Fundamentals and applications of nanobubbles: A
review
چکیده
فناوری نانوحبابها یک راهحل نوظهور برای مقابله با تغییرات آبوهوایی، چالشهای محیط زیستی، کاهش هزینه و انرژی در فرآیندهای صنعتی، بهینهسازی تکنیکهای درمانی و تشخیصی و سایر کاربردها است. اگرچه تولید و بهرهبرداری از نانوحبابها یک زمینه جدید است، گزارشها و مطالعات زیادی در مورد خواص و عملکرد امیدوارکننده آنها در بخشهای مختلف وجود دارد. این مقاله با هدف ارائه اطلاعات فشرده در مورد جدیدترین یافتههای علمی (از سال 2017 به بعد) در مورد پتانسیل نانوحبابها به عنوان یک فناوری همهکاره و پایدار انجام شده است. کاربردهای محیط زیستی، کشاورزی، پزشکی/زیستپزشکی و سایر بخشها مرور شده و شاخصترین نمونههای هر بخش به تفصیل ارائه شده است. تمرکز ویژهای بر کارایی در تصفیه آب و فاضلاب شده است.
فهرست مطالب
- مقدمه
- کاربردهای محیط زیستی
- کاربردهای کشاورزی
- کاربردهای پزشکی و زیستپزشکی
- سایر کاربردهای صنعتی و غیرصنعتی
- نتیجهگیری
1. مقدمه
تولید و بهرهبرداری از نانوحبابها در دو دهه گذشته توجه فزایندهای را به خود جلب کرده است. در واقع، فناوری نانوحبابها یا فناوری حبابهای ریز شامل بخشهای بسیاری است و سهم بازار رو به رشد آن تا سال 2030 در اتحادیه اروپا پیشبینی شده است که به 145 میلیون یورو برسد. یک گزارش جهانی اخیر در سال 2022 به بازار چند میلیارد دلاری با کاربردهای گسترده اشاره دارد. کاربرد اصلی این فناوری در فناوریهای محیط زیستی و به ویژه تصفیه آب و فاضلاب است. کشاورزی و زیستپزشکی در ردههای بعدی قرار دارند، در حالی که نانوحبابها وارد بخش انرژی نیز شدهاند.
موضوع “کاربردهای نانوحبابها” بسیار محبوب است. اخیراً، نرخ انتشار مقالات در مورد استفاده از نانوحبابها یا NBs به شدت افزایش یافته است. متأسفانه، تاکنون هیچ مجموعهای از کاربردهای NBs وجود ندارد. تنها تعداد محدودی از مقالات مروری وجود دارند که در هر یک از آنها توصیفی از کاربردهای هر زیرشاخه ارائه شده است. به طور خاص، مقالات مروری در مورد حوزههای محیط زیستی، تصفیه آب و فاضلاب، تصفیه آب زیرزمینی، شناورسازی، کاربردهای پزشکی/زیستپزشکی و پردازش مواد غذایی منتشر شدهاند. هدف این کار ارائه خلاصهای از جدیدترین تحقیقات علمی در مورد پتانسیل نانوحبابها به عنوان یک فناوری همهکاره و پایدار است. یافتههای ارائه شده شامل نمونههایی از تکنیکهای مؤثر است که با موفقیت در مقیاس بزرگ پیادهسازی شدهاند و همچنین نتایج آزمایشگاهی که میتوانند به طور بالقوه در فرآیندهای صنعتی و میدانی به کار گرفته شوند.
1- اصول
نانوحبابها (NBs) حفرههای گازی در مقیاس نانو در محلولهای آبی هستند که وجود آنها در دو دهه گذشته تأیید شده است و توانایی تغییر ویژگیهای معمول آب را دارند. نانوحبابها به دو دسته نانوحبابهای سطحی و حجیم تقسیم میشوند. حبابهای معمولی قطری در محدوده 1 میکرومتر و بزرگتر دارند.
طبقهبندی اندازه حبابها بر اساس استاندارد ISO-20480-1-2017 در شکل 2 ارائه شده است. حبابهای بزرگتر به سرعت به سطح مایع میرسند و متلاشی میشوند. نانوحبابهایی که قطر آنها کمتر از 100 تا 200 نانومتر است، به دلیل حرکت براونی به صورت تصادفی در مایع حرکت میکنند و میتوانند برای مدت طولانی در مایعات باقی بمانند.
کاربردهای زیادی در زمینههای مختلف مانند پزشکی، زیستشناسی، شیمی، کشاورزی، آلودگیزدایی، علم مواد، فناوری غذایی و غیره وجود دارد. اخیراً، نرخ انتشار مقالات در مورد استفاده از نانوحبابها NBs به شدت افزایش یافته است. شکل 3-الف) سهم تحقیقات در هر بخش را نشان میدهد، در حالی که شکل 3-ب) افزایش نمایی تحقیقات در این زمینه را نمایش میدهد.
از دیدگاه آکادمیک، یک موضوع مهم در مورد نانوحبابها یا NBs وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد. موضوع این بحث نیاز به یک رویکرد نظری برای توضیح دلیل ماندگاری طولانی نانوحبابها در آب است. جذب هیدروفوبیک، میکروسیالات و جذب روی سطوح هیدروفوبیک نیز از زمینههایی هستند که نانوحبابها یا NBs در آنها مورد توجه قرار گرفتهاند. علاوه بر این، آب غنیشده با نانوحبابها یا NBs دارای خواص فیزیکوشیمیایی کاملاً متفاوتی نسبت به آب بدون نانوحبابها یا NBs است. نانوحبابها به دلیل افزایش سطح تماس گاز-مایع و تولید رادیکالهای هیدروکسیل هنگام متلاشی شدن، بازدهی انتقال جرم و توان اکسیداسیون بالایی دارند.
1-2- پایداری نانوحبابها
منحصر به فردترین ویژگی نانوحبابهای حجیم، طول عمر قابل توجه آنهاست. در حالی که میکروحبابها (MBs) عمری در حد ثانیه دارند، نانوحبابها برای هفتهها یا ماهها مشاهده شدهاند. یک تناقض در سیستمهای حاوی نانوحبابها یا NBs وجود دارد، زیرا طول عمر آنها از قانون یانگ-لاپلاس پیروی نمیکند:
ΔP=2γRΔP=R2γ
که در آن ΔP فشار داخل (فاز بخار) و خارج (فاز مایع) حباب است و γ کشش سطحی است. این معادله فشار داخلی زیادی را برای نانوحبابها یا NBs تخمین میزند و در نتیجه، نظریه اپشتاین-پلست پیشبینی میکند که آنها باید در مقیاس میلیثانیه حل شوند.
