کاربرد مواد فوتوکاتالیستی در تصفیه آب

1- مقدمه

فرآیند تصفیه آب را هنگامی می­‎توان ایده­‎آل و کاربردی نامید که مقرون به صرفه­ باشد،  قابلیت حذف کامل  گونه­‎های سمی موجود در آب را داشته­‌باشد و حین فرآیند تصفیه، محصولات جانبی خطرناک تولید نکند. روش‎­­های موجود برای تصفیه آب از جمله روش­‌های زیستی، تصفیه به کمک هوا (air stripping)، استفاده از کربن فعال گرانولی (granulated activated carbon) به‌عنوان جاذب، سوزاندن (incineration) و استفاده از گاز اُزن (ozonation) معایبی دارند که کاربرد آن‎­ها را برای حذف آلاینده­‎های سمی با محدودیت مواجه می­‎سازند. دلیل محدودیت آن‎­ها این است که این روش‎­ها به­‎طور معمول گران­‎قیمت هستند و قابلیت تخریب تمام ترکیبات سمی را ندارند. همچنین، برخی ترکیبات مقاومت بالایی در برابر تخریب زیستی دارند. استفاده از گاز اُزن نیز تخریبی جزئی در ترکیبات سمی ایجاد می­‌کند و همچنین محصولات جانبی سمی نیز حین فرآیند تولید می­‎شوند. روش فوتوکاتالیستی زیرمجموعه­‌ای از  فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) است که در آن آلاینده­‎های سمی توسط تخریب نوری از بین می­‌روند. استفاده از روش فوتوکاتالیستی در مقایسه با دیگر روش‎های تصفیه آب برتری­‎هایی دارد که از جمله آن­‌ها می­‌توان به مواردی چون تخریب کامل مواد شیمیایی و تبدیل آن‎­ها به گونه‎­های شیمیایی کم ­ضرر CO₂ و H₂O، تخریب ترکیبات بسیار پایدار، عملکرد بسیار خوب در دما و فشار محیط، عدم نیاز به تزریق گاز اکسیژن، نبود آلودگی در محصول نهایی و همچنین اقتصادی­ و پیشرفته بودن اشاره کرد.

مواد فوتوکاتالیست به‌طور عمده اکسید‌های جامد نیمه­‎رسانا هستند که تحت تابش نور با انرژی کافی فعال می‌شوند. در سال‌های اخیر، کاربرد مواد نیمه‎­رسانا به‌عنوان ماده فوتوکاتالیست در تخریب آلودگی‌های آلی بسیار گسترش یافته است. به منظور بهبود خواص فوتوکاتالیستی، امروزه از مواد فوتوکاتالیست با اندازه ذراتی در مقیاس نانومتر استفاده می­‎شود، زیرا خاصیت کاتالیستی ماده نه تنها به نوع ماده بلکه به اندازه­ ذرات آن نیز وابسته است و مواد در مقیاس نانو می‌توانند رفتارهای متفاوتی در مقایسه با مواد به شکل انبوه از خود نشان دهند. افزایش خاصیت کاتالیستی ماده در مقیاس نانو را می­‎توان به این صورت شرح داد که با کوچک‌ شدن ابعاد، تعداد اتم‌های بیشتری در سطح قرار می‌گیرند و در نتیجه، نسبت سطح به حجم افزایش می‌یابد و به‌دنبال آن خاصیت کاتالیستی ماده نیز افزایش می‌­یابد. جهت دستیابی به خواص فوتوکاتالیستی بهینه در مقیاس نانو، اندازه بهینه­‎ای برای نانومواد وجود دارد که در صورت کمتر بودن اندازه ماده از این اندازه ایده‎آل، جفت‎شدگی سطحی بین الکترون و حفره رخ می‎­دهد. در این حالت، پیش از انتقال جفت‌های الکترون-حفره به سطح، جفت­‎شدگی در سطح صورت می‎گیرد.

