معرفی میکروحباب

تصفیه آب و پساب، به‌دلیل افزایش روزافزون مصرف آب و تولید پساب و نیز ورود انواع آلاینده‌های آلی و سمی به آب، همواره به‌عنوان یک چالش بزرگ شناخته می‌شود. در سال‌های گذشته، از نانوحباب‌ها به‌دلیل خواص فیزیکی و مکانیکی عالی آن‌ها در تصفیه آب و پساب به‌طور گسترده‌ای استفاده شده است. تغییر ابعاد حباب‌ها باعث ایجاد خواص متفاوت در آن‌ها شده و کاربرد آن‌ها در تصفیه آب را تحت تأثیر قرار می‌دهد. تعاریف و دسته بندی­های زیادی برای میکرو و نانو حباب­ها وجود دارد اما به طور کلی میکرو حباب یا حباب­های ریز، حباب­هایی با ابعاد در محدوده 10-50 میکرومتر و نانو حباب، حباب­هایی با ابعاد کمتر از 200 نانومتر هستند. نانوحباب‌ها از توانایی حرکت در جهات مختلف برخوردار بوده و می‌توانند حتی تا چند ماه درون آب باقی مانده و به‌تدریج کوچک شده و از بین بروند. نانوحباب‌ها قدرت تخریبی میکروحباب‌ها را ندارند، اما امکان جابه‌جایی ذرات معلق و آلاینده‌های موجود در آب توسط نانوحباب‌ها به‌دلیل ماندگاری بالا و توانایی حرکت آن‌ها در تمام جهات، وجود دارد. شکل زیر خلاصه­ای از ویژگی­های میکرونانوحباب­ها را نشان می­دهد.

یکی از مهم­ترین ویژگی­های میکروحباب­ها این است که اندازه آنها به تدریج کاهش یافته و در زیر آب فرو می­ریزند، در حالی که ماکروحباب­ها به سرعت به سمت سطح آب بالا می­روند و می­ترکند. در مقابل، نانوحباب­ها برای مدت زمان طولانی­تری (بعضی اوقات برای ماه ها) پایدار هستند. کاهش اندازه میکروحباب­ها به دلیل انحلال گاز موجود در داخل حباب است. فشار داخلی با قطر حباب برعکس تغییر می­کند. رابطه قطر فشار را می­توان با معادله یانگ-لاپلاس بیان کرد:

که در آن، pg فشار گاز (pa)، pl فشار مایع(pa)، d قطر حباب (m) و  تنش سطحی مایع (N/m) است.

بنابراین، فشار اضافی درون یک میکروحباب 1 میکرونی در آب در دمای 298 کلوین ( =72.5mN.m -1) 290 کیلو پاسکال خواهد بود. یک گاز طبق قانون هنری در آب حل می­شود: C=HP (C غلظت گاز حل شده، k ثابت قانون هنری و P فشار جزیی). بنابراین، گاز تحت فشار به طور کارآمد در آب اطراف حل می­شود. وقتی گاز در مایع حل می­شود، با گذشت زمان سرعت جمع شدگی افزایش می­یابد. فشار داخل میکروحباب با کاهش اندازه افزایش می­یابد، که منجر به فروپاشی میکروحباب می­شود. این امر با این واقعیت همراه است که میکروحباب­ها سرعت صعود بسیار آهسته­ای از طریق آب دارند و گاز داخل آنها از حلالیت خوبی در آب برخوردار است. زمان لازم برای فروپاشی میکروحباب­ها از مرتبه چند دقیقه است. از معادله بالا انتظار می­رود که حباب­های نانو فشار گاز داخلی بسیار بالایی داشته باشند. به عنوان مثال، فشار اضافی درون یک نانو حباب قطر 20 نانومتر 5/14 مگاپاسکال خواهد بود. در نتیجه، گاز موجود در حباب­های نانو باید به سرعت در مایع محیط حل شود. از لحاظ نظری نشان داده شده است که طول عمر یک نانو حباب با قطر 20 نانومتر فقط یک میکروثانیه خواهد بود. برخی دانشمندان به دلیل تغییر مقادیر ترمودینامیکی در نتیجه انحنای بزرگ مرتبط با حباب­های نانو، در مورد کاربرد معادله یانگ-لاپلاس در ابعاد نانومتر سوالاتی را مطرح کرده­اند. کاربرد معادله یانگ-لاپلاس در حباب­های نانو در چند مطالعه تأیید شده است. شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داده است که چگالی حباب نیتروژن در مقیاس نانو در آب می­تواند به اندازه 270 کیلوگرم متر مکعب باشد. برای پیش بینی طول عمر حباب های نانو معادله زیر ایجاد شده است:

که در آن τ طول عمر یک نانوحباب (s)، H ثابت قانون هنری (Pa.m3.mol-1)، d0 قطر اولیه نانوحباب(m)،  دانسیته گاز (kg.m-3)، D نفوذ پذیری گاز در مایع (m2.s)، γ تنش سطحی مایع (N.m-1) و  دانسیته مایع (kg.m-3) است.

بنابراین، با افزایش چگالی گاز در حباب نانو، طول عمر نانوحباب می­تواند به طرز چشمگیری افزایش یابد. اگر چگالی گاز موجود در نانوحباب­ها زیاد باشد، ممکن است بتواند یک فاز جدید تشکیل دهد. یکی دیگر از ویژگی­های مهم کوچک شدن میکروحباب­ها، تشکیل هیدرات است که برای ذخیره سازی و حمل و نقل گاز مفید است. هیدرات­های گازی (همچنین “کلراتات” نامیده می­شوند) ترکیبات کریستالی هستند که وقتی آب یک ساختار قفس مانند در اطراف مولکول­های کوچک­تر مهمان ایجاد می­کند، رخ می­دهد. طبق قانون هنری، مقدار گاز محلول در اطراف حباب جمع شده با افزایش فشار گاز در داخل حباب افزایش می­یابد. ناحیه اطراف یک میکروحباب حالت خود را تغییر می­دهد تا باعث ایجاد هسته هیدرات شود. برخی از هسته­ها رشد می­کنند تا فیلم­های اطراف حباب را هیدراته کنند و کل حباب می­تواند به ذره هیدرات تثبیت شده توسط لایه ضخیم تبدیل شود. گزارش شده است که تشکیل هیدرات ممکن است به مدت طولانی منجر به ثبات نانوحباب­ها شود (از مرتبه چند ماه)

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این سامانه توسط گروه تبلیغاتی فورسی طراحی شده است و تمامی حقوق آن برای دانتک محفوظ است. 

به بالای صفحه بردن