امروزه به دليل صنعتي شدن جوامع و لزوم استفاده هرچه بيشتر از سوخت‌‌ها و به همراه آن رسوب آلاینده ‌های زیستی بر روی سطوح بتنی، آجر، سرامیک و شیشه‌‌های ساختمان‌‌ها، چهره‌ی اكثر شهر‌هاي دنيا کدر و كثيف شده است. به تناسب پيشرفت جوامع و با پیشرفت علم و تکنولوژی، مسئولین و پژوهشگران به دنبال راه حل ‌هایی برای رفع این مشکل بوده اند. در این زمینه ساخت پوشش ‌ها‌ی خود تمیز شونده توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با توجه به اهمیت موضوع آلودگی شهر اصفهان و آلودگی‌‌های اعلام شده‌ی اخیر از سوی ایستگاه‌‌های هواشناسی استان اصفهان استفاده از مواد خود تمیز شونده بیش از پیش مورد نیاز است، چرا که همواره پیشگیری بهتر از درمان است.

    امروزه به دليل صنعتي شدن جوامع و لزوم استفاده هرچه بيشتر از سوخت‌‌ها و به همراه آن رسوب آلاینده ‌های زیستی بر روی سطوح بتنی، آجر، سرامیک و شیشه‌‌های ساختمان‌‌ها، چهره‌ی اكثر شهر‌هاي دنيا کدر و كثيف شده است. به تناسب پيشرفت جوامع و با پیشرفت علم و تکنولوژی، مسئولین و پژوهشگران به دنبال راه حل ‌هایی برای رفع این مشکل بوده اند. در این زمینه ساخت پوشش ‌ها‌ی خود تمیز شونده توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با توجه به اهمیت موضوع آلودگی شهر اصفهان و آلودگی‌‌های اعلام شده‌ی اخیر از سوی ایستگاه‌‌های هواشناسی استان اصفهان استفاده از مواد خود تمیز شونده بیش از پیش مورد نیاز است، چرا که همواره پیشگیری بهتر از درمان است.

به منظور کاستن از هزینه‌‌های نگهداری و تمیز کردن سطوح، فناوری نانو برای ایجاد مکانی دارای سطوح خود تمیز شونده و آسان تمیز شونده پا به این عرصه نهاده است، که با استقبال چشمگیری از سوی طراحان، سازندگان و مالکان مواجه شده است. خود تمیزشونده به این معنا نیست که سطوح هرگز نیاز به تمیز کردن ندارند گرچه ممکن است بازه‌‌های زمانی نظافت سطوح را افزایش دهد و در نهایت مدیریت حفظ و نگهداری سطوح را بهبود می‌بخشد.

سطوح خود تمیز شونده در دو نوع دارای ویژگی آب گریزی و دارای ویژگی آب دوستی تقسیم بندی می‌شوند.گروه اول ویژگی خودتمیز شوندگی آبگریز را از گیا‌هانی نظیر نیلوفر آبی، برگ گیاه سدر و لوتوس الهام گرفته اند. ویژگی مشترک تمامی آنها این است که همه آنها دافع آب می‌باشند، آب بر روی این سطوح قطرات کوچکی را تشکیل می‌دهد و از برگ‌‌ها می‌ریزد و با خود تمام آلودگی‌‌های ته‌نشین شده را می‌برد. این سطوح با وجود دارا بودن خاصیت آبگریزی و شستن سطح توسط قطرات آب، دارای نقص عدم تخریب آلاینده ‌های قوی نیز هستند. البته نمونه‌های گیاهی به علت عمل کلروفیل گیا‌هان، آلاینده‌‌ها را تخریب می‌کنند اما سطوح ساخته شده‌ی بشری که فقط آبگریز باشند اگر خاصیت فتوکاتالیستی نداشته باشند در صورتی که آلاینده ‌های چرب روی آنها بنشیند بازده خودتمیزشوندگی آنها کاهش می‌یابد زیرا این سطوح تاثیری بر تجزیه و تخریب آلاینده‌‌ها ندارند و خود تمیزشوندگی آنها فقط مربوط به آبگریز بودن و عدم چسبیدن ذرات هیدرولیکی روی سطح آن است.

