در این مقاله ابتدا به شناخت خواص و عملکرد نانوذرات فوتوکاتالیستی پرداخته شده و سپس با معرفی اکسیدهای مختلف دارای خاصیت فوتوکاتالیستی، دی اکسیدتیتانیوم به‌عنوان یکی از محبوب‌ترین ترکیبات موجود در این خانواده موردبحث و ارزیابی قرار گرفته است. بررسی‌های صورت گرفته نشان می‌دهد، نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم از خواص ضد آلایندگی، آنتی باکتریال و خود تمیز شوندگی بالایی برخوردارند که از این پتانسیل بالقوه میتوان در محیط مواد پایه سیمانی استفاده فراوانی کرد. حضور این نانوذرات در سطوح پایه سیمانی نه‌تنها سبب تخریب و تجزیه گازهای آلاینده در تماس با این سطوح می‌گردد، بلکه از خاصیت خود تمیزشوندگی بسیار مطلوبی نیز برخوردار است. از طرف دیگر، قرارگیری این نانوذرات در ماتریس سیمان باعث ممانعت از رهاسازی آن‌ها در محیط و خطرات زیست‌محیطی احتمالی بعدی می‌گردد و همچنین این امر باعث شده تا بتوان از این نانوذرات فوتوکاتالیستی (دی اکسیدتیتانیوم) در بازه زمانی بسیار طولانی‌تری بهره‌برداری کرد.
مقدمه
افزایش روزافزون استفاده از مواد پایه سیمانی سبب شده تا امروزه، مواد پایه سیمانی به‌عنوان پرمصرف‌ترین مصالح جهانی قرن بیست و یکم شناخته شوند و به‌منظور ارتقای خواص آن تحقیقات بسیار زیادی از سوی محققان صورت گیرد.
رشد علوم و صنایع مختلف نیز سبب شده تا استفاده از سوخت‌های فسیلی و مواد شیمیایی به‌طور چشمگیری افزایش یابد. تمرکز چنین آلاینده‌هایی در محیط‌های شهری، به‌خصوص شهرهای بزرگ و پرجمعیت علاوه‌بر بروز انواع بیماری‌های خطرناک و سرطان‌زا، در کاهش عمر نمای خارجی ساختمان‌ها و عناصر زیباشناختی شهرها نیز نقش مخربی دارند.
برهمین اساس حضور پررنگ مواد شیمیایی و میکروبی بسیار مضر و خطرناک در پیرامون محیط کار و زندگی انسان (در فاز گاز و مایع) سبب شده است تا محققان درصدد یافتن موادی باشند تا علاوه‌بر کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی و تصفیه اتمسفر محیط پیرامونی، هماهنگی مناسبی با یکی از پرمصرف‌ترین مصالح جهان یعنی مواد پایه سیمانی داشته و از خود خواص مکانیکی و ریزساختاری مناسبی به نمایش گذارند، به‌طوری‌که این ماده بتواند در رویارویی با شرایط خاص زیست‌محیطی (شرایط آب‌وهوای خشن، آلودگی‌های زیست‌محیطی، شیمیایی و میکروبی) نه‌تنها از بروز تغییرات در ماهیت خود جلوگیری کند، بلکه بتواند در پاک‌سازی محیط پیرامونی از آلودگی‌ها کمک قابل‌توجهی از خود نشان داده و از مقاومت و دوام مناسبی در مواجهه با این مواد برخوردار باشد.
به‌منظور دست‌یابی به سطوح سیمانی توانمند در رویارویی با شرایط خاص زیست‌محیطی، محققان اقدام به بررسی تأثیر اضافه کردن برخی مواد در مقیاس نانو کردند. با توجه به آن‌که این مواد در مقیاس نانو خواص جدید و منحصربه‌فردی به خود می‌گیرند، میتوان از این پتانسیل بالقوه در محیط مواد پایه سیمانی به‌منظور دست‌یابی به سطوحی با خواص خودتمیزشوندگی، آنتی باکتریال و ویژگی‌های مکانیکی بهتر بهره فراوانی برد. برای تحقق این مهم و دست‌یابی به ساختاری توانمند در تخریب و تجزیه آلودگی‌ها، طیف وسیعی از این مطالعات به بررسی نانومواد فوتوکاتالیستی در جهت استفاده در محیط مواد پایه سیمانی و نحوه اثر و عملکرد آن‌ها در این محیط پرداخته است. حاصل این تحقیقات سبب شد تا در دهه ۱۹۹۰ استفاده از نانوذرات فوتوکاتالیستی در مواد پایه سیمانی آغاز شود.
