کاربردهای فناوری نانو جهت گندزدایی از آب به روش ازوناسیون

فناوری نانو توانایی طراحی ساختارها را با دقت و ظرافت مولکولی-اتمی‌فراهم می‌آورد. این به معنای مهندسی دقیق یک ساختار در حد میلیاردیوم متر یا همان نانومتر است. ساختارهایی که با این دقت تهیه می‌شوند، خصوصیات ویژه و منحصربفردی از خود نشان می‌دهند. همچنین این اندازه ذرات (یا جزییات ساختار)، خصوصیات بسیار خاصی را ایجاد می‌کند. انتظار می‌رود که تا سال 2050 میلادی، این فناوری بتواند چهره زندگی بشر را بطور کلی تغییر دهد. فناوری نانو در کنار فناوری زیستی و فناوری اطلاعات موج دیگری از انقلاب صنعتی را در جهان رقم خواهد زد.

 

• اهمیت تصفیه آب

تصفیه آب از زمان‌های بسیار دور رواج داشته است و امروزه بصورت معمول آب آشامیدنی ‌افراد تماما تصفیه شده و در قالب آب لوله کشی شهری توزیع می‌شود. آلاینده‌های بسیار زیادی وجود دارند که می‌توان گفت دشمن آب‌های شیرین بوده و باعث آلودگی آنها می‌گردند. از این جمله می‌توان آلودگی‌های شیمیایی, ویروسی و میکروبی را نام برد که قطعا برای سلامتی انسان‌ها کاملا مضرند. فراهم‌سازی آب سالم و تصفیه بهداشتی آب یکی از مشکلات عمده کشورهای در حال توسعه می‌باشد، چنان‌که سلامتی و رفاه جامعه به چگونگی تهیه، انتقال و تصفیه آب وابسته است.  برای تهیه آب آشامیدنی و میکروب زدایی آن چند مرحله تصفیه وجود دارد که مورد تایید استاندارد‌های جهانی می‌باشد.  به‌طور کلی برخی از روش‌های میکروب زدایی را غیر فعال[1] گویند که برای جلوگیری از رشد اولیه میکروب‌ها در تاسیسات و مخازن آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد و  پس از گندزدایی، مواد شیمیایی اولیه در محیط آبی باقی نمی‌مانند. برخی دیگر از روش‌ها میکروب زدایی فعال[2] می‌باشند که به صورت برنامه ریزی شده و با حضور مداوم عوامل گندزدا جهت جلوگیری از رشد میکروب‌ها مورد استفاده می‌باشند. همانطور که در جدول 1 مشخص است، ازوناسیون[3] جزء هر دو روش می‌باشد.

جدول 1 : روشهای میکروب زدایی فعال و غیر فعال [1].

روش‌های میکرروب زدایی غیر فعال	·         استرلیزه کردن با بخار گرم ·         ضدعفونی کردن با آب داغ ·         گندزدایی با کمک مواد شیمیایی مثل: –   هیدروژن پراکسید (H2O2) –   پر استیک اسید –   سدیم هیپوکلریت (NaOCl) –   ازون (O3)
روش‌های میکرروب زدایی فعال	·         مواد شیمیای افزودنی مداوم مثل کلر ·         سیستم‌های سرد و گرم نگه داری و انتقال آب ·         تابش نور UV ·         فیلتراسیون استریل ·         ازوناسیون

 

(تصویر جهت استفاده گرافیست)

