کاربرد فناوری پلاسما در صنایع آب و پساب

پلاسما،از نظر الکتریکی محیطی شبه خنثی‌ می‌باشد که سرشار از‌‌ یون و الکترون است. به عبارت دیگر می‌توان گفت که واژه پلاسما به گاز‌‌یونیزه شده‌ای اطلاق می‌شود که همه‌‌یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن‌‌، یک‌‌ یا چند الکترون از دست داده و به‌‌یون‌های مثبت تبدیل شده باشند. برای تشکیل پلاسما، با اعمال ولتاژ و میدان مغناطیسی، گازها را‌‌یونیزه می‌کنند که منجر به تولید میدان پلاسمای الکترواستاتیکی می‌شود. درهنگام تخلیه الکتریکی در میان شکاف الکترود‌ها  و ‌‌یا در مکان‌هایی که میدان الکتریکی متمرکز شده‌ است، نیز گاز هادی گشته و‌ هاله پلاسما را تشکیل می‌دهد.

 

تصویر جهت استفاده گرافیست

• چالش‌ها:

با توجه به اهمیت بحث باکتری‌زدایی و استریلیزاسیون آب در دنیای امروز و از طرفی شیوع عفونت‌ها و مقاوم شدن باکتری‌ها به درمان‌های متداول،‌‌ یافتن روشی نوین، کارآمد و سریع تر از روش‌های معمول گذشته برای تصفیه کامل آب بسیار مورد توجه است. در اغلب موارد، شیوع بیماری‌ها،  ناشی از مصرف آب به دلیل فقدان و‌‌ یا نامناسب بودن فرآیندهای میکروب‌زدایی و تصفیه آب آشامیدنی‌ می‌باشد.

هرچند آب خود به عنوان پاک‌کننده  آلودگی به کار ‌می‌رود، رفع آلودگی از آب بسیار مشکل‌ است. روش‌های گوناگونی برای کاهش آلودگی عوامل‌میکروبی آب وجود دارد. از این جمله می‌توان به افزودن مواد شیمیایی، فیلتراسیون و استفاده از پرتو فرابنفش که هرکدام معایب زیادی را به همراه دارند، اشاره کرد. کلرزنی امروزه به عنوان متداولترین روش میکروب‌زدایی آب آشامیدنی در دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما استفاده از کلر به‌عنوان ‌‌یک ماده شیمیایی علیرغم اینکه مفید واقع می‌شود، دارای معایب و مضراتی نیز هست. به همین دلیل متخصصان ضمن توصیه روش‌های جایگزین کلرزنی، تاکید دارند که کلر باقیمانده در آب شهری، در نقطه مصرف و درست قبل از نوشیدن، از آب حذف شود.

تصویر جهت استفاده گرافیست

 

• تخلیه الکتریکی و ایجاد پلاسما  در آب

در سال‌های اخیر مطالعات فیزیکی-شیمیایی مختلفی در زمینه تخلیه الکتریکی در آب صورت گرفته است. با توجه به آن‌که تخليه الكتريكي معمولا در گازها صورت مي‌گيرد و در مايعات محدود مي‌باشد.  تخلیه الکتریکی در مایعات به ميدان الكتريكي خيلي قوي نياز دارد. در عین حال ایجاد این پدیده در مايعات نيز، مي‌تواند بدون نياز به انرژی خیلی بالا (ميدان الكتريكي فوق العاده قوي)، به وسيله مكانيسم‌هاي القاي الكتريكي مختلف انجام گيرد (شکل 1).

