چکیده
امروزه با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی جهانی نظیر تخریب و کاهش منابع آبی، تقاضا برای فناوری‌های تصفیه آب رو به افزایش است. فناوری ریزحباب و نانوحباب (MNB) و کاربرد آن در تصفیه فاضلاب، به عنوان راهکاری برای مقابله با این چالش‌ها مطرح شده است. این مقاله به مرور مطالعات کلیدی در زمینه تصفیه آب با استفاده از ریزحباب و نانو حباب (MNB) می‌پردازد و ویژگی‌های بنیادین آنها، از جمله پایداری حبابها (به‌عنوان ذراتی بسیار ریز در محلول‌های آبی)، روش‌های تولید و خصوصیات گوناگون شیمیایی و فیزیکی‌شان را بررسی می‌کند. همچنین، وضعیت کنونی کاربرد ریزحباب و نانو حباب (MNB) در فرآیندهای تصفیه آب نظیر شناورسازی، هوادهی و گندزدایی، و نیز استفاده از آنها در بخش‌های مختلفی همچون کشاورزی، آبزی‌پروری، پزشکی و صنعت مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. بر اساس این بررسی، مطالعات مربوط به ویژگی‌های پایه، تولید و کاربرد ریزحباب و نانوحباب (MNB) شناسایی و برای پژوهش‌های آتی مد نظر قرار می‌گیرند. این مطالعه نتیجه می‌گیرد که با وجود نقش نویدبخش MNBها در کاربردهای مرتبط با آب، وضعیت کنونی پژوهش‌ها هنوز به پتانسیل واقعی این فناوری دست نیافته است و به‌ویژه نیاز به گسترش دامنه کاربرد MNBها در مقیاسی وسیع‌تر احساس می‌شود.
توسعه اقتصادی جهانی را نمی‌توان از منابع آب جدا دانست. در حال حاضر، منابع آب در بسیاری از کشورهای در حال توسعه با چالش‌های شدیدی همچون کمبود آب، عدم تعادل در الگوهای توزیع و تولید آب، بهره‌وری پایین در مصرف آب، خشکسالی و سایر مشکلات زیست‌محیطی مواجه هستند. علاوه بر این، افزایش حجم فاضلاب ناشی از شهرنشینی و صنعتی‌شدنِ شتابان، چالش‌های مربوط به دسترسی به آب و کیفیت آن را به‌طور قابل‌توجهی تشدید کرده است. از این رو، برای تضمین دسترسی کافی به آب، نیاز روزافزونی به تصفیه و بازچرخانی فاضلاب احساس می‌شود. به‌طور کلی، برای تصفیه آلاینده‌های موجود در فاضلاب‌های صنعتی و خانگی از روش‌های بیولوژیکی، نظیر لجن فعال، استفاده شده است. با این حال، چنین روش‌هایی معایبی همچون هزینه‌های بالای انرژی دارند و حجم زیادی پسماند جامد تولید می‌کنند که دفع آنها هزینه‌های اضافی به همراه دارد. بنابراین، نیاز مبرمی به توسعه فناوری تصفیه آبی وجود دارد که بتواند به‌طور مؤثر و پایدار به چالش‌های فزاینده کمبود آب پاسخ دهد.