خواص فوتوکاتالیستی
فوتوکاتالیست، واکنشی است شیمیایی که در معرض تابش نور (فرابنفش) فعال‌شده و در طی یک فرآیند فوتوشیمیایی با انجام هم‌زمان دو واکنش اکسایش-کاهش در واکنش شرکت می‌کند و همانند کاتالیزور باعث انجام واکنش و سرعت بخشیدن به فرآیند شیمیایی می‌گردد، درحالی‌که خود فوتوکاتالیست ثابت و بدون تغییر باقی می‌ماند. به‌منظور درک بهتر واکنش فوتوکاتالیستی میتوان به فرآیند فتوسنتز در گیاهان اشاره کرد. به‌طوری‌که براثر تابش نور خورشید بر سطح گیاه، کلروفیل موجود در آن به‌عنوان یک فوتوکاتالیست بسیار قوی عمل کرده و سبب تولید اکسیژن می‌گردد و این در حالی است که کلروفیل موجود در گیاه ثابت و بدون تغییر باقی می‌ماند.
در سال برای اولین بار هنگامی‌که دو محقق به نام‌های فوجی شیما و هوندا در حال بررسی خواص فوتوکاتالیستی دی‌اکسیدتیتانیوم بودند، متوجه شدند که آب در سطح الکترود TiO2 طی یک سری فرآیند کاتالیستی به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌گردد. این پدیده نقطه عطفی در جهت شروع فعالیت‌های پژوهشی دیگر در زمینه کاتالیست‌های ناهمگن گردید و ازآن‌پس تلاش‌های بسیار زیادی از سوی محققان در جهت فهم و درک اصول بنیادین فرآیندهای کاتالیستی و افزایش بازده آن‌ها صورت گرفت.
نانومواد فوتوکاتالیستی
از نانومواد فوتوکاتالیستی شناخته‌شده که در صنایع مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرند، میتوان به چندین اکسید نیمه‌هادی همانند SnO2، TiO2، ZnO، Fe2O3، WO3، ZrO2، Al2O3 و اشاره کرد که یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم است.
دی‌اکسیدتیتانیوم
دی‌اکسیدتیتانیوم پودری سفیدرنگ است که به‌طور عمده دارای سه ساختار کریستالی آناتاز، رؤیتل و بروکیت است. به دلیل آن‌که فاز روتیل از شبکه بلوری متراکم‌تر و چگال‌تری (۴۲۴۰ Kg/M3) نسبت به دو فاز دیگر برخوردار است، ازلحاظ ترمودینامیکی پایدارترین سیستم به شمار می‌رود، به‌طوری‌که دو فاز آناتاز و بروکیت با بالا رفتن دما در یک استحاله به ترتیب در دماهای بالاتر از ۹۰۰و ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد به ساختار روتیل تغییر حالت می‌دهند. این در حالی است که ساختار روتیل تا دمای نزدیک نقطه ذوب دی‌اکسیدتیتانیوم که حدود ۱۸۷۰ درجه سانتی‌گراد است، پایدار باقی می‌ماند. همچنین با توجه به باندگپ موجود در نانو دی‌اکسیدتیتانیوم، هنگامی‌که این ماده در معرض تابش نور فرابنفش با طول‌موج بین ۳۲۰nm تا ۴۰۰nm قرار می‌گیرد، الکترون در باند ظرفیت آن برانگیخته‌شده و به باند هدایت انتقال می‌یابد و طی یک سری فرایند اکسیداتیو با مولکول‌های O2 , H2O موجود در محیط واکنش داده و به ترتیب سبب تشکیل رادیکال هیدروکسیل (OH) و یون سوپر اکسید (O2) می‌گردد. در نتیجه با توجه به آن‌که ترکیبات به وجود آمده از قدرت واکنش بسیار بالایی با انواع مواد ارگانیک و آلاینده‌ها برخوردار هستند، می‌توانند باکتری‌ها، قارچ‌ها و ترکیبات آلی گسترده‌ای را تجزیه و تخریب کنند.
مراحل فرآیند فوتوکاتالیستی در دی اکسیدتیتانیوم
۱- جذب فوتون‌های نور (ماوراءبنفش) در سطح ذرات TiO2
۲- تشکیل الکترون و حفره در سطح TiO2 براثر انرژی حاصل از فوتون‌های نور
۳- انجام واکنش اکسایش – کاهش در سطح TiO2
۴- تجزیه و تخریب آلاینده‌ها در فاز مایع و گاز
۵- تبدیل آلاینده‌ها به محصولات سازگار با محیط‌زیست
در اثر تماس گاز آلاینده NOx ، حاصل از احتراق سوخت‌های فسیلی با سطوح سیمانی حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم، ابتدا این آلاینده به اسید نیتریک تبدیل‌شده و سپس در اثر بارش باران شسته و یا در واکنش با ترکیبات قلیایی موجود در محیط سیمان خنثی می‌گردد.
