فناوری میکرو حباب و نانو حباب در خدمت صنعت آب و فاضلاب

فناوری نانو توانایی طراحی ساختارها را با دقت و ظرافت مولکولی-اتمی فراهم 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 می دهند. 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.

 

• رفع آلودگی آب از طریق تولید حباب

امروزه به دلیل رشد صنعت و جمعیت انسانی و همچنین خطر آلودگی محیط زیست، تصفیه مجدد آب اجتناب ناپذیر خواهد بود. تاسیسات تصفیه آب طی سالها، پیشرفت قابل ملاحظه‌ای پیدا کرده‌اند و بخش‌های مختلفی به فرایند تصفیه آب اضافه شده است. فرایند هوادهی آب‌های آلوده نیز یکی از بخش‌های مهم در عملیات معمول تصفیه آب محسوب می‌شود. تزریق حباب به داخل آب جهت رفع آلودگی در دهه 1920 اجرا شد تا با این روش بتوان آلودگی‌های معلق را به سطح آب آورد و آنها را جدا سازی کرد. همچنین این هوادهی میتواند به بهبود فعالیت‌های زیستی تصفیه آب و افزایش اکسیژن آب کمک فروانی کند.

 

• میکرو حباب و نانو حباب و کاربرد آن‌ها در تصفیه آب

میکروحباب‌ها[1] و نانو حباب‌ها[2] ، حباب‌های بسیار کوچکی از هوا هستند که به ترتیب دارای ابعاد 10 – 50 میکرومتر و کمتر از 200 نانومتر می‌باشند. میکرو‌حباب‌ها و نانوحباب‌ها هر یک رفتار منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند و با توجه به این موضوع کاربرد‌های متفاوتی در تصفیه آب خواهند داشت. یک حباب معمولی ( ماکرو حباب[3] ) ، مسیری به سمت بالا را با سرعت زیاد طی می‌کند و پس از رسیدن به سطح آب متلاشی می‌شود ( شکل 1). یک میکروحباب  نیز مسیری به سمت بالا را طی می‌کند با این تفاوت که معمولا در داخل آب متلاشی می‌شود ( شکل 1).  همچنین یک نانو حباب می‌تواند درون آب در جهت‌های مختلفی حرکت کند و برای مدت زمان طولانی ( مثلا چند ماه ) پایدار بماند و به تدریج حباب کوچک شود تا محو گردد ( شکل 1).

شکل 1 : رفتار متفاوت ماکروحباب ( بالای 50 میکرومتر)، میکروحباب ( بین 10 تا 50 میکرومتر) و نانو حباب ( کمتر از 200 نانو متر) در آب [1].

—————————————–

[1] Microbubbles

[2] Nanobubbles

[3] Macrobubble

 

میکروحباب‌ها بیشتر جهت تخریب آلاینده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد چراکه زمانی که میکروحباب در میانه راه متلاشی شده منجربه تولید رادیکالهای OH^. و موج شوک در آن ناحیه می‌گردد (شکل 2). ترکیدن میکروحباب می تواند منجر به متلاشی شدن آلاینده‌های آلی محلول در آب مثل آفت‌کش‌ها شود. همچنین ترکیدن میکروحباب‌ها می‌تواند به میکروب زدایی آب کمک کرده و نسبت به روش‌های مرسوم مثل کلر زنی آب، کم هزینه‌تر بوده و اثرات جانبی ناچیزی خواهد داشت. گاز میکروحباب‌ها در بیشترموارد هوا و یا نیتروژن می‌باشد اما استفاده از گاز ازن نیز جهت تولید میکروحباب‌ها، تاثیرات قابل توجهی در رفع آلودگی آب خواهد داشت.

شکل 2: تاثیر میکروحباب‌ها در رفع آلاینده‌های آلی و میکروبی  [2]

 

 

نانوحباب‌ها بر خلاف میکروحباب‌ها قدرت تخریبی بالایی ندارند اما ماندگاری بالایی داشته و می توانند در همه جهت‌ها حرکت کنند. این ویژگی نانوحباب‌ها این امکان را می‌دهد که  برای حمل و جابجایی ذرات معلق[1] و آلاینده‌های موجود در آب بسیار مناسب باشند. نانوحباب‌ها در مقایسه با حباب‌های معمولی چندین مزیت دارند از جمله :

الف) نانوحباب‌ها گستره بیشتری را پوشش می‌دهند: حباب‌های معمولی با سرعت به سمت بالا حرکت می‌کنند و ذرات معلقی که در مسیر مستقیم سر راه آنها قرار می‌گیرد را می‌توانند با خود به سطح بیاورند. اما نانو حباب‌ها با همان حجم از هوا، به صورت مارپیچی حرکت کرده و محدوده بسیار زیادی را پوشش می‌دهند ( شکل 3).

