مهرداد خامفروش

در سال‌های اخیر، فرآیند فتوکاتالیستی در حضور نانوالیاف TiO2 به دلیل مزایای اقتصادی و زیست محیطی و نیز خواص کارآمد به‌عنوان یکی از روش‌های نویدبخش برای تخریب آلاینده‌های آلی مورد توجه قرار گرفته است. با این‌حال، این مواد از معایبی چون بازترکیب سریع حاملان بار، ظرفیت جذب پایین و نیز استحکام مکانیکی نه چندان مناسب رنج می‌برند. ازجمله راهکارهای کارآمد جهت رفع این مشکلات، آلایش ساختاری نانوالیاف با نانوذرات جاذب و نیز پسافرآوری هیدروترمال نانوالیاف می‌باشد. غبار سیمان به عنوان یک آلاینده زیست محیطی، علاوه بر اینکه یک جاذب کارآمد و ارزان قیمت می باشد، میتواند جهت تقویت استحکام مکانیکی در ترکیبات مورد استفاده قرار گیرد. از سوی دیگر، روش فرآوری هیدروترمال به عنوان یکی از روش‌های مؤثر اصلاح سطحی و ساختاری در حوزه نانومواد شناخته می‌شود. از این رو به نظر می‌رسد آلایش ساختاری نانوالیاف تیتانیا با نانوذرات غبار سیمان و فرآوری هیدروترمال نانوالیاف کامپوزیتی می‌تواند چالش‌های پیش‌روی نانوالیاف تیتانیا در فرآیندهای تصفیه فتوکاتالیستی را به حداقل برساند. در تحقیق حاضر، خواص و کارآیی نانوالیاف الکتروریسی شده TiO2 آلاییده به مقادیر مختلف نانوذرات غبار سیمان (0، 5/2، 5 و 10 درصد وزنی) در تخریب فتوکاتالیستی آلاینده رنگی متیل اورانژ مورد بررسی قرار گرفت. درنهایت، تأثیر فرآوری هیدروترمال بر خواص و عملکرد فتوکاتالیستی نانوالیاف کامپوزیتی تیتانیا-غبار سیمان با ترکیب درصد بهینه ارزیابی گردید. نمونههای سنتزی توسط آنالیزهای XRD، FESEM/EDX، FTIR، DRS و PL شناسایی شدند. نتایج آنالیزهای شناسایی حضور فازهای کریستالی تیتانیا و غبار سیمان و ساختار نانوالیاف نمونه‌ها را تأیید و نشان دادند که اضافه کردن غبار سیمان علاوه بر بهبود استحکام مکانیکی، تشکیل فاز کریستالی روتایل را به حداقل رسانده و در مقادیر بالای بارگذاری سبب کاهش محسوس بلورینگی و پهن شدن پیک‌های مشخصه فاز کریستالی آناتاز می‌گردد که بیانگر ایجاد نقوص ساختاری در فاز کریستالی تیتانیا و درنهایت، بازترکیبی سریع حاملان بار می‌باشد. بعلاوه، با افزودن غبار سیمان استحکام مکانیکی ساختار بهبود یافته و طول نانوالیاف کوتاه‌تر، قطر و خمیدگی آنها بیشتر و مورفولوژی نانوالیاف از سطح مقطع دایره‌ای به سطح مقطع مستطیلی تغییر شکل پیدا می‌کند. تمامی این تغییرات ساختاری و مورفولوژیکی در نانوالیاف حاوی 5/2 درصد غبار سیمان کمتر اتفاق می افتد که بنحوی گویای ایجاد نواقص ساختاری کمتر و مورفورلوژی یکنواختتر نانوالیاف کامپوزیتی می‌باشد. بر این اساس و به دلیل نقش ساختار نانوذرات غبار سیمان در به دام انداختن و توزیع حامل‌های بار، طول عمر جفتهای الکترون-حفره افزایش می یابد. از طرفی، پسافرآوری هیدروترمال سبب تکه‌تکه شدن و کاهش بیشتر اندازه و خمیدگی نانوالیاف، یکنواختی بیشتر مورفورلوژی، تکامل بلورینگی و کاهش نقوص ساختاری در فاز کریستالی، بهبود خلوص فاز کریستالی آناتاز و نیز افزایش بیشتر طول عمر حاملان بار در نانوالیاف کامپوزیتی با ترکیب درصد بهینه می‌گردد. در تطابق با نتایج آنالیزهای شناسایی، نتایج ارزیابی عملکردی گویای اثربخشی قابل توجه بکارگیری مقدار بهینه نانوذرات غبار سیمان و نیز پسافرآوری هیدروترمال بر روی عملکرد فتوکاتالیستی نانوالیاف تیتانیا بود. با توجه به نتایج بدست آمده، مشخص شد که افزودن غبار سیمان ظرفیت جذب نانوالیاف را افزایش میدهد. بعلاوه، wt.% 5/2 مقدار بهینه غبار سیمان جهت آلایش ساختاری نانوالیاف تیتانیا می‌باشد بنحوی که در مدت زمان 2 ساعت تابش نور UV‌ تقریباً 92٪ از آلاینده رنگی را تخریب می‌نماید. این میزان تخریب از متیل اورانژ در صورت پسافرآوری هیدروترمال نانوالیاف به 97٪ خواهد رسید. مطالعات سینتیکی نیز بیانگر سرعت تخریب بیشتر آلاینده توسط نانوالیاف حاوی 5/2 درصد وزنی غبار سیمان بویژه در حالت فرآوری شده (026/0k=) و نیز تبعیت نتایج بازدهی از واکنش مرتبه اول (99/0R2=) بود.