شکل1: تشکیل پلاسما در زیر آب تحت میدان‌های الکتریکی متفاوت [1]

 

در تخلیه الکتریکی در داخل آب به منظور استریلیزاسیون، عوامل فیزیکی و شیمیایی مختلفی شرکت دارند (شکل2):

• رادیکال‌های OH^˙ : وقتی مولکول‌های آب تحت فرآیند تخلیه الکتریکی قرار می‌گیرند، رادیکال‌های OH^. و H^. در فرآیند‌های تجزیه و ‌‌یونیزاسیون به وجود می‌آیند. رادیکال‌های OH^.‌‌ یکی از مهمترین عوامل تاثیر‌گذار در فرآیند باکتری‌زدایی است، زیرا با قدرت بالای نفوذ به داخل غشاء باکتری می‌تواند با باکتری وارد واکنش شده و آن را از بین ببرد.
• پرتوفرا بنفش: پلاسمای ایجاد شده درون آب می‌تواند، منجربه تولید پرتو فرابنفش گردد. این پرتو، میکروارگانیسم‌ها را غیر فعال می‌نماید و باعث واکنش فتوشیمیایی می‌شود. از آنجا که پرتوی UV در دیواره سلول میکروارگانیسم‌ها نفوذ می‌کند، اسیدهای نوکلئیک و دیگر مواد سلولی عوامل بیماری‌زا به وسیله تابش آن، تحت تاثیر قرار می‌گیرند. در نتیجه، سلول‌هایی که در معرض این پرتو قرار گرفته‌اند، آسیب دیده و‌‌ یا نابود می‌شوند.
• موج شوک[1]: موج شوک‌‌یک اغتشاش پیش رونده است و هنگامی به‌وجود می‌آید، که ‌‌یک موج در‌‌ محیط سیال با سرعتی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت ‌کند. امواج شوک همانند‌‌ یک موج عادی با خود انرژی حمل می‌کند و می‌تواند در‌‌یک محیط انتشار ‌‌یابد. این انرژی می‌تواند تخریب دیواره سلولی و میکروارگانیسم‌ها را باعث شود.
• حرارت: بر اثر تخلیه الکتریکی، حرارت بالایی در اطراف پلاسما ایجاد می‌شود. حرارت ایجاده شده، می‌تواند بسیاری از میکروارگانیسم‌ها را از بین ببرد.

شکل 2: پلاسمای ایجاد شده در داخل آب می‌تواند از طریق تولید رادیکال OH، نور فرابنفش، موج شوک و حرارت، میکروارگانیسم‌ها را از بین ببرد [2].

 

از آنجایی که انواع مختلف تخلیه‌های الکتریکی در آب، تمام ساز‌ و‌کارهای فیزیکی و شیمیایی مربوط به پلاسما را شامل می‌شوند، انتظار می‌رود که این فناوری قابلیت از بین بردن طیف وسیعی از میکروب‌ها نسبت به سایر روش‌های مرسوم میکروب‌زدایی آب را داشته باشند (شکل 3).

شکل 3 : استفاده از پلاسما جهت حذف باکتری MV1184 E. coli از آب، طی زمان 5/2 دقیقه [3].

پلاسما ناشی از تخلیه الکتریکی را بسته به نوع طراحی و منبع می‌توان به تخلیه الکتریکی قوس الکتریکی[2] (تخلیه الکتریکی گرم با انرژی بالا)، تخلیه الکتریکی کرونا[3] ( تخلیه الکتریکی بدون گرما با انرژی کم) و تخلیه الکتریکی جرقه‌ای[4] ( تخلیه الکتریکی با خصوصیات بین قوس الکتریکی و کرونا) تقسیم بندی کرد. تحقیقات اولیه نشان می‌دهند که پلاسمای قوس‌الکتریکی پالسی، مزایای بیشتری نسبت به روش‌های مشابه در از بین بردن میکروارگانیسم‌ها، جلبک‌ها، مواد آلی فرار، ترکیبات نیتروژنی زباله‌های شهری و برخی از مواد غیر آلی فراهم می‌کند (جدول 1).

