ICTPRESS - پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی موفق به طراحی یک هیدروژل نانوکامپوزیتی فلورسانس شده‌اند که می‌تواند هم‌زمان آلاینده‌های خطرناک آب را شناسایی و حذف کند.

به گزارش شبکه خبری ICTPRESS به نقل از ستاد فناوری نانو، این ماده نوآورانه با تکیه بر زانتان گام و کیتوسان، دو زیست‌پلیمر طبیعی، و نقاط کوانتومی کربنی نانوساختار، برای تشخیص یون‌های سمی کروم شش‌ظرفیتی و جذب رنگ متیل اورنج توسعه یافته است.

نتایج نشان می‌دهد این سامانه از حساسیت بالا، ظرفیت جذب قابل‌توجه و قابلیت بازیافت مناسب برخوردار است. رویکرد سبز در ساخت، نبود مواد شیمیایی خطرناک و عملکرد دوگانه حسگری–جذبی، این هیدروژل نانویی را به گزینه‌ای امیدبخش برای کاربردهای تصفیه آب و مدیریت پساب‌های صنعتی تبدیل می‌کند.

آلودگی منابع آب به ترکیبات شیمیایی، از رنگ‌های صنعتی گرفته تا فلزات سنگین، به یکی از جدی‌ترین چالش‌های زیست‌محیطی قرن حاضر تبدیل شده است. بسیاری از این آلاینده‌ها حتی در غلظت‌های بسیار کم می‌توانند برای انسان و اکوسیستم‌ها خطرناک باشند.

از این‌رو، توسعه موادی که هم بتوانند آلاینده‌ها را شناسایی کنند و هم آن‌ها را از آب حذف کنند، به یک ضرورت علمی و صنعتی بدل شده است. در این میان، مواد نانوساختار هوشمند که قابلیت ترکیب حسگری و جذب را دارند، توجه پژوهشگران را بیش از پیش به خود جلب کرده‌اند.

پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی موفق به توسعه یک هیدروژل نانوکامپوزیتی خودآرا شده‌اند که می‌تواند به‌طور هم‌زمان به‌عنوان حسگر فلورسانس و جاذب برای حذف آلاینده‌های آلی و معدنی در محیط‌های آبی عمل کند. این سامانه نوآورانه با تکیه بر یک شبکه زیست‌پلیمری طبیعی و نقاط کوانتومی کربنی نیتروژن‌دوپ‌شده، راهکاری کم‌هزینه، دوستدار محیط‌زیست و کارآمد برای پایش و تصفیه آب ارائه می‌دهد.

این هیدروژل نانوکامپوزیتی بر پایه یک شبکه دوتایی از زانتان گام (XG) و کیتوسان (CS) طراحی شده است؛ دو پلی‌ساکارید زیست‌سازگار که به‌طور طبیعی در محیط یافت می‌شوند. در دل این شبکه، نقاط کوانتومی کربنی فلورسانس (NCQDs) جای‌گذاری شده‌اند که نقش کلیدی در عملکرد نانویی سامانه ایفا می‌کنند.

ترکیب این اجزا، ماده‌ای را شکل داده که نه‌تنها توانایی جذب آلاینده‌های باردار منفی مانند کروم شش‌ظرفیتی Cr(VI) و متیل اورنج (MO) را دارد، بلکه می‌تواند حضور یون‌های سمی کروم را از طریق تغییرات سیگنال فلورسانس شناسایی کند.

ضرورت انجام چنین پژوهشی از آنجا ناشی می‌شود که کروم شش‌ظرفیتی یکی از خطرناک‌ترین آلاینده‌های معدنی در پساب‌های صنعتی به‌شمار می‌رود و خاصیت سرطان‌زایی آن به‌خوبی مستند شده است. از سوی دیگر، رنگ‌های آزویی مانند متیل اورنج به‌دلیل پایداری شیمیایی بالا، به‌سختی از آب حذف می‌شوند و روش‌های متداول تصفیه اغلب کارایی محدودی در برابر آن‌ها دارند.

توسعه سامانه‌ای که بتواند این آلاینده‌ها را هم تشخیص دهد و هم حذف کند، گامی مهم در جهت مدیریت هوشمند پساب‌های صنعتی محسوب می‌شود.

