بهره‌گیری از مواد فوتوکاتالیست بر پایه نانوکاتالیست‌ها راهکار بسیار نویدبخشی برای حذف کامل آلودگی‌ها از آب است. این راهکار شامل دو روش مجزا است. فوتوکاتالیست خورشیدی و سامانه‌های فوتوکاتالیستی مجهز به اشعه ماورای بنفش مصنوعی دو سامانه‌ای هستند که می‌توانند در دمای محیط به‌کار بروند و آلودگی‌های شیمیایی و زیستی گوناگون را در آب و هوا کاهش دهند. با توجه به اینکه در فوتوکاتالیست خورشیدی از نور خورشید استفاده می‌شود، این فناوری ارزان، سازگار با محیط زیست، و به‌طور کلی قابل اجرا است؛ تجهیزات مورد نیاز آن بسیار کم است و برای کشورهای توسعه‌یافته و یا مکان‌های دور بدون دسترسی به الکتریسیته نیز مناسب است.

در بیشتر موارد، فناوری‌های مرسوم برای تصفیه پساب می‌توانند کیفیت آب را به درجه استاندارد برسانند. زمینه‌های بالقوه کاربرد سامانه‌های فوتوکاتالیستی با منابع فرابنفش به شرح زیر است:

واحدهای صنعتی جدید برای تصفیه آب یا واحدهایی که نیازمندند روش‌های مرسوم در آن‌ها با روش جدید جایگزین شود؛ 

• برای تصفیه آب‌های دارای آثار باقیمانده آلودگی (مانند استروژن‌ها)؛

• برای گندزدایی پساب صنعتی آلوده‌شده با مقادیر بالای ترکیبات آلی یا فلزات؛ و

• سامانه‌های با مقیاس کوچک (مانند رفع آلودگی در استخرهای شنا)

اصول اولیه فوتوکاتالیست بسیار ساده است؛ کاتالیزور بخش فرابنفش نور خورشید را دریافت و از انرژی حاصله برای شکستن پیوندهای موجود در مواد مختلف استفاده می‌کند. این فرایند فوتوکاتالیستی می‌تواند در حذف گستره وسیعی از مواد استفاده شود، ازجمله مواد آلی، اسیدهای آلی، استروژن‌ها، رنگدانه‌ها، نفت خام، میکروب‌ها (شامل ویروس‌ها و ارگانیسم‌های مقاوم)، مولکول‌های معدنی مانند اکسیدهای نیتروژن (NO_x)، و همچنین فلزاتی مثل جیوه. به‌دلیل کاربرد وسیع، فوتوکاتالیست همراه با نانوذرات، به‌عنوان کاتالیزور، در کاهش آلودگی هوا، در مواد ساختمان برای سطوح خودتمیزشونده، و همچنین در تصفیه آب به‌کار می‌رود.

معمول‌ترین فوتوکاتالیست تیتانیم دی‌اکسید (TiO₂) است. در بعضی از پژوهش‌ها از اکسید روی نیز استفاده می‌شود که برای برخی کاربردها جایگزین مناسبی است.

شکل ۱. بهره‌گیری از نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید که بر روی زیرلایه تثبیت شده‌اند در دستگاه فوتوکاتالیستی که با سرمایه‌گذاری اتحادیه اروپا توسعه یافته است.

فوتوکاتالیست‌های مناسب زیادی وجود دارند، اما رایج‌‌ترین ماده موثر تیتانیم دی‌اکسید نانویی است. نانوذرات بسیار موثرتر از مولکول‌های درشت موجود در فوتوکاتالیست‌ها عمل می‌کنند.

تیتانیم دی‌اکسید از لحاظ شیمیایی پایدار است، توانایی بالایی در شکستن پیوندهای موجود در مولکول‌ها دارد، و بسیار فراوان و ارزان‌ است. تیتانیم دی‌اکسید دهه‌های متمادی در محصولات تجاری به‌کار رفته است؛ به‌عنوان مثال، به‌صورت رنگدانه در رنگ سفید یا به‌عنوان جاذب فرابنفش در صفحات خورشیدی. نتایج تحقیقات اخیر نشان داده‌ است آلودگی‌های مختلف می‌توانند به‌وسیله‌ تیتانیم دی‌اکسید نانومقیاس با موفقیت از بین بروند. این نتایج همچنین سازوکار عملکرد تیتانیم دی‌اکسید نانومقیاس را با تیتانیم دی‌اکسید در اندازه میکرو مقایسه می‌کند. بنابراین، برخی محققان تیتانیم دی‌اکسید را کارآمدترین فناوری حال حاضر در حذف آلودگی‌ها می‌دانند. تیتانیم دی‌اکسید نانویی را می‌توان طوری در لایه‌های نازک طراحی کرد که مانع ورود نانوذرات آزاد در آب شود.