در چنین شرایطی، میکرو و نانو حبابها (MNBs) به عنوان فناوری مفیدی برای تصفیه آب مطرح شده‌اند. این حباب‌های بسیار ریز که قطری در مقیاس نانومتر و میکرومتر دارند، دارای خواص فیزیکی منحصر به فردی هستند که آنها را برای تصفیه آب کارآمد می‌سازد. برای مثال، ویژگی منحصربه‌فردِ داشتن سطح تماس (مساحت سطح) وسیع، امکان انتقال جرم کارآمد میان فازهای مایع و گاز را فراهم می‌کند و به تسهیل واکنش‌های شیمیایی یاری می‌رساند. چنین فرآیندهایی منجر به فروپاشی (ترکیدن) حباب‌های MNB می‌شود که با ایجاد امواج ضربه‌ای در آب، تولید رادیکال‌های هیدروکسیل (OH) را به همراه دارد. فرآیندهای تصفیه آب، نظیر الکتروفلوتاسیون و شناورسازی با هوای محلول، عموماً از MNBها بهره می‌برند. در سال‌های اخیر، به دلیل فعالیت زیستی (بیواکتیویته) بالاتر میکرو و نانو حبابها، استفاده از این روش‌ها برای پاک‌سازی و تصفیه آب‌های خانگی و صنعتی به‌طور گسترده‌ای رواج یافته است. افزون بر این، به دلیل قابلیت‌های عملیاتی و اجرایی بسیار بالا، روش‌های تصفیه آب مبتنی بر میکرو و نانو حباب در بخش‌های گوناگونی از جمله صنعت و کشاورزی به کار گرفته می‌شوند. طی سال‌های اخیر، با توجه به پتانسیل میکرو و نانو حبابها به عنوان فناوری‌ای پایدار برای تصفیه آب، پژوهش‌ها در زمینه کاربردهای مرتبط با آب به شکل چشمگیری افزایش یافته است. با وجود طیف وسیعی از مطالعات و شواهد تجربی، کاربرد میکرو و نانوحباب‌ها در تصفیه آب همچنان محدود است. از این رو، مطالعه حاضر با هدف ارائه مروری بر متون و پژوهش‌های موجود پیرامون میکرو- و نانوحباب‌ها و کاربرد آنها در حوزه آب تدوین شده است. این پژوهش ضمن ارائه بینشی درباره تحولات اخیر و وضعیت تحقیقات پیرامون MNBها، روندهای آتی استفاده از آنها را نیز برجسته می‌سازد. این مقاله به هفت بخش تقسیم شده است که با بخش مقدمه آغاز می‌شود. بخش دوم به توضیح ویژگی‌های اساسی MNBها (حباب‌های میکرو-نانو) می‌پردازد. بخش سوم سازوکار تولید MNBها را بررسی کرده و مروری بر روند توسعه آنها ارائه می‌دهد. به همین ترتیب، فرآیندهای اصلی تصفیه آب و همچنین کاربردهای MNBها در بخش‌های مختلف، به ترتیب در بخش‌های چهارم و پنجم مورد بحث قرار می‌گیرند. بخش‌های ششم و هفتم نیز به ترتیب چشم‌انداز آینده و نتیجه‌گیری را ارائه می‌دهند.
ویژگی‌های اساسی MNBها
به‌طور کلی، حباب‌های موجود در آب را می‌توان به سه دسته اصلی طبقه‌بندی کرد: حباب‌های معمولی یا ماکروحباب‌ها (macrobubbles)، میکروحباب‌ها (MBs) و نانوحباب‌ها (NBs). قطر ماکروحباب‌ها در محدوده ۱۰۰ میکرومتر تا ۲ میلی‌متر است. این حبابها به‌سرعت به سطح مایع صعود کرده و می‌ترکند (از بین می‌روند).
میکروحباب‌ها کوچک‌تر از ماکروحباب‌ها هستند و قطری بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر دارند، اما این حبابها در آب کوچک‌تر شده و سپس در آن حل می‌شوند.
در مقابل، نانوحباب‌ها (NBs) حباب‌های گازی بسیار کوچکی هستند که دارای ویژگی‌های فیزیکی منحصربه‌فردی بوده و آنها را از حباب‌های معمولی متمایز می‌سازد. به‌طور کلی، قطر نانوحباب‌ها کمتر از ۱ میکرومتر است؛ با این حال، نانوحباب‌هایی که قطرشان کمتر از ۱۰۰ نانومتر است، به‌صورت تصادفی حرکت می‌کنند (حرکت براونی) و به دلیل نیروی شناوری کمتر، می‌توانند برای مدتی طولانی در مایعات معلق بمانند و توانایی تغییر ویژگی‌های معمول آب را دارند.
