نانو ازن چیست و چه کاربردهایی دارد؟

نانو ازن و یا ازن در حقیقت سه اتم اکسیژن به همچسبیده است که تشکیل یک مولوکول ازن می دهد. استفاده از ازن و نانو ازن هر روزه در حال گسترش است. در این مقاله به مطالب بسیار کلی و اولیه در مورد ازن پرداخته خواهد شد و مفاهیم اولیه مربوط به آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت. همچنین کاربرد ازن در صنعت و کشاورزی در دنیای امروز در ادامه مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.

در ابتدا باید اشاره شود که ازن به صورت تک اتمی ناپایدار است و در اثر برخورد با یک مولکول دو اتمی از اکسیژن به صورت ازن یا O3 تبدیل خواهد شد. هوایی که امروز ما تنفس می کنیم شامل 21 درصد اکسیژن دو اتمی است که به همین علت اکسیژن به یکی از معمول ترین مولکوهای موجود در طبیعت تبدیل شده است. بر خلاف اکسیژن، ازن یک گاز قابل مشاهده با رنگ آبی است که تنها در غلظت های بسیار بالا خود را نشان می دهد. در غلظت های پایین، گاز ازن نیز همانند اکسیژن بدون رنگ است.

همچنین ازن در حالت گازی، ازن یک بوی خاص و قابل تشخیص دارد که این امر حتی در غلظت های پایین نیز خود را نشان می دهد. این بو شبیه بسیاری از تمیز کننده ها و تا حدودی نزدیک به بوی کلر است. درغلظت های بالا تر یک بوی بسیار زننده و تند دارد.

نانو ازن
شکل 1 ازن و نانو ازن

 ازن در حالت کلی بسیار ناپایدار و واکنش پذیر است به طوری که به راحتی به اکسیژن تبدیل می شود و این اتفاق به صورت طبیعی رخ می دهد. همچنین ازن بسیار واکنش دهنده بوده و به عنوان یک اکسید کننده شیمیایی بسیار قوی شناخته می شود.

تاریخچه ازن

 اگر به تارخچه ازن بازگردیم در سال 1785 میلادی یک شیمی دان آلمانی احتمالا اولین فردی بوده است که بوی ازن را احساس کرده و تشخصی می دهد که یک ماده جدید به صورت گازی وجود دارد. او در گزارش ارائه شده از تست های تجربی خود اشاره می‌ کند که یک بوی خیلی خاص در اطراف سیستم الکترولیز استشمام کرده است.

اگر چه ون ماروم اولین بار به این بو اشاره کرد، شونبین در دانشگاه مونیخ اولین بار این ماده را با نام اشاره کرد. این مقاله باز میگردد به سال 1840 میلادی که شونبین در محل تست و آزمایش خود بوی ازن را احساس کرد و آن را برای اولین بار گاز ازن “ozone” نامید. این همان گازی بود که ون ماروم اولین بار سعی در شناسایی آن داشت. به طور کلی کشف ازن به شونبین نسبت داده می شود و او اولین کسی بود که مکانیزم و واکنش حاصل بر تولید ازن را شناسایی کرد.

در سال 1840 میلادی مطالعات بسیاری بر روی اثر گند زدایی ازن انجام شد. اولین دستگاه ازن ژنراتور در برلین و توسط وون سمنس اختراع شد. این مخترع همچنین یک کتار در مورد ازن و کاربرد آن در آب نوشته است. این امر در نهایت منجر بر ساخت چندین پایلوت تولید ازن و توسعه کاربری محصول این دستگاه یعنی ازن شد.

یک شیمیدان فرانسوی به نام ماریوس پائل اتو اولین فردی بود که در زمینه تولید ازن ژنراتورها یک شرکت تاسیس کرد. او دکتری خود را در همین زمینه موفق شد در یافت کند.

