به گزارش ثریا - ایستینیه و دانشگاه صنعتی استانبول موفق شده‌اند نوع تازه‌ای از سونوکاتالیست‌های معدنی را برای تصفیه پیشرفته پساب بسازند. این سونوکاتالیست که بر پایه لایه‌برداری کنترل‌شده آلومینوسیلیکات‌های طبیعی و رشد جانبی اکسید کبالت شکل گرفته، توانایی چشمگیری در تجزیه آنتی‌بیوتیک‌های مقاوم مانند اگزیتتراسیکلین دارد.

اهمیت این دستاورد در این است که بسیاری از منابع آب دنیا در معرض آلاینده‌هایی قرار دارند که با روش‌های مرسوم تصفیه حذف نمی‌شوند و خطرات جدی زیست‌محیطی و بهداشتی ایجاد می‌کنند. این پژوهش جدید نشان می‌دهد که این نانوساختار نه‌تنها قدرت بالایی در تخریب کامل مولکول‌های پیچیده دارویی دارد، بلکه پس از هر بار استفاده نیز قابل بازیافت و استفاده مجدد است. این ویژگی‌ها می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های کارآمد و مقرون‌به‌صرفه در مدیریت آب را هموار کند.

آلودگی منابع آبی با ترکیبات دارویی، به‌ویژه آنتی‌بیوتیک‌هایی که پس از مصرف انسان و دام وارد پساب شهری و صنعتی می‌شوند، یکی از بحران‌های روبه‌رشد محیط‌زیست در دهه اخیر است. بسیاری از این ترکیبات، ساختارهای پیچیده و پایداری دارند و در برابر فرآیندهای متداول تصفیه مقاومت نشان می‌دهند. تجمیع تدریجی این مواد در محیط می‌تواند به گسترش سویه‌های مقاوم میکروبی، برهم‌زدن تعادل اکوسیستم‌ها و تهدید سلامت عمومی منجر شود. از این‌رو، نیاز به فناوری‌های نوین و پیشرفته برای حذف کامل این آلاینده‌ها بیش از پیش احساس می‌شود. همین ضرورت سبب شد گروهی از پژوهشگران دانشگاه ارومیه، دانشگاه تبریز، دانشگاه ایستینیه و دانشگاه صنعتی استانبول پروژه‌ای مشترک را برای توسعه یک سونوکاتالیست کارآمد آغاز کنند؛ پروژه‌ای که اکنون یکی از نمونه‌های موفق ترکیب علم مواد، نانوفناوری و مهندسی محیط‌زیست به شمار می‌رود.

این پژوهش بر پایه بهره‌گیری از یک ماده معدنی ارزشمند به نام مونتموریلونیت (MMT) انجام شده است؛ ماده‌ای لایه‌ای با ساختار آلومینوسیلیکاتی که به دلیل گستره سطحی بالا و قابلیت تبادل یونی، بستری مناسب برای ساخت نانومواد فعال محسوب می‌شود. پژوهشگران با به‌کارگیری فرآیندی موسوم به «لایه‌برداری انفجاری» یا bursting exfoliation توانستند لایه‌های این ماده را از یکدیگر جدا کرده و در همین مرحله، رشد جانبی نانوفلیک‌های اکسید کبالت (Co₃O₄) را روی سطح لایه‌ها ایجاد کنند. این تشکیل هم‌زمان دو فرآیند — یعنی لایه‌برداری و رشد نانوذرات  ساختاری یکنواخت، پایدار و بسیار فعال پدید آورده است که زیربنای عملکرد سونوکاتالیستی بالا در این پژوهش است.

در این سامانه، نقش سونوکاتالیست بسیار کلیدی است. سونوکاتالیست‌ها موادی هستند که تحت تأثیر امواج فراصوت، رادیکال‌های بسیار فعال تولید می‌کنند. این رادیکال‌ها، به‌ویژه رادیکال هیدروکسیل (•OH)، قدرت اکسیدکنندگی بالایی دارند و قادرند مولکول‌های پیچیده آلی ـ از جمله آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند اگزیتتراسیکلین ـ را به اجزای ساده‌تر، بی‌ضرر و معدنی‌شده تبدیل کنند. در این پژوهش مشخص شد که مونتموریلونیتِ لایه‌برداری‌شده و بارگذاری‌شده با ۴٫۵ درصد وزنی Co₃O₄ بهترین عملکرد را داشته و در زمان نسبتاً کوتاهی توانسته است بخش عمده آلاینده را از بین ببرد.

به‌منظور فهم دقیق سازوکار تخریب، پژوهشگران از آزمون‌های کنترل رادیکال و عامل گیرانداز OPDA استفاده کردند. نتایج نشان داد که رادیکال‌های هیدروکسیل نقش اصلی را در فرآیند اکسایش دارند و ساختار هم‌لایه‌ای Co₃O₄–MMTexf می‌تواند این رادیکال‌ها را به‌طور مؤثر تولید و پایدار کند. این مسئله به‌ویژه در روش‌های سونوکاتالیستی اهمیت زیادی دارد، زیرا بازده تولید رادیکال یکی از عوامل تعیین‌کننده در کارایی حذف آلاینده‌هاست.

فرایندهای شناسایی ساختاری مانند XRD نیز تأیید کردند که بازتاب (۰۰۱) مربوط به ساختار لایه‌ای مونتموریلونیت حذف شده و این ماده پس از لایه‌برداری، میزبان ساختاری پایدار از نانوذرات Co₃O₄ است. وجود این ویژگی‌ها نشان می‌دهد که فرآیند مهندسی‌شده نه‌تنها به لایه‌برداری کامل انجامیده، بلکه زمینه‌ای مناسب برای رشد هدفمند نانوفلیک‌ها ایجاد کرده است.

نکته مهمی که ارزش این فناوری را افزایش می‌دهد، قابلیت بازیافت و استفاده مجدد آن است. بررسی‌ها نشان داد که سونوکاتالیست پس از چندین چرخه استفاده، همچنان کارایی قابل توجه خود را حفظ می‌کند و ساختار آن در مواجهه با امواج فراصوت و واکنش‌های اکسایشی دچار تخریب جدی نمی‌شود. این ویژگی، به‌ویژه برای کاربردهای صنعتی و تصفیه‌خانه‌ها، اهمیت زیادی دارد؛ چرا که بسیاری از کاتالیست‌های مرسوم پس از چند بار استفاده، عملکرد خود را از دست می‌دهند و هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهند.

به نقل از ستاد نانو، برای بررسی دقیق‌تر میزان تجزیه کامل آلاینده، پژوهشگران از روش پیشرفته کروماتوگرافی مایع-طیف‌سنجی جرمی (LC-MS) بهره گرفتند. نتایج این تحلیل نشان داد که بخش اعظم ساختار اگزیتتراسیکلین تخریب و معدنی شده است و تنها مقدار ناچیزی از مولکول‌های نیمه‌تجزیه‌شده در محلول باقی مانده‌اند. این موضوع یکی از نقاط قوت این دستاورد علمی به شمار می‌رود؛ زیرا در بسیاری از روش‌های تصفیه، تنها بخشی از مولکول شکسته می‌شود و محصولات میانی پایداری ایجاد می‌شوند که بعضاً خطرناک‌تر از آلاینده اولیه‌اند.

نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Laterally oriented spinel Co۳O۴ on layered aluminosilicate for sonocatalytic wastewater treatment در نشریه Chemical Engineering Journal به چاپ رسیده است.

منبع : سونوکاتالیست