مقدمه
بسیاری از فعالیت‌هایی که روزانه در مراکز صنعتی، بهداشتی، درمانی و حتی منازل صورت می‌گیرد باعث آلودگی محیط زیست به خصوص آب‌ها و منابع آبی می‌شوند. مواد رنگی یکی از مهم­ترین منابع آلودگی محیطی به شمار می­روند]۳-۱[.
آب­های سطحی قابل استفاده به عنوان آب نوشیدنی در دریاچه­ها و رودخانه‌ها تنها %۱ از آب‌ها را شامل می‌شوند که قسمت اعظم این آب‌ها هم در معرض آلودگی است. رشد صنعت در کنار رودخانه‌ها و تولید محصولات صنعتی، عامل عمده آلودگی به شمار می‌آید. خیلی از رودخانه‌ها به عنوان حمل کننده فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کشورهای صنعتی حدود %۴۰ از آب در صنعت استفاده می‌شود. آب‌های هدر رفتی در این کشورها اغلب قبل و بعد از استفاده، به منظور از بین بردن عوامل بیماری زا و مواد مضر و نامطلوب تصفیه می‌شوند. رشد سریع جمعیت، شهر سازی و صنعتی سازی از عوامل بسیار مهم در آلودگی آب‌های نوشیدنی می­باشند. در کشورهای توسعه یافته خصوصاً کشورهای با تراکم جمعیتی بالا، کیفیت آب به عنوان یک مسئله اساسی در سال‌های اخیر مورد توجه واقع شده است ]۴[.
به همین خاطر، حفاظت از آب، خاک و هوا در مقابل عوامل آلوده کننده یکی از مهم‌ترین موارد مورد توجه در کشورهای جهان در قرن بیست و یکم است. انواع مواد شیمیایی، کود­ها و ضد آفات گیاهی و نباتی، ذرات مایع و یا جامد زیان آور متصاعد از صنایع و معادن، گاز­های مخرب حاصل از سوخت وسایط نقلیه از جمله منابع مختلف آلودگی‌هاست. امروزه ردیابی و خنثی سازی این آلوده کننده‌ها و جلوگیری از به وجود آمدن موارد جدید آلودگی، مبحث جدیدی است که به طور جدی پیگیری می‌شود. مشکلات و محدودیت‌های مالی از جمله موارد بازدارنده حفاظت از محیط زیست و بهبود کیفیت آب، خاک و هوا به حساب می‌آید. به منظور کاستن از آلودگی محیط زیست و حفظ منابع محدود آب، سیستم‌های تصفیه پساب‌ها طراحی و ساخته می‌شوند. روش‌های گندزدایی متداول در تصفیه خانه‌های آب آشامیدنی با از بین بردن یا کاهش میزان عناصر نامطلوب موجود در آب امکان استفاده مجدد از آب بازیافتی را فراهم می‌کنند. سیستم‌های تصفیه به دلیل ساختارشان پس از مدتی کارایی اولیه خود را از دست داده و علاوه بر تحمیل هزینه بازسازی، در صورت عدم توجه خود عاملی جهت آلودگی محیط زیست می‌شوند .این روش­ها به طور موثری قادر به کنترل پاتوژن­های میکروبی^[۱] است. اما تولید بیش از ۶۰۰ نوع محصول جانبی گندزدایی مضر که برخی از آن‌ها سرطان‌زا می­باشند، در اثر استفاده از گندزداهای شیمیایی گزارش شده است. رشد تقاضا برای رسیدن به تصفیه مناسب و نیز رقابت در رسیدن به گندزدایی مناسب، ایجاد تکنولوژی­های جدید برای تصفیه آب را می­طلبد.