برای فعال‌سازی تیتانیم دی‌اکسید، تابش فرابنفش از نور خورشید یا از نور مصنوعی مورد نیاز است. به‌طور کلی، نور فرابنش UVB نسبت به نور فرابنفش UVA عملکرد موثرتری دارد. عملکرد تیتانیم دی‌اکسید را می‌توان با بهره‌گیری از رنگدانه، ماده نیمه‌هادی ثانویه، و موادی مانند نیتروژن، کربن، و سولفور اصلاح کرد. به‌عنوان مثال، تیتانیم دی‌اکسید آلاییده‌شده با نیتروژن در فعالیت‌های فوتوکاتالیستی برای کاهش ترکیبات شیمیایی و واکنش‌های ضدباکتریایی اثراتی بسیار فراتر از نمونه‌های اصلاح‌نشده از خود نشان می‌دهد.

در جهان، یک میلیارد نفر به آب سالم و 2/6 میلیارد نفر به سامانه آب و فاضلاب بهداشتی دسترسی ندارند. وضعیت به‌ویژه در مناطق کمتر توسعه‌یافته در آسیا، آمریکای مرکزی و جنوبی، و آفریقا به این صورت است؛ روش‌های جدید برای تصفیه آب در بیشتر کشورهای توسعه‌یافته ــ مانند ایالات متحده آمریکا، ژاپن، و کشورهای اروپای غربی ــ مبتنی بر میزان توانایی در بهبود کیفیت آب آشامیدنی و کاهش آلودگی است.

تاثیرات مثبت دست یافتن به آب سالم واضح است. با بهبود روش‌های تامین آب سالم، بهداشت، و مدیریت در منابع آب می‌توان بیماری‌های جهان را یک‌دهم کاهش داد. فناوری نانو یکی از فناوری‌های نوظهور و نویدبخش از جنبه‌های کارآمدی، اقتصادی، و سازگاری با محیط زیست است که قابلیت‌های زیادی برای استفاده در تصفیه آب‌ها و پساب‌ها دارد.

تقاضای جهانی برای محصولات تصفیه آب به حدود 44/6 میلیارد دلار در سال ۲۰۰۸ رسیده است؛ پیش‌بینی می‌شود توسعه سرمایه‌گذاری شرکت‌های مختلف با ۷/۵ درصد افزایش در سال همراه باشد و میزان آن تا سال ۲۰۱۳ به ۵۹ میلیارد دلار برسد. پیش‌بینی می‌شود سریع‌ترین رشد سالانه در کشورهای در حال توسعه، مانند چین و هند، باشد. علت این موضوع رشد سریع صنعت و گسترش امکانات آب‌رسانی بهداشتی به‌ویژه در مناطق روستایی است. حجم مبادلات جهانی در زمینه کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب و پساب به 1/6میلیارد دلار در سال ۲۰۰۷ رسید؛ پیش‌بینی می‌شود این مقدار در سال ۲۰۱۵ به ۶/۶ میلیارد دلار برسد؛ به‌دلیل کاربری وسیع و منافع زیاد، سریع‌ترین رشد در بخش تصفیه آب خواهد بود. این احتمال وجود دارد که در سال ۲۰۱۵ ایالات متحده آمریکا، آلمان، ژاپن، و چین کشورهای پیشرو در تصفیه آب و توسعه فناوری نانو باشند. بهره‌گیری از فوتوکاتالیست‌های نانومقیاس روشی نویدبخش برای تصفیه است. علاوه بر این، فوتوکاتالیست‌ها می‌توانند در ترکیب با غشاهای فیلتراسیون اصلاح شوند و باعث افزایش قدرت تصفیه آب شوند.

کاربرد فوتوکاتالیست در تصفیه آب تقریباً بازار پویایی به خود اختصاص داده است. در چند سال اخیر، سامانه‌های فوتوکاتالیستی در مقیاس کوچک و با نور فرابنفش مصنوعی بازار این صنعت را از آن خود کرده‌اند؛ این در حالی است که واحدهای تصفیه آب به‌وسیله فوتوکاتالیست خورشیدی در حال ظهور هستند و پروژه‌های آزمایشی برای تصفیه آب آشامیدنی در کشورهای پیشرفته آغاز شده است.

در سامانه تصفیه آب فوتوکالیستی خورشیدی با نام RayWox (شکل ۲) آب آلوده با فوتوکاتالیست‌های اضافه‌شده به آن در لوله‌های شیشه‌ای دریافت‌کننده نور خورشید جریان می‌یابد و به کمک تابش‌های خورشید از آلودگی‌ها پاک می‌شود. این سامانه که به‌وسیله‌ شرکت انرژی نو KAKO ارایه شده است؛ به‌تازگی، از نمک آهن در مقیاس نانو نیز به‌عنوان فوتوکاتالیست استفاده کرده که به‌طور موفقیت‌آمیز با یک محلول تیتانیم اکسید نانویی آزمایش شده است.