شکل 3 : حرکت مارپیچ نانو حباب‌ها در مقایسه با حرکت مستقیم حباب‌های معمولی [3]

 

ب) نسبت سطح به حجم زیاد نانو حباب‌ها: نانوحباب‌ها نسبت سطح به حجم  بسیار بیشتری در مقایسه با حباب‌های معمولی دارند در نتیجه ذرات معلق بیشتری با خود حمل می‌کنند (شکل 4).

شکل 4 : نسبت سطح به حجم بالای نانو حباب‌ها در مقایسه با حباب معمولی [3]

—————————————–

[1]  Solids suspended

 

 

پ) ارتقاع عملکرد شناورسازی ذرات معلق آب: عملکرد حباب‌های معمولی بدین گونه است که ذرات معلق به سطح خارجی حباب چسبیده تا زمانی که به سطح آب هدایت شوند. در این شرایط ممکن است در میانه راه برخی از ذرات معلق از حباب جدا شوند. اما نانو حباب‌ها هر ذره معلقی را احاطه می‌کنند، به طوری که احتمال رها شدن این ذرات معلق بسیار کم می‌شود ( شکل زیر).

تفاوت عملکرد شناورسازی ذرات معلق آب توسط نانو حباب‌ها و حباب‌های معمولی [3]

 

ت) توانایی پاک‌کنندگی سطوح و منافذ: نانوحباب‌ها می‌توانند در جهت پاکسازی و رفع آلودگی‌های تاسیسات زیر آب موثر واقع شوند. نانو حباب‌ها می‌توانند در جهت‌های مختلف (نه تنها پایین به بالا) حرکت کنند و به منافذ ریز نیز ورود پیدا کنند. با این ویژگی، می‌توانند آلودگی‌های متصل به سطوح و درز‌ها در زیر سطح آب را جدا کرده و با خود حمل کنند ( شکل 5 ). این رسوبات و آلودگی‌ها که محل مناسبی برای رشد عوامل بیماری زا می‌باشد. به صورت ویژه می‌توان نانو حباب‌ها را جهت رفع رسوبات از روی منافذ غشاهای فیبری و یا غشاهای نانو فیلتراسیون مورد استفاده قرار داد. این فناوری به صورت چشمگیری منجربه افزایش طول عمر و کارکرد غشاء می‌شود.

شکل 5 : نفوذ نانو حباب‌ها در منافذ تاسیسات زیر آب [3]

 

• روش‌های تولید میکرو و نانو حباب

برای تولید میکرو و نانو حباب‌ها روش‌های متعددی وجود دارد، دو روشی که نسبت به روش‌های دیگر بیشتر مورد توجه است روش رفع فشار[1]  و روش دوران آب- گاز ( جریان مایع مارپیچی)[2] می‌باشد. در روش رفع فشار، گاز را با فشار زیاد درون یک مخزن پر از آب حل می‌کنند تا شرایط فوق اشباع به وجود آید. سپس آب فوق اشباع را در استخر مد نظر رها می‌کنند ( شکل 6). در روش دوران آب- گاز، گاز معمولی به داخل آب تزریق می‌شود تا حباب معمولی را تولید کند سپس حباب‌ها به صورت گردابی درون لوله دوران پیدا می‌کنند تا به حباب‌های ریزتر میکرو و یا نانو تبدیل شوند ( شکل 7 ). در برخی موارد نانو حباب را می‌توان با روش‌های الکتروشیمیایی تولید کرد و با اعمال مدام امواج فراصوت، از سطح الکترود جدا نمود.

شکل 6 : روش رفع فشار جهت تولید میکرو/ نانو حباب [3]

 

شکل 7 : روش دوران آب- گاز  ( روش جریان مایع مارپیچی) جهت تولید میکرو/ نانو حباب [3]

 

 

• استفاده ترکیبی نانو حباب‌ها با روش‌های تصفیه معمول

فرایند تولید نانو حباب کم هزینه می‌باشد و ادغام فرایند نانو حباب با دیگر فرایند‌های مرسوم تصفیه آب می‌تواند علاوه بر کاهش هزینه‌ها، بازدهی کار را به طور قابل توجهی افزایش دهد. ادغام فرایند تولید نانو حباب‌ها با فرایند لخته سازی[1] 40 درصد بازده کار نسبت به روش‌های لخته سازی/ شناورسازی مرسوم را افزایش می‌دهد. به عنوان مثال جهت حذف ذرات معلق موجود در پساب صنایع پولیش شیمیایی- فیزیکی[2]، هزینه‌های فرایند انعقاد معمولی نسبت به فرایند ترکیبی انعقاد/نانوحباب برای رسیدن به یک بازده معین بیشتر خواهد بود ( جدول 1).