در یک اتم منفرد، الکترون­‌ها سطوح انرژی گسسته­­‎ای را اشغال می‎­کنند. اما در یک بلور، سطوح انرژی بسیار نزدیک به یکدیگر هستند و نواری پیوسته از انرژی را تشکیل می‎­دهند که هر یک از این سطوح مربوط به هر یک از اتم­‎های بلور است. در یک فلز (یا رسانا)،  بالاترین نوار انرژی نیمه­‎پر است و الکترون­‎های آن به انرژی بسیار کمی نیاز دارند تا به قسمت خالی نوار برانگیخته­ شوند. منشأ رسانایی الکتریکی فلزات در دمای اتاق نیز به همین دلیل است. در مواد عایق و نیمه­‎رسانا، الکترون­‎های ظرفیت ماده به‌طور کامل نوار را پوشش می­‎دهند که به آن نوار ظرفیت گفته­ می­‎شود. در حالی که نوار با بالاترین انرژی (نوار رسانش یا هدایت) خالی از الکترون است (حداقل در دمای صفر کلوین).

شکل 1، شمایی از سازوکار فرآیند فوتوکاتالیستی را نشان می­‎دهد. ماده نیمه­‌رسانا با جذب تابش موج الکترومغناطیسی با انرژی برابر یا بزرگ‌تر از شکاف انرژی (band gap) آن برانگیخته می­‌شود و به موجب آن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش انتقال می­‌یابد و در نتیجه به­ طور همزمان یک محل خالی از الکترون (⁺h) در نوار ظرفیت به نام حفره ایجاد می­‌شود. بازترکیب زوج الکترون- حفره با مسیر انتقال بار رقابت می‎­کند. حین فرآیند بازترکیب، الکترون برانگیخته ­شده انرژی اضافی خود را در قالب نشر فوتونی با انرژی تقریباً برابر با شکاف انرژی نیمه‎­رسانا آزاد می­‎کند. این انرژی اضافی می‎­تواند به‌صورت تابش گرمایی نیز آزاد شود.

2- لازمه انجام واکنش­‌های فوتوکاتالیستی

1-2- لازمه انجام واکنش­‎های فوتوکاتالیستی از دیدگاه ترمودینامیکی

لازمه انجام سه نوع واکنش فوتوکاتالیستی مرسوم (شامل شکافت آب، تخریب آلاینده­‎ها و احیا CO₂) از دیدگاه ترمودینامیکی در شکل 2 بررسی شده است. همان­طوری که در شکل (2- الف) مشخص است، برای دستیابی به فرآیند شکافت­ آب، سطوح انرژی نوار رسانش و نوار ظرفیت نیمه­­‎رسانا به­‌ترتیب باید منفی‌­تر و مثبت‌­تر از  پتانسیل­‌های کاهش و اکسایش باشند. در شکل (2- ب)، برای تخریب آلاینده­‎ها، گونه­‎های فعال اکسنده باید به‎­وسیله کاهش O₂ تولید شوند. واکنش کاهش O₂ یا توسط الکترون‎­های برانگیخته در نوار رسانش یا از طریق تشکیل رادیکال­‎های هیدروکسیل توسط حفره‎­های برانگیخته­‎شده صورت می­‎گیرد. باید خاطر نشان کرد که تشکیل رادیکال­‎های ^•OH حین فرآیند اکسایش حفره­‎ها در بسیاری از نیمه­‎رساناها با سطح انرژی نامناسب نوار ظرفیت رخ نمی­‎دهد که این موضوع به‌دلیل پتانسیل اکسیداسیون بسیار بالای آن است. بنابراین، این موضوع پذیرفته ­شده است که جذب و احیا O₂ به‌عنوان مرحله تعیین­‎کننده سرعت واکنش، نقش مهمی را در فرآیندهای فوتوکاتالیستی مربوط به تخریب آلاینده­‎ها ایفا می­‎کند. رادیکال­‎های تولید­ شده قادر به اکسید‌ کردن طیف وسیعی از ترکیبات آلی و غیر‌آلی هستند. درحقیقت، بسیاری از ترکیبات آلی  توسط رادیکال هیدروکسیل می­‎توانند اکسید شوند و تبدیل به گونه­‌های CO₂ و H₂O شوند. به‌عبارتی چنین واکنش‎­هایی می­‎توانند مخرب هرگونه آلاینده‎ آلی باشند.