ازن- ماریوس پائل اتو
شکل 2 ماریوس پائل اتو

اتو اولین ازن در ابعاد صنعتی را در هلند و در اودشورن در سال 1893 نصب کرد. تمامی مراحل این امر توسط محققین فرانسوی و یک تیم تحقیقاتی در نایس انجام شد و از آن زمان نایس به عنوان محل تولد ازن برای تصفیه آب و پساب شناخته می شود. در زمان های قبل از جنگ جهانی اول استفاده از ازن در حال گسترش در بسیاری از کشورهای دنیا بود به طوری که در سال 1916 حدود 49 دستگاه ازن در اروپا نصب شده بود که 26 عدد از آن در فرانسه قرار داشت.

این روند به سرعت و با مشخص شدن اینکه ازن گازی سمی است تغییر پیدا کرد و استفاده از آن کاهش پیدا کرد و بجای آن کلر به عنوان گندزدا در آب مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از ازن تا بعد از جنگ جهانی دوم به حالت قبل بر نگشت و در سال 1940 تعداد دستگاه ازن در دنبا تنها به 119 عدد میرسید. در سال 1977 این تعداد به 1043 افزایش پیدا کرد که بیش از نصف این تعداد در فرانسه نصب شده بود. در سال 1985 این تعداد بیش از 2000 عدد تخمین زده می شود.

شکل 3 یک ازن ژنراتور قدیمی

استفاده مجدد از ازن

امروزه همچنان استفاده از کلر در بسیاری از سیستم های تصفیه آب کاربرد دارد، هرچند در چند دهه اخیر کاربرد ازن مجددا در حال گسترش است. این امر به دلیل پیدا شدن trihalomethanes (THM) به عنوان یک محصول جانبی در استفاده از کلر به عنوان ضد عفونی کننده است. این کشف در سال 1973 انجام شد و دانشمندان از آن زمان به دنبال راه های جایگزین به منظور گندزدایی و حذف آلودگی از آب با روش های امین تر هستند.

یک نیاز دیگر افزایش آلودگی های نظیر میکرو ارگانیزم ها در آب های سطحی است. این آلودگی ها به سختی با استفاده از کلر از بین می روند ولی ازن با قدرت تخریب و اکسیدکنندگی بالا به سرعت آن را حذف می کند. امروزه با مدیریتی که در زمینه انتقال و تخریب ازن گازی به وجود آمده است مشکلات سمیت آن دیگر مشکل جدی به حساب نیامده و از این اکسید کننده قوی به طور گسترده استفاده می شود.

نانو ازن و دانتک

در همین راستا دانتک با استفاده از پمپ ورتکس دوفازی ازن را به صورت نانو ازن به پساب و یا آب تزریق می کند و به علت ابعاد بسیار کوچک نانو ازن و یا نانو حباب، راندمان انتقال به صورت قابل توجهی افزایش می یابد. این امر باعث می شود گاز ازن به صورت حباب از سیال خارج نشده و به صورت محلول در سیال باقی می ماند. این انحلال در سیال موجب می شود نانو ازن به صورت قابل دسترس به منظور اکسیداسیون آلودگی های در سیال باشد. تکنولوژی میکرو نانو حباب دانتک برای تزریق نانو ازن یکی از کارامدترین سیستم های تزریق نانو ازن در سطح دنیا می باشد.

با افزایش نرخ انتقال و تولید حباب های نانو ازن می توان به غلظت های بالاتر در محلول خروجی دست پیدا کرد.

کاربردهای نانو ازن

با توجه به قدرت بسیار زیاد اکسیداسیون و گندزدایی نانو ازن، کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف برای آن وجود دارد. هر کدام از این کابردها به نحوی از ازن استفاده می‌کنند.

نانو ازن و صنعت آب و پساب

نانو ازن در صنعت آب و پساب کاربردهای بسیار متنوعی شامل، گندزدایی، رنگبری (حذف رنگ)، حذف بو، سم زدا، رسوب دهنده، منعقد کننده و از بین برنده طمع نامطلوب دارد. بنابراین از ازن در تمامی مواردی که با آلودگی‌های بیان شده در بالا مواجه باشیم می‌توان استفاده نمود. با توجه به اینکه ازن یک بایوساید (زیست‌کش) بسیار قوی هست موارد مشکوک به  آلودگی پاتوژن را نیز می توان به راحتی با ازن مرتفع نمود.