محبوبترین نظریه در مورد پایداری نانوحبابها یا NBs ، نظریه دافعه الکترواستاتیک است. دافعه الکترواستاتیک و جذب واندروالسی دو نوع نیروی سطحی هستند که پایداری هر سیستم کلوئیدی را تعیین میکنند. بنابراین، پایداری کلوئیدی را میتوان با استفاده از نظریه درجگین، لانداو، وروی و اوربیک (DLVO) توضیح داد. نشان داده شده است که رابطهای نانوحبابها در آب خالص دارای بار منفی هستند که نشاندهنده تشکیل یک لایه دوگانه الکتریکی در اطراف نانوحبابها است. یونهای تجمعیافته در اطراف سطح حباب، یک لایه نازک تشکیل میدهند که به عنوان یک مانع انتشار عمل میکند و در نتیجه طول عمر نانوحبابها را افزایش میدهد. این فرآیند به عنوان اثر محافظ یونی شناخته میشود. فشار الکترواستاتیک خارجی تولیدشده توسط رابط NBs باردار، تصور میشود که فشار داخلی لاپلاس را متعادل میکند (شکل 4)، که منجر به عدم انتشار خالص گاز در حالت تعادل و پایداری نانوحبابهامیشود.
نظریه مهم دیگر، مدل پیوند هیدروژنی است. طبق این نظریه، پایداری نانوحبابها به دلیل تفاوت در پیوندهای هیدروژنی در رابط گاز-آب است. طول پیوند هیدروژنی در نانوحبابها به جای 0.295 نانومتر، 0.273 نانومتر گزارش شده است. در نتیجه، لایه بینفازی، نفوذپذیری گاز را کاهش میدهد. نظریه فوقاشباع نیز یک ایده پذیرفتهشده است. بر اساس این نظریه، پایداری نانوحبابها به دلیل نرخ کند حل شدن گاز در فاز آبی اطراف است که از قبل فوقاشباع از گاز است. به طور تجربی مشخص شده است که وقتی آب فوقاشباع از گاز است، نرخ انتقال گاز از حباب به مایع کاهش مییابد.
نظریههای دیگر مانند مدل تعادل دینامیکی و مدل پوستی نشان میدهند که مواد جامد در پایداری نانوحبابها نقش دارند. نظریه تعادل دینامیکی فرض میکند که یک NB زمانی در برابر حل شدن پایدار میشود که بخشی از سطح آن با یک ماده هیدروفوبیک پوشانده شده باشد. آب توسط ماده هیدروفوبیک دفع میشود و در نتیجه یک لایه تخلیه روی سطح آن تشکیل میشود. گاز ترجیحاً در این لایه تخلیه محبوس میشود. در نتیجه، فشار گاز در سطح ماده هیدروفوبیک به میزان قابل توجهی بالاتر از فشار محیط افزایش مییابد. بر اساس نظریه پوست، یک لایه از مواد آلی، سورفاکتانتها و غیره به طور کامل سطح نانوحبابها را میپوشاند. انتشار گاز از داخل نانوبلور به مایع اطراف کاملاً مسدود میشود.
میزان پایداری نانوحبابها با مقدار مطلق پتانسیل زتا مرتبط است. پتانسیل زتا به عنوان پتانسیل الکتریکی در مرز لایه دوگانه الکتریکی نانوحبابها تعریف میشود. پتانسیل زتای بالاتر، پایداری نانوحبابها در سوسپانسیون را به دلیل دافعه بین حبابها افزایش میدهد. کاهش پتانسیل زتا منجر به پایداری کمتر و انعقاد میشود. پتانسیل زتای سوسپانسیونهای NB حجیم تابعی از الکترولیتها، سورفاکتانتها در محلول، pH و نوع گاز است. گزارش شده است که نانوحبابها در مقادیر pH بین 4 تا 12 دارای بار منفی با مقادیر پتانسیل زتا بین 4.3- تا 62- میلیولت هستند. در pH خنثی، مقادیر پتانسیل زتا بین 20- تا 30- میلیولت اندازهگیری شده است.
میگودا و همکاران (2018) به طور تجربی تأثیر نوع گاز پرکننده بر پتانسیل زتای سوسپانسیونهای NB را مطالعه کردند. نتایج نشان داد که مقادیر پتانسیل زتا تابعی از حلالیت گاز و نرخ انتشار گاز هستند. به طور خاص، ازن بیشترین مقدار منفی پتانسیل زتا را داشت و پس از آن اکسیژن، هوا و نیتروژن قرار گرفتند که میتوان آن را به توانایی متفاوت هر گاز در تولید یونهای OH در رابط آب/گاز نسبت داد.
1- 3- روشهای تولید
در مورد نانوحبابهای سطحی، روشهای تولید زیر گزارش شده است: تبادل حلال، واکنشهای الکتروشیمیایی، غوطهوری بستر هیدروفوبیک در آب با افزایش دما یا کاهش فشار. با این حال، علاقه علمی عمدتاً بر روی تکنیکهای تولید نانوحبابهای حجیم متمرکز است. بر اساس تحقیقات ژو و همکاران (2021)، دو مکانیسم اساسی برای تشکیل نانوحبابهای حجیم وجود دارد: هستهزایی حباب که در آن فاز گاز از فاز مایع ظاهر میشود و فروپاشی حباب که در آن میکروحبابها به نانوحبابها کوچک میشوند. نانوحبابهای حجیم را میتوان با کاویتاسیون، الکترولیز، غشاهای نانوحفره، تبادل حلال، فشردهسازی MBs و اعمال میدان الکتریکی/مغناطیسی تولید کرد.
کاویتاسیون زمانی رخ میدهد که تغییرات ناگهانی در فشار در یک مایع در مناطقی که فشار نسبتاً کم است، اتفاق بیفتد. کاویتاسیون هیدرودینامیکی باعث تبخیر و تشکیل حباب در نتیجه تغییرات در هندسه سیستم به دلیل تغییر فشار در یک سیال جاری، مانند یک جریان میشود. کاویتاسیون هیدرودینامیکی میتواند از طریق اختلاط مکانیکی، محدودیت جریان با کاهش فشار و برش جریان محوری ایجاد شود.
اعمال امواج فراصوت به مایعات میتواند پدیدهای به نام کاویتاسیون آکوستیک ایجاد کند که باعث تغییرات در فشار محلی و در نتیجه تشکیل حبابها میشود. لیزرهای پالسی کوتاه که به سیالات با ضریب جذب کم هدایت میشوند، در کاویتاسیون نوری استفاده میشوند.