به­‌طور مشابه برای کاهش فوتوکاتالیستی CO₂ همان­طوری که درشکل (2- ج) مشخص است، نوار رسانش نیمه­‎رسانا­ باید منفی­‎تر از پتانسیل واکنش مورد­نظر برای دستیابی به واکنش اکسیداسیون آب باشد. به‌طور کلی، برای رسیدن به هر کدام یک از این ساز وکارها پتانسیل واکنش‌­های اکسایش و کاهش باید در محدوده سطح انرژی نوارهای ظرفیت و هدایت قرار گیرد. امکان انجام واکنش کاهش در صورتی که پتانسیل واکنش کاهش منفی­‎تر از پتانسیل نوار رسانش باشد، وجود ندارد و همچنین امکان انجام واکنش اکسایش در حالتی که پتانسیل واکنش اکسایش مثبت­‎تر از انرژی پتانسیل نوارظرفیت باشد، وجود ندارد. باید خاطرنشان کرد که تمامی پتانسیل­‎های واکنش‎­های اکسایش-کاهش و سطوح انرژی در نوارهای ظرفیت و رسانش وابستگی خطی به میزان pH با شیب 0.059- V دارند (به ­غیر از E(O₂/O₂^–) که مستقل از مقدار pH است).

2-2- لازمه انجام واکنش­‎های فوتوکاتالیستی از دیدگاه سینتیکی

علاوه­ بر خواص ترمودینامیکی مناسب شامل شکاف انرژی و سطوح نوارهای ظرفیت و رسانش، عوامل سینتیکی بسیاری در دستیابی به بازده مناسب از ماده فوتوکاتالیست نقش دارند که از جمله آن‎­ها می­‎توان به مواردی چون میزان جذب نور، بازده جدایش/انتقال بار، سینتیک جذب/نفوذ واکنش­‌دهنده‎­ها و دینامیک واکنش سطحی اشاره­ کرد. لازمه انجام واکنش­‌های فوتوکاتالیستی در فوتوکاتالیست‌­های ناهمگن از دیدگاه سینتیکی در شکل 3 آورده ­شده است. به‌طور معمول واکنش‎­های فوتوکاتالیستی در فوتوکاتالیست­‌های ناهمگن را می‎­توان به 7 مرحله  شامل (1) جذب نور، (2) برانگیختگی بار، (3) جدایش و انتقال بار، (4) واکنش­‎های احیا سطحی، (5) واکنش‎­های اکسیداسیون سطحی، (6) بازترکیب بار در توده­ ماده و (7) بازترکیب بار در سطح ماده، تقسیم­بندی کرد. این 7 مرحله را نیز می­‎توان  به سه مرحله اساسی تقسیم­‎بندی کرد: (الف) جذب فوتون‌­های تابیده ­شده (مراحل 1 و 2)، (ب) جدایش و انتقال بار (مراحل 3، 6 و 7) و (ج) شرکت­ کردن بارهای سطحی در واکنش­‌های فوتوکاتالیستی (مراحل 4 و 5).

بازده فرآیندهای فوتوکاتالیستی را می­‎توان با اندازه­‎گیری بازده فوتونی (ζ) محاسبه کرد که عبارت است از نرخ تشکیل واکنش‎­های نهایی فوتوکاتالیستی نسبت به شار اولیه فوتونی. به­ طور معمول این نسبت مقدار بسیار کمی دارد. مطالعات نشان می‌­دهد که بیشتر زوج الکترون-حفره­‎های تشکیل ­شده (در حدود 90 درصد آن­‎ها)، پس از تشکیل به سرعت بازترکیب می­‌شوند. این موضوع دلیل آهنگ پایین بازده فوتوکاتالیستی بیشتر واکنش‎­های فوتوکاتالیستی بر پایه نیمه­­‌رسانا است.