• مزایای ازوناسیون در مقایسه با سایر روش‌های گندزدایی آب
• تأثیر ازون بر روی دیواره باکتری‌ها، %51 بیشتر از کلر و از نظر زمانی نیز 3100 برابر سریع تر از کلر عمل می‌کند.
• ازون قابلیت کشتن و از بین بردن میکروارگانیسم‌های مختلف شامل انواع باکتری‌ها، قارچ‌ها، ویروس‌ها، مخمرها و جلبک‌ها را داراست . ازون در برابر کیت‌های پرتوزدایی چون ژیاردیا[4] و کریپتوسپوریدیوم[5] نیز مؤثر بوده که کلر فاقد این خاصیت است .
• ازون خاصیت بوزدایی داشته و خیلی سریع با اکثر مواد بو دار واکنش داده و آنها را اکسید می‌کند. ولی کلر خود باعث ایجاد بو و طعم در آب می‌شود .
• ازون رنگ و کدورت آب را می‌گیرد .
• ازون آلودگی فلزات واسطه را اکسید و آنها را به اکسیدهای کم‌محلول تبدیل می‌کند که به آسانی با فیلتراسیون جدا می‌شوند . مثلاً آهن به شکل فروس[6] در آب غیر محلول است ، ازون آن را به فریک هیدروکسید[7] تبدیل می‌کند که بسیار نامحلول بوده و به وسیله فیلتراسیون قابل جدا کردن است.
• ازون بر خلاف ضدعفونی کننده‌های معمولی مثل کلر و فرمالین هیچ گونه مواد سمی ‌یا مضری بر جای نمی‌گذارد؛ چرا که این مولکول پایدار نیست و پس از مدت کوتاهی شکسته شده و تبدیل به مولکول پایدار اکسیژن می‌شود.
• ازون اثرات زیست محیطی زیان باری در پی نخواهد داشت.

( تصویر جهت استفاده گرافیست)

 

 

• روش‌های تولید ازون

به دلیل اهمیت تجاری ازون، روش‌های متعددی برای تولید این گاز وجود دارد. در بیشتر این روش‌ها، ازون را از گاز اکسیژن تولید می‌کنند و معمولا گاز اکسیژن از هوا و یا کپسول اکسیژن تامین می‌شود. روش‌های تجاری تولید ازون را می‌توان به چهار گروه تقسیم نمود:

• روش تابش نور فرابنفش[8]
• روش تخلیه الکتریکی[9]
• روش پلاسمای سرد[10]
• روش الکترولیز[11]

 

الف ) روش تابش نور فرابنفش

در این روش نور فرابنفش (در ناحیه 254 نانو متر) را به لوله شیشه‌ای از جنس کوراتز می‌تابانند تا گاز عبوری در لوله را تحت تاثیر قرار دهد. به دلیل بازدهی کم این روش، معمولا به جای هوا از گاز اکسیژن خالص استفاده می‌کنند ( شکل 1).

شکل 1 : تولید ازون با اعمال نور فرابنفش [2].

 

 

ب) روش تخلیه الکتریکی

روش تخلیه الکتریکی که به اصطلاح به آن کرونا[12] گویند، روشی است که ولتاژ بسیار بالایی در میان شکافِ دو الکترود به وجود می‌آید. زمانی که در میان این شکاف، گاز اکسیژن وجود داشته باشد، این انرژی انتقال ولتاژ بالا منجربه یونیزه شدن مولکول‌های اکسیژن شده و درنتیجه این فرایند مولکول‌های ازون تشکیل می‌شود (شکل 2).

 

شکل 2 : تخلیه الکتریکی منجر به یونیزه شدن اکسیژن‌های اطراف خود و تولید گاز ازون می‌شود  [3].

 

پ) روش پلاسمای سرد

پلاسما،گازی شبه خنثی‌ می‌باشد که سرشار از یون و الکترون است و به عبارت دیگر می‌توان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شده‌ای اطلاق می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یون‌های مثبت تبدیل شده باشند. برای تشکیل پلاسمای سرد، با اعمال ولتاژ و میدان مغناطیسی گازهای نجیب را یونیزه می‌کنند که منجربه تولید میدان پلاسمای الکترواستاتیکی می‌شود. قرار گیری گاز اکسیژن در محیط پلاسما، آن را به گاز ازون و ساختار‌های مشابه آن (O₄، O₅، O₆، O_x) تبدیل می‌کند.

