حذف منواکسیدکربن به‌کمک نانوذرات طلا

آلودگی یکی از مهم‌ترین پیامدهای ناشی از زندگی جوامع انسانی است که محیط اطراف ما را تحت تاثیر خود قرار داده و زمینه مناسبی برای تهدید زندگی انسان‌ها به وجود آورده است. اگرچه ممکن است مفهوم آلودگی از نظر افراد مختلف متفاوت باشد، اما به طور کلی می‌توان گفت هر عاملی که وجود آن در محیط زیست به نحوی در چرخه طبیعی اختلال به وجود آورد و حیات انسان، حیوان یا گیاه را در معرض تهدید قرار دهد، آلودگی به شمار می‌آید. آلودگی آب‌ها، آلودگی هوا، آلودگی صوتی، دیداری و نوری نوعی آلودگی محسوب می‌شوند که به نوعی متفاوت محیط زیست را تهدید می‌کنند. با توجه به این‌که آلودگی هوا و آب‌ها آثار جبران‌ناپذیری در زندگی انسان‌ها داشته‌اند بیشتر تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده است منابع به وجود آورنده این 2 نوع آلودگی را مورد بررسی قرار داده‌اند و دیگر انواع آلودگی‌ها کمتر مورد توجه قرار گرفته، در نتیجه افراد کمتر با آن آشنایی دارند.

بررسی‌های انجام شده درباره غلظت آلاینده‌ها در نقاط مختلف شهرهای بزرگ نشان می‌دهد که در بسیاری از ساعات شبانه‌روز هوایی را تنفس می‌کنیم که از نظر سطح منواکسیدکربن و دیگر آلاینده‌های زیست‌محیطی آلوده است که این آلودگی ارمغانی از صنعت و فناوری است که نقش مهمی در رشد اقتصادی کشورها دارد.

منواکسیدکربن گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است که از احتراق ناقص مواد سوختنی حاوی کربن به‌وجود می‌آید و وسایل نقلیه موتوری، منبع اصلی تولیدکننده این گاز در شهرها هستند.

اگرچه فعالیت‌های صنعتی و احتراق ناقص سوخت در تاسیسات تجاری و حرارتی نیز می‌توانند منجر به تولید گاز منواکسید‌کربن شوند، اما تولید آن در مقایسه با آلودگی ناشی از منواکسید‌کربن در نتیجه عبور وسایل نقلیه موتوری در سطح شهر‌ها چندان قابل توجه نخواهد بود. میزان ترکیب منواکسید‌کربن با هموگلوبین خون که نقش مهمی در انتقال اکسیژن به بافت‌های بدن دارد، در مقایسه با اکسیژن200 برابر است، بنابراین تنها وجود مقادیر اندکی از این گاز در هوا و ترکیب آن با هموگلوبین خون موجب ایجاد ترکیب پایداری در خون می‌شود که مقدار هموگلوبینی که اکسیژن را به بافت‌های مختلف بدن می‌رساند، کاهش می‌دهد و مانع از جدا شدن اکسیژن و هموگلوبین از یکدیگر می‌شود.

وجود گاز آلاینده منواکسید‌کربن در خون، فشار نسبی گاز اکسیژن را نیز کاهش می‌دهد که این عامل سبب کاهش نیروی محرکه انتشار در بافت‌های بدن خواهد شد. چنین تغییراتی، سبب ایجاد مسمومیت‌ها و حساسیت‌‌هایی در بدن انسان می‌شود که تضعیف اعصاب مرکزی، حساسیت به نور و کاهش بینایی، عدم تشخیص زمان و کاهش توانایی در کنترل حرکات ارادی بدن از پیامد‌های آن هستند.

