التحفيز الضوئي لإزالة الملوثات

 يمكن أن تسبب الملونات و الاصباغ و الملوثات الصناعية تلوث المياه الجوفية والأنهار والبحيرات وتلوث التربة وتؤثر مخلفات الصباغة أيضًا على الحياة البرية والنباتات المائية ولإيجاد حلول لهذه المشكلة أجريت أبحاث عدة وكان النصيب الأكبر منها للتنقية، وفي هذه المقالة تطرقنا الى احدى أساليب التنقية الحديثة الا وهي التحفيز الضوئي لإزالة الملوثات في المياه 

التحفيز الضوئي

يعد التحفيز الضوئي أحد أهم العمليات في طرق الأكسدة المتقدمة حيث أثبتت العمليات التحفيزية أن عملية التمثيل الضوئي فعالة جدًا في تنقية وإزالة الملوثات. 

تنقسم كلمة “ photocatalysis "إلى كلمتين" 𝑜𝑡𝑜𝑝h "و “ 𝑠𝑖𝑠𝑦𝑙𝑎𝑡𝑎𝑐 " وتعني التحفيز في وجود الضوء، يعرف التحفيز الضوئي على أنه رد فعل ضوئي لمزيج من المحفز الضوئي والأشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي , يعتبر الامتزاز الناتج عن التحفيز الضوئي أحد أهم العوامل المؤثرة على تفاعلات التحفيز الضوئي , ويمثل دوراً أساسيا في تسريع التفاعل في عملية تحلل المركبات الغير العضوية

عند إسقاط ضوء الشمس أو أشعة فوق البنفسجية على نصف الناقل أكسيد الزنك ZnO يتم امتصاص ضوء ذو طول موجي مناسب من قبل المحفز الضوئي فيتولد زوج إلكتروني سالب − 𝑒 في حزمة التوصيل (BC) وينشأ ثقب او فجوة فراغ موجبة (ℎ+) في حزمة التكافؤ (BV) ويصبح إلكترون حزمة التكافؤ في أكسيد الزنك مثاراً عند امتصاصه لأشعة فوق البنفسجية حسب المعادلة

ZnO hѵ→𝒉+ +𝒆−(2)

يتفاعل الإلكترون مع جزيء الأكسجين والذي بدوره يعتبر من الأنواع الأكثر شهرة التي تعمل كمستقبلات للإلكترونات ويعطي جذر فائق الأكسدة ( Super Oxid ) حسب المعادلة

عند انخفاض درجة الحموضة في الوسط المائي تتنافس البروتونات لالتقاط الإلكترونات المتولدة ضوئيا مما يحد من دور الأكسجين كمستقبل للإلكترونات حسب المعادلة

من مميزات المحفزات الضوئية أنها تعمل في درجات الحرارة العادية , المحفزات الضوئية غير سامة ونشطة في أشكالها البلورية

المختلفة , تكون المحفزات الضوئية فعالة حتى عند التركيزات المنخفضة من الملوثات , لا تتطلب المحفزات الضوئية استهلاكًا كبيرًا للطاقة 

ينقسم التحفيز الضوئي الى :  التحفيز الضوئي المتجانس، التحفيز الضوئي غير المتجانس

تلعب عملية التحفيز الضوئي المتجانس دوراً هاما في تنقية وإزالة الملوثات العضوية، يتم إجراؤه تحت الأشعة فوق البنفسجية (VU ) في وجود مواد متفاعلة ومحفز قابل للذوبان في وسط التفاعل، ينتج عن هذا التفاعل مواد ثانوية غير مستقرة مثل بيروكسيد الهيدروجين ( H2O2 ) وجذور الهيدروكسيل الحرة ( OH )، والتي من خلالها تتم عملية التفكك الضوئي، وفي نهاية التفاعل يستعيد المحفز بنيته مرة أخرى ومن مميزاته تفاعلات صديقة للبيئة، عملية فعالة من حيث التكلفة نسبيا، يمكن أن تتم عملية الأكسدة في ضوء الشمس .

