میکرو نانو حباب چیست و کاربردهای آن در صنعت آب و پساب!!

میکرو نانو حباب ها حباب هایی در اندازه 200 نانو متر تا کمتر از 1 میکرون هستند که با توجه به اندازه آن ها ویژگی های منحصر به فردی دارند.

میکرو حباب، نانو حباب و میکرو نانو حباب چیست

 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 ریزمقیاس، حباب­هایی با ابعاد در محدوده 10-50 میکرومتر و نانو حباب، حباب­هایی با ابعاد کمتر از 200 نانومتر هستند.

در مقاله “نانو حباب چییست؟” به تعریف و ارائه برخی ویژگی های نانو حباب ها پرداختیم. در این مقاله ابتدا توضیح مختصری راجع ویژگی های میکرو نانو حباب ها می دهیم و سپس به بررسی برخی از کابردهای آن در صنعت آب و پساب و گندزدایی می پردازیم.

میکرو نانو حباب

این دسته از حباب ها می توانند دچار فروپاشی شوند و به همین واسطه قدرت تخریبی بالایی دارند. رفتاریا ین حباب ها در مقایسه با نانو و ماکرو حباب ها در شکل زیر آورده شده است. یکی از مهم­ترین ویژگی­های میکرو حباب­ ها این است که اندازه آنها به تدریج کاهش یافته و در زیر آب فرو می ریزند، در حالی که ماکرو حباب­ ها به سرعت به سمت سطح آب بالا می­روند و می ­ترکند. در مقابل، نانوحباب­ ها برای مدت زمان طولانی­تری (بعضی اوقات برای ماه ها) پایدار هستند.

کاهش اندازه میکرو نانو حباب ­ها به دلیل انحلال گاز موجود در داخل حباب است. به طور کلی فشار داخلی با قطر حباب برعکس تغییر می­ کند. رابطه قطر فشار را می ­توان 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 میکرو حباب 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 می­ شود: 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 می شود

وقتی گاز در مایع حل می ­شود، با گذشت زمان سرعت جمع شدگی افزایش می­ یابد. فشار داخل میکرو حباب با کاهش اندازه افزایش می ­یابد، که منجر به فروپاشی میکرو حباب می­ شود. این امر با این واقعیت همراه است که میکرو حباب­ ها سرعت صعود بسیار آهسته ­ای از طریق آب دارند و گاز داخل آنها از حلالیت خوبی در آب برخوردار است. زمان لازم برای فروپاشی میکرو حباب ­ها از مرتبه چند دقیقه است.

 از معادله بالا انتظار می­ رود که حباب­ های 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 حباب ­های 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.

با افزایش چگالی گاز در حباب نانو، طول عمر نانوحباب می ­تواند به طرز چشمگیری افزایش یابد. اگر چگالی گاز موجود در نانو حباب ­ها زیاد باشد، ممکن است بتواند یک فاز جدید تشکیل دهد. یکی دیگر از ویژگی ­های مهم کوچک شدن میکرو حباب ­ها، تشکیل هیدرات است که برای ذخیره سازی و حمل و نقل گاز مفید است. هیدرات ­های گازی (همچنین “کلراتات” نامیده می ­شوند) ترکیبات کریستالی هستند که وقتی آب یک ساختار قفس مانند در اطراف مولکول­ های کوچک­تر مهمان ایجاد می ­کند، رخ می ­دهد.

طبق قانون هنری، مقدار گاز محلول در اطراف حباب جمع شده با افزایش فشار گاز در داخل حباب افزایش می ­یابد. ناحیه اطراف یک میکرو حباب حالت خود را تغییر می ­دهد تا باعث ایجاد هسته هیدرات شود. برخی از هسته­ ها رشد می­ کنند تا فیلم­ های اطراف حباب را هیدراته کنند و کل حباب می ­تواند به ذره هیدرات تثبیت شده توسط لایه ضخیم تبدیل شود. گزارش شده است که تشکیل هیدرات ممکن است به مدت طولانی منجر به ثبات نانو حباب­ ها شود (گاهی بیشتر از چند ماه).