۱-۱- راه کاری نوین برای حفظ محیط زیست از آلودگی و سموم صنعتی
در مقابل این مشکلات و موانع بزرگ گوناگون، کاربرد ذراتی کوچک می‌تواند راه کار بسیار موثری باشد. علم جدیدی به نام نانو­تکنولوژی با دست­کاری و تغییرات در اندازه ابعاد اتم­ها و ملکول­های عناصر، از ۱۱ الی ۱۰۰ میلیاردم متر، انقلاب نوینی را در شیمی، فیزیک، بیولوژی و مهندسی به وجود آورده است. این تغییرات نه تنها در اندازه و ابعاد عناصر، بلکه در به وجود آوردن ویژگی­های جدید و پر­اهمیتی در آن‌ها تأثیر داشته است. نانو­تکنولوژی با ایجاد مواد جدید، امید جدیدی برای مهندسین محیط زیست در بهبود آلودگی محیط زیست محسوب می­ شود. پیشرفت­های علم نانو و مهندسی آن نشان می­دهد که بسیاری از مشکلات رایج مرتبط با کیفیت آب توسط نانو ذرات و سایر محصولات و پروسه­های منتج از نانو تکنولوژی برطرف می­ شود یا به مقدار زیادی بهبود می­یابد.
مصرف و دور­ریزی مواد نانو کم‌ترین زیان را به محیط زیست وارد می­سازد و به همین دلیل استفاده از آن‌ها به خودی خود یکی از روش­های موثر در جلوگیری از آلودگی است. استفاده از کاتالیزور­های نانو که در ساخت مواد شیمیایی به کار می­روند موجب بهبود و تسریع در واکنش­ها شده و کم‌ترین مواد زاید را تولید می­ کند. با این همه نباید از نظر دور داشت که این تکنولوژی نیز می ­تواند مواد جدید زیان­آور ناشناخته­ای را در محیط زیست وارد کند که پیش از این وجود نداشته است.
یکی دیگر از کاربرد­های نانو­تکنولوژی، ترمیم آلودگی­های مختلف است. مواد نانویی که با نور و نیمه هادی­هایی مانند تیتانیوم دی­اکسید و روی اکسید فعال می­شوند در بسیاری از موارد برای برداشتن مواد سمی مورد استفاده قرار گرفته­اند. این مواد در حال حاضر با قیمت مناسب به صورت تجاری تولید می­شوند و دارای کم‌ترین میزان مسمومیت هستند.
بدیهی است هر پدیده جدید می ­تواند مانند شمشیری دو لبه عمل کند. یعنی علاوه بر داشتن امتیازات متعدد ممکن است معایبی را هم در بر داشته باشد. هم­اکنون تحقیقاتی در مورد مشکلات زیست محیطی و آثار این مواد شروع شده است. ویژگی­هایی مانند اندازه کوچک، سطح تماس بسیار، ساختار کریستالی و در نتیجه واکنش­های سریع می­توانند موجب حمل مواد سمی به محیط زیست شده و سبب ایجاد واکنش ضایعات بیولوژیکی و شیمیایی با سایر عناصر در محیط زیست شود.
تاکنون تعداد اندکی از دانشمندان و ‌آزمایشگاه­های تحقیقاتی در مورد آثار منفی این مواد به محیط زیست تحقیق و بررسی کرده ­اند و می­توان گفت علی­رغم کاربرد­های بسیار موثر این مواد، تأثیر آن‌ها بر محیط زیست، هنوز نامشخص است. چندین نانو ماده طبیعی و مهندسی شده دارای خاصیت ضد میکروبی^[۲] بالا، توسط مکانیسم­های مختلفی مانند آسیب به ترکیبات سلول­ها و ویروس­ها و جلوگیری از فعالیت آنزیمی می‌باشند. استفاده از TiO₂ برای بهبود فرایند تصفیه و خالص سازی آب از سال ۱۹۷۲ مورد توجه واقع شده است ]۵[.
از آنجا که فوتوکاتالیزور­های مورد استفاده در این تحقیق از نظر اندازه در مقیاس نانو قرار دارند، بنابراین در ادامه توضیحاتی در رابطه با نانو­تکنولوژی^[۳] و نانو­فوتوکاتالیست^[۴] آورده شده است.