با استفاده از روش الکترولیز، نانوحبابها از طریق فرآیندهای الکتروشیمیایی روی الکترودها تولید میشوند. به طور خاص، حبابهای گاز ابتدا روی سطح الکترود تشکیل میشوند و سپس رشد میکنند تا در نهایت جدا شده و شناور شوند. نانوحبابها همچنین ممکن است با عبور گاز از یک محیط متخلخل، مانند یک غشاء، به یک جریان آبی یا مایع به طور مؤثر تولید شوند. غشاهای متخلخل، عمدتاً سرامیکی، در حال حاضر استفاده میشوند. تبادل حلال به عنوان یک روش عملی و کارآمد برای تولید نانوحبابها با جایگزینی یک محلول اشباع از گاز/روغن (مانند اتانول) با یک حلال ضعیف (مانند آب) نشان داده شده است که شرایط فوقاشباع را برای هستهزایی فراهم میکند. علاوه بر این، گزارش شده است که نانوحبابها را میتوان با فشردهسازی مکرر میکروحبابها ایجاد کرد. ایجاد نانوحبابها توسط میدانهای الکتریکی/مغناطیسی خارجی اخیراً توسعه یافته و بسیار نوآورانه است. بر اساس این تکنیک، نانوحبابها ممکن است با عبور آب یونیزه از طریق یک میدان الکتریکی/مغناطیسی نوسانی ایجاد شوند. در این حالت، تولید نانوحبابها را میتوان به افزایش قطبش سطحی ناشی از میدان الکتریکی/مغناطیسی خارجی در رابط گاز-مایع نسبت داد که باعث کاویتاسیون در رابط مایع میشود.
تمام روشهای تولید ذکر شده برای مطالعات آزمایشگاهی نظری ایدهآل هستند. با این حال، تعداد بسیار کمی از آنها میتوانند نانوحبابها را با نرخ کافی برای کاربردهای صنعتی تولید کنند. برای کاربردهای مهندسی مانند شناورسازی کف و تصفیه فاضلاب، کاویتاسیون هیدرودینامیکی یا آکوستیک محبوبترین روش برای تولید نانوحبابها در مقیاس بزرگ است. تعداد زیادی از میکروحبابها باعث میشوند که محلول آبی در طول تولید نانوحبابها از طریق کاویتاسیون هیدرودینامیکی به حالت شیری درآید. مدت کوتاهی پس از توقف کاویتاسیون، محلول دوباره شفاف میشود، زیرا میکروحبابها به صورت شناوری به بالای محلول میروند و در آنجا میترکند. بنابراین، جستجو برای روشهای تولید نانوحبابهاکه بتوانند غلظتهای بالایی از نانوحبابهای حجیم تولید کنند، مقرون به صرفه باشند، به راحتی قابل گسترش باشند و کنترل فرآیند داشته باشند، برای پاسخگویی به نیازهای خاص صنعتی ادامه دارد.
1- 4- اندازهگیری NBs
روشهای اندازهگیری مبتنی بر پراکندگی نور مانند تحلیل ردیابی نانوذرات (NTA) و پراکندگی نور دینامیکی (DLS) معمولترین روشها برای تعیین اندازه و غلظت نانوحبابها در آب هستند. نانوحبابها مانند سایر نانوذرات نور را پراکنده میکنند و حرکت براونی را نشان میدهند. حرکت براونی به حرکت تصادفی ذرات بسیار کوچک در یک مایع یا گاز اشاره دارد؛ این نام پس از گیاهشناس رابرت براون که به طور گسترده در مورد این پدیده تحقیق کرد، انتخاب شده است. هر دو روش NTA و DLS حرکت براونی را اندازهگیری میکنند و آن را به یک قطر هیدرودینامیکی معادل مرتبط میکنند، به طوری که حرکت نانوحبابهای کوچکتر بیشتر نمایان میشود. تحلیل ردیابی نانوذرات از تحلیل تصویر برای اندازهگیری حرکت براونی با ردیابی حرکت هر نانوبلور استفاده میکند، این حرکت میتواند به اندازه نانوبلور مرتبط شود. پراکندگی نور دینامیکی تغییرات وابسته به زمان در شدت پراکندگی ناشی از حرکات براونی نسبی نانوحبابها در یک نمونه را مشاهده میکند. روش DLS نانوحبابها را تجسم نمیکند. اندازه متوسط نانوبلور را میتوان از تغییرات وابسته به زمان در شدت نور محاسبه کرد. روش NTA ذرات را در یک حجم مشخص ردیابی میکند و توزیع اندازه به دست آمده یک توزیع عددی است که میتوان از آن برای محاسبه غلظتهای نسبی نانوحبابها استفاده کرد. توزیع شدت به دست آمده توسط DLS میتواند به یک توزیع حجمی تبدیل شود. از آنجا که این تبدیل بر اساس فرضیات مختلفی است، توزیعهای عددی تولید شده با استفاده از DLS اغلب نادرست در نظر گرفته میشوند.
2- کاربردهای محیط زیستی
2- 1- کنترل و مدیریت کیفیت آب
کیفیت آب به ویژگیهای شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی آب بر اساس استانداردهای استفاده از آن اشاره دارد. رعایت مقررات و قوانین برای حفظ سلامت انسان و محیط زیست بسیار مهم است. منابع آب شامل نهرها، رودخانهها و آبهای زیرزمینی است که پس از یک سیستم تصفیه چند مرحلهای قبل از تحویل به شبکه آب، تصفیه میشوند. آب آشامیدنی اغلب قبل از انتقال به خانوارهای ما با استفاده از یک رویکرد چند مانعی تصفیه میشود. این رویکرد تشخیص میدهد که اگرچه هر مانع به تنهایی ممکن است به طور کامل آلودگی را حذف یا از آن جلوگیری نکند، اما همه موانع با هم محافظت بیشتری را فراهم میکنند تا اطمینان حاصل شود که آب تحویلی برای نوشیدن ایمن است.
آلودگی آب منابع زیادی دارد، مانند رسوب مواد جامد، آفتکشها و مواد شیمیایی از کشاورزی و صنعت، مواد مغذی مانند فسفر و نیتروژن از کودها و مواد شوینده، جلبکهای سمی در نتیجه یوتریفیکاسیون، عوامل بیماریزا و غیره. روشهای پاکسازی هر یک از منابع آلودگی ذکر شده در دهههای اخیر توسعه یافتهاند، از جمله شناورسازی، لختهسازی، هوادهی و سایر فناوریهای تصفیه. در این راستا، فناوری نانوحباب به عنوان یک روش مستقل یا به عنوان کمک به فناوریهای متداول گزارش شده است.