بازده کلی واکنش فوتوکاتالیستی وابسته به بازده هر یک از مراحل این واکنش است که در رابطه 1 آورده شده است.

(1)

η_c بازده تبدیل انرژی خورشید (منبع تابشی)، η_abs بازده جذب نور، η_cs بازده جدایش بار،  η_cmt بازده مهاجرت و انتقال بار و η_cu بازده میزان واکنش بار­های سطحی در فرآیندهای فوتوکاتالیستی است.

3- انواع مواد فوتوکاتالیست

نیمه­­‎رساناهای مختلفی از جمله اکسیدهای فلزی و سولفیدها (TiO₂، ZnO، Fe₂O₃، WO₃، CdS و SnO₂) به‌دلیل دارا بودن خواص الکترونی منحصر به فرد می‌­توانند به‌عنوان مواد فوتوکاتالیست عمل کنند. چنین موادی نوار ظرفیت پر و نوار رسانش خالی دارند. پتانسیل این مواد بر مبنای الکترود نرمال هیدروژن(NHE،Normal Hydrogen Electrode) در شکل 4  نشان داده­ شده است.

فوتوکاتالیست‌­های نیمه­­‌رسانا به‌دلیل دربرداشتن ویژگی‎­های ممتازی مانند الف) ارزان قیمت ­بودن، ب) غیرسمی بودن یا سمیت کم داشتن، ج) قابل تغییر­ بودن خواص (به‌عنوان نمونه می­‌توان خواص آن­‎ها را با کاهش اندازه، آلاییدن یا حساس­ کردن بهبود بخشید)، د) قابلیت شکل‌­گیری فرآیند انتقال چندالکترونه (Multielectron transfer process)  و ه) قابلیت گسترش محدوده کاربرد (بدون کاهش در فعالیت فوتوکاتالیستی) در تخریب آلاینده­‎های آلی بسیار مورد استفاده قرار می­­‎گیرند.

مواد نیمه­­‎رسانا بخش مهمی از تحقیقات در زمینه فوتوکاتالیست­‎های ناهمگن را به خود اختصاص می­‎دهند. در میان نیمه­­‌رساناهای فوتوکاتالیست اکسیدی و غیر‌اکسیدی، TiO₂ به­ دلیل دربرداشتن ویژگی­‎های ممتازی چون موقعیت مکانی مناسب نوار ظرفیت و نوار رسانش، غیر‌سمی بودن، پایداری شیمیایی خوب، کم هزینه بودن، قدرت اکسیدکنندگی بالا و مقاومت بسیار خوب نسبت به خوردگی نوری، فوتوکاتالیستی شاخص تحت تابش نور فرابنفش محسوب می­‎شود. فعالیت فوتوکاتالیستی TiO₂ وابستگی بسیاری به خواص فیزیکی و شیمیایی آن و به خصوص فازهای بلوری، سطح بیرونی بلور (Exposed crystal facet) و نقایص سطحی/توده‌­ای دارد. بسیاری از فوتوکاتالیست­‌های نیمه­‌رسانای مطرح ­شده محدودیت‌­هایی از جمله موارد زیر را دارند:

1) شکاف انرژی بزرگ که برای برانگیختگی نوری الکترون­‌ها نیاز به پرتو فرابنفش (λ < 400 nm) وجود دارد.

2) ناپایداری در محیط مایع که منجر به تجزیه ماده فوتوکاتالیست می­‌شود.

3) نرخ بالای بازترکیب الکترون-حفره.