تعتمد عملية التحفيز الضوئي غير المتجانس على تفاعل تحفيزي ضوئي في وجود محفز أشباه الموصلات، مما يؤدي إلى زيادة معدل التفاعل عن طريق تقليل طاقة التنشيط دون تأثره أو استنفاده ومن أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في عملية التحفيز الضوئي غير المتجانسة هو ثاني أكسيد التيتانيوم ) TiO2 ( واوكسيد الزنك ) ZnO ( والذي يعتبر الأكثر ملاءمة للاستخدام كمحفز كيميائي ضوئي نظرًا لمزاياه المتعددة غير سامة ، ومستقر حراريًا ، ومقاوم للتآكل ،وأقل تكلفة من أشباه الموصلات الأخرى يعد التحفيز الضوئي غير المتجانس في عمليات الأكسدة الكيميائية الضوئية من أبرز الاستراتيجيات والتقنيات المعتمدة لإزالة الملوثات الغير العضوية مثل الاصباغ والفينول والمبيدات 

أشباه الموصلات ( Semiconductor )

أشباه الموصلات هي المواد التي تقع ما بين الموصلات الكهربائية بأنها المواد التي تسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها بسهولة والعوازل الكهربائية بأنها المواد التي تمنع حركة التيار الكهربائي خلالها ولا تسمحها ، في خصائصها المتعلقة بتوصيل التيار الكهربائي، ومن أشهرها السيليكون والجرمانيوم، ويمكن إضافة معينة من العوالق والشوائب في تركيب المواد شبه الموصلة، مما يؤدي إلى إحداث فرق كبير في موصلية هذه المواد 

يكثُر استخدام أشباه الموصلات في المجالات المختلفة في الحياة، وذلك بسبب تكلفتها المنخفضة ودقة عملها ويندرج فيما يأتي أشهر استخدامات أشباه الموصلات الكهربائية :

تدخل المواد شبه الموصلة في تصنيع الأجهزة الكهربائية التي تستخدم يوميًا في الحياة، إذ تستخدم بكثرة في تصنيع أجهزة التحكم عند بعد الخاصة بالآلات الكهربائية مثل جهاز التحكم بالمكيف الكهربائي، تستخدم أشباه الموصلات في المجال الطبي في أجهزة العلاج بالليزر.

تستخدم أشباه الموصلات في صناعة أجهزة الترانزستور وهي أجهزة صغيرة تستخدم لتوليد الإشارات الكهربائية، وتضخيمها والتحكم فيها , تدخل في تصنيع الصمامات الثنائية التي تسمح بمرور التيار الكهربائي باتجاه واحد , تستخدم في تقنية النانو و تستخدم في أجهزة الاستشعار البصرية والبواعث الضوئية , توجد في الطابعات ثلاثية الأبعاد، وفي الآلة الحاسبة، وأجهزة الكمبيوتر، وألواح الطاقة الشمسية تستخدم في تصنيع السيارات ذاتية القيادة تستخدم في صناعة المعالجات الدقيقة التي تستخدم في التحكم بالمركبات الفضائية، والقطارات .

لأول مرة من قبل العلماء فوجي شيما وهوندا في عام 1972 باستخدام المحفز الضوئي TiO2 . حظيت عمليات التحفيز الضوئي باهتمام كبير في المعالجات البيئية وتطبيقات الطاقة، وذلك بسبب النطاق الواسع من فجوات الطاقة التي تمتلكها أشباه الموصلات

فجوات الطاقة اشباه الموصلات:

المواد شبه الموصلة وهي مواد ذات بنى نانوية والتي يتم تنشيطها عن طريق الامتصاص، وتقوم الفوتونات بتسريع التفاعلات في عمليات الأكسدة دون استهلاكها ويتأثر نشاطها ب عدة عوامل بما في ذلك حجم الجسيمات وخصائص السطح، ومقاومة الضغوط الميكانيكية 