بخش نانویی این پژوهش، به‌طور مشخص در استفاده از نقاط کوانتومی کربنی نیتروژن‌دوپ‌شده نهفته است. این نانوذرات با ابعاد چند نانومتر، دارای گروه‌های عاملی فعال مانند کربوکسیلیک اسید، هیدروکسیل و آمین هستند که امکان برهم‌کنش قوی با زنجیره‌های زانتان گام و کیتوسان را فراهم می‌کنند.

این برهم‌کنش‌ها از طریق پیوندهای هیدروژنی قوی، به خودآرایی یک شبکه سه‌بعدی پایدار منجر شده و هم‌زمان سایت‌های فعال فراوانی برای جذب آلاینده‌ها ایجاد می‌کنند.

نتایج نشان می‌دهد که این هیدروژل نانوکامپوزیتی در پاسخ به تابش فرابنفش، فلورسانس آبی پایدار از خود ساطع می‌کند و در حضور یون‌های Cr(VI) تغییرات قابل اندازه‌گیری در شدت فلورسانس ایجاد می‌شود.

حد تشخیص این سامانه برای کروم شش‌ظرفیتی ۰٫۲۹ میکرومولار گزارش شده و بازده کوانتومی فلورسانس آن به ۵۹٫۷ درصد می‌رسد؛ عددی که نشان‌دهنده حساسیت بالای این حسگر نانویی است.

از منظر جذب آلاینده‌ها، آزمایش‌های ناپیوسته نشان داده‌اند که عوامل مختلفی از جمله pH محلول، مقدار جاذب، دما، غلظت اولیه آلاینده و زمان تماس، بر کارایی سامانه تأثیرگذارند.

بیشینه ظرفیت جذب برای متیل اورنج ۴۵۶ میلی‌گرم بر گرم در pH برابر با ۴ و برای کروم شش‌ظرفیتی ۲۹۱ میلی‌گرم بر گرم در pH برابر با ۲ و دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد به‌دست آمده است. این مقادیر، عملکرد رقابتی این هیدروژل را در مقایسه با بسیاری از جاذب‌های گزارش‌شده نشان می‌دهد.

مدل‌سازی داده‌ها حاکی از آن است که ایزوترم جذب هر دو آلاینده از مدل لانگمویر پیروی می‌کند و سینتیک جذب نیز با مدل شبه‌مرتبه دوم هم‌خوانی دارد؛ موضوعی که بیانگر غالب بودن برهم‌کنش‌های شیمیایی در فرایند جذب است. همچنین بررسی پارامترهای ترمودینامیکی نشان می‌دهد که فرایند جذب Cr(VI) و MO خودبه‌خودی و گرماده است.

یکی از مزایای کلیدی این سامانه نانویی، قابلیت بازیافت و استفاده مجدد آن است. پژوهشگران نشان داده‌اند که با شست‌وشوی هیدروژل مصرف‌شده با محلول NaOH به غلظت ۰٫۱ مولار، می‌توان آن را حداقل پنج بار بازیابی کرد، بدون آن‌که افت چشمگیری در کارایی جذب رخ دهد. پس از پنج چرخه بازتولید، راندمان جذب برای Cr(VI) و MO به‌ترتیب در حدود ۸۲٫۲ و ۸۳ درصد باقی مانده است.

نکته قابل‌توجه دیگر، رویکرد سبز و کم‌خطر در ساخت این هیدروژل است. در فرایند تولید، از هیچ پلیمر سنتزی یا عامل اتصال‌دهنده شیمیایی خطرناک استفاده نشده و کل سامانه از مواد زیست‌سازگار و طبیعی تشکیل شده است. این ویژگی، پتانسیل کاربرد صنعتی و زیست‌محیطی این نانوکامپوزیت را افزایش می‌دهد.

به‌طور کلی، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که هیدروژل فلورسانس XG/CS/NCQDs می‌تواند به‌عنوان یک ابزار دوکاره برای پایش و حذف آلاینده‌های آلی و معدنی در تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار گیرد؛ سامانه‌ای که ترکیب مهندسی نانو، مواد زیستی و شیمی محیط‌زیست را در یک ساختار هوشمند به نمایش می‌گذارد.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان XG and CS-based self-assembled nanocomposite hydrogel embedding fluorescent NCQDs capable of detection and adsorptive removal of the polar MO and Cr(VI) pollutants به چاپ رسیده است.