۱-۹-۱- مکانیزم­ های جذب سطحی
دو مکانیزم اصلی برای جذب سطحی وجود دارد:

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱- جذب فیزیکی^[۵۶] ۲- جذب شیمیایی^[۵۷]
در جذب سطحی فیزیکی معمولی، مولکول­ها به وسیله نیروهای واندروالسی به سطح ماده جاذب، گیر می­ کنند. در جذب سطحی شیمیایی، مولکول­های جذب شده، با پیوند­هایی که قابل مقایسه با پیوند­های شیمیایی است، به سطح ماده کاتالیزور نگه داشته می‌شوند. در فرایند تشکیل پیوند با ماده جاذب، مولکول­هایی که به طور شیمیایی جذب شده‌اند، دچار تغییر آرایش الکترونی درونی می‌شوند. پیوند­های درون بعضی از مولکول­ها کشیده و ضعیف و حتی پیوند بعضی از آن‌ها شکسته می‌شوند. مثلاً هیدروژن به صورت اتمی بر سطح پلاتین جذب می‌شود. بنابراین تعدادی از ملکول­ها که به طور شیمیایی جذب سطحی شده‌اند، به صورت کمپلکس فعال‌ شده عمل می‌کند. از سیلیکا- ژل نیز به علت سطح تماس زیاد به عنوان جاذب گاز استفاده می­ شود. اما موارد فوق در مورد جذب سطحی مولکول­های گاز بر روی سطح یک جسم جامد می­باشد. در نوعی دیگر از جذب سطحی، جسم حل­شده در یک محلول بر روی سطح یک جسم جامد جذب می­ شود. این پدیده در بی­رنگ کردن محلول‌ها و معمولاً با بهره گرفتن از زغال فعال^[۵۸] به کار می­رود. هفت اختلاف بین جذب سطحی شیمیایی و فیزیکی وجود دارد که عبارتند از:
۱) در جذب سطحی فیزیکی نیروهای ضعیف واندروالس باعث جذب می­شوند ولی در جذب سطحی شیمیایی، پیوند­های شیمیایی موجب انجام عمل جذب می­شوند.
۲) انتالپی جذب سطحی فیزیکی کمتر از انتالپی جذب سطحی شیمیایی است.
۳) جذب سطحی فیزیکی در پایین­تر از نقطه­ی جوش جذب شونده اتفاق می­افتد ولی در جذب سطحی شیمیایی، جذب در دماهای بالاتر نیز می‌تواند اتفاق افتد.
۴) در جذب سطحی فیزیکی با افزایش فشار جسم جذب شونده مقدار جذب در واحد سطح افزایش می­یابد ولی در جذب سطحی شیمیایی با افزایش فشار جسم جذب شونده، مقدار جذب در واحد سطح کاهش می­یابد.
۵) در جذب سطحی فیزیکی، میزان جذب از خصوصیات جسم جذب شونده است، در صورتی که در جذب سطحی شیمیایی میزان جذب از خصوصیات هر دو جسم است.
۶) انرژی فعال‌سازی در جذب سطحی فیزیکی چندان دخیل نیست، در حالی که در جذب سطحی شیمیایی ممکن است دخیل باشد.
۷) جذب سطحی فیزیکی به صورت چند لایه^[۵۹] صورت می­گیرد ولی جذب سطحی شیمیایی حداکثر به یک لایه منتهی می­ شود.
۱-۹-۲- جاذب‌ها^[۶۰]:
جامدی که بر روی سطح آن جذب اتفاق می­افتد جاذب یا سوسترا و مایع جذب شده را مجذوب می­نامند. جذب سطحی بر روی سطح مشترک جامد مایع به وقوع می­پیوندد.
بسیاری از جامدات این خاصیت را دارند که بتوانند مقداری گاز یا ماده حل­شده در حلالی را، جذب نمایند.
قدرت جذب یک ماده تابع عوامل زیر است :
سطح تماس :با افزایش سطح تماس مقدار جذب افزایش می­یابد، بهترین جذب­کننده­ها موادی هستند که ذرات ریز­تری داشته باشند و به عبارت دیگر سطح تماس بیشتر داشته باشند. از میان مهم­ترین جذب­کننده­ها می­توان ژل، سیلیس و کربن اکتیو را نام برد.
غلظت مقدار ماده جذب شده برای واحد جرم جذب­کننده تابعی از غلظت ماده حل­شده می­باشد.
دما: افزایش دما اصولاً باعث کاهش جذب سطحی می­ شود مگر در مواردی که جذب سطحی همراه با واکنش شیمیایی باشد.
نوع ماده جذب شده و جاذب: نوع ماده جذب شده و جاذب در جذب سطحی تأثیرگذار است به طوری که بعضی از مواد جاذب قدرت جذب زیاد نسبت به ماده حل شده به خصوصی از خود نشان می­ دهند، در حالی که نسبت به ماده دیگر قدرت جذب کمتری دارند.