شکل 2. جاذب نور خورشید RayWox برای تصفیه آب توسط نور خورشید

کاربرد گسترده تیتانیم دی‌اکسید نانومقیاس اثرات سودمندی بر سلامتی عمومی و درنتیجه بر کیفیت زندگی دارد. تیتانیم دی‌اکسید نانومقیاس با حذف مواد سمی مانند ترکیبات آلی، استروژن‌ها، و آنتی‌بیوتیک‌ها، اثرات مثبتی برای محیط‌ زیست دارد و باعث بهبود کیفیت آب می‌شود. این مواد همچنین در خانه‌ها، بیمارستان‌ها، و ادارات برای ضدعفونی کردن به‌کار می‌روند.

بهره‌گیری از تیتانیم دی‌اکسید نانومتری جهت تصفیه و آلودگی‌زدایی آب می‌تواند برای محیط زیست نیز مفید باشد، زیرا در این صورت می‌تواند جایگزین مناسبی برای زیرلایه‌های آلی سمی موجود باشد. همچنین، با بهره‌گیری از این مواد نوین می‌توان کیفیت آب را نسبت به تصفیه مرسوم بهتر کرد و امکان حذف مواد آلاینده هدف بیشتر با بازده بیشتر فراهم می‌شود؛ به این ترتیب، می‌توان انتظار داشت رد مواد آلاینده‌ای مانند آنتی‌بیوتیک‌ها و استروژن را نیز از آب‌های آلوده حذف کرد.

همان‌طور که پیش از این گفته شد، تیتانیم دی‌اکسید نانومتری فقط به‌وسیله نور فرابنفش فعال می‌شود. بنابراین، برای کاربردهای خانگی باید کاتالیزوری پیشرفته ساخته شود تا در محدوده امواج نور مرئی عمل فعال‌سازی صورت گیرد. از این گذشته، برای کاربردهای متفاوت در مکان‌های عمومی و شخصی باید سامانه‌ای کارآمد طراحی شود تا اطمینان کافی از طول عمر، راندمان، و کارکرد فوتوکاتالیست حاصل شود.

یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها این است که تیتانیم دی‌اکسید نانومتری می‌تواند هر نوع توده ترکیبات آلی را از بین ببرد؛ بنابراین، باید فقط در یک محیط غیرآلی استفاده شود.

تیتانیم دی‌اکسید بی‌اثر است و سال‌های زیادی به‌صورت توده مورد استفاده بوده است، بدون آنکه هیچ اثر مخربی ایجاد کند. همچنین، انتظار می‌رود تیتانیم دی‌اکسید نانومتری اثرات مضر بسیار کمی بر سلامتی انسان و بر محیط زیست داشته باشد، زیرا به‌صورت ثابت در یک ماده دیگر (مانند فلز یا شیشه) قرار دارد؛ هرچند، در اثر کاربرد گسترده تیتانیم دی‌اکسید، امکان انباشته شدن آن و درنتیجه پیامدهای منفی برای کارگرانی که در معرض گرد این ماده‌اند وجود دارد. در مقایسه با نانومواد دیگر، اثرات زیست‌محیطی ناشی از تیتانیم دی‌اکسید نانومتری هنوز نامشخص است و نیاز به پژوهش‌های بیشتری دارد.

در حال حاضر، هیچ آیین‌نامه‌ای درباره استفاده از تیتانیم دی‌اکسید نانومقیاس برای تصفیه آب وجود ندارد، اما استانداردهای تصفیه فوتوکاتالیستی آب در حال توسعه است و به روش‌های جدیدی برای تهیه استانداردهای تصفیه آب مورد نیاز است.

• تیتانیم دی‌اکسید نانومقیاس ماده‌ای ارزان است و استفاده از آن روش بسیار مناسبی برای تصفیه آب و پساب است.

• آیین‌نامه‌ها و قوانین بیشتری برای کاربرد وسیع فناوری‌های جدید، مانند فوتوکاتالیست با تیتانیم دی‌اکسید نانومتری، در بخش زیست‌محیطی مورد نیاز است.

• ضدعفونی‌ کردن آب آشامیدنی با استفاده از فوتوکاتالیست خورشیدی به‌ویژه در کشورهای توسعه‌یافته کاربردی بسیار نویدبخش است.

• سامانه‌های فوتوکاتالیستی در مقیاس کوچک با نور فرابنفش مصنوعی برای تصفیه پساب به‌صورت تجاری موجودند.

• یافته‌ها در مورد سمی بودن تیتانیم دی‌اکسید نانومتری هنوز قطعی نیست، هرچند به‌علت ثابت بودن مکان آن احتمال خطر بسیار پایین است.

• هنوز چالش‌های تکنیکی عمده‌ای مانند سامانه بهینه وجود دارد؛ بنابراین، پیش‌بینی‌های بلندمدت درباره موفقیت سامانه‌های فوتوکاتالیستی هنوز ممکن نیست.