2- 1- 1- آلودگیزدایی از رسوبات و مدیریت دریاچهها
آلایندههای خارجی بیش از حد (کشاورزی، فاضلاب خانگی، فاضلاب صنعتی و غیره) که به دریاچهها و رودخانهها تخلیه میشوند، میتوانند به رابط رسوب-آب (SWI) مهاجرت کرده و رسوبات را آلوده کنند. این آلایندههای رسوبشده (فسفر، نیتروژن، آهن، منگنز، متیلجیوه، سولفید هیدروژن و غیره) میتوانند تحت شرایط خاصی از رسوبات آزاد شده و دوباره ستون آب را آلوده کنند. علاوه بر این، مواد مغذی آزادشده مانند نیتروژن (N) و فسفر (P) میتوانند باعث اوتروفیکاسیون آب و در نتیجه ایجاد شکوفایی جلبکی مضر (HABs) شوند که باعث هیپوکسی و آنوکسی میشوند. علاوه بر این، تجزیه زیستتوده جلبکهای مرده رسوبشده، شرایط هیپوکسیک/آنوکسیک را به دلیل تقاضای بالای اکسیژن تشدید میکند. بنابراین، نیاز به فناوریهای مؤثر تحویل اکسیژن برای کاهش هیپوکسی و آنوکسی و احیای آبهای اوتروفیک بسیار مهم است. روشهای متداول اکسیژنرسانی، مانند هوادهی مکانیکی، تا حدی مؤثر گزارش شدهاند. با این حال، به دلیل هزینه بالا و مصرف انرژی زیاد نمیتوانند به طور مؤثر در مقیاس بزرگ اعمال شوند.
فناوری نانوحبابهای اکسیژن و ازن برای حل مشکل هوادهی SWI به روشی مقرون به صرفه و دوستدار محیط زیست توسعه یافته است. برای غلبه بر مشکل هیپوکسی/آنوکسی، از نانوحبابها به دلیل پایداری طولانی مدت و بازدهی بالای انتقال جرم استفاده میشود.
وانگ و همکاران (2018) یک روش جدید برای اندازهگیری مقدار نانوحبابهای اکسیژن بارگیری شده در مواد متخلخل توسعه دادند. آنها مواد مختلف را ارزیابی کردند و ظرفیت بارگیری اکسیژن آنها به شرح زیر یافت شد: کربن فعال > زئولیت > بیوچار > دیاتومیت > خاکستر زغال سنگ > خاک رس. این تفاوتها عمدتاً به تفاوت در سطح ویژه و ترشوندگی سطح نسبت داده شد.
ژانگ و همکاران (2018) در کار پیشگامانه خود، کاهش هیپوکسی/آنوکسی ناشی از ذرات طبیعی اصلاحشده با نانوحبابهای اکسیژن را به صورت تجربی مطالعه کردند. در آزمایش ستون شبیهسازی شده خود، از زئولیتهای اصلاحشده با نانوحبابهای اکسیژن (ONMZ) و خاکهای محلی (ONMS) استفاده کردند و دریافتند که سطح اکسیژن محلول (DO) در ستون آب افزایش یافته و شرایط آنوکسیک در SWI نیز برای چندین ماه معکوس شده است (شکل 6).
در یک مطالعه مشابه، یو و همکاران (2019)، مواد معدنی اصلاحشده با نانوحبابهای اکسیژن (ONBMMs) را بر اساس ذرات معدنی موسکویت توسعه دادند. مشخص شد که ONBMMs میتوانند به طور مؤثر DO را در SWI افزایش داده و مقدار فسفر (P) آزادشده از رسوبات را کاهش دهند. در یک کار اخیر دیگر، تانگ و همکاران (2021)، در آزمایشهای میدانی شبیهسازی شده خود مشاهده کردند که سطح آرسنیک محلول (As) پس از درمان با نانوحبابهای اکسیژن در برابر هیپوکسی/آنوکسی ناشی از جلبک کاهش یافته و همچنین به گونههای کمسمتر تبدیل شد. جی و همکاران (2020)، در مطالعه آزمایشگاهی خود، نمونههایی از رسوب سطحی و آب فوقانی را از یک منطقه تجمع جلبک جمعآوری کردند تا آزمایشهای آزمایشگاهی را انجام دهند. آنها دریافتند که کاربرد نانوحبابهای اکسیژن به طور قابل توجهی سطح متیلجیوه (MeHg) تولیدشده توسط رسوبات آلوده به Hg را کاهش داده و همچنین شرایط هیپوکسیک و آنوکسیک را اصلاح میکند. لی و همکاران در کار اخیر خود، بیوچار مبتنی بر رسوب حامل اکسیژن (O-SBC) را به عنوان یک حامل جدید نانوحبابهای اکسیژن، با استفاده از نمونههای رسوب از یک شاخه شهری توسعه دادند. آنها گزارش کردند که O-SBC اکسیژنرسانی طولانیمدت برای آبهای آنوکسیک انجام داده و همچنین یک مکانیسم پاسخ جامعه میکروبی برای احیای آب آنوکسیک مشاهده کردند.
آلوثگون هیویج و همکاران (2020) یک روش پایدار محیط زیستی برای پاکسازی رسوبات رودخانهای آلوده به آلایندههای آلی و فلزات سنگین، با ترکیب نانوحبابهای ازن و فناوری اولتراسوند توسعه دادند. در این فرآیند، انرژی اولتراسوند برای جدا کردن آلایندهها از رسوبات و آزاد کردن آنها در ستون آب استفاده شد، در حالی که نانوحبابهای ازن برای تجزیه آلایندههای آلی و اکسیداسیون فلزات سنگین جذبشده استفاده شدند. گزارش شده است که با کاربرد این تکنیک خاص، راندمان حذف آلایندههای هیدروکربنهای آروماتیک چندحلقهای (PAHs) به 91.5٪ رسیده است.
کالوگراکیس و همکاران (2021) اخیراً نتایج پنج کاربرد میدانی از فناوری نانوحبابها برای احیای اکوسیستم آبهای بزرگ مانند دریاچهها و حوضچهها در مقیاس صنعتی، در چندین مکان در سراسر جهان را منتشر کردند. در این کار، از یک تولیدکننده نانوبلور تجاری برای تولید نانوحبابهای هوا با غلظت 2.2 × 10^8 حباب/میلیلیتر با دبی 25 لیتر در دقیقه و میانگین قطر 97 نانومتر استفاده شد. نتایج نشاندهنده بهبود پارامترهای کیفیت آب با کاهش قابل توجه در تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD) و عوامل بیماریزا بود، همانطور که در جدول 1 خلاصه شده است، در حالی که شکل 7 نتایج کاربرد در محل را نشان میدهد.