حالت ماده جذب شده و جاذب: حالت ماده جذب شده و جاذب، همراه بودن آن با واکنش شیمیایی، برگشت­پذیر بودن یا نبودن واکنش آن‌ها نیز در جذب سطحی تأثیرگذار است.
۱-۱۰- راه کارهایی برای بالا بردن فعالیت فوتو­­کاتالیکی
۱- قرار­دارن فلزات بر روی نیمه هادی­ها
۲ -ترکیب نیمه هادی­ها^[۶۱] با هم
۳- قرار دادن نیمه هادی­ها بر روی نگه‌دارنده‌ها
۴ – استفاده از الکترون گیرنده­ها^[۶۲]
۱-۱۰-۱- قرار دادن فلزات
خواص نیمه هادی، با اضافه کردن فلزات نجیب^[۶۳] بهبود می­یابد. اولین بار، در سیستم پلاتین/تیتانیوم برای تولید اکسیژن و هیدروژن از آب، افزایش فعالیت مشاهده شد. در محل اتصال، خواص ربایش الکترون در محل فلز با سطح نیمه هادی ایجاد می­ شود و بعد از عمل تحریک با نور، الکترون به فلز منتقل شده و از ترکیب مجدد الکترون و حفره جلوگیری می­ شود. از فلزاتی می­توان استفاده کرد که در طی واکنش پایدار بوده و در شرایط اتمسفر قابل نگهداری باشد. با اکسید شدن فلز از فعالیت آن کم خواهد شد و نمی­تواند به طور موثر عمل کند (فلزاتی مانند: مس، نقره، جیوه، پالادیم و …)
برای مثال کوپل طلا-پالادیم- تیتانوم دی اکسید (Au–Pd–TiO₂) را داریم ]۱۰۵[:
شکل (۱-۷) اصلاح فوتو­کاتالیزور TiO₂ از طریق کوپل شدن با طلا و پلاتین
۱-۱۰-۲- ­­­­­­­ترکیب نیمه هادی­ها با هم
اصلاح فوتوکاتالیزورها^[۶۴] (مانند TiO₂/SiO₂، TiO₂/ZrO₂ و…) باعث کم شدن عمل باز­ترکیب خواهد شد.
اگر طول موج نور در حدی نباشد که بتوان یکی از نیمه هادی­ها را تحریک کرد می­توان از نیمه هادی دومی استفاده نمود و با تحریک آن الکترون و حفره ایجاد شده، که الکترون از لایه هدایت آن به لایه هدایت نیمه هادی دوم رفته، و باعث جدایی بار و افزایش بازده فرایند می­ شود.
۱-۱۰-۳- استفاده از نگه‌دارنده‌ها^[۶۵]
ذرات تیتانیوم دی­اکسید به دلیل این که سرعت ته­نشینی کمی دارند نیاز به عمل سانتریفوژ و یا فیلتر کردن دارند که از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی‌باشد.
در این مورد راهی وجود دارد و آن قرار دادن فوتو ­کاتالیست بر روی سطوح جاذب می­باشد.
اخیراً نشاندن فوتو­کاتالیست­ها بر روی نگه‌دارنده‌هایی همچون کربن فعال، سلیکاژل، زئولیت، کوارتز، شیشه، فایبر­گلاس^[۶۶] و آلومینا^[۶۷] گسترش یافته است.
در اکثر مطالعات، از سوسپانسیون TiO₂در فرایند­های اکسایش فوتو­کاتالیزی استفاده شده است. در این حالت مقدار کاتالیزور مصرف شده زیاد بوده و جداسازی فوتو­کاتالیزور با ابعاد نانو از محلول پس از انجام عمل تصفیه جهت مصرف مجدد آن دشوار و پر­هزینه است. همچنین در صورت استفاده از نانو کاتالیزور تیتانیم دی­اکسید به شکل سوسپانسیون^[۶۸] کدورت محلول بالا خواهد بود و نور به قسمت­ های پایین نفوذ نخواهد کرد ]۱۰۶[. وجود موارد فوق کاربرد فرایند­های اکسایش فوتو­کاتالیزی را در مقیاس صنعتی محدود می­ کند .به منظور حل مشکلات مذکور در گسترش فرایند­های اکسایش فوتو­کاتالیزی در مقیاس صنعتی، نانو ذرات تیتانیم دی­اکسید بر روی بستر­های مناسب تثبیت می­شوند. موادی که به عنوان بستر مورد استفاده قرار می­گیرند باید از نظر شیمیایی غیر فعال باشند، از محیط آبی به سادگی قابل جداسازی باشند، قیمت آن‌ها مناسب بوده و قابلیت استفاده صنعتی داشته باشند ]۱۰۸و۱۰۷[.
