نانو حباب چیست، چگونه تولید می‌شود و چه کاربردهایی دارد؟

بر اساس دسته بندی های انجام شده با توجه به اندازه حباب، حباب های با اندازه 200 نانو متر تا 10 میکرو متر در دسته میکرو نانو حباب ها قرار می گیرند. بر اساس این دسته بندی حباب های با اندازه کمتر از 200 نانو متر را نانو حباب می‌نامند. وجود این حباب ها در فصل مشترک جامد سیال به وسیله میکروسکوپ اتمی AFM  نشان داده است.

بر خلاف ماکرو حباب ها، میکرو نانو حباب ها ویژگی های بسیار متفاوتی را در توزیع اندازه ذرات، راندمان انتقال جرم، ویژگی های سطح مشترک و خواص شیمیایی از خود نشان می دهند. این ویژگی ها باعث شده است استفاده از آن ها در بسیاری از زمینه های مهندسی به خصوص آلودگی های محیط زیست، به صورت روز افزون توسعه یابد.

نانو حباب
دینامیک میکرو نانو حباب

ویژگی های کلی میکرو نانو حباب ها

میکرو نانو حباب ها به خاطر ویژگی هایی که از خودشان نشان می دهند بسیار پر کاربرد و مفید به نظر می رسند. این ویژگی ها عمدتا شامل، اندازه بسیار کوچک حباب، مساحت سطح ویژه زیاد، زمان ماند طولانی در آب و محیط سیال، پتانسیل زتای منفی در روی سطح حباب، راندمان انتقال جرم زیاد، و توانایی آن ها در تولید رادیکال های هیدروکسیل اشاره کرد. این ویژگی ها خواصی به آن ها داده است که به طوری کلی در هیچ یک از حباب هایی که در سایز بزرگتر از میکرو نانو حباب ها هستند یافت نمی شوند.

میکرو نانو حباب ها و شناوری 

با توجه به اصل شناوری، سرعت شناور شدن این نوع حباب ها در آب با کاهش سایز آن ها به شدت کاهش پیدا می کند. در مقایسه با حباب های عادی میکرو نانو حباب ها حجم بسیار کوچکتری دارند که در نتیجه آن شناوری بسیار کمتری را تحمل می کنند و سطح بسیار قوی تری و مستحکم تری دارند و به سادگی دچار فروپاشی نمی شوند. نتایج نشان داده است که سرعت بالا آمدن حباب هایی با اندازه کمتر از 1 میکرون از حرکت برونی کمتر است و در نتیجه میکرو نانو حباب ها برای مدت طولانی در آب شناور باقی می مانند.

نرخ انتقال جرم در میکرو نانو حباب ها

به طور کلی مقدار نرخ انتقال جرم در گاز به شدت وابسته به سطح انتقال جرم گاز-سیال وابسته است. بنابراین نرخ انتقال جرم نیز در این حباب ها بسیار زیاد است. با توجه به قانون هنری، میکرو نانو حباب ها دچار خود فشار زایی و انحلال در سیال می شوند و این امر به گاز این امکان را می دهد که به مقادیر مافوق اشباع رسیده در سیال حل شود.

بار سطحی در نانو حباب ها و پتانسیل زتا

پتانسیل زتا یک ویژگی فیزیکی است که نشان دهنده بزرگی نیروی جذب کننده و یا دفع کننده بین ذرات و حباب است. این ویژگی از این جهت بسیار حائز اهمیت است که ارتباط مستقیمی با پایداری حباب در سیال دارد. برای محاسبه این پارامتر از رابطه smulochowski استفاده می شود. به صورت کلی در میکرو نانو حباب ها و نانو حباب ها در ph بین 2 الی 12 مقدار این پارامتر منفی است. پتانسیل زتا منفی با توجه به مقدار یون های هیدروکسیل و یون های هیدروژن تعیین می گردد.   

ترکیب از یون های بر روی سطح حباب و تشکیل یون های با بار مخالف در سطح داخلی حباب موجب می شود که پتانسیل زتا در میکرو نانو حباب ها منفی، زیاد و مانند ذرات کلوییدی باشد. در بیشتر و موارد با توجه به اختلاف در انتالپی هیدراتاسیون بین یون OH (-446.8 kJ/mol) و یون های H+ (-1104 kJ/mol ) گروه های OH تمایل به جذب در فصل مشترک میکرو نانو حباب داشته و در نتیجه آن بار منفی بر روی سطح آن ها تشکیل می شود. در آب خالص پتانسیل زتای نانو حباب های هوا، نیتروژن و اکسیژن می تواند تا حدود 20-، 37- و 40 – میلی ولت برسد (1).