۱-۲- نانو­تکنولوژی
نانو­تکنولوژی مهندسی هدفمند مواد در ابعاد کوچک‌تر از ۱۰۰ nm جهت رسیدن به خواص و کاربرد­های وابسته به اندازه ذره می­باشد. از نظر تاریخی، چهل سال قبل نظریه پرداز کوانتوم و برنده جایزه نوبل، ریچارد فایمن^[۵]، در سال ۱۹۵۹ در سخنرانی معروف خود تحت عنوان آن پایین فضای بسیاری وجود دارد، به بررسی بعد نیافته­ای از علم پرداخت و جرقه­های رویکرد به سمت فناوری­های ریز را بنیان نهاد.
شاید در اذهان این سوال ایجاد گردد که چرا مقیاس نانو­متری این قدر اهمیت دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن بنا گذاری شده است؟
نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد یکی از مهم­ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو می­باشد. در مقیاس نانو­متری، رفتار سطوح بر رفتار توده­ای ماده غالب می­ شود.
۱-۲-۱- روش­های ساخت مواد نانو
روش­های ساخت مواد نانویی را می­توان در دو مقوله کلی دسته بندی کرد:
۱) بالا به پایین: عبارتست از روش خرد کردن یک تکه از ماده به وسیله بریدن و کوچک کردن آن به ابعادی که می­خواهیم. در واقع این امکان وجود دارد که مواد را آنقدر تجزیه کنیم تا در حد نانو­متری برسند یعنی در حد ^۹-۱۰ متر. امروزه این عمل توسط شکست فیزیکی و شیمیایی انجام­پذیر می­باشد.
۲) پایین به بالا: در طی این روش ساخت، اتم­ها و مولکول­ها به طور خیلی دقیق کنار هم قرار داده می­شوند تا به یک ساختار نانویی برسیم، که این به واسطه خاصیت خود­­آرایی قابل حصول می­باشد.
به منظور بدست آوردن خواص ویژه نانو ذرات روش­های متفاوتی به کار گرفته می­شوند. این روش­ها به چهار گروه عمده تقسیم ­بندی می­شوند که عبارتند از:
۱) پروسه­های فاز گازی شامل تولید با پیرولیز شعله،^[۶] تبخیر در دمای بالا^[۷] و پلاسما^[۸].
۲) رسوب دهی فاز بخار^[۹].
۳) روش­های فاز مایع یا کلوئید که در آن واکنش­های شیمیایی در حلال، باعث تشکیل کلوئید می­ شود.
۴) پروسه­های مکانیکی شامل سایش، آسیاب کردن و آلیاژ­سازی ]۱۸-۶[.
۱-۳- خواص نانو ذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانو ذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی رو­برو می­شویم که دو مورد مهم از آن‌ها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی. افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می­دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم­های واقع در سطح ذره به رفتار اتم­های درونی می­ شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می­ گذارد. افزایش سطح، واکنش­پذیری نانو ذرات را به شدت افزایش می­دهد زیرا تعداد مولکول­ها یا اتم­های موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتم­ها یا مولکول­های موجود در توده نمونه بسیار زیاد است، به گونه ­ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه­ای شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانو ذرات فلزی، به محض قرار­گیری در هوا، به سرعت اکسید می­شوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانو ذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، یک پایدار­کننده را بایستی به آن‌ها اضافه کرد که آن‌ها را قادر می­سازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند. البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور­ها و ساختار­هایی همچون الکترود­ها می­باشد. به عنوان مثال با بهره گرفتن از این خاصیت می­توان کارایی کاتالیزور­های شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود داد. کوچک­تر بودن ابعاد نانو ذرات نسبت به طول موج بحرانی نور، آن‌ها را نا­مرئی و شفاف می­نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانو ذرات برای مصارفی چون بسته­بندی، مواد آرایشی و روکش­ها مناسب باشند. مواد در مقیاس نانو، رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده­ای از خود بروز می‌دهند. با کوچک­تر شدن ذرات خواص نیز تغییر خواهد کرد. مثلاً فلزات، سخت­تر و سرامیک نرم­تر می­ شود. بر خی از ویژگی­های نانو ذرات در جدول ۱ به طور خلاصه آمده است:
جدول۱-۱- بیان برخی ویژگی­های فیزیکی و شیمیایی نانو­ذارت