نانو ازن یک گندزدا با حداقل آثار بر محیط زیست

گندزدایی و حذف آلودگی با نانو ازن بدون تولید محصولات جانبی و استفاده از مواد شیمیایی است. ازن با استفاده از هوا و یا اکسیژن در محل تولید می شود و توسط پمپ ورتکس دوفازی دانتک می تواند به درون سیال تزریق شود و پس از انجام گندزدایی و اکسیداسیون به اکسیژن تبدیل می شود، در نتیجه هیچ نوع آلودگی ایجاد نمی کند. همچنین با توجه به اینکه ازن می تواند به عنوان منعقد کننده نیز به حساب آید و یک رسوب گذار خوب است موجب کاهش استفاده از مواد شیمیایی در فرآیند تصفیه آب می‌شود.

ازن تقریبا قویترین و موثرترین ماده برای کنترل طیف وسیعی از آلودگی‌های میکروبیولوژیکی است. به طور مثال برای حذف Giardia cysts مقدار غلظت-زمان مورد نیاز کلر بیش از 100 برابر این مقدار برای ازن است. برای ویروس ها مقدار غلظت-زمان مورد نیاز کلر بیش از 6 برابر ازن است. برای Cryptosporidia  ازن به عنوان بهترین غیر فعال کننده از طرف EPA آمریکا شناخته می شود.

هنگامی که از نانو ازن برای گندزدایی آب آشامیدنی استفاده می شود، مقدار کلر مورد نیاز برای گندزدایی به شدت کاهش می یابد و تنها برای اینکه مقداری از آن در سیستم آبرسانی به منظور گندزایی تا محل مصرف باقی بماند، مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که ازن باقی مانده ای در آب به جا نمیگذارد نیاز به حذف در انتهای فرآیند ندارد.

در چه مواردی از نانو ازن استفاده می شود

   در کلیه کاربردهایی که آلودگی در آب و یا پساب قابلیت اکسیداسیون داشته باشد می توان از نانو استفاده نمود. ازن بجز گازهای خنثی می تواند با هر عنصری ترکیب شود و واکنش دهد. هر ملکولی که در حالت نهایی اکسیداسیون خودش نباشد میتواند توسط ازن اکسید شود. حتی در مواردی که ماده ای به طور کامل اکسید شده باشد می تواند با محصولات و رادیکالهای آزاد حاصل از تخریب ازن در محیط آبی، مانند هیدروکسیل، واکنش دهد.

نانو ازن میتواند هر کجا که از کلر (Cl2)، دی اکسید کلر (ClO2)، پرمنگنات پتاسیم (KMnO4)، اشعه ماوراء بنفش (UV)، هیدروژن پرواکساید (H2O2)، و اکسیژن و هوادهی استفاده می ‌شود، بکار گرفته شود. از آنجا که ازن انطباق پذیری بالایی با دیگر روش هایی گندزدایی دارد میتوان از آن به عنوان روش مکمل روش های گندزدایی دیگر استفاده کرد و به عنوان یک جزء اساسی AOP شناخته می‌شود.

به طور کلی اگر چیزی در دما و فشار عادی بتواند اکسید شود حتما توسط ازن میتواند تصفیه گردد. اگر آلودگی باشد که ازن نتواند آن را از بین ببرد به احتمال زیاد هیچ اکسیدکننده ی دیگری نیز نمیتواند آن را حذف کند. با توجه به اینکه ازن اکسیدکننده قوی است و از این اکسید کنندگی رسوب حاصل می‌شود، نیاز است آب ازن زده شده فیلتر شود و یا زمان ماند به منظور تهنشینی به آن داده شود.

آلودگی های زیر قابلیت حذف شدن به وسیله ازن را دارند.