شکل 3 : عبور گاز اکسیژن از محیط پلاسمای سرد، منجربه متلاشی شدن گاز اکسیژن و تبدیل آن به گاز ازون می شود [4].

 

ت) روش الکترولیز

در این روش اعمال جریان الکتریکی، منجربه واکنش شیمیایی و تولید گاز ازون در محیط آبی می‌شود. تولید ازون در این نوع سیستم‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: 1- روش‌های الکترولیز شیمیایی و 2- استفاده از سلول غشای الکترولیت پلیمری[13]  (غشاء تبادلگر پروتن[14] ). در روش اول با واکنش الکتروشیمیایی در محیط آبی، در سطح الکترود گاز ازون تولید می‌شود (شکل 4). در روش جدیدتر که به آن سلول غشای الکترولیت پلیمری گویند، با اعمال جریان بسیار کم الکتریکی می‌توان در حد بسیار مطلوبی گاز ازون تولید کرد. چنین سیستمی ‌از پلیمرها و غشاهای تبادگر یون بهره می‌گیرند و عملکرد آن مشابه سلول سوختی[15] می‌باشد که گاز خروجی حاصل شده به صورت ازون است. این ساختار‌ها نیز به دو نوع تقسیم می‌شوند. سِل‌هایی که از یک سمت با هوا و گاز اکسیژن و از سمت دیگر با محیط آبی در تماس هستند (شکل 5)، سِل‌هایی که کاملا در محیط آبی قرار می‌گیرند (شکل 6).

 

شکل 4: تولید گاز ازون به روش الکترولیز شیمیایی [5].

 

شکل 5 : سلول غشای الکترولیت پلیمری تولید کننده ازون که کاتد در تماس با اکسیژن گازی می‌باشد [5].

شکل 6 : سلول غشای الکترولیت پلیمری تولید کننده ازون که به طور کامل در محیط آب قرار می‌گیرد [6].

 

• اهمیت فناوری نانو در ازوناسیون آب

استفاده از فناوری نانو می‌تواند هم در افزایش بازده تولید گاز ازون و هم در عملکرد گاز ازون جهت تصفیه آب موثر باشد.  بیشتر سیستم‌های تولید گاز ازون نیاز به گاز اکسیژن دارند، با توجه به اینکه تنها 21 درصد هوا را اکسیژن تشکیل می‌دهد و درصد کمی ‌از اکسیژن در طی فرایند تولید به ازون تبدیل می‌شود، استفاده از هوا بازده تولید ازون را به شدت کاهش می‌دهد. همچنین به دلیل مقادیر زیاد گاز نیتروژن در هوا، در طی فرایند تولید ازون، گازهای سمی اکسید نیتروژن (‌NOx) نیز تولید می‌شوند. برای رفع این مشکل از اکسیژن خالص استفاده می‌شود که این شرایط نیز با مشکل خالی شدن مداوم کپسول‌های اکسیژن همراه است. با کمک فناوری نانو می‌توان غشاء‌های گازی را تولید کرد که به طور مداوم اکسیژن را از هوا جدا کرد و به سیستم تولید ازون تزریق نماید. یکی از مهم‌ترین انواع غشاء های جداکننده اکسیژن از هوا، غشاء انتقال یون[16] نانو سرامیکی می باشد (شکل 7).  در این روش اکسیژن موجود در هوا پس از تماس با سطح غشاء  و دریافت الکترون، به صورت یون منفی در آمده و  با اعمال جریان مستقیم الکتریکی از جداره غشاء سرامیکی نانو متخلخل عبور می‌کنند تا به سمت دیگ غشاء برسند. در سمت دیگر غشاء، یون‌های منفی اکسیژن، الکترون از دست می دهند و به صورت مولکول‌های اکسیژن از غشاء جدا می‌شوند. خلوص اکسیژن تولیدی توسط این فناوری 99/99 می‌باشد (شکل 7). همچنین با کمک فناوری نانو می‌توان سیستم‌هایی تولید کرد که مشابه سلول سوختی عمل کنند و بتوانند آب را هیدرولیز کرده و به گاز ازون تغییر دهند. می‌توان الکترود‌ها و کاتالیزور‌های پیل سوختی را با نانو مواد بهبود بخشید.  همچنین کارایی غشاء‌ها و الکترولیت مورد استفاده در پیل سوختی با کمک فناوری نانو  جهت انتقال بهتر یونها افزایش می یابد.