بهبود انتخاب‌پذیری کاتالیست‌ها

به گفته مهندس سعید جعفری، کارشناس ارشد بهداشت حرفه‌ای از دانشگاه تربیت مدرس و مجری این طرح تحقیقاتی، مواد کاتالیتیکی از قدیمی‌ترین مواد نانوساختاری هستند و امروزه کاربرد کاتالیست‌ها در حوزه‌های گوناگونی مورد توجه قرار گرفته است. یکی از مهم‌ترین کاربردهای کاتالیست‌‌ها، استفاده از آنها در حذف آلاینده‌های زیست‌محیطی و صنعتی است که کاربرد موثر این گروه از مواد در فرآیند‌های کاتالیستی به نوع، ماده کاتالیستی مورد استفاده بستگی دارد. فعالیت، گزینش و پایداری مجموعه‌ عواملی هستند که در موثر بودن کاتالیست‌ها نقش بسیار مهمی دارند. کاتالیزور نوعی ترکیب شیمیایی است که اثر تسریع‌کنندگی و جهت‌دهندگی بر پیشرفت واکنش‌هایی دارد که از نظر ترمو دینامیکی انجام آنها امکان‌پذیر است.

کاتالیزور‌های محلول در محیط واکنش را کاتالیزور همگن و کاتالیزورهای فازی مجزا از فاز واکنش را کاتالیزور ناهمگن می‌نامند. بیشتر کاتالیزورهای ناهمگن، کاتالیزورهای جامدی هستند که در نتیجه تماس آن با مواد مایع یا گازی واکنش‌دهنده، تغییراتی در آنها ایجاد می‌شود. کاتالیزورهای ناهمگن را کاتالیست‌ می‌نامند. کاتالیست‌های پیشرفته امروزی به صورت مواد کریستالی متشکل از منافذی در ابعاد نانو طراحی می‌شوند. با کنترل دقیق اندازه کریستال‌ها، مساحت سطوح، مواد تشکیل‌دهنده و همچنین ساختار و اندازه منافذ می‌‌توان فعالیت، گزینش و پایداری این کاتالیست‌ها را تا میزان قابل‌توجهی بهبود بخشید و آنها را به کاتالیست‌های موثر برای انجام واکنش‌‌های گوناگون تبدیل کرد. انتخاب‌پذیری یا گزینش مواد، یکی از مهم‌ترین خواص و ویژگی‌های کاتالیست‌هاست. به عبارت دیگر، کاتالیست‌ها باید بتوانند از میان صدها واکنشی که ممکن است انجام شود، واکنش مورد نظر را تسریع کنند.

امروزه مشکلات ناشی از آلاینده‌های زیست‌محیطی که از منابع مختلف در هوا منتشر می‌شوند، به یک نگرانی عمومی در جوامع تبدیل شده است و مسوولان در تلاشند به کمک محققان و متخصصان، راهکارهایی مناسب را در این زمینه به مرحله اجرا درآورند. گاز منواکسیدکربن که پیش از این درباره آن توضیحاتی داده شد، یکی از مهم‌ترین گازهای آلاینده هوا در شهرها و محیط‌های صنعتی است. در شهرها عمده‌ترین منبع تولید‌کننده این گاز،‌ خروجی خودروهاست که حدود 85 تا 95 درصد کل منواکسیدکربن موجو در محیط را تولید می‌کنند. موثرترین روش حذف این گاز، اکسیداسیون کاتالیستی آن به گاز بی‌اثر دی‌اکسیدکربن است. مبدل‌هایی که هم‌اکنون برای حذف آلاینده‌های خروجی خودروها استفاده می‌شوند، محدودیت‌هایی دارند که یکی از مهم‌ترین‌شان عدم کارایی آن هنگام شروع فصل سرما و کاهش دمای هواست.

غلبه بر محدودیت‌ها

به گفته جعفری، یکی از روش‌هایی که برای از میان برداشتن چنین موانعی مورد استفاده قرار می‌گیرد به کار بردن کاتالیست‌های نانوساختاری است که حتی در دمای پایین نیز از کارایی مناسبی برخوردارند.

یکی از کاتالیست‌هایی که با توجه به خاصیت انتخاب‌پذیری مناسب و فعالیت مطلوب برای حذف گاز منواکسیدکربن بتازگی مطرح شده، نانوذرات طلاست. مهم‌ترین ویژگی نانو ذرات، بالا بودن نسبت سطح به حجم در این گروه از مواد و ذرات است. با استفاده از این خاصیت می‌‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانو تولید کرد که می‌توانند عملکرد واکنش‌های شیمیایی را به میزان قابل‌ توجهی افزایش دهند و از تولید مواد زائد در واکنش‌ها جلوگیری کنند.

