشگیری میکند و امکان بهره گیری دوباره از آنها را فراهم می کند. از فوتو کاتالیزور های غیرفلزی دیگری چون (graphitic carbon nitride (g-C3N4 و Graphene oxide که خود به تنهایی می تواند برابر نور فعال باشد نیز میشود نام برد .