شکل 7 : استفاده از فناوری غشاء انتقال یون سرامیکی جهت جداسازی اکسیژن از هوا [7]

 

برای افزایش بازده عملکرد گاز ازون جهت تصفیه آب می‌توان از نانو و میکرو حباب  بهره گرفت.  نانو حباب‌ها[17] این قابلیت را دارند که برای مدت طولانی در آب بمانند. تزریق ازون به صورت نانو حباب،  ماندگاری ازون را بسیار طولانی خواهد کرد. همچنین اثبات شده که میکرو حباب[18] به دلیل قابلیت تولید رادیکال‌های  OH و شوک ناشی از ترکیدن حباب، می‌تواند میکروب‌ها و آلاینده‌های آلی را از بین ببرد. ترزیق ازون به صورت میکروحباب به آب، عملکرد گندزدایی و رفع آلاینده توسط ازون را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد (شکل 8) .  جدول 2 تاثیرات میکروحباب‌های ازون جهت تصفیه آب را نشان می‌دهد.

شکل 8 : میکروحباب ازون به دلیل خاصیت گندزدایی O₃ و OH^. ، بازده بیشتری جهت رفع آلودگی آب خواهد داشت [8].

 

جدول 2 :  تاثیرات میکروحباب ازون بر تصفیه آب [9]

نوع آلاینده	نوع فاضلاب	آلودگی جهت رفع	درصد حذف آلوگی	زمان (کیلو ثانیه)
مواد آلی محلول	فاضلاب صنایع نفتی	BTEX[19]	83	6/0
ترکیبات آلی کلر دار	آب زیرزمینی	TCE[20]	100	5/7
آلاینده‌های رنگی	فاضلاب نساجی	COD[21]	70	12
آلاینده‌های رنگی	فاضلاب نساجی	CI reactive black	99	8/1
شیرابه تجزیه شده	پساب تاسیسات دفن زباله	فسفر و نیتروژن	50	6/3
شوینده‌ها و حلال‌های پاک کننده	صنایع تولید نیمه‌رسانا و الکترونیک	DMSO[22]	70	6/0
آفت کش‌ها	سبزیجات	سموم باقی مانده فنیتروتیون[23]	55	6/0

 

• بازار محصولات ازون

بازار فناوری تولید ازون  را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد: 1- بازار تصفیه هوا و گاز، پزشکی 2- بازار تصفیه آب.  در بخش اول، گاز ازون جهت ضدعفونی لوازم پزشکی و سطوح آلوده و همچنین رفع آلاینده‌های هوا و ایجاد هوای مطبوع مورد استفاده قرار میگیرد. در بخش دوم گاز ازون کاربرد گسترده‌ای جهت حذف آلاینده‌ها و گندزدایی پساب صنعتی و شهری و همچنین تصفیه آب نوشیدنی هم به صورت خانگی و هم به صورت صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

بنا بر پیش بینی موسسه bccresearch، بازار جهانی فناوری ازون از 606 میلیون دلار در سال 2011 با رشد 7/6 درصدی به 838 میلیون دلار در سال 2016 خواهد رسید [10]. از این میزان، سهم بازار  تولید ازون جهت تصفیه آب 5/465 میلیون دلار در سال 2011 بوده که با رشد 7 درصدی به 643 میلیون دلار در سال 2016 خواد رسید (شکل 9).  همچنین  موسسه Persistence Market Research پیش بینی می‌کند که با توجه به رشد آلودگی‌های محیط زیستی و کاهش منابع آب، نیاز  به فناوری تولید ازون نسبت به روش‌های گندزدایی کلر زنی و تابش برتو UV بیشتر خواهد شد. بنابر پیش بینی این موسسه، بازار فناوری ازون بین سالهای 2014 تا 2020 رشد 1/8 درصدی را خواهد داشت و بازار کلی فناوری ازون در تصفیه آب، پزشکی و صنعت معادل 1242 میلیون دلار در سال 2020 خواهد بود [11].