تغییر خواص فیزیکی مواد با آرایش اتمی، اندازه جامد و ترکیب شیمیایی آنها ارتباط مستقیم دارد. نانوذرات طلا از محلول حاصل از اسیدشویی که در مرحله نهایی طلاسازی به دست آمده تولید می‌شود و امروزه از این ذرات در وسایل نوری، الکترونیک، بیوشیمی و همچنین در زمینه بیوتکنولوژی استفاده می‌شود. ویژگی مهم کاتالیست‌های با پایه طلا، اکسیداسیون منواکسیدکربن در دماهای پایین است و این نوع کاتالیست‌ها حتی تا دمای منفی‌
 70 درجه سانتی‌گراد نیز فعالیت دارند. عوامل زیادی فعالیت کاتالیست‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند که از میان آنها می‌توان به اندازه نانوذرات طلا، خصوصیات پایه، روش‌های آماده‌سازی و شرایط پیش از عملیات اشاره کرد. مهم‌ترین عامل تاثیرگذار بر فعالیت این کاتالیست‌، اندازه ذرات طلاست، به طوری که نانوذرات طلا به اندازه 3 میلی‌متر در واکنش اکسیداسیون منواکسیدکربن دارای بیشترین فعالیت هستند.

خصوصیات پایه یکی از عوامل تعیین‌کننده میزان فعالیت کاتالیست‌هاست، موارد گوناگونی به عنوان پایه نانوذرات طلا مورد استفاده قرار می‌گیرند. اکسید تیتانیوم و اکسید آهن از پایه‌های فعال و هیدرواکسید منیزیم، اکسید آلومینیوم و سیلیکا، فیبرهای کربن فعال و زئولیت (مواد معدنی حاوی سیلیکات)‌ از پایه‌های خنثی هستند که در ساخت نانوذرات طلا استفاده می‌شوند. ویژگی متمایز زئولیت‌ها در مقایسه با دیگر موادی که به عنوان پایه مورد استفاده قرار می‌گیرند این است که این نوع پایه خنثی به دلیل داشتن مساحت سطح بالا از توانایی چشمگیر و قابل توجهی در تبادل یونی و پایدار کردن ذرات کوچک طلا از طریق تثبیت آنها در قفس‌های کوچک ساختار زئولیت برخوردار است و در این طرح تحقیقاتی نیز از انواع مختلف کاتالیست زئولیت برای اکسیداسیون منواکسیدکربن استفاده شده است که هر کدام به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

نتایج حاصل از ارزیابی فعالیت کاتالیست‌ها نشان می‌دهد که وجود یون سدیم سبب می‌شود نانوذرات طلا با اندازه‌ای بهینه و مناسب روی سطوح و همچنین درون منافذ ساختاری زئولیت‌ها تشکیل شوند. در صورتی که مقدار سدیم مناسب باشد کاتالیست مورد نظر بدون انجام هیچ‌گونه مراحلی فعال شده و تنها افزایش دما سبب خواهد شد فعالیت کاتالیست تا حدودی کاهش یابد.

جعفری در پایان خاطرنشان کرد که برای فعال‌سازی کاتالیست‌های نانوذرات طلا بر بعضی مواد پایه از جریان هیدروژن در دمای بالا به عنوان پیش‌عملیات استفاده می‌شود که می‌تواند نقش مهمی در بهبود عملکرد اجرای طرح برای کاهش آلودگی ناشی از انتشار گاز منواکسیدکربن در محیط داشته باشد. این طرح تحقیقاتی با راهنمایی دکتر حسن اصیلیان و دکتر حسین کاظمیان در دانشگاه تربیت مدرس انجام شده است و شاید راه جدیدی را در حل مشکلات زیست‌محیطی باز کند.

فرانک فراهانی‌جم