  • باکتری‌ها: تمام انواع باکتری ها
  • مواد معدنی: آلودگی های غیر ارگانیک، رنگ و دیگر آلودگی ها
  • مواد فلزی: آهن، منگنز و بسیاری دیگر از فلزات
  • مواد ارگانیک: رنگ، جلبک، ترکیبات دیگر کربن
  • ویروس ها: تمامی انواع آن BOD & COD: به سرعت واکنش داده و حذف میشوند (با توجه به اینکه ازن، فرم فعال اکسیژن است)

فرآیند اکسیداسیون پیشرفته با استفاده از نانو ازن

استفاده همزمان از نانو ازن و UV و یا هیدروژن پروکساید باعث تولید رادیکال هیدروکسیل (OH-) می شود که از این فرآیند با نام اکسیداسیون پیشرفته و یا AOP یاد می شود.

ضد عفونی کردن آب

ازن یک ضد عفونی کننده و اکسید کننده بسیار قوی است. استفاده از ازن برای گندزداییِ آب آشامیدنی فناوری‌ای است که در بسیاری از مناطق جهان به کار گرفته می­شود. در بین تمام مواد شیمیایی مورد استفاده در تصفیه آب و فاضلاب، ازن قوی­ترین ضد عفونی کننده است و از نظرِ قدرت اکسید کردن، بعد از فلورین، در مرتبه دوم است.

همچنین در مقایسه با کلر، ازن بیش از 50٪ اکسید کننده قوی­تر است و بیش از 3000 برابر سریعتر عمل می­کند، هیچ بو و طعم ماندگاری ندارد و سازگارتر با محیط زیست است زیرا آب تصفیه شده فاقد مواد شیمیایی است.

روش معمول تزریق ازن از طریق حباب­های معمولی است که به دلیل شناوری زیاد به سطح آب می­روند و بازده پایینی دارند. میکرونانوحباب­های ازن، حباب­هایی با اندازه میکرو و نانو در محلول­های آبی هستند و در مقایسه با حباب­های ماکرو دارای طول عمر طولانی­تر و همچنین سطح ویژه بیشتر هستند و از این رو می­توانند عوامل بیماری زا و آلاینده­ها را به طور موثر از بین ببرند که نشان دهنده پتانسیل فوق العاده­ای برای گندزدایی آب آشامیدنی و انواع فاضلاب­ هستند.

علاوه بر این، اگر مقادیر بیشتری ازن با آلاینده­ها تماس داشته باشد­، ازن می­تواند با سرعت بیشتری واکنش نشان دهد و نفوذ با سرعت بالاتری انجام می­شود. همچنین انتقال ازن از گاز به محلول کارآمدتر است، که باعث می­شود گندزدایی موثر باشد و باعث کاهش زمان و کوچکتر شدن تانک ازن زنی می‌شود.

برای مثال، نیمه عمر ازن در آب در ابعاد میکرون حدود 6/1 برابر بیشتر از حباب­های با ابعاد میلیمتری است و برای رسیدن به مقدار مشخصی از غیر فعال سازی کلیفرم­ها با ازن، در حالت میکروحباب به دوز پایین­تری از ازن نیاز است که به معنای کاهش هزینه­های سرمایه گذاری و عملیاتی است. با توجه به بهره وری بالاتر و تمام ویژگی‌هایی که مطرح شد دانتک پکیج میکرو-نانو ازن را پیشنهاد می‌دهد.

ساز و کار ضد عفونی کردن آب آشامیدنی بدین صورت است که از دو طریق انجام می­گیرد: اول ضد عفونی اولیه، كه به میزان مطلوب تخریب میكروارگانیسم دست می­یابد و یا آنها را غیرفعال می­كند، و ضد عفونی ثانویه که برای حفظ مقادیری از مواد ضد عفونی كننده در آب تصفیه شده است كه مانع رشد مجدد میکروارگانیسم­ها در طول مدت زمان توزیع تا زمان مصرف شود.