شکل 9 : رشد بازار جهانی فناوری ازون بین سالهای 2003 نا 2011 و پیش بینی این بازار در سال  2016 [10].

 

• شرکت‌های فعال خارجی

شرکت چینی O3-technologies ، از فناوری سلول غشای الکترولیت پلیمری جهت تولید ازون استفاده می‌کند که به طور کامل در آب قرار می‌گیرد و نیازی به تزریق گاز اکسیژن به سیستم ندارد. این نوع از فناوری این امکان را می‌دهد که دستگاه تولید ازون قابل حمل بوده و به راحتی در شرایط مختلف نصب گردد (شکل 10) [6].

شکل 10 : نصب دستگاه تولید ازون بر روی شیر آب بدون نیاز به گاز اکسیژن محصول شرکت O3-technologies

شرکت biotek-ozone با استفاده از فناوری غشاء و نانو کاتالیست، ازون را به روش الکتروکاتالیست تولید می‌کند.  در این روش با اعمال ولتاژ کم، مولکول‌های آب به هیدروژن و ازون تبدیل می‌شوند که از طریق جداسازی، گاز ازون به محیط آبی وارد می‌شود. بنابر ادعای این شرکت، میزان ازون تولید شده بیشتر از روش‌های مرسوم خواهد بود (شکل 11 ) [12].

شکل 11 : مقایسه روش الکتروکاتالیست با روش‌های مرسوم تولید ازون [[12]

برخی از شرکت‌ها مانند شرکت Ceramatec موفق به تولید فناوری غشاء انتقال یون نانو سرامیکی متخلخل شده‌اند که می‌تواند گاز اکسیژن را از هوا جدا کند (شکل 12) [13].  این دستگاه‌ها این قابلیت را دارند که به دستگاه تولید ازون متصل شده و اکسیژن خالص را به آن تزریق کند.  همچنین سازمان دولتی  NETL [24]  بر روی چنین سیستم‌هایی جهت جداسازی گاز اکسیژن از هوا در ابعاد صنعتی سرمایه گذاری کرده است. بازه زمانی که برای تحقیق و توسعه این پروژه توسط NETL در نظر گرفته شده است بین 1998 تا 2015 بوده که مجموع بودجه اختصاص یافته معادل 296 میلیون دلار بوده است. [14].

شکل 12 : تولید فناوری غشاء انتقال یون نانو سرامیکی متخلخل  جهت تولید اکسیژن، محصول شرکت Ceramatec

 

بسیاری از شرکت‌های خارجی بر روی تولید نانو/ میکرو حباب ازون متمرکز شده اند. از جمله این شرکت‌ها، می‌توان شرکت‌های Nanoteragroup ، Cashido و Ozonetechnologiesgroup  را نام برد (شکل 13 ) [15 ،16 و 17].

شکل 13 : راه اندازی سیستم تصفیه آب برای کاهش COD از طریق تزریق میکروحباب ازون توسط شرکت Nanoteragroup .

• شرکت‌های فعال داخلی

در ایران فناوری نانو کویتاسیون با موفقیت در پایلوت‌های متعددی به اجرا درآمده است. یکی از شرکت‌های فعال در ایران را شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر نام برد [18]. این شرکت این قابلیت را دارا است که با توجه به شرایط هر منطقه و یا نوع آلودگی آب ، گاز ازون را به صورت نانو/ میکرو حباب  آب مورد نظر تزریق نماید (شکل14 ).