برای تولید میکرو-نانو حباب‌ها و بهره‌مندی از ویژگی‌های آن‌ها در صنایع مختلف از پمپ‌های ورتکس دوفازی نانو حباب‌ساز دانتک استفاده می‌شود.

کاربرد میکرو نانو حباب ها در تصفیه آب و پساب

هوادهی در آب

هوادهی فرآیندی است که در آن اکسیژن در تماس با آب قرار گرفته و در آن نفوذ می کند. در فرآیند تصفیه آب و پساب، اکسیژن به عنوان یکی از مهمترین فاکتورها برای بقاء حیات میکرو ارگانیزم ها و عملکرد مناسب آن ها به شمار می آید. علاوه بر این وجود اکسیژن برای حذف آلودگی های با قابلیت اکسیداسیون بسیار نقش کلیدی را بازی می کند، بنابراین هوادهی برای انتقال اکسیژن در این سیستم ها بسیار اهمیت دارد.

اگر چه اکسیژن در این سیستم های حیاتی است، روش های سنتی در هوادهی نیاز به مصرف انرژی بسیار زیادی دارد ولی حداکثر میزان انتقال اکسیژن در آن ها از 6 الی 10 درصد تجاوز نمی کند. این در حالی است که این سیستم های نیاز به تعمیر و نگهداری بسیار زیادی دارند و بیش از 50 درصد هزینه جاری مربوط به یک تصفیه خانه مربوط به این سیستم ها می شود.

کاربرد میکرو نانو حباب ها در تصفیه آب و پساب
شکل 1 سیستم های تصفیه آب

دلیل عمده این راندمان کم زمان بسیار کم تماس و سطح مقطع بسیار محدود گاز آب است. میکرو نانو حباب ها بر خلاف ماکرو حباب ها و حباب های تولید شده در سیستم های سنتی نرخ انتقال اکسیژن را افزایش می دهند. این نوع حباب ها مقدار اکسیژن محلول و غلظت آن را افزایش می دهند و اکسیداسیون را تسریع می کنند.

در سیستم های تصفیه پساب مصنوعی با استفاده از هوادهی میکرو نانو حباب ها، نرخ بهره گیری از اکسیژن و ضریب انتقال جرم بیش از دو برابر سیستم های هوادهی سنتی با استفاده از ماکرو حباب ها است.

در یک تحقیق انجام شده در بر روی علمکرد میکرو نانو حباب ها در مقایسه با سیستم های هوادهی معمولی ( ماکرو حباب ها ) در یک آب با آلودگی و میزان بوی زیاد، نشان داده شده که در هوادهی با میزان هوای یکسان،  میکرو نانو حباب ها باعث افزایش مقدار اکسیژن محلول در آب به میزان mg/lit 9.87  نسبت به mg/lit 6.54  در سیستم های سنتی هوادهی شده است. در زمان مشابه، بیشینه نرخ حذف COD، NH3-N، Geosmin، و 2-Methylsoborneol در میکرو نانو حباب ها نسبت به حباب های ماکرو به ترتیب، 12 %، 10 %، 16 %، و 12 % بیشتر بوده است. (1)

شناور سازی با استفاده از میکرو نانو حباب

شناورسازی با استفاده از هوا به عنوان یک روش بسیار کار آمد در جدا سازی جامد-سیال، به طور گسترده به خصوص در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. عمده ترین ذراتی که در این سیستم از سیال جدا می شوند شامل خاک، مواد شیمیایی، مواد آلی، یون های آهن و روغن می باشد. اصل اساسی در فرآیند شناورسازی به مقدار میکرو نانو حباب ها، کیفیت حباب، اندازه حباب و در نتیجه سرعت بالا آمدن آن و چسبیدن آن به ذرات معلق بستگی دارد. در مقایسه با حباب های معمولی میکرو نانو حباب ها باعث افزایش در زمان تماس و راندمان چسبندگی بهتر به فلاک های موجود در سیال می شوند.