گروه دوم خود تمیزشونده ‌های آبدوست فتوکاتالیتیک هستند. این سطوح دارای دو مشخصه‌ی آبدوستی و فتوکاتالیستی (تخریب و تجزیه‌ی آلاینده‌‌ها در اثر پرتو دهی نور) هستند. عملکرد این سطوح به این صورت است که آنها آلاینده‌ی نشسته روی سطح خود را تجزیه کرده و در اثر خاصیت آبدوستی سطح خود را از باقیمانده‌‌ها پاک می‌کند. برای ایجاد چنین سطوحی با این کارایی به نور، اکسیژن و رطوبت نیاز داریم، نور و اکسیژن که بصورت طبیعی وجود دارد. این نوع خودتمیز شونده‌‌ها یکی از پرکاربردترین‌ها در صنعت نما و ساختمان هستند. تمامی مراحل زیر به صورت خودکار توسط پوشش ‌های خود تمیز شونده انجام می‌شود.           

مرحله اول: نانو ذره موجود در نانو پوشش خود تمیز شونده با تابش اشعه فرابنفش خورشید با آلودگی ‌های روی سطح شروع به انجام واکنش می‌کند و از این طریق آلودگی ‌های موجود را تجزیه می‌کند. این عمل موجب جدا شدن این آلودگی‌‌ها از روی سطح می‌شود. مرحله دوم: سطح پوشش داده شده، از خاصیت آبدوستی برخوردار است. بنابراین آب بر روی این سطوح به شکل قطره در نمی‌آید بلکه یک لایه نازک (فیلم) از آب تمام سطح را می‌پوشاند. مرحله سوم: لایه آلودگی که بر اثر خاصیت فتوکاتالیستی پوشش نانو از سطح جدا شده بود اکنون لایه نازک آب زیر آن نفوذ می‌کند و تمام آلودگی‌‌ها را از روی سطح می‌شوید. به دلیل گسترش روز افزون جمعیت ساکن بر روی کره زمین و در پی آن افزایش آلودگی‌ها، می‌توان با به کارگیری و اسپری نمودن این مواد بر روی سطوح خارجی ساختمان‌ها آلودگی‌‌هایی مانند گرد و غبار و ذرات همراه باران که باعث کثیف شدن سطوح می‌شود، را تجزیه کرد.

طی چند دهه‌ی اخیر، نیمه ‌هادی ‌های اکسید‌های فلزی به علت کاربرد بالقوه درخواص فوتوکاتالیستی و تخریب آلاینده‎‌های آلی و غیرآلی محیط زیست، توجه شدیدی را به خود جلب کرده‎اند.در این میان دی اکسید تیتانیوم (TiO2) از دو دهه قبل به عنوان یک فوتوکاتالیست مؤثر شناخته شد. می‌توان گفت از زمان كشف اثرحساسيت نوري ماده TiO2 توسط فوجي شيما و هوندا در سال 1972 ميلادي، خاصيت فتوكاتاليستي TiO2 بطور گسترده مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفت. امروزه برای اين ماده كاربرد‌هاي زيادي از جمله سطوح خود تميز شونده، تصفيه آب، سطوح ضد باكتري، استفاده در سلول‌هاي فتوالكتروشيميايي، پیل‌های سوختی، الكترونيك، انرژي، سنسور‌ها و... مطرح شده است. تحقيقات بسياري نيز در راستاي بهبود خاصيت فتو كاتاليستي اين ماده در حال انجام است. دي‌اکسيد تيتانيوم به دليل دارا بودن خواصي چون خنثي بودن از نظر شيميايي، پايداري بالا، ارزان قيمت بودن و برگشت پذير بودن خاصيت فتوکاتاليستي آن با دريافت دوباره نور، به عنوان يک فتوکاتاليست بسيار مناسب در کاربرد‌های مختلف نظیر خودتمیزشوندگی شناخته شده است.خاصيت آبدوستي نیز براي اولين بار در ذرات TiO2 مشاهده شده و تاکنون نيز عمده توجهات بر اين ماده متمرکز بوده است. اين خاصيت در اثر تابش نور ماوراء بنفش به دي‌اکسيد تيتانيوم به وجود مي‌آيد. اما باید در نظر داشت که باند ممنوعه‌ی پهن TiO2 (ev2/3≈) کاربرد‌های تکنولوژیکی گستردة آن را دچار مشکل کرده، زیرا فقط در برابر پرتو‌های ماوراء بنفش ((nm365 <λ وUV) فعالیت فوتوکاتالیستی ارائه می‎دهد. برای اینکه یک فوتوکاتالیست در نورخورشید به کار رود، باید جذب نور در محدودة مرئی داشته باشد. این می‎تواند توسط کاهش باند ممنوعه مواد در دسترس مثل TiO2و تغییرات ساختاری آ نها به دست آید. علاوه بر اینکه TiO2 به علت باند ممنوعه بزرگ فقط در محدودة UV فعال می‎شود، ساختار آن به گونه‎ای است که جفت الکترون- حفرة تهییج شده توسط نور UV به راحتی با هم جفت‌گیری مجدد می‎کنند و این سبب می‎شود خواص فوتوکاتالیستی TiO2 کمرنگ شود. روش‌هائی که برای بهبود خواص فوتوکاتالیستی آن وجود دارند، عبارتند ازدوپ (نفوذ درون ساختاری) فلزات و غیرفلزات و اتصال سیستم‎‌های نیمه ‌هادی به یکدیگر و غیره.