بر اساس نظریه‌های قدیمی ترمودینامیک، نانوحباب‌ها به دلیل محدودیت‌های مربوط به شعاع انحنا، نمی‌توانند وجود داشته باشند یا پایدار بمانند. برای مثال، شعاع انحنای کوچک باعث می‌شود که فشار داخلی حباب‌های نانو (NBs) نسبت به فشار خارجی بیشتر باشد؛ امری که به انحلال سریع آنها می‌انجامد. به عنوان نمونه، یک حباب نانو با شعاع ۱۰۰ نانومتر (با فرض فشار اتمسفریک ۱۰۵ نیوتن بر متر مربع در آبِ پیرامون و کشش سطحی ۷۲ میلی‌نیوتن بر متر)، فشار داخلی معادل ۱.۵ مگاپاسکال ایجاد می‌کند. نظریه بنیادین در این خصوص آن است که فشار داخلی بالای موجود در حباب نانو با فشار اتمسفر به تعادل نمی‌رسد؛ وضعیتی که ناگزیر منجر به ترکیدن حبابها در مدت‌زمانی بسیار کوتاه می‌شود. لو و همکاران (۲۰۰۰) نخستین بار با استفاده از میکروسکوپ اتمی (AFM)، وجود حباب‌های نانو را به صورت کره‌هایی درخشان و پایدار بر روی یک سطح جامد و تخت گزارش کردند. با این حال، در سال‌های اخیر روش‌های گوناگون دیگری نیز برای بررسی حباب‌های نانو به کار گرفته شده است، از جمله بازتاب‌سنجی نوترونی، بازتاب‌سنجی پرتو ایکس و میکروبالانس کریستال کوارتز. یکی از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد حباب‌های نانو، پایداری (طول عمر) بیشتر آنها عنوان شده است؛ ویژگی‌ای که موجب می‌شود این حبابها در محیط مایع، زاویه تماس بزرگ‌تر و مدت‌زمان بقای طولانی‌تری داشته باشند.
پتانسیل زتای MNBها
پتانسیل زتا یک ویژگی فیزیکی است که برای اندازه‌گیری شدت نیروی جاذبه بین ذرات و حبابها یا نیروی دافعه الکترواستاتیک به‌کار می‌رود. این ویژگی، عاملی مهم در تعیین طول عمر MNBها (حباب‌های میکرونی و نانویی) در یک سیستم کلوئیدی است. برای محاسبه پتانسیل زتا، از معادله اسمولوفسکی (Smoluchowski) استفاده می‌شود. به‌طور کلی، MBها و NBها در محدوده pH بین ۲ تا ۱۲ دارای بار منفی هستند (که به نوع گاز تزریق‌شده بستگی دارد) و مقدار پتانسیل زتا در pH خنثی، در بازه‌های ۴۰- تا ۵۰- میلی‌ولت و ۲۰- تا ۳۰- میلی‌ولت قرار می‌گیرد. مقدار منفی پتانسیل زتا ناشی از غلظت بیشتر یون‌های هیدروکسیل (OH⁻) نسبت به یون‌های هیدروژن (H⁺) در فصل‌مشترک گاز و آب است. مکانیسم باردار شدن NBها نیز با جذب ترجیحی یون‌های هیدروکسیل در محلول الکترولیتی مرتبط است. علاوه بر این، پایداری NBها به‌شدت به پیوند هیدروژنی در فصل‌مشترک آب و گاز وابسته است؛ عاملی که باعث می‌شود NB دارای سطحی نفوذناپذیر و از نظر سینتیکی پایدار باشد و در برابر نفوذ مقاومت بیشتری نشان دهد.