 

جدول 1 : مقایسه پلاسمای ناشی از تخلیه الکتریکی و روش‌های مرسوم میکروب‌زدایی آب [4]

	ازن	Cl/ClO2	UV در حضور فوتوکاتالیست	اشعه گاما	پلاسما کرونا از محیط گاز	پلاسما اسپارک پالسی در آب	پلاسما آرک پالسی در آب
میکروارگانیسم‌ها	خوب	کافی	نسبی	خوب	کافی	خوب	خوب
جلبک‌ها	نسبی	بدون تاثیر	کافی	بدون تاثیر	بدون تاثیر	نسبی	خوب

 

بازه وسیعی از کاربردها برای دستگاه میکروب‌زدای پلاسمایی در آب وجود دارد: کاربردهای صنعتی، کمک‌های امدادی در حوادث طبیعی و کمک به مردم فاقد آب سالم، قابلیت استفاده در کشورهای در حال توسعه (تا منابع آب آشامیدنی قابل حمل و سیستم‌های آبرسانی خانگی داشته باشند) و همچنین مصارف در آبیاری زمین‌های کشاورزی. بر اساس داده‌های ارائه شده، سیستم پلاسمای جرقه‌ای درون آب، توانایی تصفیه آب با دبی 1000 گالون بر دقیقه (gpm) جهت کاهش آلودگی باکتریایی به اندازه  10⁴ مرتبه را دارد. در حالی از نظر مصرف انرژی، این سامانه تنها به 20 kW توان نیاز دارد که قابلیت بالای پلاسما در صنعت تصفیه آب را نشان می‌دهد [5].

 

تصویر جهت استفاده گرافیست

• شرکت‌های فعال بین‌المللی در فناوری پلاسما:

شرکت کره‌ای Komec تولید کننده تجهیزات دریایی و کشتی‌سازی، دستگاهی  تولید می‌کند که می‌تواند آب مصرفی در کشتی‌ها را با استفاده از فناوری پلاسما ، میکروب‌زدایی کند. این سیستم به واحد تصفیه خانه کشتی اضافه شده و نقش اساسی در حذف میکروارگانیسم‌های آب ایفا می‌کند [6].

شکل 4: دستگاه تولید کننده پلاسما با ولتاژ پایین جهت تصفیه آب در کشتی‌ها محصول شرکت komec

 

شرکت آمریکایی Clearwaterplasma، ‌‌یک شرکت فعال در زمینه تولید دستگاه‌های تصفیه آب با استفاده از فناوری نانو می‌باشد. این شرکت، دستگاه‌های متنوع و تخصصی برای تصفیه پساب صنایع گوناگون مثل پساب نساجی، پساب بیمارستانی، پساب صنایع غذایی، پساب صنایع معدن، پساب صنایع نفت و گاز تولید می‌کند [7].

شکل 5: تصفیه پساب با استفاده از فناوری پلاسما محصول شرکت Clearwaterplasma

شکل 6: باکتری‌های هتروتروفی[5] (GHB)، باکتری‌های تولید کننده اسید[6] (APB) و باکتری‌های مصرف کننده سولفور[7](SRB) بعد از میکروب‌زدایی آب توسط دستگاه پلاسما Clearwaterplasma، به قدری کاهش می‌یابند که قابل اندازه گیری نیستند.

 

شرکت [8]ACI، شرکتی است که دستگاه تصفیه آب آشامیدنی با استفاده از  فناوری پلاسما را وارد بازار کرده است. این دستگاه می‌تواند به سرعت، تمامی میکروب‌ها و حتی آلاینده‌های آلی را از آب حذف کرده و آبی سالم و قابل شرب را  فراهم کند. این دستگاه بیشتر از دو سال است که در این زمینه تست شده و عملکرد قابل اعتمادی از خود نشان داده است. همچنین به دلیل ظرفیت بالای غیر فعال کردن میکروبی، تحت استاندارد سازمان بین المللی بهداشت NSF[9] قرار گرفته است [8].

شکل 7: آب آلوده و حاوی میکروارگانیسم‌ها وارد لوله شده و در طی مسیر، آب توسط پلاسما تصفیه می‌شود و از سمت دیگر، آب نوشیدنی خارج می‌گردد.