نور فرابنفش تنها 5-4 درصد از طیف خورشیدی را تشکیل می‌­دهد، در حالی که تقریباً 40 درصد از فوتون­‌های خورشیدی در محدوده نور مریی هستند. عیب عمده TiO₂ خالص، شکاف انرژی بزرگ آن است. به­ این معنی که این فوتوکاتالیست تنها با فوتون­‎های نوری تابیده ­شده در ناحیه فرابنفش فعال می­‎شود (طول موج‌­های کمتر از 387 نانومتر). بنابراین کارایی آن را برای کاربردهای خورشیدی با محدودیت مواجه می‌­سازد. از این‎رو برای  افزایش بازده فعالیت فوتوکاتالیستی  TiO₂ در برابر تابش خورشیدی، نیاز به اصلاح نانوماده جهت جذب در ناحیه مریی وجود دارد. محققین به‌دنبال روش‎­های جدیدی برای گسترش محدوده جذب TiO₂ به محدوده نور مریی هستند. در راستای رسیدن به این هدف بایستی سه نکته کلیدی مورد توجه قرار گیرند: (1) مهندسی شکاف انرژی و کاهش آن به کمتر از 3 الکترون ولت، (2) پتانسیل مناسب نوارهای رسانش و ظرفیت و (3) تحرک بالای حامل‎­های بار درون نوارهای ظرفیت و رسانش. از جمله روش‎­هایی که برای گسترش محدوده جذب TiO₂ به ناحیه مریی به کار رفته است شامل آلاییدن با کاتیون­‌ها و آنیون­‎ها، کوپل­ کردن با نیمه‌­رسانایی با شکاف انرژی کوچک، و حساس­ کردن به کمک رنگدانه­‎ها هستند.

4- عوامل مؤثر بر تخریب فوتوکاتالیستی آلاینده­‎ها در فرآیند تصفیه آب

عوامل مختلفی در دستیابی به تخریب­ نوری کارآمد تأثیرگذار هستند که از جمله آن­‎ها می­‎توان به غلظت آلاینده، غلظت ماده فوتوکاتالیست، pH محلول، اندازه و مورفولوژی ماده کاتالیست، دمای واکنش، یون­‎های غیرآلی، شدت نور و زمان تابش‌­دهی منبع تابشی و اکسیژن محلول در آب اشاره کرد. هر یک از این موارد در ادامه به تفصیل آورده شده است.

1-4- غلظت آلاینده

میزان آلاینده جذب­ شده روی سطح ماده فوتوکاتالیست، تأثیر بسیار زیادی بر واکنش‎­های فوتوکاتالیستی دارد. تنها آلاینده­­­‎هایی که جذب سطح ماده فوتوکاتالیست شده­‎اند در واکنش‎­های فوتوکاتالیستی شرکت می‎­کنند، میزان آلاینده­ای که به‌صورت توده­‎ای در محلول وجود دارد، نقشی در آن ندارد. غلظت اولیه آلاینده­ از عوامل مهم در میزان تخریب نهایی است. به‌طور کلی می­‌توان گفت در صورت وجود غلظت ثابتی از ماده فوتوکاتالیست، با افزایش غلظت آلاینده­‌ها درصد تخریب آلاینده­‌ها کاهش می­‎یابد. با افزایش غلظت آلاینده‎ها، مواد آلی بیشتری جذب سطحی ماده فوتوکاتالیست می­‎شوند، به‌طوری که تعداد فوتون­‎های کمتری  به سطح کاتالیست می­‌رسند و بنابراین رادیکال­‎های کمتری تشکیل می­‎شوند و در نهایت درصد تخریب کاهش می‌یابد.

2-4- غلظت ماده فوتوکاتالیست

نرخ تخریب آلاینده­‌ها وابستگی بسیار بالایی به میزان غلظت ماده فوتوکاتالیست دارد. با افزایش میزان غلظت ماده فوتوکاتالیست، آهنگ تخریب نوری آلاینده­‌ها افزایش می‌­یابد. افزایش غلظت ماده فوتوکاتالیست، مکان­‎های فعال روی سطح ماده فوتوکاتالیست را افزایش می‎­دهد و بنابراین منجر به تشکیل رادیکال­‌های بیشتر و در نهایت میزان تخریب بیشتر می‌­شود. افزایش میزان غلظت ماده فوتوکاتالیست تا حدی موجب بهبود نرخ تخریب می‎­شود، اما پس از آن محلول کدر می­‌شود و مانع از رسیدن نور منبع تابشی به ماده فوتوکاتالیست خواهد شد که به‌دنبال آن نرخ تخریب کاهش می­‌یابد.