کاربرد نانوذرات فوتوکاتالیستی
امروزه از فناوری نانو فوتوکاتالیست در زمینه‌های مختلف به‌منظور ایجاد آسایش بیشتر، صرفه‌جویی اقتصادی و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی بهره‌های فراوانی برده می‌شود. همچنین این علم با کنترل مواد در مقیاس نانو نویددهنده تحولات شگرفی در زمینه‌های مختلف است. در همین راستا همگام با توسعه فناوری نانو در رشته‌های مختلف، محققان به بررسی خواص و کاربردهای این نانوذرات در کاشی و سرامیک، سنگ‌فرش پیاده‌روها و خیابان‌های بتنی، آسفالت، شیشه و رنگ‌ها با خاصیت خود تمیز شوندگی، آنتی باکتریال و تصفیه هوا پرداختند که بیانگر نتایج بسیار جالب و کارآمدی بود.
خاصیت خودتمیزشوندگی
اصول خودتمیزشوندگی در سال ۱۹۳۷ به‌وسیله‌ی گیاه‌شناسی به نام ویلهلم کشف شد. ایده و سرمنشأ اصلی این فکر از سطوح دافع آب که یکی از ویژگی‌های برگ گل نیلوفرآبی بود گرفته‌شده است، چراکه برگ‌های این گیاه باوجود رشد در محیط کثیف مرداب، همیشه تمیز و عاری از آلودگی هستند.
عملکرد خودتمیزشوندگی در برگ‌های گل نیلوفر با سطوح حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم تفاوت عمده‌ای دارد. به‌طوری‌که در این ساختار طبیعی سطح دارای خاصیت فوق آب‌گریزی است، اما سطوح حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم دارای خاصیت فوق آب‌دوستی هستند. خاصیت فوق آب‌دوستی دی‌اکسیدتیتانیوم باعث می‌گردد تا با کاهش زاویه تماس آب با سطح، آب به‌طور کامل بر روی سطح پهن گردیده و در زیر آلودگی‌ها نفوذ کند. این امر منجر به همراه شدن آلودگی‌ها با آب (باران) شده و درنهایت سبب تمیز شدن سطوح می‌گردد.
توانایی خودتمیزشوندگی سطوح سیمانی
اگرچه خاصیت خود تمیز شوندگی مواد کاتالیست در سال ۱۹۶۰ میلادی کشف و شناخته‌شده است، ولی بهره‌برداری از این خاصیت به‌منظور ایجاد سطوح سیمانی تمیز و عاری از آلودگی، در چند سال اخیر گسترش‌یافته است. یکی از اولین مکان‌هایی که در آن از سطوح خود تمیزشونده سیمانی استفاده شد کلیسای Dives in Misericordina در روم است. یک ساختمان در سال ۲۰۰۳ میلادی به‌وسیله‌ی ریچارد مایر با استفاده از ۳۴۶ بلوک بتنی پیش‌ساخته با سیمان‌سفید حاوی دی‌اکسید تیتانیوم طراحی و ساخته شد. مشاهدات صورت گرفته پس از گذشت ۶ سال از ساخت بنا، حاکی از تفاوت اندکی بین رنگ سفید سطوح بلوک‌های بتنی خارج و داخل کلیسا بود.
مطالعات صورت گرفته به‌وسیله‌ی دیامانتی و همکاران بر روی خاصیت فوق آب‌دوستی سطوح ملات‌های حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم نشان می‌دهد که در صورت استفاده از ۳ درصد پودر و ۲ درصد سوسپانسیون نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم در ملات، زاویه تماس بین آب و سطح ملات در حدود ۶۰ درصد کاهش می‌یابد. این در حالی است که اسپری کردن سوسپانسیون نانوذرات بر سطح ملات سبب کاهش زاویه تماس به میزان ۸۰ درصد می‌شود. همچنین تحقیقات صورت گرفته به‌وسیله‌ی روت و همکاران نشان می‌دهد که فعالیت فوتوکاتالیستی ملات‌های حاوی دی‌اکسیدتیتانیوم (فرم آناتاز) تا حدود زیادی وابسته به خواص ملات است. به‌طوری‌که افزایش نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم به میزان ۱درصد در خمیر سیمان منجر به افزایش فعالیت‌های فوتوکاتالیستی می‌گردد، درحالی‌که افزایش مقدار نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم در ملات افزایش مقدار بسیار کمی در فعالیت فوتوکاتالیستی این سطوح را در پی دارد. همچنین این محققان معتقدند، به دلیل وجود شن و ماسه در ملات علاوه‌بر آن‌که نانوذرات اضافی در بین محیط متخلخل آن‌ها قرار می‌گیرد، ضخامت بیشتر این محیط نیز مانع از رسیدن نور فرابنفش به بسیاری از نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم می‌گردد. همین امر سبب عدم فعالیت مناسب تمام نانوذرات در محیط ملات می‌شود.