جدول 1 – تغییرات کیفیت آب در برکه زینتی تصفیه شده در باشگاه گلف امارات.
سویلوغلو و همکاران (2022) مسئله ژئوسمین و MIB پس از متابولیسم جلبکهای آبی که بر بو و طعم گیاهان تصفیه آب با استفاده از آب سطحی تأثیر میگذارد، مورد بررسی قرار دادند. این مطالعه از نانوحبابهای اکسیژن به عنوان تکنیک اکسیداسیون پیشرفته استفاده کرد و نتیجه گرفت که فراریت و در نتیجه حذف ژئوسمین و MIB به ترتیب 40٪ و 20٪ افزایش یافته است. علاوه بر این، آنها دریافتند که در محیط واقعی، مواد آلی طبیعی عملکرد این فرآیند را بسته به ویژگیهای مختلف آب سرکوب میکنند.
2- 1- 2- پاکسازی خاک و آب زیرزمینی
امروزه، خاک و آب زیرزمینی آلوده توجه بیشتری را به عنوان مسائل جدی محیط زیستی جلب میکنند. آلودگی آب زیرزمینی و خاک تهدیدات جدی برای محیط زیست و مردم، به ویژه در مناطق صنعتی و شهری که مشکل گسترده است، ایجاد میکند. فعالیت انسانی علت اصلی آلودگی است. انواع مختلفی از آلایندهها در آب زیرزمینی و خاک یافت میشوند، از جمله آلایندههای آلی پایدار، آفتکشهای آلی کلردار، مواد شیمیایی آلی مصنوعی، ترکیبات هیدروکربنی نفتی، عوامل بیماریزا، رادیونوکلئیدها، فلزات سنگین و زنوبیوتیکها. بنابراین، فناوری پاکسازی برای سایتهای آلوده به شدت مورد نیاز است. بسته به محل درمان، تکنیکهای پاکسازی را میتوان به دو دسته درجا و خارج از محل تقسیم کرد. پاکسازی خارج از محل شامل بازیابی خاک یا آب زیرزمینی آلوده از زیرسطح و درمان آن در همان محل یا انتقال آن به مکان دیگری برای درمان است. از سوی دیگر، پاکسازی درجا فرآیند پاکسازی خاک یا آب زیرزمینی آلوده درست در زیرسطح است. به دلیل هزینه کمتر آن در مقایسه با پاکسازی خارج از محل، روش درجا معمولاً ترجیح داده میشود.
تزریق هوا یک روش پاکسازی درجا است که در آن یک گاز، معمولاً هوا، با استفاده از سیستم چاههای تزریق به منطقه زیر سطح آب پمپ میشود. تزریق هوا باعث گردش آب زیرزمینی عمیق میشود و هوادهی آب به حذف مواد فرار کمک میکند. علاوه بر این، تزریق هوا سطح اکسیژن محلول در آب را افزایش میدهد و تخریب آلایندهها توسط میکروارگانیسمهای هوازی را افزایش میدهد. نانوحبابها به دلیل بازدهی بالای انتقال جرم، پاکسازی زیستی را تقویت میکنند، منطقه تأثیر (ZOI) را به دلیل ماندگاری بالا در آب افزایش میدهند و رادیکالهای هیدروکسیل آزاد با توان اکسیداسیون قوی هنگام فروپاشی تولید میکنند، بنابراین برای این هدف ایدهآل هستند.
فناوری نانوحباب برای مکانهای آلوده بهشدت ضروری است. بسته به محل انجام تصفیه، تکنیکهای پالایش ممکن است به دو دسته درونسایتی (in-situ) و برونسایتی (ex-situ) تقسیم شوند.
پالایش برونسایتی شامل خارج کردن خاک یا آب زیرزمینی آلوده از زیرسطح و یا تصفیه آن در همان مکان یا انتقال آن به مکان دیگر برای تصفیه است. از سوی دیگر، پالایش درونسایتی، فرآیند پاکسازی خاک یا آب زیرزمینی آلوده درست در همان زیرسطح است. به دلیل هزینه کمتر در مقایسه با پالایش برونسایتی، روش درونسایتی معمولاً ترجیح داده میشود.
روش هواتزریق (Air Sparging) یک روش پالایش درونسایتی است که در آن یک گاز، معمولاً هوا، با استفاده از سیستمی از چاههای تزریق به منطقهای زیر سطح آب زیرزمینی پمپ میشود. تزریق هوا باعث گردش آب عمیق زیرزمینی شده و هوادهی آب به حذف مواد فرار کمک میکند. علاوه بر این، تزریق هوا، سطح اکسیژن محلول در آب را افزایش داده و تجزیه آلایندهها توسط میکروارگانیسمهای هوازی را بهبود میبخشد.
نانوحبابها به دلیل راندمان بالای انتقال جرم، سبب بهبود پالایش زیستی میشوند، به دلیل طول عمر بالا در آب، منطقه تأثیر (ZOI) را افزایش میدهند و هنگام فروپاشی، رادیکالهای هیدروکسیل آزاد با قدرت اکسیدکنندگی قوی تولید میکنند، بنابراین برای هدف مورد نظر ایدهآل هستند. علاوه بر این، نانوحبابهای ازن توانایی اکسیدکنندگی عالی در تجزیه آلایندههای آلی پیچیده دارند. نانوحبابها همچنین میتوانند بهعنوان بهبوددهندههای پایدار و دوستدار محیط زیست به جای مواد شیمیایی، در پالایش خاک آلوده به فلزات سنگین استفاده شوند.
هو و ژیا مجموعهای از مقالات را منتشر کردند که کاربرد بالقوه ریز-نانوحبابهای ازن (MNBs) را در پالایش آب زیرزمینی آلوده به مواد آلی بررسی میکند. در یکی از مطالعات خود، آزمایشهای آزمایشگاهی برای پالایش آب سطحی و آب زیرزمینی بهمنظور تجزیه متیل اورانژ که بهعنوان آلاینده نماینده انتخاب شده بود، انجام شد. بهمنظور شبیهسازی خاک با نفوذپذیری بالا، از دانههای شیشهای استفاده گردید. گزارش شد که ریز-نانوحبابهای ازن بهطور مؤثر متیل اورانژ را تجزیه کردند، در حالی که نانوحبابهای اکسیژن هیچ توانایی اکسیدکنندگی نشان ندادند.