3-4- pH محلول

میزان pH محلول بر نرخ تخریب نوری آلاینده­‌ها بسیار تأثیرگذار است. تغییرات pH محلول، بارهای سطحی ذرات فوتوکاتالیست و همچنین پتانسیل واکنش‌­های کاتالیستی را تغییر می­‌دهد و در نتیجه روی میزان جذب آلاینده روی سطح تأثیر می­‎گذارد. به‌عنوان نمونه، ذرات TiO₂، همان طور که در رابطه­‎های (2) و (3) آورده شده است، در محیط اسیدی یا قلیایی به ترتیب پروتون دریافت می­‌کنند و از دست می­‌دهند.

(2)

(3)

بنابراین سطح ذرات TiO₂ در محیط اسیدی دارای بار مثبت و در محیط قلیایی دارای بار منفی خواهد بود. نانوذرات TiO₂ در محیط اسیدی فعالیت اکسید­کنندگی بالاتری از خود نشان می­‌دهند، اما یون اضافی ⁺H  می­‌تواند موجب کاهش نرخ واکنش شود. در این حالت ذره TiO₂ به‌دلیل بار مثبت سطحی خود مانند یک اسید لوئیس قوی و آلاینده دارای بار منفی مانند پایه اسید لوییس قوی رفتار می­‎کند و می‎تواند روی سطح مثبت TiO₂ جذب شود. میزان جذب آلاینده به میزان اولیه و ماهیت ماده آلاینده، مساحت سطحی ماده فوتوکاتالیست و pH محلول بستگی دارد. میزان pH محلول بار سطحی ماده فوتوکاتالیست را تعیین‌ می‎­کند. هنگامی که pH محلول در نقطه ایزوالکتریک (نقطه دارای بار صفر، Isoelectric point) باشد، میزان جذب آلاینده به سطح ماده فوتوکاتالیست به حداقل خود می‌­رسد. در pH­های کمتر از نقطه ایزوالکتریک سطح ماده فوتوکاتالیست TiO₂ دارای بار مثبت و در pH­های بالاتر آن دارای بار منفی است.

4-4- اندازه و مورفولوژی ماده فوتوکاتالیست

از آن­جا که تمام واکنش‌­های شیمیایی در سطح ماده فوتوکاتالیست رخ می‌­دهند، اندازه ذره و مورفولوژی ماده فوتوکاتالیست تأثیر مستقیمی در میزان مساحت سطحی و به‌دنبال آن نرخ تخریب فوتوکاتالیستی دارد. مواد نانوساختار با اندازه کریستالیت/اندازه دانه کمتر از 20 نانومتر، خواص فیزیکی بسیار متفاوتی از نوع توده‎­ای خود نشان می‌­دهند و بنابراین در این زمینه بسیار مورد توجه هستند. با کوچک ­شدن اندازه ذرات، مساحت سطحی ماده فوتوکاتالیست افزایش می­‎یابد و قابلیت بیشتری برای جذب آلاینده‌­ها و فوتون‌­های بیشتر را خواهد داشت.

5-4- دمای واکنش

افزایش میزان دمای واکنش به‌طور معمول موجب افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی می‌­شود، اما دمای واکنش بالاتر از 80 درجه سانتی­­گراد علاوه بر این­که موجب افزایش میزان بازترکیب حامل­‌های بار می­‎شود، مانع جذب آلاینده­‌ها روی سطح ماده فوتوکاتالیست نیز خواهد شد. دمای واکنش پایین­‎تر از 80 درجه سانتی­گراد برای جذب آلاینده روی سطح فوتوکاتالیست مطلوب است اما با کاهش بیشتر دما تا صفر درجه سانتی­گراد انرژی فعال­‎سازی واکنش‌­های فوتوکاتالیستی افزایش می­‎یابد. بنابراین محدوده دمایی 80-20 درجه سانتی­گراد به‌عنوان محدوده دمایی مطلوب برای تخریب نوری آلاینده­‎ها در نظر گرفته­ می­‎شود.