کاهش آلودگی هوا
یکی از مهم‌ترین آلودگی‌های بخش انرژی در شهرها، آلودگی در اثر انتشار و نشت گازهای آلاینده ناشی از احتراق سوخت‌های فسیلی است. گاز اکسید نیتروژن (NOx) ، یکی از محصولات حاصل از احتراق سوخت‌های فسیلی به شمار می‌رود و از جمله گازهای آلاینده و گلخانه‌ای بسیار سمّی است. این گاز علاوه‌بر آن‌که سبب ایجاد باران‌های اسیدی و تخریب اکوسیستم می‌گردد، باعث بروز مخاطرات بهداشتی و سلامتی گسترده‌ای برای انسان می‌شود، به‌طوری‌که استشمام آن می‌تواند منجر به بروز انواع بیماری‌های تنفسی و سرطان ریه نیز شود.
یو و همکاران به‌منظور مطالعه و بررسی اثرات نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم بر حذف گازهای آلاینده (NOx) از سنگ‌فرش‌های سیمانی حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم در سطح پیاده‌روها استفاده کردند. نتایج تحقیقات آنان نشان می‌دهد، با توجه به آن‌که احتمال حضور گردوخاک، چربی، زباله و اشیاء چسبنده در سطح پیاده‌روها بسیار بالاست، میتوان انتظار داشت این عوامل خارجی مانع از تابش مناسب و مؤثر نور خورشید بر سطح سنگ‌فرش پیاده‌روها گردند. درنتیجه به دلیل عدم تابش مناسب و مؤثر نور فرابنفش بر سطوح حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم، ظرفیت فوتوکاتالیستی آن‌ها در تخریب و تجزیه‌ی آلودگی‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد. این در حالی است که در تحقیق مشابهی به بررسی اثرات خواص فوتوکاتالیستی سنگ‌فرش‌های حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم (به مساحت ۱۲ مترمربع) واقع در سطح خیابان برگامو[xi] ایتالیا پرداخته شده است. بررسی آزمایشات صورت گرفته نشان می‌دهد که میزان گاز (NOx) موجود در این محیط به میزان چشمگیری (حدود ۴۵ درصد) کاهش می‌یابد.
در سال ۲۰۰۶ پروژه‌ای به نام PICADA به‌منظور بررسی و ارزیابی خاصیت ضدآلایندگی پوشش‌های حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم تعریف و در دستور کار قرار گرفت. هدف از این پروژه توسعه پوشش‌های حاوی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم به‌منظور کاهش آلودگی هوا و بهره‌مندی از خاصیت خودتمیزشوندگی گزارش شد. در این پروژه علاوه‌بر مطالعه در مقیاس آزمایشگاهی، آزمون‌های آزمایشی دیگری نیز در مقیاس بزرگ‌تر مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. آزمون آزمایشی صورت گرفته در مقیاس بزرگ شامل یک خیابان با دیوارهایی به ابعاد (m2 5.18*18) و یک منبع مصنوعی تولیدکننده آلودگی گاز (NOx) بود. نتایج آزمایش‌های به‌دست‌آمده از این پروژه نشان می‌دهد که پوشش‌های حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم از خاصیت ضد آلایندگی بالایی برخوردار هستند، به‌طوری‌که در این آزمایش گاز (NOx) موجود در محیط به میزان ۳۶/۷ تا ۴۲ درصد کاهش یافت. همچنین بر اساس داده‌های تولیدشده در آزمون‌های آزمایشی، مدل عددی سه‌بعدی (MIMO) با در نظر گرفتن سرعت باد و درجه حرارت تعریف شد. بررسی‌های صورت گرفته بر روی این مدل عددی نشان از توانایی بالای آن در پیش‌بینی فعالیت فوتوکاتالیستی و کاهش میزان آلودگی هوا در مواجهه با پوشش‌های حاوی این نانوذرات است.
در شهر توکیو نیز در چندین منطقه مختلف، خیابان‌ها به‌وسیله مخلوط‌های سیمانی حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم پوشش داده شدند. نتایج به‌دست‌آمده از این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که به ازای هر ۳۰۰ مترمربع از این پوشش، ۵۰ تا ۶۰ میلی‌گرم در روز از میزان غلظت (NOx) موجود در این محیط کاسته می‌شود.