از این گذشته متلاشی شدن میکرو نانو حباب ها در غیاب محرکت های خارجی می تواند موجب تشکیل رادیکال های هیدروکسیل شود که به صورت تجربی و توسط طیف سنجی و رزنانس های الکترونی اثبات شده اند. هنگامی که در اثر متلاشی شدن میکرو-نانو حباب و فصل مشترک سیال-گاز، غلظت بسیار زیادی از یون های باردار که بر روی سطح این فصل مشترک قرار داشته اند انرژی خود را آزاد می کنند، یون های هیدروکسیل تشکیل می شوند. مقدار این یون های هیدروکسیل آزاد شده به نوع گاز و مقدار ph سیال بستگی دارد. به طور کلی مقدار یون های هیدروکسیل میکرو نانو حباب اکسیژن بیشترین مقدار یون های هیدروکسیل را تشکیل می دهد.

مکانیزم تولید بار سطحی در میکرو نانو حباب ها (1)

روش های تولید میکرو نانو حباب

روش های متفاوتی برای تولید میکرو نانو حباب وجود دارد.

انحلال در فشار بالا و رها سازی گاز

اساس روش تولید میکرو نانو حباب در این روش پایه تغییر در فشار گاز محلول است. در این روش، در شرایط تحت فشار هوا یا هر گاز دیگر درون سیال حل می شود و به شرایط مافوق اشباع در می آید. پس از آن به طور ناگهانی فشار از مخلوط سیال گاز بر داشته شده، گاز به صورت ناگهانی از حالت مافوق اشباع خارج می شود و منبسط شده و به شکل حباب های ریز مقیاس خود را نشان می دهد.

در این حالت باید به صورت دوره ای هوا و سیال تحت فشار در تماس با یکدیگر قرار گیرند و نقص هایی شامل مقطعی بودن جریان سیال تولیدی و راندمان نه چندان زیاد در این سیستم ها بوجود می آید. برای رفع این مشکل از پمپ های استفاده می شودکه می تواند با استفاده از فشار زایی، استفاده از ورتکس های شدید و نیروی برشی میکرو نانو حباب هایی بسیار ریزتر و با راندمان بسیار بالا تر تولید می کنند.

روش پخش هوا

اساس این روش استفاده از نیروی های برشی هیدرولیکی، چرخش های و گردابه های سریع، جت هوا، استفاده از ساختارهای میکرو منفذ است که با استفاده از این روش ها نیروی برشی شدیدی و شرایط بحرانی را بوجود می آورد که در آن هوا به طور متوالی می شکند و با سیال ترکیب می شود. در این سیستم ها از روش های کویتاسیون نیز استفاده می شود که می تواند مشکلاتی را برای دستگاه بوجود آورد.

روش های الکتروشیمیایی

روش های الکتروشیمیایی نه تنها برای تزریق و تولید مستقیم میکرو نانو حباب در آب و محیط آبی می تواند مورد استفاده قرار گیرد بلکه از یک زیر لایه هادی استفاده می کند که به طور مستقیم بر روی آن می توان میکرو نانو حباب را شکل داد. تعداد و اندازه حباب ها با استفاده از بزرگی ولتاژ اعمالی و زمان الکترولیز قابل کنترل است.

استفاده از روش اولتراسونیک

کاویتاسیون با استفاده از امواج اولتراسونیک و تولید انرژی زیاد در محیط سیالی و بر روی سطوح آب گریز یکی از روش های تولید میکرو نانو حباب است. هنگامی که انرژی زیاد تولید شده در سطح اولتراسونیک به آستانه خاصی می رسد، حباب ها در اثر کاویتاسیون می شکنند و به سرعت جدا می شوند. قطر حباب های تولید شده در این روش بسیار وابسته به انرژی داده شده به سطح مشترک و زمان و فرکانس اعمالی است. در تحقیقی که در این زمینه انجام شده است به اندازه حباب های 750 تا 800 نانو متر رسیده اند.

راندمان این روش نسبتا کم است و سطح پیزو الکتریک به مرور زمان تخریب می گردد. در این روش اندازه حباب ها نسبتا کم است. در این روش اکسیژن اضافی به سیستم تزریق نمی شود و صرفا حباب های ریز مقیاس می توان تولید نمود. با توجه به بزرگی حباب ها در این روش به سختی به آن ها می توان نانو حباب گفت و عموما به شکل ستونی حباب از سیال خارج می ‌شود. در تصویر زیر یک تولید کننده حباب اولتراسونیک با ورودی هوا را مشاهده می کنید.

همانطور که در تصویر مشخص است حباب ها تمایل به حرکت عمودی دارند و این در حالی است که حباب های میکرو نانو حباب به صورت دیفیوژن و بخش در آب توزیع می شوند.

استفاده از روش های اولتراسونیک

فاکتورهای مهم در تعیین اندازه میکرو نانو حباب ها

توزیع اندازه میکرو نانو حباب ها به شرایط تولید آن ها و نحوه تولید باز می گردد. یکی از مهمترین فاکتورها در تعیین اندازه حباب به تغییر در میزان فشار مخلوط سیال-گاز باز می گردد. هر چه فشار وارد شده بر مخلوط بالا تر باشد اندازه حباب با توجه به چگالی هوا در این سیستم کوچکتر خواهد بود. هر چند این تغییرات در فشار در آستانه خاصی دیگر تغییر در اندازه حباب ایجاد نخواهد کرد. علاوه بر آن، گازهای مختلف اثر متفاوتی در پایداری حباب دارند.