سطح ویژه بسیار زیاد این نوع حباب ها، ماندگاری بیشتر در سیال، پتانسیل زتای منفی و زیاد این حباب ها  همگی باعث می شود در جدا سازی ذرات معلق در سیال بسیار مناسب عمل کنند. هر چه سایز حباب کوچکتر باشد در جداسازی ذرات معلق کوچکتر در آب توانا تر بوده و در نهایت باعث افزایش راندمان جداسازی و کیفیت بهتر پساب خروجی می شود.

میکرو نانو حباب
شکل 2 حباب های تولید شده و شناورسازی

تحقیقات نشان داده است که استفاده از میکرو نانو حباب می تواند تا 40 درصد راندمان تصفیه پساب را افزایش دهد و تا 95 درصد موجب جداسازی ذرات جامد معلق گردد. این در حالی است که استفاده از این سیستم ها باعث کاهش قابل توجه در هزینه سیستم های شناورسازی شود.

در یک تحقیق انجام شده در این زمینه (1) این حباب ها در مقایسه با سیستم های سنتی برای شناورسازی ذرات معلق موجود در پساب رنگرزی و صنعت پرینت بر روی پارچه مورد استفاده قرار گرفت. این تحقیق نشان داد استفاده از میکرو نانو حباب ها موجب کاهش میزان استفاده از لخته سازها و بهبود عملکرد جداسازی شده است. در این تحقیق نرخ جدایش روغن، COD کروم، به ترتیب به میزان % 40، % 30، و % 110، بهبود پیدا کرده است.

گندزدایی و کاهش آلودگی های مواد آلی

میکرو نانو حباب ها به موجب راندمان نرخ انتقال جرم بالا نه تنها باعث بهبود کارکرد مواد شیمیایی می شود بلکه با تولید رادیکال های هیدورکسیل، عملکرد غیر انتخابی در آلودگی های مواد آلی دارد. در یک تحقیق نشان داده شد که میکرو نانو حباب های ازن، نانو ازن، باعث افزایش نرخ اکسیداسیون رنگ AZO در پساب می شود. در این تحقیق میزان افزایش نرخ انتقال جرم کل برای ازن و حذف TOC به ترتیب به میزان % 80 و % 30 افزایش یافته است.

در این تحقیق از فنول و نیتروبنزن به عنوان آلودگی های آلی در پساب مورد استفاده قرار گرفت. این مطالعه نشان داد میزان افزایش در نرخ انتقال ازن در آب به میزان 1.3 تا 1.5 برابر بیشتر بوده و این امر باعث کاهش و حذف نیتروبنزن تا حدود % 70 درصد شده است. از طرف دیگر وجود میکرو نانو حباب ها باعث غیر فعال شدن کلیفرم در پساب می شود.

سطحی تمیز بر روی ممبران ها با استفاده از میکرو نانو حباب ها

میکرو نانو حباب ها به عنوان یک عامل بدون مواد شیمیایی و کاملا دوستار محیط زیست می توانند در تمیز کردن سطح ممبران های سیستم های تصفیه کمک شایانی کنند. این حباب ها مانع از چسبیدن و فولینگ آلودگی ها بر روی سطح می شوند؛ به عنوان نمونه مانع از جذب bovine serum albumin بر روی سطح میکا می شود. همچنین باعث حذف آلودگی ها از روی HOPG خواهد شد. ترکیب این حباب ها با امواج اکوستیکی فرکانس بالا و با توان پایین نیز بسیار موثر در عدم چسبندگی جلبک و باکتری ها بر روی سطوح جامد است. (1)

شکل 3 ممبران و تصفیه پساب

مشاهده فیلم تولید میکروحباب و نانو حباب با استفاده از پمپ ورتکس دوفازی

10.1088/1755-1315/510/4/042050 (1)

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