ویژگی‌های انتقال جرم در فرآیندهای مختلف فاز گاز-مایع، کارایی فرآیند معمولاً با نرخ انتقال گاز به مایع تعیین می‌شود؛ از این‌رو، انتقال جرم ویژگی حیاتی سیستم محسوب می‌گردد. کارایی انتقال جرم به عواملی همچون توزیع اندازه حبابها، سرعت صعود، هیدرودینامیک گاز-مایع، پدیده‌های ادغام (coalescence) و شکست (break-up)، نسبت سطح به حجم و خواص فیزیکی بستگی دارد. بر اساس نظریه دو فیلمی جذب گاز، نرخ انتقال جرم بین دو فاز توسط ضریب انتقال جرم مایع-گاز، نسبت سطح به حجم و گرادیان غلظت در این فازها تعیین می‌شود. برای محاسبه نرخ انتقال جرم گاز-مایع از روش حالت ناپایدار استفاده می‌شود. مطالعات گوناگونی رویکردهای همبستگی مختلفی را برای محاسبه ضریب انتقال جرم حباب‌های میکرونی (MBs) بر پایه مدل‌های ریاضی متفاوت ارائه کرده‌اند. بردول و وردن (۱۹۹۸) رویکردی پویا پیشنهاد کردند که در آن ضریب انتقال جرم با عواملی نظیر کاهش اندازه حباب مرتبط دانسته شده بود؛ آنها این مسئله را به روش عددی و با استفاده از یک حباب میکرونی واحد به قطر ۲۵ میکرومتر حل کردند. افزون بر این، یینگ و همکاران (۲۰۱۳) مدلی را برای افزایش نرخ انتقال جرم توسعه دادند که نرخ انتقال دی‌اکسید کربن را بر اساس اندازه حباب در نظر می‌گرفت. متعاقباً، لی و همکاران (۲۰۱۶) با استفاده از یک راکتور همزن‌دار، فرآیند انتقال جرم را با به‌کارگیری حباب میکرونی ۵۰ میکرومتری بررسی کردند. آنها دریافتند که گردش توده مایع ناشی از عملکرد مولد حباب میکرونی، دمای توده مایع را افزایش می‌دهد و بر حلالیت گاز تأثیر می‌گذارد؛ این تأثیر به‌ویژه در حجم‌های کمترِ توده مایع مشهودتر است. آنها نرخ انتقال جرم را با استفاده از یک ضریب همبستگی دمایی در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد محاسبه کردند.
تولید و فناوری MNB
حباب‌های نانویی-میکرونی (MNB) بر روی سطح ذرات آب‌گریز (هیدروفوبیک) تشکیل می‌شوند. بسته به عوامل داخلی یا خارجی، تشکیل MNBها می‌تواند به روش‌های گوناگونی القا شود. به‌طور کلی، حباب‌های آب از طریق انحلال گاز تحت فشار و سپس آزاد کردن گاز همزمان با کاهش فشار تولید می‌شوند که روشی متداول محسوب می‌گردد. در این روش، دستگاه عمدتاً از یک پمپ آب، کمپرسور هوا و مخزن هوا تشکیل شده است. پمپ آب فشار لازم برای هدایت آب در حال گردش به مخزن انحلال گاز را تأمین می‌کند و کمپرسور هوا، هوا را با فشار به داخل مخزن انحلال گاز می‌فرستد. وضعیت اختلاط گاز و آب با فشار بالا که در مخزن انحلال گاز ایجاد می‌شود، موجب فوق‌اشباع شدن و حل شدن گاز می‌گردد؛ سپس با کاهش ناگهانی فشار، گاز به شکل MNB از آب جدا می‌شود. شکل ۲ نمودار شماتیک یک مولد MNB متداول را نشان می‌دهد.
در این سیستم، پمپ آب را در یک مخزن اکریلیک شفاف و از طریق مخزن انحلال گاز و نازل تولید MNB به گردش درمی‌آورد. هوا در سمت مکش پمپ به آب در حال گردش تزریق شده و توسط سیستم فشار بالا حل می‌شود.
سپس، به دلیل کاهش فشار در محل نازل، فاز گازی MNB از آبِ فوق‌اشباع‌شده با هوا تولید می‌گردد.
حباب‌های نانویی (NB) اغلب زمانی تشکیل می‌شوند که یک فاز مایع همگن، به‌دلیل افت ناگهانی فشار به زیر یک مقدار بحرانی، دچار تغییر فاز شود؛ پدیده‌ای که به نام کاویتاسیون (حباب‌زایی) شناخته می‌شود. معمولاً پدیده کاویتاسیون (حباب‌زایی) در اثر عبور امواج فراصوت یا تغییرات فشار بالا در سیالِ در حال جریان ایجاد می‌شود (کاویتاسیون هیدرودینامیکی). نانوحباب‌ها (NBs) را همچنین می‌توان با استفاده از امواج فراصوت و واکنش‌های شیمیایی نظیر الکترولیز تولید کرد.