6-4- یون­‎های غیر‌آلی

انواعی از یون­‎های غیر‌آلی موجود در آب آلوده از جمله یون­‎های منگنز، آهن، روی، مس، فسفات، نیترات، سولفات و کلراید می­‌توانند روی نرخ تخریب فوتوکاتالیستی آلاینده­‌های آلی تأثیرگذار باشند زیرا این یون­‎ها می­‎توانند جذب سطحی ماده فوتوکاتالیست شوند. مطالعات گوناگونی در مورد تأثیر یون­‎های غیرآلی بر میزان تخریب فوتوکاتالیستی آلاینده­‌ها روی سطح TiO₂ انجام شده است، نتایج این مطالعات نشان می­‎دهد برخی از کاتیون­‎ها مانند مس، آهن و فسفات اگر در غلظت­‌های مشخصی وجود داشته باشند، بازده تخریب نوری را کاهش می­‌دهند، در حالی که کلسیم، منگنز و روی تأثیر کمی بر نرخ تخریب نوری دارند زیرا این کاتیون­‌ها در بیشترین میزان درجه اکسایش خود وجود دارند و نقش بازدارنده در فرآیند تخریب را ایفا نمی‎­کنند. آنیون­‎های غیرآلی مانند نیترات، کلراید، کربنات­‎ها و سولفات‎­ها فعالیت سطح ماده فوتوکاتالیست را متوقف می­‎کنند. وجود نمک‌­ها، پایداری کلوئیدی را کم می‎کند، انتقال جرم را افزایش می­‎دهد و تماس سطحی بین آلاینده و ماده فوتوکاتالیست را کاهش می­‎دهد. یون کلر نیز رادیکال ^•OH را به دام می‎­اندازد.

7-4- شدت نور و زمان تابش‎­دهی منبع تابشی

هر دو عامل شدت نور و زمان تابش روی تخریب آلاینده­‎ها تأثیرگذار است. در شدت‎­های نوری پایین 20-0 (mW/cm²) ، با افزایش شدت نور، نرخ تخریب آلاینده­‌ها افزایش می­‌یابد. در حالی که در شدت­‎های متوسط نور 25 (mW/cm²) نرخ تخریب وابسته به جذر شدت منبع نوری است. در شدت­‎های بالای منبع نوری، نرخ تخریب وابسته به شدت نوری نیست، زیرا در واکنش­‎هایی که در شدت منبع نوری کم انجام می­‎شود، تشکیل الکترون-حفره غالب است و میزان بازترکیب الکترون-حفره ناچیز است. از طرف دیگر، هنگامی که شدت منبع نوری افزایش می‎­یابد، جدایش زوج الکترون- حفره با بازترکیب آن­‎ها رقابت می­‎کند، بنابراین تأثیر کمتری بر نرخ واکنش تخریب خواهد داشت.

8-4- اکسیژن محلول در آب

اکسیژن محلول در آب در واکنش‌­های فوتوکاتالیستی نقش الکترون­گیرنده را دارد. این گونه الکترون برانگیخته­ شده به نوار هدایت را به دام اندازد و از بازترکیب آن جلوگیری کند. اکسیژن محلول در آب تأثیری روی میزان جذب آلاینده­‌ها روی سطح کاتالیست TiO₂ ندارد و در واقع نقش پایدارکننده رادیکال­‎های حد واسط را ایفا می­‌کند.