۱-۱۱- نانو پوشش‌های هوشمند تصفیه کننده هوا
نانو پوشش‌های تصفیه کننده هوا بر روی سطوح خارجی ساختمان­ها و جاده­ها به ویژه در نقاط پر­تردد و دارای آلودگی بالا قابل استفاده هستند. به کار گیری این پوشش­ها یکی از راه­های کاهش خسارات ناشی از آلودگی هوا محسوب می­گردد .عامل تأثیر گذار مهم در عملکرد این دسته از پوشش ­های هوشمند، اکسید­های فلزی نیمه هادی و فوتو­کاتالیست­هایی نظیر CdS ,WO₃ ,TiO₂ و ZnO است که از میان آن‌ها استفاده از TiO₂ به دلیل پایداری شیمیایی بالا، سمیت پایین و ارزان بودن رایج­تر است.
۱-۱۱-۱- عملکرد نانو ذرات تیتانیوم دی­اکسید در پوشش ­های تصفیه کننده هوا
الکترون­ها و حفراتی که در نتیجه واکنش فوتو­کاتالیستی بر روی سطح نانو ذرات تیتانیوم دی­اکسید شکل می­گیرند می­توانند آب و اکسیژن موجود در محیط را به یون­های سوپر­اکسید و رادیکال­های آزاد هیدروکسیل تبدیل کنند. همچنین حفرات ایجاد شده، آلودگی­های آلی را اکسید کرده، به آب، CO₂ و سایر مواد آلی واسطه بی­خطر تبدیل می­ کنند. واکنش­های تولید الکترون و حفره بر روی سطح ذرات TiO₂ بر اثر تابش نور UV و به دنبال آن واکنش­های اکسایش و کاهش انجام می‌گیرد.
از آنجا که واکنش فوتو­کاتالیستی TiO₂ یک واکنش سطحی است، با کاهش اندازه ذرات، سطح مؤثر برای واکنش با آلودگی­های آلی و سایر آلودگی­ها نظیر گاز NO₂ و غیره افزایش یافته و به این ترتیب تخریب نوری بهتری صورت می­گیرد. محصول واکنش پس از بارش باران و یا شستشو با آب از سطح زدوده می­ شود. اگر­چه CO₂ تولید شده نیز جزء گاز­های گل خانه­ای محسوب می­گردد. درصد تولید این محصول جانبی در مقایسه با آنچه که منابع آلاینده تولید می­ کنند، بسیار ناچیز است. سرعت وقوع واکنش بستگی به شدت نور آفتاب، شرایط محیطی نظیر دما و رطوبت نسبی و میزان نانو ذرات TiO₂ در معرض نور و نیز میزان جذب NO_x محیط به وسیله پوشش دارد.
۱-۱۱-۲- نانو پوشش‌های هوشمند خود تمیز شونده
بروز تصادفات به علت عدم دید مناسب و کافی به خصوص در شرایط جوی نامساعد مانند باران و گرد و غبار، نیازمندی صنعت خودرو را به ایجاد شیشه‌ها و آینه‌های ضد لک در خودرو ایجاد کرده است. با ظهور فناوری نانو، روکش‌های مخصوص این امر برای به کارگیری در مورد خودروهای موجود و خودروهای در حال ساخت فراهم شده است. این نوع روکش روی شیشه خودرو­ها موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده و به راحتی می‌توان سطح آن را تمیز کرد. علاوه بر این، پاک­سازی و تمیز کردن نمای ساختمان­ها، شیشه­ها و برخی دیگر از اجزای داخلی با صرف هزینه و وقت زیادی همراه است و استفاده از پوشش­هایی که زمینه ­های تمیز شدن خود به­خودی سطوح را فراهم آورند، بسیار مفید واقع می­ شود.
ا۱-۱۱-۳- پوشش ­های آب­گریز خود تمیز­شونده
اساس ویژگی آب گریزی یک سطح، ساز و ­کار اثری موسوم به لوتوس^[۶۹] در برگ گیاهان است. در این حالت آب به محض تماس با سطح به شکل قطرات کروی تجمع و از روی سطح لغزیده و ذرات آلودگی و خاک­ها را با خود از روی سطح می­زداید. میزان خیس شدن یک سطح جامد با آب در هوای محیط به چگونگی ارتباط میان کشش­های سطحی آب / هوا، جامد / آب و جامد / هوا بستگی دارد.

۱-۱۱-۴- پوشش ­های آب دوست خود تمیز شونده
برای ایجاد یک پوشش آب دوست با ساز و کار عمل نور آب دوستی یک لایه نازک از پوشش حاوی نانو اکسیدهای فلزی فوتو­کاتالیست یا سولفیدها ZnS)، CdS ، TiO₂، ZnO، Fe₂O₃ و (…بر روی سطح اعمال می­ شود. این سطح تحت تابش UV خاصیت فوق آب دوستی پیدا می­ کند. در این حالت آب به محض تماس با سطح به صورت یک ورقه روی سطح پخش می­ شود. پس از انجام واکنش­های اکسایش و یا کاهش، آلودگی­های آلی، غیر آلی، باکتری­ ها و یا ویروس­ها تخریب می­گردند، سپس آب موجود بر روی سطح، مواد حاصل از تخریب را به راحتی می­زداید.
۱-۱۱-۵- نانو پوشش‌های هوشمند زیست فعال