نانوحباب‌ها را می‌توان در بازه اندازه‌ای وسیع‌تری (در محدوده چند صد نانومتر) به دست آورد. احمدی و داربان (2013) با استفاده از لوله ونتوری و مکانیسم کاویتاسیون هیدرودینامیکی، نانوحباب‌هایی با اندازه ۱۳۰ تا ۵۴۵ نانومتر تولید کردند. وو و همکاران (2012) نیز بر پایه کاویتاسیون هیدرودینامیکی، نانوحباب‌هایی با اندازه کمتر از ۵۰۰ نانومتر ایجاد کردند. چو و همکاران (2005) با استفاده از الکترود پالادیوم و به‌کارگیری امواج فراصوت، نانوحباب‌هایی با میانگین قطر ۳۰۰ تا ۵۰۰ نانومتر تولید نمودند. اوفینگر و ویتلی (۲۰۰۴) با استفاده از روش فراصوت (اولتراسونیکاسیون) و گاز اکتافلوروپروپان، حباب‌های نانو (NBs) با میانگین قطر ۴۵۰ تا ۷۰۰ نانومتر تولید کردند.
تأثیر شرایط عملیاتی مختلف بر اندازه حباب
مطالعات نشان می‌دهند که توزیع و اندازه حباب‌های میکرو-نانو (MNBs) به طراحی سیستم و شرایط عملیاتی گوناگون بستگی دارد. برای مثال، کسر حجمی و اندازه حباب‌های میکرو (MBs) معمولاً با تغییرات فشار در سراسر سیستم نازل مرتبط است. هرچه فشار بالاتر باشد، به دلیل افزایش چگالی هوا، اندازه حباب کوچک‌تر می‌شود؛ با این حال، اندازه حباب‌های میکرو در فشارهای بالاتر از 3.5 اتمسفر ثابت می‌ماند، در حالی که اندازه حباب‌های نانو عمدتاً تحت تأثیر عواملی همچون اندازه و نوع شلنگ، فشار و توان صوتی تعیین می‌شود. علاوه بر این، نوع گاز مورد استفاده بر مدت‌زمان پایداری (ماندگاری) حباب‌های نانو تأثیر می‌گذارد؛ برای نمونه، در صورت استفاده از اکسیژن خالص برای تولید حباب، حضور حباب‌های نانو تا چندین روز قابل تشخیص است، در حالی که برای حباب‌های هوا، این مدت‌زمان کمتر از یک ساعت است. در مورد حباب‌های ماکرو (بزرگ‌مقیاس)، استفاده از گازی با وزن مولکولی بالاتر موجب افزایش چگالی و در نتیجه تولید حباب‌های کوچک‌تر می‌شود.
به‌طور مشابه، از منظر خواص شیمیایی، مطالعاتی به مقایسه تأثیر محلول‌های الکترولیتی (حاوی NaCl و سایر یون‌های نمک) و کف‌سازها (افزودنی‌های شیمیایی) بر آب دریا، همراه با بررسی سرعت پروانه و نرخ جریان هوا پرداخته‌اند. نتایج نشان داد که سرعت پایین پروانه (۴٫۲ متر بر ثانیه) یا سرعت بالای گاز (۰٫۵ سانتی‌متر بر ثانیه) منجر به تولید حباب‌هایی با اندازه ۸۵۰ میکرومتر در محلول نمک دریایی می‌شد؛ اندازه‌ای که بزرگ‌تر از حباب‌های حاصل از محلول‌های حاوی کف‌ساز (۶۰۰ تا ۷۰۰ میکرومتر) بود. همچنین، در مقایسه‌ای با سرعت پروانه و نرخ جریان گاز ثابت، برهم‌کنش نمک‌ها و کف‌سازها نیز بررسی و تشریح شده است؛ این بررسی نشان داد که در غیاب کف‌ساز، حباب‌های تولیدشده در محلول نمک دریایی و محلول NaCl با غلظت ۰٫۵ مولار، نسبت به حباب‌های تشکیل‌شده در آب دیونیزه (آب خالص‌سازی‌شده)، نسبتاً کوچک‌تر بودند. در خصوص دامنه غلظت کف‌سازها، این مطالعه گزارش داد که با افزودن مقدار کمی کف‌ساز (کمتر از ۱۰ ppm)، محلول NaCl (با غلظت ۰٫۵ مولار) حباب‌هایی با اندازه نسبتاً بزرگ‌تر تولید کرد، در حالی که محلول‌های الکترولیتی با غلظت بالاتر از ۱۰ ppm، حباب‌هایی با اندازه مشابه ایجاد کردند. علاوه بر این، مطالعاتی نیز به مقایسه موارد مختلف با در نظر گرفتن قدرت یونی محلول الکترولیت و با توجه به «غلظت بحرانی ادغام حبابها» (Critical Coalescence Concentration) پرداخته‌اند. نتایج حاکی از آن بود که محلول نمک دریایی (با قدرت یونی ۰٫۷) در مقایسه با محلول NaCl (با قدرت یونی ۰٫۵)، حباب‌های بزرگ‌تری تولید می‌کند. در مقایسه میان محلول NaCl و محلول نمک دریایی، اندازه حبابها به دلیل برهم‌کنش یون‌های نمک موجود در محلول نمک دریایی افزایش یافت. در بسیاری از مطالعات، محلول NaCl به عنوان محلول پایه در کنار سایر یون‌های نمکی (مانند KCl) در نظر گرفته شد تا تأثیر آنها بر اندازه حبابها به صورت جداگانه ارزیابی شود؛ نتایج نشان داد که سایر یون‌های نمکی تفاوت معناداری در اندازه حبابها ایجاد نمی‌کنند.