5- رآکتور فرآیندهای فوتوکاتالیستی

انواعی از رآکتورهای فوتوکاتالیستی وجود دارد که انتخاب نوع آن بنا بر شرایط آزمایش و کاربرد آن صورت می­‎گیرد. به‌طور کلی می­‎توان آن‎­ها را به دو دسته تقسیم‎­بندی کرد. در حالت اول سوسپانسیونی از ماده کاتالیست استفاده می­‎شود و در حالت دوم لایه نازکی از ماده کاتالیست به کار می­‎رود. رآکتورهایی که سوسپانسیونی از ماده فوتوکاتالیست را به کار می‎­برند نسبت به رآکتورهایی که از لایه نازک استفاده می­‎کنند ارجحیت بیشتری دارند که به‌دلیل مساحت سطحی بالا ماده فوتوکاتالیست در تماس با مواد آلاینده است. در این حالت، تعداد فوتون­‎های بیشتری به ماده کاتالیست برخورد می­‎کند و منجر به ظرفیت بالای جذب می­‎شود.

در مسیر توسعه رآکتورهای فوتوکاتالیستی کارآمد، طراحی مؤثر رآکتورها برای کاربردهای صنعتی و تجاری، چالشی بزرگ محسوب می­‎شود. به منظور دستیابی به رآکتور تجاری کارآمد، انواعی از عوامل مؤثر در طراحی باید در نظر گرفته ­شوند، از جمله آن­‎ها می‎­توان به مواردی از جمله  انتخاب منبع تابشی شامل توان خروجی، کارآیی منبع، توزیع طیفی، هندسه، ابعاد، نگهداری از تجهیزات (دوره­‎های گرمایشی و سرمایشی) و همچنین طراحی ادوات تابشی رآکتور شامل آینه­‎ها، منعکس‎­کننده­‎ها و پنجره‎­ها، مواد سازنده آن­‎ها، شکل و ابعاد لامپ­‌ها و ماده فوتوکاتالیست اشاره کرد.

ارزیابی نور منبع تابشی و نحوه توزیع آن درون رآکتور فوتوکاتالیستی برای برون­‌یابی نتایج آزمایشگاهی به کاربردهای در مقیاس­‌های بزرگ و مقایسه میزان بهره­‌وری در بارگذاری‌­های مختلف بسیار اساسی است. نمونه­‌ای از یک رآکتور فوتوکاتالیستی در شکل 5 نشان داده شده است.

نتیجه ­‎گیری

روش فوتوکاتالیستی در میان انواع روش­‌های فیزیکی و شیمیایی حذف آلودگی­‎های زیست­‎محیطی، روشی کارآمد و مقرون به صرفه برای پاک‎سازی محیط­زیست و به خصوص برای تصفیه آب محسوب می­‌شود. از آن جا که در کشورمان ایران حدود دو سوم از سال (حدود 300 روز از سال) آفتابی است، می­‎توان از  انرژی خورشیدی به‌عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر و بی‎نهایت در این زمینه بهره کافی را برد. برای تخریب آلاینده­‌ها به روش فوتوکاتالیستی، لازم است ابتدا ماده فوتوکاتالیست و واکنش­‎های آن از دو دیدگاه ترمودینامیکی و سینتیکی بررسی شوند و در صورت نیاز به بالا بردن آهنگ تخریب می‎­توان خواص ماده فوتوکاتالیست را به روش­‎های گوناگونی چون آلاییدن با عناصر دیگر، کوپل کردن با نیمه­­‌رسانا و حساس ­کردن با رنگدانه­‎ها بهبود بخشید. عوامل مختلفی بر در دستیابی به تخریب فوتوکاتالیستی کارآمد تأثیرگذار است که از جمله آن­‎ها می­‎توان به غلظت آلاینده، غلظت ماده فوتوکاتالیست، pH محلول، اندازه و مورفولوژی ماده کاتالیست، دمای واکنش، یون­‎های غیرآلی، شدت نور و زمان تابش‎­دهی منبع تابشی و اکسیژن محلول در آب اشاره کرد. انواعی از رآکتورهای فوتوکاتالیستی با طراحی‎­های گوناگون وجود دارند که به منظور دستیابی به رآکتوری در مقیاس بزرگ و کارآمد باید عوامل گوناگونی از جمله منبع تابشی، ادوات منبع تابشی شامل لامپ­‌ها، منعکس­‌کننده­‌ها و هندسه آن­‎ها بهینه شوند.