 

جدول 1 : مقایسه هزینه‌ها جهت رفع ذرات معلق پساپ صنایع مسطح سازی شیمیایی- فیزیکی بر حسب دلار برای هر مترمکعب [4].

گزینه‌ها	فرایند انعقاد معمولی	فرایند ترکیبی انعقاد/ نانوحباب
هزینه مواد شیمیایی منعقد کننده	1.2	0.3
هزینه برق مصرفی	0.18	0.15
هزینه تعمیر و نگهداری	0.20	0.15
هزینه پرسنل	0.15	0.15
مجموع هزینه‌های عملیاتی	1.73	0.75

 

جهت تصفیه آب، فرایندهای غشایی را می‌توان با فرایند‌های تولید نانوحباب‌ها ترکیب کرد تا علاوه بر کاهش هزینه‌ها، بازده کار نیز افزایش یابد همچنین در برخی روش‌ها می‌توان قبل از فرایند غشاء، فرایند نانو حباب را اضافه کرد ( جدول 2). در برخی از روش‌‌‌‌های تصفیه آب، غشاها در درون استخر قرار دارد و با اعمال نانو حباب‌ها، سطوح غشاء مدام تمیز شده و رسوبات به روی سطح آب شناور می‌شوند ( شکل 8).

 

جدول 2 : مقایسه هزینه‌ها بعد از ترکیب دو فرایند بر حسب دلار [5]

گزینه‌ها	غشاء میکروفیلتراسیون	ترکیب میکروفیلتراسیون و میکرو/نانو حباب
خرید تجهیزات	294 تا 700	130تا 189
سرمایه در گردش	207 تا 420	310 تا132
مجموع سرمایه گذاری	480 تا 1728	610 تا 1102

 

 

[1] Coagulation

[2] Chemical mechanical polishing

 

—————————————–

[1] Decompression

[2] Gas–water circulation  (Spiral liquid flow)

 

 

 

شکل 8 : سیستم پاک‌سازی غشاء توسط نانوحباب‌ها [6]

به دلیل ماندگاری نانو حباب‌ها در آب، می‌توان مقادیر بسیار زیادی اکسیژن را در محیط آبی نگه‌داری کرد. از این قابلیت می‌توان در آکواریوم‌ها ، پرورش برخی از محصولات گلخانه‌ای و همچنین ایجاد استخرهای سلامت و درمان بیماری‌های پوستی نیز استفاده کرد ( شکل 9).

شکل 9 : رشد بهتر گیاهان در حضور نانو حباب‌های اکسیژن در مقایسه با آّب معمولی در مدت زمان یکسان [7]

 

 

 

• بازار فناوری میکروحباب و نانوحباب [1]

شرکت تحقیقات و توسعه سرمایه‌گذاری Cohen Grassroots ، بازار فناوری‌های نوین در صنعت میکروحباب و نانوحباب در صنایع مختلف را مورد ارزیابی قرار داده است. بنا  ادعای این شرکت، فناوری میکروحباب و نانوحباب یک رشد خطی دارد. درآمد صنایع به طور میانگین از 12.3 میلیون دلار در سال 2010 به 82 میلیون دلار در سال 2014 رسیده است که میزان نرخ رشد مرکب سالیانه[2] معادل 60.7 درصد می‌باشد  [8].

——————————————————-

[1] Cavitation Technology

[2] compounded annual growth rate

 

 

• شرکت‌های فعال خارجی در زمینه میکروحباب و نانوحباب

بسیاری از شرکت‌ها به خصوص از کشور ژاپن در این زمینه سرمایه‌گذاری کرده و محصولات خود را وارد بازار نموده‌اند. دکتر Masayoshi Takahashi، از پژوهشکده ملی AIST ژاپن یکی از بنیاین گذاران صنعت میکرو و نانو حباب می‌باشد که با بسیاری از شرکت‌های تولید کننده محصولات تصفیه آب همکاری تجاری دارد. فناوری موجود با موفقیت در بسیاری از دریاچه‌ها و بندرگاه‌های ژاپن به اجرا در‌آمده است (شکل 10) [7].