مروری بر مطالعات پیشین در زمینه MNBها
شکل ۳ رویدادهای مهم توسعه و مطالعات کلیدی در حوزه MNBها (حباب‌های نانو-میکرو) را نشان می‌دهد. در سال ۱۹۵۰، نظریه اپستین-پلسِت (Epstein-Plesset) تدوین شد که به بررسی طول عمر یک حباب منفرد بر اساس شعاع و میزان اشباع آن می‌پرداخت. در سال ۱۹۵۴ مطرح شد که لایه‌های آلی باعث تثبیت واحدهای گازی کوچک (کوچک‌تر از ۱ میکرومتر) می‌شوند و به عنوان هسته‌ای برای رشد حباب‌های ریز (میکروحباب‌ها) در حین پدیده کاویتاسیون عمل می‌کنند. در سال ۱۹۹۴، نیروهای برد-بلند (long-range forces) میان سطوح در محیط آبی اندازه‌گیری شدند. در سال ۲۰۰۰، نانوحباب‌های سطحی با استفاده از میکروسکوپ اتمی (AFM) ثبت و مشاهده شدند. در سال ۲۰۰۳، گزارش شد که MNBها می‌توانند به عنوان عامل کنتراست در تصویربرداری فراصوت (اولتراسوند) عمل کنند. در سال ۲۰۰۶ مشخص شد که تأثیر سورفکتانت‌ها و نمک بر اندازه و شکل نانوحباب‌های سطحی ناچیز است. در سال ۲۰۰۸، کاربرد MNBها در فرآیند فلوتاسیون کفی (froth flotation) مورد مطالعه قرار گرفت. در سال ۲۰۱۰، تصویربرداری از MNBها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی برودتی (cryo-SEM) انجام شد. در سال ۲۰۱۴، چگالی جرمی نسبی MNB نسبت به حلال با استفاده از یک میکرو-رزوناتور محاسبه شد. در سال ۲۰۱۵، پژوهشگران با استفاده از ترکیبی همزمان از میکروسکوپ فلورسانس و روش‌های مختلف تصویربرداری، سطح گازی حباب‌های نانو (NBs) را به نمایش گذاشتند. در سال ۲۰۱۶، تصویربرداری از حباب‌های نانوی میکرومتری (MNBs) با استفاده از میکروسکوپ نوری انجام شد. در سال ۲۰۱۷، از حباب‌های نانو برای کمک به فرآیند شناورسازی جهت حذف آلاینده‌ها استفاده شد و در مطالعه‌ای دیگر، این حبابها به وسیله یک پمپ گریز از مرکز تولید شدند. در سال ۲۰۱۹، مشخص شد که در فرآیند شناورسازی کفی، حباب‌های نانو زمان القا (induction time) در برهم‌کنش حباب-ذره را کاهش می‌دهند.