دوپ نیتروژن(N) اثرات مفیدی را به همراه دارد، زیرا تراز‌های انرژی آن در واکنش مشارکت می‎کند تا باند ممنوعه‌ی ترکیب دی‌اکسید تیتانیوم دوپ شده را کاهش دهد. از طرف دیگر به کار بردن غیر فلزاتی نظیر نیتروژن مقرون به صرفه تر از عناصر گران قیمت است. همان طور که می‎دانیم در موارد زیادی پوشش ‌های نازک فوتوکاتالیستی نسبت به فوتوکاتالیست‎‌های پودری پرکاربردتر می‎باشند. در هر دو مورد روش آماده سازی پودر و پوشش دهی سل-ژل یکی از روش‌های مفید می‌باشد. زیرا می‎توان ریز ساختار را با تغییر در ترکیب محلول و شرایط رسوب دهی به راحتی کنترل کرد و علاوه بر آن بر اساس این روش می‌توان پوشش‎‌های TiO2 با ذرات نانو فراهم کرد. نانو شدن سایز ذرات به علت افزایش سطح مخصوص، خاصیت فوتوکاتالیستی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. علاوه بر این پوشش ‌های نازک حاوی نانو ذرات در زمینه‌ی آبدوستی سطح نیز نقش به سزایی دارند. بنابراین تهیه‌ی پوشش ‌های نازک حاوی نانوذرات TiO2 خالص و دوپ شده با نیتروژن خاصیت خودتمیز شوندگی را ایجاد و بهبود می‌بخشد.

در این پروژه به منظور ایجاد پوشش ‌های خود تمیز شونده از پوشش ‌های نازک حاوی نانو ذراتTiO2و TiO2دوپ شده با N استفاده شده است. ابتدا پودر نانو ذرات به روش سل-ژل سنتز، آماده سازی و حرارت دهی شد، سپس با روش پوشش دهی پاششی بر روی پایه ‌های بتنی اعمال گردید.