در مطالعه دیگری، Jeong و همکاران (۲۰۱۷) کاربرد بالقوه نانوحبابها را به عنوان روشی برای پالایش خاک آلوده به فلزات سنگین بررسی کردند. بر اساس نتایج این مطالعه، افزایش راندمان حذف مس به سطح بزرگ و پتانسیل زتای بالای نانوحبابها نسبت داده شد. بر اساس این مطالعه، نانوحبابها بهعنوان بهبود دهندهای دوستدار محیط زیست برای پالایش الکتروکینتیکی فلزات سنگین ثابت شدند.
۲-۲– تصفیه فاضلاب
فاضلابهای حاصل از بخشهای صنعت، کشاورزی و خانگی منبع جدی آلودگی محیط زیست در جامعه مدرن هستند. تصفیه و پاکسازی فاضلاب بهویژه زمانی که مواد خطرناک (فلزات سنگین، مواد سمی و غیره) درگیر هستند، اجباری است. رویکرد مدرن به این مسئله، یک سیستم پنج مرحلهای است که در تمام بخشها اما با تعدیلهایی اعمال میشود و شامل (i) مرحله پیشتصفیه، (ii) تصفیه اولیه، (iii) تصفیه تکمیلی یا ثانویه، (iv) تصفیه نهایی و (v) مدیریت لجن است. در این طرح، مراحل با اهمیت بالا مراحل (ii)، (iii) و (iv) هستند، که در آنها آلایندهها با تکنیکهای مختلف شامل فرآیندهای شیمیایی شدید حذف میشوند که این امر هزینهبر است. تأثیر نانوحبابها بر هر مرحله از تصفیه فاضلاب در حال بررسی است که جایگزینی عالی برای تکنیکهای سنتی به شمار میرود.
۲-۲-۱– رسوبدهی شیمیایی
رسوبدهی شیمیایی حداقل در سه دهه گذشته روشی رایج در تصفیه ثانویه است. رسوبدهی شامل حذف یونها با افزودن ترکیبات شیمیایی حاوی یونهای مقابل بهمنظور تغییر حلالیت آلاینده هدف است (Zhang و همکاران، ۲۰۱۹). ذرات جامد تشکیلشده پس از این فرآیند شیمیایی، با شناورسازی یا تهنشینی جمعآوری میشوند. چالش این فناوری، غلبه بر (i) مصرف بیش از حد مواد شیمیایی، (ii) تولید محصولات جانبی سمی و (iii) هزینه عملیاتی بالا بهشیوهای کارآمد است.
بر اساس تحقیقات موجود، بررسی سهم نانوحبابها در رسوبدهی اخیراً توسعه یافته است؛ هیچ سندی قبل از سال ۲۰۱۰ وجود ندارد و بیشترین توجه پس از سال ۲۰۱۷ ثبت شده است. حذف یونهای آهن به شکل رسوب Fe(OH)₃ و بهدنبال آن شناورسازی آن مطالعه شده است. محققان دو حالت شناورسازی با هوای محلول (DAF) را بررسی کردند: ریزحبابهای میکرو (MBs) همراه با نانوحبابها و نانوحبابها بهتنهایی. نتیجه مطالعه نشان داد که وقتی ریزحبابها حضور دارند، فرآیند سریعتر است، اما کارایی نانوحبابها بهتنهایی در مورد جداسازی نانوذرات تشکیلشده بیشتر است. بهطور کلی، برای هر دو حالت، غلظت اولیه آهن نقش تعیینکنندهای داشت؛ هرچه بیشتر بود، حذف بهتری حاصل شد. مورد اخیر به این دلیل است که غلظت بالاتر منجر به بهداماندازی بهتر نانوحبابها میشود.
شناورسازی کفزایی (فوم سازی) فرآیندی است که در آن مواد آبگریز از مواد آبدوست با استفاده از مواد شیمیایی مختلف که بهعنوان کفزا یا کلکتور استفاده میشوند، جدا میگردند. نقش کلکتور، آبگریز کردن سطح ذرات معدنی است.
برای دستیابی به این هدف، گزارش شده است که نانوحبابها به این فرآیند کمک کرده و باعث میشوند هم غلظت مواد کلکتور به حداقل برسد و هم راندمان کار افزایش یابد.
ژانگ و همکاران (۲۰۲۱) تأثیر نانوحبابها را بر شناورسازی ذرات روتیل با استفاده از اسید بنزوهیدروکسامیک (BHA) بهعنوان کلکتور بررسی کردند. روش آزمایشی شامل آزمونهای شناورسازی در مقیاس میکرو، ظرفیت جذب BHA، اندازهگیریهای فرابنفش و پتانسیل زتا بود، در حالی که برهمکنش ذرات با حبابها بهطور ماکروسکوپی و با استفاده از دوربین سرعتبالا مطالعه شد. نتایج نشان داد که در هر دو مورد بازیابی و ظرفیت جذب، ترکیب BHA و نانوحبابها عملکرد بهتری نسبت به BHA بهتنهایی داشت، هرچند روند کلی مشابه باقی ماند. این نتیجه دو گونه تفسیر دارد: یا نشان میدهد که در حضور نانوحبابها میتوان غلظت کلکتور را بدون کاهش راندمان کلی کاهش داد، یا اینکه با همان مقدار کلکتور، راندمان حداقل ۱۰٪ افزایش مییابد.
ژو (۲۰۲۰) کاربرد نانوحبابها را در فرآیند شناورسازی حامل برای جداسازی زغالسنگ ریزدانه بررسی کرد. از پلیاستایرن بهعنوان کلکتور (حامل) استفاده شد و نانوحبابها با استفاده از روش هیدرودینامیکی تولید گردیدند. هدف این کار تبیین مکانیزم تأثیر نانوحبابها در جداسازی ذرات بهروش شناورسازی بود. نویسندگان پیشنهاد کردند که نانوحبابها بهعنوان «پل» بین پلیاستایرن آبگریز و تودههای ریز زغالسنگ عمل کرده و بازده شناورسازی را ۴۳٪ افزایش میدهند. جالبترین دستاورد، مکانیزم پیشنهادی (شکل ۸) برای تأثیر نانوحبابها است که با استفاده از نظریه E-DLVO پشتیبانی شده است.
