بینش جدید در تصفیه آب های آلوده با استفاده از فرآیندهای کاتالیستی اکسیداسیون پیشرفته

باتوجه به مصرف زیاد داروهای آنتیبیوتیک در جهان و به دلیل سمیت (Toxicity)، زیست تخریب ناپذیری و ایجاد مقاومت دارویی میکروب‌ها در برابر این گروه از داروها در محیط‌زیست، لازم است تا حذف این آلاینده‌های نوظهور  با روشی مناسب بررسی شود.

باتوجه به ناکارآمد بودن روش‌های متداول (Conventional processes) از جمله روش های بیولوژیکی در حذف این دسته از داروهای موجود در پساب ها، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (Advanced oxidation processes) به علت کارایی بالا می‌توانند جایگزین مناسبی برای روش‌های معمول محسوب شوند.

تحقیقات نشان داده است بسیاری از این داروها که در درمان بیماری‌های انسانی و حیوانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، در آب‌های سطحی مشاهده شده‌اند. هر ساله تعداد زیادی ترکیبات دارویی آنتی بیوتیک از طریق فاضلاب‌های بیمارستانی، صنایع دارویی وشهری، بدلیل تصفیه ناکارآمد و روش‌های متداول تصفیه فاضلاب مانند روشهای بیولوژیکی (Biological processes)، جذب روی کربن فعال،  جداسازی با راکتورهای غشایی به داخل محیط‌زیست وارد می‌شوند. به دلیل پایداری بالا و ورود پیوسته آنتی بیوتیک‌ها به داخل اکوسیستم‌های آبی (Aquatic ecosystems) و چرخه غذایی سبب تجمع در بدن موجودات زنده شده که منجر به ایجاد مقاومت دارویی (Drug resistance) نسبت به آنتی بیوتیک‌ها می‌شود. 

شکل ۱- مسیرهای اصلی رهاسازی داروهای انسانی و دامپزشکی در محیط زیست و مقدار آلاینده های شناسایی شده در آب ها

.

دکتر رسول پلالک (Dr. Rasool Pelalak) به عنوان یکی از محققان در این زمینه که نتایج حاصل از پژوهشهای خود را در مجله معتبر Journal Hazardous Materials (با ضریب تأثیر Impact factor: 10.53) به چاپ رسانده اند بیان می کند که:

آلاینده‌های دارویی آنتیبیوتیک (Antibiotic drug contaminants) به عنوان دسته جدیدی از آلاینده‌های زیست محیطی به شمار می‌روند که در سالهای اخیر توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. امروزه جهت حذف آلاینده‌های آلی در آب بطور عمده از فرآیند‌های اکسایش بیولوژیکی و شیمیایی استفاده می‌شود، اما حضور مواد بسیار سمی‌در فاضلاب‌ها، رشد نسبتاً کند باکتری‌ها و مدت زمان طولانی مورد نیازِ واحد تصفیه بیولوژیکی استفاده از این روش را محدود‌تر کرده است.

هم‌چنین روش‌های شیمیایی بر پایه‌ی استفاده از ترکیبات کلر نیز اغلب بدلیل تولید ترکیبات سمی‌کلردار مناسب نمی‌باشند. با توجه به نکات گفته شده، انتخاب یک روش مناسب جهت تصفیه فاضلاب‌های حاوی مواد دارویی، به طوری که کاهش هزینه‌ها، افزایش سرعت عملیات و هم‌چنین دستیابی به بازده و نتیجه‌ای مطلوب‌تر را به همراه داشته باشد ضروری می‌باشد. 

دکتر پلالک بیان کرده اند که یکی از این روشهای مناسب که دارای چنین خصوصیاتی باشد و باعث حذف آلاینده‌ها و مواد آلی سمی‌‌موجود در فاضلاب‌ها گردد، فرآیند‌های اکسیداسیون پیشرفته به ویژه “فرآیندهای ازناسیون کاتالیستی“ (Catalytic ozonation process) می باشد (شکل ۲)

شکل ۲- انواع فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (Advanced Oxidation Processes (AOPs)) جهت تصفیه پساب های آبی

.

فرآیند های ازناسیون کاتالیستی به دلیل بازده بالایی که در تخریب (Degradation) و معدنی کردن (Mineralization) آلاینده‌های آلی دارند به عنوان یک روش اکسایش پیشرفته، می توانند جایگزین روش های متداول شوند. بازده فرآیندهای ازناسیون کاتالیستی براساس تولید اکسنده‌های قویی مانند رادیکال‌های هیدروکسیل (OH•) می باشد که به طور غیرانتخابگر و سریع با ترکیبات شیمیایی آلوده واکنش داده و در نهایت تولید آب، دی اکسید کربن (CO₂) و یون‌های غیرآلی می‌کند که بی خطر می باشند(شکل ۲).

اگر چه در طول فرآیند ازناسیون (به تنهایی) غلظت آلاینده‌های آلی به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد ولی فرآیند ازناسیونِ تنها معایبی را به دنبال دارد. در سال‌های اخیر از کاتالیست‌های مختلف برای افزایش سرعت واکنش‌های فرآیند ازناسیون تنها استفاده میشود. کاتالیست‌های ناهمگن (Heterogeneous catalysts) با داشتن پایداری بالا (High stability) و هدررفت کمتر (Less waste) می‌توانند بازده تولید رادیکال های هیدروکسیل را افزایش داده و بدون استفاده از عملیات خاصی بازیابی و مجددا مورد استفاده (High reusability) قرار بگیرند. 

همچنین وی با بیان اینکه استفاده از کاتالیست های طبیعی (Natural catalysts) می تواند جایگزین خوبی در مقایسه با کاتالیست های سنتزی (Synthesized catalysts) باشد که بسیار گران (Expensive)، هزینه بر و اغلب فرآیندهای تولیدشان همراه با آلودگی می باشند.

شکل ۳- استفاده از فرآیند ازناسیون کاتالیستی و تاثیر آن در حذف آلاینده های دارویی در مقایسه با دیگر فرآیندهای تصفیه آب

.

یکی از کانی‌های آهن‌دار که اخیراً در فرآیند هایی که تیم تحقیقاتی ما به عنوان کاتالیست طبیعی در فرآیند ازناسیون کاتالیستی به کار گرفته است، گوتیت می‌باشد که به دلیل داشتن گروه‌های هیدروکسیل در سطح خود منجر به تخریب ازن و تولید رادیکال‌های هیدروکسیل بیشتری می‌شود.

ایشان بیان کردند که با این وجود استفاده از کاتالیست‌های متداول بویژه در کاربردهای مقیاس کوچک و متوسط، دارای مشکلاتی از جمله بهره وری نسبتاً پایین محصول می‌باشد. با تولید کاتالیست در ابعاد نانو (Nanostructure) می‌توان بهره وری تولید و سرمایه گذاری در این زمینه را افزایش داد. 

پلالک افزود: تیم تحقیقاتی ما برای اولین بار نانوساختارهای آهنی معدنی را با استفاده از تکنولوژی پلاسما توانستند تولید کرده و به عنوان کاتالیست در فرآیندهای ازناسیون کاتالیستی مورد استفاده قرار دهند. نتایج حاصل بسیار چشمگیر بوده و باعث هم افزایی (Synergic effect) عملکرد فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته در حذف آلاینده های دارویی در مدت زمان های بسیار کوتاه شدند (شکل ۳). 

منبع