برای مثال نانو حباب های اکسیژن خالص بسیار ماندگارتر هستند نسبت به نانو حباب های تولید شده از گاز هایی مانند هوا. در ماکرو حباب ها استفاده از گازهای با چگالی بیشتر به کوچک تر شدن حباب بسیار کمک می کند.

به طور مشابه در فرآیند تصفیه شیمیایی، نوع سیال و نمک هایی موجود در آن، نوع ایمپلر و میزان مکش هوا می تواند در اندازه حباب نقش بازی کند. در این سیستم ها اگر مقدار هوای ورودی در سیستم بیش از حد خاصی شود می تواند باعث افزایش قطر حباب ها گردد.

تاریخچه میکرو نانو حباب ها

در ادامه تاریخچه توسعه دانش میکرو نانو حباب آورده شده است.

اولین تحقیقات و تئوری های مربوط به میکرو نانو حباب ها به سال 1950 باز می گردد و با توجه به ماهیت آن تا کنون نیز بسیاری از جنبه های آن ناشناخته مانده است و تحقیقات بسیار زیادی در حال حاضر بر روی آن انجام می شود. کاربرد های این حباب ها در حوزه های مختلف مانند صنعت آب و پساب، کشاورزی، شیلات، صنایع غذایی و بسیاری دیگر از فرآیند ها و صنایع همچنان به طور کامل شناخته نشده و نیاز به ارتباط صنعت و محققان تا حصول نتیجه بیش از پیش احساس می شود. 

1950-1990 میلادی

  • 1950: بیان تئوری حباب و انحلال آن
  • 1954: بیان فرضیه وجود نانوحباب ها
  • 1994: بدست آوردن نیروهای جاذب بین نانوحباب و سطح
  • 1997: وجود نانو حباب ها در بازه زمانی طولانی مدت 

2010-2000 میلادی

  • 2000: اندازه گیری و شناسایی نانوحباب بر روی سطح توسط AFM
  • 2003: استفاده از نانوحباب در سیستم های اکوستیکی
  • 2006: پایداری نانو حباب ها در محلول نمک و سطح
  • 2008: اولین استفاده از نانو حباب ها در صنعت معدن و فلوتاسیون
  • 2010: تصویر برداری از نانو حباب با استفاده از SEM

2015-2010 میلادی

  • 2014: اولین اندازه گیری پتانسیل زتا نانوحباب
  • 2014:اولین اندازه گیری چگالی نانوحباب
  • 2015: تصویر برداری فلوروسنس وجود نانوحباب را بر روی سطح نشان داد (به شکل گازی)
  • 2015: استفاده از نانوحباب در حذف آلودگی

2019-2015 میلادی

  • 2016: تصویر برداری از نانو حباب با میکروسکوپ اپتیکی
  • 2017:انجام شناور سازی با استفاده از نانو حباب
  • 2018: تولید نانو حباب اب استفاده از روش کویتاسیون
  • 2019: مشاهده کاهش زمان تماس و شناور سازی با میکرو نانو حباب ها

چرا نانو حباب تولید شده توسط پمپ های ورتکس دوفازی دانتک

دانتک به عنوان اولین و تنها تولید کننده پمپ های ورتکس دوفازی در کشور، به دانش فنی استفاده از نانو حباب ها، توسعه و بسط فرآیندهای جدید و کاربرد این دانش در حوزه های مختلف دست پیدا کرده است. امروزه پمپ های این شرکت در صنایع شناورسازی و DAF، تزریق ازن، گلخانه، معدن، کاغذسازی و شیلات در حال استفاده است. دانتک با دارا بودن آزمایشگاه تخصصی در حوزه میکرو نانو حباب به توسعه کاربردهای جدید این تکنولوژی ها در صنعت پرداخته و همواره پیشتیبان تیم های تحقیقاتی و صنایع مختلف در رفع مشکلات در حوزه تصفیه پساب است.

پمپ های ورتکس دوفازی دانتک سه عمل مکش گاز، اختلاط و فشار سازی را در یک فرآیند انجام داده و به این روش در خروجی پمپ سیال حاوی حباب های ریز مقیاس و میکرو نانو تولید می کند. این پمپ در ظرفیت های مختلف و به منظور تامین نیاز صنعت در حوزه های مختلف طراحی و ساخته شده است. حباب های تولید شده توسط این پمپ در اندازه کمتر از 200 نانو متر بوده و با دانسیته بسیار زیاد تولید می گردد.

میکرو نانوحباب تولید شده توسط پمپ ورتکس دوفازی دانتک

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

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