در مطالعه بعدی، ژو (۲۰۲۲) تأثیر نرخ هوادهی، زمان آمادهسازی و کهنگی را بر اندازه حبابهای تولیدشده بررسی کرد. نتایج نشان داد که زمان آمادهسازی بر غلظت نانوحبابها تأثیر میگذارد؛ هرچه فرآیند ادامه پیدا کند، غلظت حبابهای نانومتری افزایش مییابد. جالبترین نتیجه این کار، مربوط به افزایش بازده شناورسازی بود که در آن از ذرات کوارتز برای بررسی تأثیر حضور ریزحبابها استفاده شد. نتیجه نشان داد که وقتی ریزحبابها با نانوحبابها ترکیب میشوند، بازیابی ذرات ریزدانه بیشتر است. با این حال، آزمایشهای کهنگی نشان داد که پس از ۳ دقیقه، فقط نانوحبابها در محلول باقی میمانند. لیو و همکاران (۲۰۲۱) نیز به «پلزنی» تودههای ذرات در اثر حضور نانوحبابها اشاره کردند. ویژگیهایی مانند گرانروی ظاهری و تنش برشی نیز برای سطوح مختلف آبگریزی بررسی شد. بهعنوان نمونه مرجع، از آب دیونیزه با همان مقدار ماده آبگریز برای ایجاد سه سطح آبگریزی زغالسنگ (کم، متوسط و زیاد که بهترتیب LHC، MHC و HHC نامیده شدند) استفاده گردید. از میان اندازهگیریهای انجامشده، نمونه HHC همراه با نانوحبابها بهترین عملکرد را داشت و پس از آن HHC بدون نانوحباب قرار گرفت. برای سایر سطوح آبگریزی، روند به این صورت بود که هرچه سطح پایینتر بود، تفاوت بین حالت با و بدون نانوحباب کمتر میشد.
شناورسازی پودر ریز سنگ فسفات با محلول غنیشده با نانوحباب و محلول فاقد نانوحباب بررسی شد (پورکریمی و همکاران، ۲۰۲۱). این مطالعه وجود نانوحبابها را با اندازهگیریهای مستقیم و غیرمستقیم مختلف مانند پتانسیل زتا، طیفسنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) اثبات کرد. هر دو روش FTIR و HPLC نشان دادند که در حضور نانوحبابها، جذب کلکتور کمتر از حالت عدم حضور نانوحباب است. عملکرد جداسازی اندازهگیریشده نشاندهنده افزایش حدود ۴۰٪ در راندمان جداسازی در حضور نانوحبابها بود. نویسندگان این موضوع را به تغییر طبیعت سطح ذرات در اثر نانوحبابها نسبت میدهند و پیشنهاد میکنند که نانوحبابها مانند یک کلکتور قوی عمل میکنند.
در کار دیگری، نانوحبابها را در فرآیند شناورسازی-لختهسازی برای حذف روغن امولسیونشده از آب شور به کار بردند. تزریق نانوحبابها در مرحله لختهسازی، آبگریزی تودههای روغنی را افزایش داد و چسبندگی بهتری به نانوحبابها ایجاد کرد که منجر به افزایش راندمان در هر دو فرآیند بهترتیب ۱۱٪ و ۳٪ شد.
۲-۲-۲– جذب سطحی
یکی از مسائل مهم در فناوریهای زیستمحیطی، حذف آلایندههای آلی است. منابع اصلی آلودگی آلی، صنایع پتروشیمی، داروسازی، رنگرزی و کاغذسازی هستند. فناوریهای متعددی برای استخراج کارآمد این ترکیبات، بسته به منبع آنها، پیشنهاد شده است. اصول دخیل در این فرآیندها از نورکاتالیز تا اکسیداسیون ترکیبات آلی متغیر است (شومبولا، ۲۰۲۱).
جذب سطحی یکی از امیدوارکنندهترین فناوریها در زمینه تصفیه آب و فاضلاب است (رشید و همکاران، ۲۰۲۱). آلایندههایی مانند یونهای فلزات سنگین، رنگها، فسفاتها و غیره با استفاده از جاذبهای مختلف بهطور مؤثر حذف میشوند. پیادهسازی جذب سطحی به دلیل ویژگیهای ساختاری و فیزیکوشیمیایی مواد مورد استفاده، روشی انعطافپذیر و مقرونبهصرفه است. برخی از جاذبهای رایج عبارتند از: کربن فعال، آلومینای فعال، زئولیتها، کیتوزانها (محمدزاده پاکدل و پیغمبردوست، ۲۰۱۸) و سایر مواد. تصفیه فاضلاب بهروش جذب سطحی دو هدف دارد: حذف آلایندههای خطرناک یا استخراج ترکیبات باارزش مانند داروها و فلزات گرانبها. نانوحبابها برای کمک به فرآیند جذب سطحی بسیار امیدوارکننده هستند، زیرا (i) زمان تماس را کاهش میدهند، (ii) سطح تماس را افزایش میدهند و (iii) آلاینده را بهطور مؤثر به سطح جاذب میرسانند.
کایزاس (۲۰۱۹) در مطالعه پیشگام خود، تأثیر نانوحبابها را بر جذب سطحی فلزات سنگین محلول با استفاده از کربن فعال بررسی کرد. گزارش شد که نانوحبابها فرآیند جذب را ۳۶۶٪ تسریع میکنند و بهعنوان حامل یونهای سرب عمل مینمایند، همانطور که در شکل ۹ نشان داده شده است.
کار بعدی محققان، عملکرد نانوحبابها را با و بدون همزدن در آزمایشهای جذب سطحی بهصورت ناپیوسته برای حذف یون سرب (Pb²⁺) توسط کربن فعال بررسی کردند. چهار حالت ارزیابی شد: دو حالت با نانوحباب (با و بدون همزدن) و دو حالت بدون نانوحباب در شرایط مشابه. نتایج نشان داد که وقتی نانوحبابها در محلول آلاینده/جاذب وجود داشتند، راندمان حذف بدون «تکان دادن» بیشتر از حالتی بود که نانوحباب وجود نداشت.
حذف کنگو-رد (رنگ قرمز کنگو) توسط زغالسنگ توسط هه (۲۰۲۱) بررسی شد. باز هم نانوحبابها بهعنوان «حامل» آلاینده هدف در داخل محلول معرفی میشوند که منجر به افزایش احتمال برخورد آلاینده با سطح جاذب میگردد. در اینجا، حضور نانوحبابها حذف کنگو-رد را ۲۵۰٪ تسریع میکند؛ بهطوری که در ۱ دقیقه، غلظت به همان سطحی میرسد که در ۲۵ دقیقه بدون نانوحباب به دست میآمد. جالبترین نتیجه، بیرنگ شدن ۲۵٪ حتی پیش از افزودن جاذب به محلول است. نویسندگان پیشنهاد میکنند که این امر به دلیل اکسیداسیون توسط رادیکالهای آزاد تولیدشده توسط نانوحبابها رخ داده است.