( سطح حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم از رنگ روشن‌تری نسبت به سطح عاری از این نانوذرات برخوردار است که بیانگر خاصیت ضد آلایندگی و خود تمیز شوندگی این سطوح است.)
چن و پون در تحقیقات خود بر روی خاصیت ضد آلایندگی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم در محیط ملات، اقدام به جایگزینی بخشی از ماسه به‌وسیله‌ی شیشه با رنگ و درصدهای مختلف کردند. نتایج آزمایشات آنان نشان می‌دهد، هنگامی‌که مخلوط ملات مورداستفاده حاوی ۵۰ درصد ماسه و ۵۰ درصد شیشه بی‌رنگ باشد، ظرفیت خواص فوتوکاتالیستی آن به میزان ۲/۵ برابر افزایش می‌یابد. در بیان علت افزایش خواص فوتوکاتالیستی، افزایش عمق نفوذ نور در محیط ملات مهم‌ترین عامل بیان‌شده است. آن‌ها معتقدند که ذرات شیشه موجود در محیط ملات، شرایط مناسبی برای نفوذ نور فراهم کرده و همین امر سبب افزایش خاصیت اکسیداسیون و در پی آن بهبود خواص ضد آلایندگی نانوذرات موجود در محیط ملات می‌گردد. البته در این تحقیق به خواص مقاومتی ملات توجه نشده است.
اثرات محصور شدگی نانوذرات در ماتریس سیمان
برخی از محققان نیز به بررسی اثرات محصورشدگی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم در محیط سیمان پرداختند. نتایج آزمایش‌های آنان نشان می‌دهد، فیلم نازکی از دی‌اکسیدتیتانیوم دارای ظرفیت فوتوکاتالیستی ۳ تا ۱۰ برابر بیشتر از ترکیبات سیمانی حاوی نانو دی‌اکسیدتیتانیوم است. چراکه محصورشدگی به‌وسیله‌ی سیمان، سبب عدم تابش کامل نور بر سطح نانوذرات می‌شود.
از طرف دیگر باید به این مهم نیز توجه کرد که ایجاد محصورشدگی نانوذرات به‌وسیله‌ی ماتریس سیمان مانع از آزادسازی آن‌ها در اکوسیستم می‌گردد. درنتیجه خطرات احتمالی ناشی از پراکندگی آن‌ها در محیط‌زیست به میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد. این در حالی است که طبق تحقیقات صورت گرفته، سطوح پایه سیمانی حاوی نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم نیز از خاصیت فوتوکاتالیستی مناسبی برخوردار بوده است. با توجه به آن‌که قسمت عمده‌ای از محیط پیرامون زندگی ما را سطوح سیمانی تشکیل می‌دهد، میتوان از این سطوح، خاصیت خودتمیزشوندگی و ضد آلایندگی بسیار مطلوبی انتظار داشت.
پس به نظر می‌رسد بتوان با ایجاد محصورشدگی در این نانوذرات، علاوه‌بر آن‌که از ورود آن‌ها به محیط‌زیست تاحدود بسیار زیادی جلوگیری کرد، این خاصیت بتواند سبب ثبات و پایداری آن‌ها در محیط مورد استفاده نیز گردد. در نتیجه وجود همین خاصیت در ماتریس سیمان موجب می‌شود تا علی‌رغم کاهش خواص فوتوکاتالیستی نانوذرات، محصورشدگی به‌عنوان یک خاصیت مناسب تلقی شود.
نتیجه‌گیری
اثرات شگرف فناوری نانو بر پیشرفت علم سبب توجه جدی محققان به کاربرد این دانش در صنعت ساخت‌وساز شده است. در این مقاله نیز سعی شد تا مکانیزم‌های عملکردی و برخی اثرات نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم بر خواص مصالح پایه سیمانی بررسی شود. نتایج آزمایشات نشان می‌دهد که از نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم به‌طور گسترده‌ای میتوان در مواد پایه سیمانی به‌منظور بهره‌مندی از خواص خودتمیزشوندگی، ضد آلایندگی و آنتی باکتریال استفاده کرد. چراکه علاوه‌بر سازگاری مناسب با مواد پایه سیمانی، اثر محصورشدگی نانوذرات به‌وسیله‌ی ماتریس سیمان علاوه‌بر آن‌که مانع از رهاسازی آن‌ها در محیط می‌گردد، خواص فوتوکاتالیستی آن را نیز در حد مطلوب و قابل قبولی حفظ می‌کند.
منبع:
سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