تعرف أكاسيد المعادن بأنها مواد فعالة ضوئية، قادرة على استخدام الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية خاملة بيولوجيا وكيميائيا وغير سامة بطبيعتها، وقد استخدمت أكاسيد المعادن على نطاق واسع منذ القرن العشرين في الصناعات الكيميائية , تحتوي الأكاسيد المعدنية على فجوات طاقة كافية لإنتاج جذور OH النشطة كيميائيًا، والتي تكون قادرة على الأكسدة الملوثات العضوية من أهمها  (ZnO ) (TiO2)  

ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2 

عبارة عن مسحوق أبيض غير سام وشبه موصل وهو محفز ضوئي ممتاز في اغلب التطبيقات ، يتمتع ثاني أكسيد التيتانيوم بثبات كيميائي عالي في الوسائط المختلفة , حظي TiO2 باهتمام كبير باعتباره مادة تحفيز ضوئي فعالة للغاية , هناك نوعان من الأشكال البلورية من TiO2 المعتمة في معظم التطبيقات هما الأناتاز والروتيل 

أكسيد الزنك ZnO

هتم الباحثون بدراسة الزنك كمحفز ضوئي في عام 1970 ، حيث يظهر أكسيد الزنك على شكل مسحوق أبيض وهو مركب غير عضوي موجود في القشرة الأرضية. 

 كما يستخدم أكسيد الزنك مسحوق ZnO كصبغة بيضاء لأكثر من مائتي عام بسبب تفاعله العالي واستقراره الكيميائي ، كما أن له وفرة مكوناته على الأرض مما تجعله هدفا مثاليا كجهة اتصال كهربائية شفافة للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ، يعتبر أكسيد الزنك كواحد من أكثر المواد المستهدفة والواعدة، نظرا لخصائصه الكهربائية والبصرية، وثباته الميكانيكي والكيميائي العالي، بفضل وفرته في الطبيعة، مما يجعله غير مكلف مقارنة بالأكاسيد الموصلة الشفافة المستخدمة الاخرى .

يتم إنتاج أكسيد الزنك المستخدم في الصناعات عن طريق تصنيع المواد الكيميائية، ويستخدم أكسيد الزنك كبديل لثاني أكسيد التيتانيوم من نواحي عديدة

يعتبر أكسيد الزنك من الأكاسيد ذا الخصائص المتميزة كما له تكلفة منخفضة لوفرته في الطبيعة، ولقد لقي في هذا النوع اهتماما كبيراً، وله عدة تطبيقات صناعية وتكنولوجية منها :

الخلايا الشمسية، أجهزة الاستشعار بتسرب الغاز، يدخل في صناعة الدليل الموجي البصري ويستعمل في الأغشية الشفافة والمضادة للانعكاس، يدخل في صناعة المقاومات المتغيرة ويدخل في صناعات الشاشات العاكسة للضوء، يدخل في صناعة الزجاج.

ختاما تؤدي طرق التحفيز الضوئي  إلى تفكيك الملوثات وتحويلها إلى جزيئات غير عضوية صغيرة وبالتالي يقل تركيز الملوثات من عدة مئات جزء في المليون إلى أقل من 5 جزء من البليون في المياه والمياه العادمة، ومنه تنخفض نسبة الطلب الكيميائي للأكسجين DCO .

يمكن معالجة مياه الصرف الصحي عن طريق الأكسدة المتقدمة ومنها طريقة التحفيز الضوئي  والتي من خلالها يتم تحويل الملوثات إلى ماء وثاني أكسيد الكربون 2𝐶𝑜 هذه العملية تسمى عملية المعدنة او التمعدن هدفها إزالة الملوثات الكيميائية والمواد السامة . 

تعديل المقال