۳-۲– کاهش گرفتگی غشاء
غشاء یک مرز نیمهتراوا، فعال یا غیرفعال است که به برخی از اجزای یک مخلوط اجازه عبور میدهد و از عبور سایرین جلوگیری میکند. فناوریهای غشایی بهطور گسترده در کاربردهای زیستمحیطی مانند تصفیه آب آشامیدنی، تصفیه فاضلاب و نمکزدایی استفاده میشوند (اوبوتی ازوگبه و راتیلال، ۲۰۲۰). گرفتگی، دلیل کاهش عملکرد غشاء است. بهطور خاص، گرفتگی پدیدهای است که باعث میشود غشاء زمانی که مواد معلق یا محلول بر روی سطوح خارجی، در دهانه منافذ یا داخل منافذ آن رسوب میکنند، بهخوبی کار نکند. بهمنظور کنترل گرفتگی غشاء، تکنیکهای مختلفی توسعه یافته است که شامل شستشوی شیمیایی، پیشتصفیه خوراک، اصلاح سطح غشاء، دستکاری جریان، تیمار فراصوتی و گازدهی (اسپارژینگ) میشود. شستشوی شیمیایی هزینههای عملیاتی را افزایش میدهد، ممکن است سطح غشاء را تخریب کند و مواد پاککننده خطرناکی را وارد محیط زیست نماید. گازدهی به دلیل راندمان بالای فرآیند و تخریب کمتر محیط زیست (به دلیل عدم استفاده از مواد شیمیایی پاککننده)، نسبت به سایر روشها مزیت نسبی دارد. نانوحبابها تأثیر مفیدی بر گازدهی دارند، زیرا ویژگیهای خاصی که آنها را از حبابهای هوای بزرگتر متمایز میکند، عبارتند از: بار سطحی منفی، سطح زیاد، راندمان بالای انتقال جرم، پایداری طولانی در آب و تولید رادیکالهای هیدروکسیل هنگام فروپاشی. نانوحبابها به دلیل نیروهای دافعه، تلاطم در محیط مایع ایجاد میکنند که باعث بههمزدن و جدا شدن ذرات از سطح غشاء میشود. علاوه بر این، نانوحبابها با جذب یونهای همبار در سطح خود، از رسوب نمک جلوگیری میکنند و همچنین با تولید رادیکالهای هیدروکسیل اکسیدکننده که آلایندههای آلی را تجزیه میکنند، از گرفتگی زیستی جلوگیری مینمایند. بنابراین، فناوری نانوحباب پتانسیل بالایی بهعنوان یک فناوری پایدار و نوآورانه برای کنترل گرفتگی غشاء دارد.
قدیمخانی و همکاران (۲۰۱۶) تأثیر نانوحبابهای هوا را در کاهش گرفتگی غشاء سرامیکی بررسی کردند. در این مطالعه، از اسید هیومیک بهعنوان ماده آلاینده آلی برای ایجاد گرفتگی غشاء استفاده شد و نانوحبابهای هوا برای تمیز کردن سطح غشاء به کار رفتند. تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نشان داد که شار تراوششده پس از تیمار با نانوحباب هوا بهطور کامل بازیابی شد که نشاندهنده باز شدن موفقیتآمیز منافذ غشاء بود. نتیجهگیری شد که نانوحبابهای هوا میتوانند بهعنوان جایگزینی مقرونبهصرفه و پایدار برای مواد ضد رسوب شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند.
بهطور تجربی نتایج مشابهی را برای فرآیند نمکزدایی با اسمز معکوس نشان دادند. در این کار، آزمایشهایی در مقیاس آزمایشگاهی و نیمهصنعتی بهمنظور ارزیابی تأثیر ریز-نانوحبابهای هوا بر کاهش گرفتگی غشاء انجام شد. باز هم گزارش شد که شار تراوششده بهطور قابلتوجهی بهبود یافته و ریز-نانوحبابها میتوانند بهطور مؤثر از تشکیل لایه قطبش غلظت (CP) بر روی سطح غشاء جلوگیری کنند.
همین نویسندگان مقاله دوم خود را درباره فرآیند اسمز معکوس آب دریا (SWRO) منتشر کردند (دیاراتنه و همکاران، ۲۰۱۹). در این مقاله، ریز-نانوحبابها بهعنوان مواد ضد رسوب بدون مواد شیمیایی، در مقایسه با نمونههای معمولی ارزیابی شدند. مشخص شد که ریز-نانوحبابها با موفقیت از تشکیل بلورهای نمک بر روی سطح غشاء جلوگیری میکنند و عملکردی برتر از ضد رسوبهای شیمیایی موجود در بازار دارند (شکل ۱۱).
در کار اخیر دیگری، فرید (۲۰۲۲) نقش نانوحبابها را بهعنوان عامل تمیزکننده فیزیکی در سیستم اسمز مستقیم (FO) برای تصفیه و بازیافت فاضلاب آبزیپروری بررسی کرد (شکل ۱۲). گزارش شد که افزودن نانوحبابها به آب خوراک، عملکرد و عمر مفید غشای اسمز مستقیم را بهطور قابلتوجهی بهبود بخشید. بهویژه، نانوحبابها بهطور مؤثری از تجمع اکسیتتراسایکلین (OTC) و سایر عوامل گرفتگی بر سطح غشاء جلوگیری کردند.
همین پژوهشگران در مطالعهای دیگر، کاربرد نانوحبابها را بهعنوان مهارکننده رسوب بدون مواد شیمیایی در فرآیند تقطیر غشایی (MD) بررسی کردند. باز هم مشاهده شد که افزودن نانوحبابهای هوا به خوراک شور، با موفقیت گرفتگی غشاء را کاهش داده و زمان عملیاتی مؤثر تقطیر غشایی را افزایش میدهد. علاوه بر این، پیشنهاد شد که بهبود عملکرد را میتوان به افزایش نیروهای برشی سطحی بر روی غشاء، ناشی از جریان آشفتهای که نانوحبابها در خوراک ایجاد میکنند، و همچنین جذب الکترواستاتیکی یونهای همبار بر روی سطح بارِ منفی نانوحبابها نسبت داد.
نتایج دلگرمکننده مشابهی بهتازگی توسط علی و همکاران (۲۰۲۲) گزارش شده است، که تأثیر ریز-نانوحبابهای هوا را بر تشکیل رسوب ژیپس (سولفات کلسیم) بر روی یک غشای اسمز معکوس در مقیاس آزمایشگاهی بررسی کردند. نتایج این مطالعه نشان داد که حضور نانوحبابهای هوا در جریان، بهطور قابلتوجهی تشکیل رسوب ژیپس را بر روی سطح غشاء کاهش داده و همچنین اثر قطبش غلظت را کاسته است.