در نهایت نانو ذرات و پوشش ‌های نازک حاوی نانو ذرات مورد ارزیابی خواص قرار گرفتند تا نتایج آنها با یکدیگر و با نمونه‌ی بتنی بدون پوشش مقایسه گردد. برای این منظور از دستگاه‌هایی نظیر پراش سنج اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، دستگاه Contact angle و همینطور طیف سنج UV-Vis برای ارزیابی خاصیت فوتوکاتالیستی نمونه‌‌ها و اندازه گیری میزان تخریب آلاینده‌ی متیل اورنج تحت پرتودهی استفاده شد. در مرحله آخر نیز خود تمیز شوندگی نمونه ‌های بتنی پوشش دار و بدون پوشش توسط تست با دوده‌، با یکدیگر مقایسه شدند. بر اساس نتایج بدست آمده از آنالیز فازی مشخص شد که در هر دو نوع نمونه فاز آناتاز (فاز مورد نظر دارای خاصیت فتوکاتالیست بهتر نسبت به دیگر فازهای تیتانیا) تشکیل شده است و مشخص شد که سایز کریستالیت‌‌های فاز آناتاز حدود nm 8 است. از طرف دیگر بر اساس تصاویر میکروسکوپی مشخص شد که، سطوح بتنی و شیشه‌ای کاملا توسط نانو ذرات به صورت یکنواخت و کامل پوشش دهی شده است و سایز نانو ذرات تشکیل شده بر روی سطوح حدود nm 20 است. از طرف دیگر توسط آنالیز عنصری نمونه‌‌ها عناصر موجود در هر یک از ترکیبات TiO2 (تیتانیای خالص) و N-TiO2 (تیتانیای دوپ شده با نیتروژن) شناسایی شد و مشخص شد که توزیع عناصر تشکیل دهنده‌ی نانو ذرات از جمله Ti، O و N در همه جای سطح نمونه به صورت یکنواخت است.از طرف دیگر بر اساس تست آبدوستی و اندازه‌گیری زاویه تماس آب با سطح نمونه‌‌ها در شرایط بدون نور و در حضور نور UV و مرئی، مشخص شد که پوشش ‌های نانو ذرات TiO2 (تیتانیای خالص) در برابر نورUV  و مرئی دارای خاصیت آبدوستی‌ست و این خاصیت در شرایط نورUV  بهتر از مرئی عمل می‌کند. در ادامه نتایج پوشش ‌های نانو ذراتN-TiO2 (تیتانیای دوپ شده با نیتروژن) نشان داد که این نمونه در برابر نور UV دارای خاصیت فوق آبدوستی و در برابر نور مرئی دارای خاصیت آبدوستی خیلی بهتری نسبت به نمونه‌ی TiO2 (تیتانیای خالص) است. تست فتوکاتالیستی انجام شده بر روی نمونه‌‌ها در شرایط نور دهی متناسب با نور خورشید (تلفیق مرئی و UV به منظور تخریب آلاینده‌ی متیل اورنج انجام گرفت. نتایج تست نشان داد که هر دو پوشش نانو ذرات TiO2 (تیتانیای خالص) و N-TiO2 (تیتانیای دوپ شده با نیتروژن) دارای خاصیت فتوکاتالیستی و اثر تخریب کنندگی متیل اورنج هستند، اما نمونه‌ی N-TiO2 (تیتانیای دوپ شده با نیتروژن) خیلی سریعتر و موثرتر از نمونه‌ی TiO2 (تیتانیای خالص) عمل می‌کند و می‌تواند در کمتر از 2 ساعت حدود 90% از متیل اورنج را تخریب کند.تست خودتمیز شوندگی نمونه ‌ها نشان داد که همگی سطوح پوشش‌دار نسبت به نمونه‌ی بدون پوشش دارای خودتمیزشوندگی هستند و نمونه‌‌های دارای پوشش نانو ذرات تیتانیای دوپ شده با نیتروژن (N-TiO2) نسبت به نمونه‌‌های پوشش دار با نانو ذرات تیتانیای خالص (TiO2)، خودتمیزشوندگی بهتری دارند و حتی نمونه‌ی یکبار پوشش دهی شده به علت دارا بودن ذرات نانو و عدم آگلومراسیون، نسبت به سایر نمونه ‌ها نتایج خود تمیز شوندگی بهتری دارد. بر اساس پژوهش انجام گرفته با هدف ایجاد پوشش خود تمیزشونده بر روی سطوح بتنی،سنتز نانو مواد به روش سل-ژل اانجام شد و با روش ‌های پوشش‌دهی پاششی و غوطه وری، پوشش ‌های نانو ذرات TiO2 (تیتانیای خالص) و N-TiO2 (تیتانیای دوپ شده با نیتروژن) بر روی سطوح بتنی و شیشه ای اعمال گردید. در کل نتایج نمونه‌‌ها حاکی از تشکیل نانوذرات و پوشش ‌های کامل و یکنواخت با خاصیت خود تمیز شوندگی بر روی پایه‌‌هاست، مقایسه‌ی نتایج مشخص می‌کند که دوپ نیتروژن درون تیتانیا به مقدار قابل توجهی خواص آبدوستی، فتوکاتالیستی و خود تمیز شوندگی تیتانیا را در حضور نور مرئی بهبود می‌بخشد.

كد محتوا:5153