 

شکل 8: دستگاه تصفیه آب نوشیدنی  با استفاده از فناوری پلاسما ساخت شرکت ACI

 

شرکت PlasTep، شرکتی است که در زمینه کاهش آلودگی‌های آب و هوا با استفاده از فناوری پلاسما فعالیت دارد. این شرکت در حقیقت از مجموعه چندین دانشگاه از کشورهای مختلف اروپایی تشکیل شده است. بودجه این شرکت توسط کشورهای حوزه دریای بالتیک تامین می‌شود و امید دارند که بتوانند با استفاده از فناوری پلاسما، آب‌های آلوده‌ای که منجربه مشکلات زیست محیطی در دریای بالتیک می‌شود را کاهش دهند[9].

 

شکل 9: اجرای پروژه‌های مختلف جهت رفع آلودگی آب با استفاده از فناوری پلاسما در کشورهای حوزه دریای بالتیک.

شکل 10: شناور رفع آلودگی روی سطح آب، ساخت شرکت PlasTep. این شناور به طورهم زمان از باتری و سلول‌های خورشیدی جهت تامین نیروی حرکت و تولید پلاسما استفاده می‌کند و با شناسایی لکه‌های نفتی و‌‌ یا توده‌های جلبک روی سطح آب، آنها را با استفاده از ترکیبی از پلاسما و کاتالیست پاکسازی می‌کند.

 

شرکت فرانسوی Duffau، در زمینه ساخت و راه‌اندازی تجهیزات صنایع مختلف مثل صنایع غذایی، آب، نیروگاه و پتروشیمی فعالیت می‌کند. این شرکت از سیستم‌های ترکیبی جهت تصفیه آب بهره می‌گیرد. در بخشی از دستگاه‌های تصفیه آب از فناوری پلاسما استفاده می‌شود [10].

شکل 11: پایلوت اجرا شده  توسط شرکت Duffau در بلغارستان جهت تصفیه هوا و آب ورودی به سیستم خنک کننده جهت حذف میکروارگانیسم‌ها با ظرفیت 16 مترمکعب در ساعت.

 

شرکت آمریکایی Ozotech نیز در زمینه دستگاه‌های تولید ازن فعالیت دارد. اخیرا این شرکت سیستم‌هایی بر پایه استریل آب با تخلیه الکتریکی قوس‌الکتریکی  نیز ساخته اند [11].

شکل 12: دستگاه استریل آب با استفاده از فناوری پلاسما محصول شرکت Ozotech.

 

اتحادیه اروپا برای افزایش بازده میکروب‌زدایی آب با استفاده از فناوری پلاسما، بودجه 1288000‌‌یورویی بین سال‌های 2002 تا 2012 اختصاص داد و آن را پروژه PLASLIGHT نام گذاری کرد. این پروژه توسط چندین پژوهشکده و شرکت در کشور‌های اروپایی به اجرا درآمد. هدف از این پروژه، بهبود فناوری‌های میکروب‌زدایی دوست‌دار محیط زیست بود، چراکه در این فناوری از مواد شیمیایی جهت حذف میکروارگانیسم‌ها استفاده نمی‌شود. بعد از آن اتحادیه اروپا پروژه گسترده‌تری، جهت تصفیه آب با استفاده از فناوری پلاسما بین سال‌های 2011 تا 2013  با بودجه 1069000‌‌یورویی تصویب کرد که چندین شرکت در کشورهای اروپایی جهت تولید و توسعه این فناوری مشارکت داشتند. این پروژه WATERPLASMA نام گرفت [12]. این پروژه با موفقیت در پایان سال 2012 به پایان رسید و نشان داد که می‌توان بسیاری از آلودگی‌ها را در پساب‌های مختلف بین 50 تا 99 درصد  بسته به نوع آلودگی کاهش داد.

شکل 13: اجرای پروژه Waterplasma .

• شرکت‌های ایرانی فعال در این حوزه

شرکت پالایش پلاسما صنعت تجربه­های موفقی را در زمینه تصفیه پساب حوزه­های نساجی، صنایع غذایی و پتروشیمی داشته است. در حال حاضر این شرکت، دستگاه پایلوت نیمه صنعتی با ظرفیت 100 متر مکعب در روز را در شرکت پتروشیمی تبریز نصب و راه اندازی نموده است ]13[ (شکل 14).

