ایجاد و مشخصه یابی پوشش zno اعمال شده از طریق فرایند پاشش حرارتی جهت مصارف فتوکاتالیتیکی

یعقوب کلانتری

چکیده

با پیشرفت سریع صنعت و افزایش وسایل حمل و نقل، نقش آلاینده ها و پساب های صنعتی در آلوده کردن محیط افزایش یافته و بنابراین سلامتی بشر و محیط زیست در معرض خطر انواع مختلفی از آلاینده ها قرار دارد. لذا پالایش فاضلاب و هوای آلوده توجه زیادی را در دهه های اخیر به خود جلب کرده است، بطوریکه کاهش آلودگی های محیطی یکی از مهمترین چالش های جامعه ی علمی می باشد. از میان روش های مختلف پالایش آب و هوای آلوده، تخریب فتوکاتالیتیکی توسط نیمه هادی، یکی از این راهکارهای کارآمد می باشد. کاتالیست تحت پرتودهی نور را فتوکاتالیست گویند و مکانیزم عمل آنها بدین صورت است که پس از جذب پرتو با طول موج کمتر از لبه جذب نیمه هادی ( معمولاً uv)، الکترون های آنها از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته می شوند که نتیجه ی آن تشکیل یک حفره مثبت (h+) در نوار ظرفیت و یک الکترون (e-) در نوار رسانش می باشد که به ترتیب خاصیت اکسیدکنندگی و احیایی دارند. این زوج الکترون-حفره پس از تماس با h2o و o2، رادیکال های آزاد اکسیژن o• و هیدروکسید oh• ایجاد می کنند. این رادیکال های آزاد، خاصیت اکسیدکنندگی بالایی داشته و قادر خواهند بود که مواد آلاینده موجود در هوا و فاضلاب را به مواد بی ضرر مانند h2o و co2 تجزیه کنند. بنابراین به طور کلی مکانیزم فتوکاتالیتیکی را می توان به پنج مرحله تقسیم بندی نمود: 1) انتقال واکنش دهنده از فاز سیال به سطح فتوکاتالیست 2) جذب واکنش دهنده 3) واکنش در فاز جذب سطحی شده 4) دفع محصولات و 5) جداشدن محصولات از فصل مشترک. tio2، zno، fe2o3، wo3، zns و sno از برجسته ترین نیمه هادی هایی هستند که بعنوان فتوکاتالیست بکار می روند. اگرچه tio2 بعنوان فعالترین فتوکاتالیست مطرح است و بیشترین تحقیقات بر روی آن صورت گرفته است، اما اغلب zno بعنوان جایگزین tio2 در مصارف فتوکاتالیتیکی مطرح می باشد. تحقیقات نشان می دهد که zno در برخی موارد مانند تخریب بعضی مولکول های آلی و رنگ ها، فعالیت فتوکاتالیتیکی بهتری را نسبت به tio2 از خود نشان داده است. از مزایای دیگر zno نسبت به tio2 می توان به قیمت کمتر و جذب کسر بیشتری از طیف خورشید اشاره کرد. عموماً از میکروپودرها بعنوان فتوکاتالیست استفاده می شود، زیرا سطح ویژه بزرگتر از یک پوشش دارند. اما در کاربردهای عملی، چندین مشکل در استفاده از میکروپودرها در فرایند فتوشیمیایی وجود دارد: 1) جداسازی کاتالیست از سوسپانسیون بعد از واکنش دشوار می باشد 2) ذرات سوسپانسیون شده مخصوصاً زمانی که در غلظت های بالا باشند، تمایل به توده ای شدن دارند 3) سوسپانسیون های دارای ذرات ریز را نمی توان به سادگی برای سیستم های جریان پیوسته بکار برد 4) در بسیاری از کاربردها امکان استفاده از پودر وجود ندارد. لذا یکی از کارآمدترین روش ها برای جلوگیری از این مشکلات فنی، اعمال پوشش فتوکاتالیست از طریق فرایندهای مختلف پوشش دهی می-باشد. روش های مختلفی جهت اعمال پوشش های فتوکاتالیتیکی مورد ارزیابی قرار گرفته است که انتخاب هریک از این روش های پوشش دهی با توجه به جنس زیرلایه، کیفیت پوشش، نوع آلودگی، محیط آلودگی (گاز یا مایع)، قیمت تمام شده و غیره صورت می گیرد. با توجه به جایگاه zno در مصارف فتوکاتالیتیکی، تحقیقات بسیار اندکی پیرامون اعمال پوشش این ماده صورت گرفته است. تابحال تنها از روش های اندکی از قبیل سل-ژل، زینکاته و آندایزینگ، لایه zno اعمال شده و فعالیت فتوکاتالیتیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است. بکارگیری هر یک از این روش ها دارای محدودیت هایی از قبیل زمان نسبتاً زیاد برای اعمال پوشش، نیاز به عملیات ثانویه بعد از اعمال پوشش و عدم سهولت در تولید انبوه می باشد و حتی در برخی از کاربردها، امکان استفاده از این روشها وجود ندارد. استفاده از فرایندهای پیشرفته پاشش حرارتی بدلیل دارا بودن مزایایی از قبیل قیمت تمام شده نسبتاً مناسب، ایجاد پوشش های ضخیم در زمان های کم، قابلیت کاربرد برای طیف گسترده ای از مواد، کیفیت سطحی بالا، سهولت در انجام فرایند برای تولید انبوه، امکان پوشش دهی برای زیرلایه های مختلف، پوشش دهی مناطق خاص و امکان پوشش-دهی در محل، می تواند بعنوان روشی بسیار کارآمد و نویددهنده برای پوشش دهی مواد فتوکاتالیست به حساب آید.

اساتید راهنما و مشاور

حمیدرضا سلیمی جزی، مهدی صالحی، مهدی امیرنصر