نانوغشایی برای حذف کارآمد رنگ‌ها و باکتری‌ها از آب
به گزارش خبرنگار پژوهندگان عصر ،روش‌های متداول تصفیه آب، اگرچه در بسیاری از موارد کارآمد هستند، اما اغلب با محدودیت‌هایی مانند مصرف انرژی بالا، هزینه‌های عملیاتی قابل‌توجه و کارایی محدود در حذف برخی آلاینده‌های محلول مواجه‌اند. در این میان، فناوری غشاهای اولترافیلتراسیون به‌دلیل سادگی، مصرف انرژی کمتر و عملکرد مناسب، مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، این غشاها نیز با چالش‌هایی نظیر گرفتگی (fouling)، کاهش شار عبوری و نبود خاصیت ضدباکتریایی ذاتی روبه‌رو هستند. همین محدودیت‌ها، ضرورت توسعه نسل جدیدی از غشاهای چندمنظوره را برجسته کرده است.
در این راستا پژوهشگران دانشگاه دامغان با همکاری محققانی از چین غشاهای اولتراقیلتراسیون را برای حذف آلاینده‌های شیمیایی و میکروبی معرفی کردند. این غشاهای نوین که بر پایه پلی‌وینیل کلراید و با استفاده از نانوساختارهای فلزی-آلی اصلاح‌شده با گروه‌های آمینی طراحی شده‌اند، عملکرد بهتری نسبت به نمونه‌های متداول از خود نشان داده‌اند. افزایش چشمگیر تخلخل، بهبود آب‌دوستی و ارتقای شار عبوری آب از جمله ویژگی‌های کلیدی این فناوری است. علاوه بر این، غشاهای جدید توانسته‌اند در حذف ترکیباتی مانند اسید هیومیک و رنگ‌های صنعتی عملکرد قابل‌قبولی داشته باشند و هم‌زمان خاصیت ضدباکتریایی نیز ارائه دهند. این دستاورد می‌تواند گامی مؤثر در توسعه سامانه‌های تصفیه آب کارآمد، کم‌هزینه و پایدار به‌شمار رود.
در پژوهش حاضر، محققان با تمرکز بر بهبود عملکرد غشاهای پلیمری، اقدام به طراحی غشاهای اولترافیلتراسیون بر پایه پلی‌وینیل کلراید (PVC) کرده‌اند که با استفاده از نانوساختارهای پیشرفته تقویت شده‌اند. بخش کلیدی و نانویی این پژوهش، استفاده از چارچوب‌های فلزی-آلی یا همان MOFها است؛ ساختارهایی در مقیاس نانو که به‌دلیل سطح ویژه بالا، تخلخل قابل‌تنظیم و قابلیت اصلاح شیمیایی، به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین مواد در حوزه تصفیه آب شناخته می‌شوند.
در این مطالعه، از نوعی MOF موسوم به MIL-۱۰۱ که با گروه‌های عاملی آمینی (–NH₂) اصلاح شده، استفاده شده است. این نانوساختارها درون ماتریس پلیمری PVC و از طریق روش «وارونگی فاز» پراکنده شده‌اند تا غشاهایی موسوم به «غشاهای ماتریس آمیخته» (Mixed-Matrix Membranes) ایجاد شود. حضور این نانوذرات، نقش تعیین‌کننده‌ای در بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی غشا ایفا می‌کند.
برای بررسی ساختار و عملکرد این غشاها، از مجموعه‌ای از روش‌های آنالیزی پیشرفته شامل طیف‌سنجی مادون قرمز (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و اندازه‌گیری زاویه تماس استفاده شده است. نتایج این آزمون‌ها نشان می‌دهد که افزودن MOFهای آمین‌دار، باعث افزایش قابل‌توجه آب‌دوستی (هیدروفیلیسیته) غشا، بهبود تخلخل و افزایش ظرفیت جذب آب شده است.
به‌طور مشخص، میزان تخلخل غشاها تا حدود ۸۵ درصد و جذب آب تا نزدیک ۸۰ درصد افزایش یافته است. این بهبود ساختاری، تأثیر مستقیمی بر عملکرد غشا داشته و موجب افزایش شار عبوری آب شده است. در بهترین نمونه‌ها، یعنی غشاهای M۲ مبتنی بر کروم و آلومینیوم، شار عبوری آب خالص به حدود ۵۳۴ و ۵۲۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت رسیده است؛ در حالی که این مقدار برای غشای PVC خالص تنها حدود ۲۷۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت گزارش شده است. این افزایش چشمگیر، نشان‌دهنده نقش مؤثر نانوساختارهای MOF در بهینه‌سازی عملکرد غشا است.