شکل 10 : دستگاه تولید کننده میکروحباب و اجرای آن دربندر Shio-Ashiya واقع در خلیج Osaka ژاپن.

 

شرکت‌های زیادی در زمینه تولید دستگاه نانوحباب فعال می‌باشند. از جمله شرکت NABAS در زمینه‌های تصفیه آب، بهداشت و سلامت ، غذا و کشاورزی دارای محصولات متنوع می‌باشد [9]. شرکت ژاپنی صنایع NSI نیز دارای دو محصول تولید کننده میکرو و نانو حباب  جهت ارائه به بازار می‌باشد (شکل 11) [10]. از دیگر شرکت‌های ژاپنی موفق در این صنعت می‌توان شرکت‌های Anzaikantetsu [11] شرکت BL Dynamics [3] و شرکت TECH CORPORATION را نام برد (شکل 12) [12].

شکل 11 : دستگاه تولید کننده نانو حباب محصول شرکت NSI

 

 

شکل 12 : دستگاه تولید کننده نانو حباب محصول شرکت TECH CORPORATION جهت پاکسازی سطوح و منافذ تاسیسات زیر آب.

 

 

یکی دیگر از شرکت‌های فعال در صنعت تجهیزات تولید نانو حباب‌ها، شرکت کره‌ای Negatron می باشد، این شرکت بخش بزرگی از بازار مورد هدف را معطوف به حوزه بهداشت و سلامت کرده‌ است. دستگاه‌های تولید شده توسط این شرکت می‌تواند در استخرها، وان حمام و حوضچه‌های آب درمانی مورد استفاده قرار گیرد ( شکل 13 ) [13].

شکل 13 : نانو حباب‌ها به راحتی منافذ پوست را باز کرده و آلودگی‌ها را از بین می برند.

 

شرکت آمریکایی O2grow دستگاه‌های تولید کننده نانو حباب اکسیژن جهت مصارف کشاورزی و گلخانه ای تولید می‌کند. بنا بر ادعای این شرکت، بازده محصولات کشاورزی به طور قابل توجهی توسط نانو حباب‌های اکسیژن موجود در آب افزایش پیدا می‌کند ( شکل 14) [14].

 

شکل 14 : دستگاه قابل حمل تولید کننده نانو حباب ساخت شرکت O2grow ( تصویر بالا ) و افزایش بازده محصولات گلخانه ای ( نمودار پایین).

برخی از شرکت‌ها دستگاه‌های شناورسازی ذرات معلق جهت استفاده در تصفیه خانه‌های شهری و صنعتی طراحی کرده‌اند که از فناوری نانو حباب بهره می‌گیرد. از جمله این شرکت‌ها می توان به شرکت چند ملیتی Degrémont Technologies بامحصول تجاری AquaDAF تحت لیسانس RICTOR OY فنلاند اشاره کرد ( شکل 15) [15]. این شرکت در بیش از 70 کشور جهان فعال می باشد.

شکل 15 : سیستم نانو حباب‌های شناورساز با نام تجاری AquaDAF ساخت شرکت Degrémont.

 

شرکت  David Bromley Engineering، محصول تصفیه آبی را وارد بازار کرده که از غشاء فلزی زیر آب بهره برده و قابلیت پاکسازی مداوم غشاء توسط نانو حباب‌ها و شناورسازی هم زمان ذرات معلق را دارا است ( شکل 16 ) [6]. همچنین شرکت آلمانی Awas تاسیسات شناورسازی جهت  تصفیه آب‌های آلوده به مواد روغنی و نفتی را با ظرفیت 500 مترمکعب بر ساعت وارد بازار خاورمیانه کرده است (شکل 17) [16].

شکل 16 : غشاء فلزی زیر آب ساخت شرکت David Bromley Engineering.

 

 

شکل 17 : مخزن شناورسازی ذرات روغنی و نفتی جهت تصفیه پساب با استفاده از نانو حباب‌ها ساخت شرکت Awas.

 

 

 

یکی از شرکت‌های موفق در زمینه تولید دستگاه‌های  نانو کویتاسیون، شرکت آمریکایی Ctinanotech می باشد که توانسته جایگاه ویژه‌ای در بازار صنایع تصفیه آب پیدا کند [17]. مهمترین محصولات این شرکت با نام تجاری Nano Reactor و Nano Neutralization در بازارهای آمریکا به فروش  می‌رسند ( شکل 18). محصول این شرکت می‌تواند 60 درصد بهتر از روش‌های شیمیایی متداول، ذرات معلق و لجن‌ها را جمع آوری کند و همچنین هزینه بسیار پایین تری نسبت به روش‌های متداول خواهد داشت.