یکی از اشکالات اصلی استفاده از ازن در تصفیه آب آشامیدنی عدم تأمین باقیمانده مواد ضد عفونی کننده در زمان توزیع است، زیرا به وسیله حباب­های معمولی به آب تزریق می­شود و حباب‌ها در اندازه ماکرو خیلی زود از آب بین می‌روند. با این حال، هنگامی که ازن به صورت حباب­های نانو (نانو ازن) تزریق شود، امکان ماندگاری قابل توجهی در آب وجود دارد و بنابراین می­توان از آن نه تنها برای پیش تصفیه بلکه برای ضد عفونی نهایی نیز استفاده کرد.

شکل 4 فرآیند گندزدایی نانو ازن و نابود کردن ویروس و باکتری

تولید نانو ازن از طریق پمپ‌های میکرو-نانو حباب ساز دانتک امکان پذیر است و همانطور که توضیح داده شد روش بهینه برای ضدعفونی کردن آب آشامیدنی استفاده از میکرو-نانو ازن است. دستگاه نانو ازن دانتک حباب‌های ازن را در مقیاس نانو به شما تحویل می‌دهد.

حذف مواد آلی بوسیه ازن

یکی از پیچیده­ترین مراحل تصفیه انواع فاضلاب­ها حذف مواد آلی مانند ترکیبات آروماتیک، سموم کشاورزی، حلال­ها و … است. بسیاری از این مواد نسبت به روش­های معمول مانند تصفیه بیولوژیکی مقاوم هستند و یا نیاز به زمان زیادی برای تصفیه دارند که مقرون به صرفه نمی­باشد.

ازن به عنوان یک اکسید کننده قوی برای این گونه آلاینده­ها مورد توجه قرار گرفته است اما استفاده از ازن هم مشکلاتی مانند انحلال کم در آب و همچنین اکسیداسیون انتخابی ازن را به همراه دارد و از این رو استفاده از این روش را محدود کرده است و توجه بیشتری به روش­هایی مانند اکسیداسیون پیشرفته با کمک ازن مانند O3/UV یا O3/H2O2 و … معطوف شده است.

علت استفاده از این روش­ها این است که علاوه بر ازن، رادیکال­های OH نیز تولید می­شود که پتانسیل کاهش بیشتری نسبت به ازن داشته و عملکرد انتخابی ندارد. اما این روش هم معایبی از جمله نیاز به تزریق مقدار زیاد ازن به آب به دلیل انحلال کم و خروج سریع حباب­های ازن از آب و همچنین عملکرد ضعیف سیستم در محیط اسیدی به دلیل عدم تولید رادیکال OH دارد.

راه حل این مشکلات استفاده از میکرو نانو حباب­ ازن است. اخیراً، جهت بهبود فرایندهای اکسیداسیون پایه ازن در تصفیه آب و فاضلاب، به طور گسترده­ای از فناوری­های حباب سازی ریز و فوق العاده ریز استفاده شده است.

میکرو نانو حباب‌ها انتقال جرم ازن را در آب افزایش می­دهد و بنابراین اکسیداسیون ترکیبات آلی را تسریع می ­کند و همچنین از دست دادن ازن را به علت افزایش زمان ماند در آب کاهش می­دهد. علاوه بر افزایش انحلال گاز ازن، میکرو-نانو حباب­های ازن به طور موثری رادیکال­های هیدروکسیل تولید می­کنند که در تجزیه مولکول­های آلی در محیط آب اسیدی و قلیایی بسیار موثر هستند. علت عملکرد در هر دو محیط اسیدی و بازی، تفاوت در مکانیسم تولید رادیکال آزاد است. در تصویر زیر نحوه عملکرد نانو ازن در از بین بردن مواد آلی نمایش داده شده است.

شکل 5 نحوه از بین بردن مواد آلی توسط نانو ازن
 
مشاهده فیلم رنگ بری با نانو ازن
(1)https://www.histoire-eau-hyeres.fr/100-histo_eau_pot_fr-pg.html

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