شکل 14 : دستگاه تولید کننده نانو/ میکروب حباب ساخت شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر

• جمع بندی

ازوناسیون از جمله روش‌هایی است که به دلیل تاثیرات سریع و ماندگار آن جهت رفع آلاینده‌ها و میکروب‌ها، بسیار مورد توجه صنایع می‌باشد.  همچنین ارزیابی‌ها نشان می‌دهد که رشد صنعت تولید ازون بسیار بالا می‌باشد. به نظر می‌رسد صنایع سرمایه گذار در این زمینه سعی می‌کنند تا بازده دستگاه‌های تولید کننده ازون و عملکرد تزریق ازون  را افزایش دهند. فناوری نانو یکی از مهمترین راه‌کارهایی می‌باشد که صنایع تولیدی را به این هدف نزدیک کرده است. همچنین استفاده از نانو/میکروحباب‌های ازون جهت پساب، می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد، بدون آنکه اثرات جانبی زیست محیطی بر جا بگذارد.

• منابع

 

• Ozonization of Purified Water Systems, S. Stucki, The official journal of ISPE, V: 25 (2005) No‌1.
• http://members.sti.net/yosfall/blue_diamond_technologies.htm
• http://www.ozonefac.com/
• http://gaetano-marrone.de/img/ozone-generator-build.html
• The Electrochemical Generation of Ozone: A Review, P.A. Christensen, T. Yonar, K. Zakaria , Ozone: Science & Engineering: The Journal of the International Ozone Association, V:35 (2013) P: 149-167.
• http://www.o3-technologies.com/pem.asp?sid=408
• https://www.ipi-singapore.org/technology-offers/high-flux-oxygen-transport-membrane.
• Effect of Microbubbles on Ozonized Water for Photoresist Removal, M. Takahashi, Phys. Chem. C, V: 116 (2012) P: 12578−12583.
• Microbubble-aided water and wastewater  purification: a review, S.  Khuntia ,    K.  Majumder,  P. Ghosh, Rev. Chem. Eng., V:28 (2012) P: 191–221.
• http://www.bccresearch.com/pressroom/chm/global-market-value-ozone-technology-reach-$838-million-2016
• http://www.persistencemarketresearch.com/market-research/ozone-technology-market.asp
• http://biotek-ozone.com/biotek_ozone.html
• http://www.ceramatec.com/technology/ceramic-solid-state-ionic-technologies/separation-&-purification-technologies/oxygen.php
• http://www.netl.doe.gov/research/coal/energy-systems/gasification/feed-systems/project-de-fc26-98ft40343
• http://www.nanoteragroup.com/Technologies/Environment/Water-treatment/Microbubble-Maker.html
• http://www.cashido.com.tw/en/product/Industrial-Use-Micro-Bubble-Systems/micro-bubble-industrial.html#prettyPhoto
• http://www.ozonetechnologiesgroup.com/datasheet_KerfootTechFAQ.php

 

———————————

[1] Passive disinfection

[2] Active disinfection

[3] Ozonation

[4] Giardia

[5] Cryptosporidium

[6] Ferrous

[7] Ferric hydroxide

[8] Ultraviolet Radiation

[9] Corona Discharge

[10] Cold Plasma

[11] Electrolysis

[12] Corona

[13] Polymer-Electrolyte-Membrane (PEM)

[14] Proton Exchange Membrane (PEM)

[15] Fuel Cell

[16] Ion Transport Membrane
[17] Nanobubble

[18] Microbubble

[19] Benzene, Toluene, Ethyl Benzene and Xylene

[20] Trichloroethylene

[21] Chemical oxygen demand

[22] Dimethylsulfoxide

[23]  Residual fenitrothion

[24] National Energy Technology Laboratory

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• احسان فریدی (کارشناس ارشد شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)
• محسن سروری (دکتری شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================