شکل 18 : فناوری نانو کویتاسیون محصول شرکت Ctinanotech.

 

 

 

• شرکت‌های فعال ایرانی

در ایران فناوری نانوکویتاسیون با موفقیت در پایلوت‌های متعددی به اجرا درآمده است. به‌عنوان یکی از شرکت‌های فعال در ایران می‌توان شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر را نام برد [18]. این شرکت، موفق به معرفی فناوری نوین جهت توزیع نانو ذرات جامد در مایعات و همچنین تولید نانو امولسیون‌های مایع- مایع شده است ( شکل 19). این شرکت این قابلیت را دارا است که با توجه به شرایط هر منطقه و یا نوع آلودگی آب، فناوری نانو کویتاسیون مورد نیاز آن را راه اندازی نماید. به عنوان مثال این شرکت قادر است با فناوری نانوکویتاسیون میزان نیترات آب آشامیدنی را کاهش داده و میزان این آلودگی را از 150 ppm به 50 ppm  برساند و یا با استفاده از فناوری الکتروکویتاسیون میزان شوری آب را نیز کاهش دهد [18]. با توجه به معضلات موجود در صنعت آب کشور، بهره‌گیری از فناوری نانوکویتاسیون بسیار نوید‌بخش خواهد بود.

شکل 19 : پایلوت قابل اجرا توسط شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر (شکل سمت راست) و دستگاه نیمه صنعتی نانوکویتاسیون محصول شرکت شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر (سمت چپ)

 

• جمع بندی

میکرو حباب و نانو حباب‌ها پتانسیل بسیار زیادی جهت  استفاده در صنایع  متنوع مهندسی دارند. نانو حباب‌های اکسیژن و هوا به دلیل افزایش عملکرد فعالیت زیستی و انتقال ذارت معلق در تصفیه آب بسیار موثر واقع می‌شوند. همچنین میکرو حباب‌ها بدون ایجاد کمترین آلودگی، آلاینده‌های آلی و میکروبی را به راحتی از بین می‌برند. نانو حباب‌ها نیز عملکرد بسیار مطلوبی جهت رفع رسوبات غشاء و تاسیسات زیر آب و همچنین شناورسازی ذرات معلق دارند. بنابراین استفاده از میکرو حباب و نانو حباب در تصفیه خانه‌های شهری و صنعتی علاوه بر کاهش هزینه‌ها؛ بازده‌ی کار را نیز افزایش می‌دهند.

———————————–

• منابع

 

• Microbubble technology: emerging field for water treatment, G. Kaushik, Bubble Science, Engineering & Technology, V:5 (2014) P: 33-38.
• Free-Radical Generation from Collapsing Microbubbles in the Absence of a Dynamic Stimulus, M. Takahashi, Phys. Chem. B, V: 111 (2007) P: 1343-1347.
• http://www.en.bldynamics.com/html/bubbles.html
• Nano-bubble flotation technology with coagulation process for the cost-effective treatment of chemical mechanical polishing wastewater, J.-C. Tsai, Separation and Purification Technology, V:58 (2007) P: 61–67.
• A hybrid flotation–membrane process for wastewater treatment: an overview, H. Al-Zoubi, Desalination and Water Treatment, V: 7 (2009) P: 60–70.
• http://www.dbe2000.com/lewt%20page.htm
• https://staff.aist.go.jp/m.taka/index-English.html
• http://www.grassrootsrd.com/grassrootsrd/Reports/cavitation_technologies.pdf
• http://www.nanoairbubble.com/
• http://www.nano1.co.jp/en/nano1/nsmnss.html
• http://anzaimcs.com/en/main/examplenanobubble.html
• http://www.techcorporation.co.jp/english/product/nano/pro11_index.html
• http://www.negatron.co.kr/
• http://www.o2grow.com/index
• http://www.degremont-technologies.com/dgtech.php?article392
• http://www.awas.de/en/products/nano-flotation/?no_cache=1&sword_list%5B%5D=nano
• http://ctinanotech.com/technology/water-treatment
• http://www.pnf-co.com/index.php?nanoe=allias&hl=fa_IR

 

—————————————————

تهیه کنندگان

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

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

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

(توجه: 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 دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

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