سیستم راه اندازی شده ویژگی های زیر را دارا می‌باشد:

• سامانه بدون مصرف هرگونه ماده شیمیایی عمل می‌کند.
• افزایش 12 برابری ظرفیت تصفیه خانه (بدون افزایش ابنیه)
• حذف کلیه فلزات سنگین از پساب
• حذف کلیه میکرواورگانیسم‌ها در پساب
• کاهش BOD[10] و COD [11]به میزان 80%
• pH خنثی
• مصرف انرژی سامانه مابین 5/0 کیلو وات تا 2 کیلو وات به ازای هر مترمکعب

شکل 14: دستگاه پایلوت نیمه صنعتی ساخت شرکت پالایش پلاسما صنعت

• خلاصه مدیریتی

با توجه به اهمیت بحث باکتری‌‌زدایی و استریلیزاسیون آب در دنیای امروز، ارائه روشی نوین، کارآمد و سریع تر از روش‌های معمول گذشته برای تصفیه کامل آب بسیار مورد توجه است. روش‌های گوناگونی برای کاهش آلودگی عوامل میکروبی آلودگی آب وجود دارد که هرکدام معایب زیادی را به همراه دارند. به عنوان مثال کلرزنی امروزه به عنوان متداولترین روش میکروب‌زدایی آب آشامیدنی در دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما استفاده از کلر دارای معایب و مضراتی هست. به همین دلیل لازم است که میزان کلر مصرفی کاهش‌‌یابد. اعمال تخلیه الکتریکی در آب به منظور استریلیزاسیون آب ‌‌یکی از روش‌های نوین رفع آلودگی است که بسیاری از مشکلات روش‌های گذشته را برطرف کرده است.

از آنجایی که تخلیه الکتریکی در آب، عواملی مانند انواع رادیکال‌های آزاد موثر در میکروب‌کشی (مثل رادیکال‌های آزاد اکسیژن، هیدروژن پر اکسید و ازون) ، پرتو UV (که از عوامل اصلی در اختلال رشد میکروارگانیسم‌ها می‌باشد) و همچنین موج شوک و حرارت را ایجاد می‌کند، می‌تواند‌‌یک روش جایگزین مناسب و مقرون به صرفه برای میکروب‌زدایی آب باشد.

 

مرجع:

• Pulsed Electrical Discharge in Water Generated Using Porous-Ceramic-Coated Electrodes, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, V:36 (2008) P:
• http://www.ugent.be/ea/appliedphysics/en/research/plasma/plasmaphysicsandengineering.htm/plasmainliquids.htm
• Water disinfection by pulsed atmospheric air plasma along water surface, C. Zheng, AIChE Journal, V:59 (2013) P: 1458–1467.
• Recent development of plasma pollution control technology: a critical review, J.S Chang, Science and technology of advanced materials, V: 2 (2001) P: 571-576.
• Plasma Discharge in Liquid: Water Treatment and Applications, Yong Yang, CRC Press (2012).
• http://mykomec.blogspot.nl/2012/04/ara-plasma-ballast-water-treatment.html
• http://www.clearwaterplasma.com/applications.html
• http://aicchile.com/portfolio/?lang=en
• http://www.plastep.eu/english/welcome/
• http://www.duffau.eu/
• http://www.ozotech.com/
• http://www.waterplasma.eu/
• http://nano.ir/index.php?ctrl=static_page&lang=1&id=652&section_id=3

 

[1] Shock wave

[2] arc discharge

[3] corona discharge

[4] spark discharge

[5] Heterotrophic Bacteria

[6] Acid Producing Bacteria

[7] Sulfur Reducing Bacteria

[8] Advanced Innovation Center

[9] National Sanitation Foundation

[10] Biochemical Oxygen Demand (BOD)

[11] Chemical Oxygen Demand (COD)

 

————————————————–

تهیه و تنظیم:

• گروه ترویج صنعتی آب

  بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه 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]

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