کاربرد حباب‌های نانوی میکرومتری (MNB) در تصفیه آب
مطالعات نشان می‌دهند که حباب‌های نانویی میکرومتری در روش‌های تصفیه آب، هوادهی، گندزدایی و شناورسازی مفید واقع شده‌اند. بر اساس پژوهش‌ها، حوزه‌های اصلی کاربرد MNB در تصفیه آب عبارتند از: کاهش ابعاد ساختارهای سیستم، کاهش زمان و هزینه‌های عملیاتی تأسیسات تصفیه، و افزایش کارایی در حذف آلاینده‌های آب.
فرآیند هوادهی
هوادهی فرآیند وارد کردن یا نفوذ دادن اکسیژن به درون آب است. در تصفیه آب، هوادهی نقش مهمی در تأمین اکسیژن ایفا می‌کند؛ اکسیژن عنصری حیاتی برای واکنش‌های بیوشیمیایی بستر و حیات آبزیان محسوب می‌شود. مطالعات متعددی پیرامون تأثیر فرآیندهای هوادهی بر تصفیه فاضلاب، تصفیه بیولوژیکی آب و احیای آب‌های زیرزمینی انجام شده است. یکی از اهداف کلیدی بسیاری از این مطالعات، افزایش کارایی عواملی بوده است که بر سرعت انتقال جرم تأثیر می‌گذارند. در سیستم‌های هوازی متداول، اکسیژن محلول عاملی مهم در مقابله با چنین ناکارآمدی‌هایی به شمار می‌رود. در چنین سیستم‌هایی، میزان انتقال جرمی اکسیژن از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا بخش عمده‌ای از تجهیزات تماس از دیفیوزرها یا هواده‌های مکانیکی استفاده می‌کنند که مستلزم هزینه‌های سنگین نگهداری و مصرف انرژی الکتریکی هستند.
از این رو، مطالعات، بیشتر بر بهینه‌سازی حباب‌های متعارف و طراحی هواده‌ها به منظور بهبود عملکرد متمرکز شده‌اند.
با این حال، تحقیقات پیرامون بهره‌گیری از انتقال جرم بالای حبابها در مقیاس صنعتی هنوز به خوبی توسعه نیافته است. وبر و آگبلِوور (۲۰۰۵) ویژگی‌های نرخ انتقال جرم گاز-مایع را با استفاده از حباب‌های میکرو (MBs) برای هوادهی در راکتورهای مخزن‌هم‌زن‌دار (stirred-tank reactors) بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که هوادهی با حباب‌های میکرو برای بیوراکتورها مناسب‌تر است. آنها همچنین تأثیر هوادهی با حباب‌های میکرو را بر تخمیر قارچ *Trichoderma reesei* (یک قارچ رشته‌ای و مزوفیل) که به نرخ محدود انتقال جرم اکسیژن وابسته است، مطالعه کردند. این مطالعه نشان داد که به دلیل استفاده از هوادهی با حباب‌های میکرو، غلظت اکسیژن محلول نسبت به شرایط هوادهی معمول، بیشتر بوده است. علاوه بر این، غلظت توده سلولی در طول فاز رشد سریع، افزایش چشمگیری داشت؛ به طوری که در مقایسه با روش حباب‌دهی معمول، از ۰٫۱ به ۰٫۱۸ گرم بر لیتر رسید.
لیو و همکاران (۲۰۱۵) گزارش دادند که استفاده از حباب‌های نانو (NBs) در آب هوادهی‌شده، موجب بهبود جوانه‌زنی بذر در مقایسه با آب معمولی می‌شود. به همین ترتیب، پارک و کوراتا (۲۰۰۹) رشد کاهو (*Lactuca sativa*) را با استفاده از هوادهی با حباب‌های میکرو بررسی کردند و دریافتند که وزن خشک و تر کاهوهای پرورش‌یافته با هوادهی مناسب حباب‌های میکرو، به ترتیب ۱٫۷ و ۲٫۱ برابر بیشتر از کاهوهای پرورش‌یافته با هوادهی حباب‌های درشت (macrobubbles) بوده است. در این مطالعات، پژوهشگران این فرضیه را مطرح کردند که نرخ‌های بالاتر جوانه‌زنی و رشد، با سطح ویژه بالای حباب‌های میکرو-نانو (MNBs) و قابلیت بیشتر جذب یون‌های مثبت مرتبط است. افزون بر این، حباب‌های نانو-میکروی اکسیژن (oxygen MNBs) در مقایسه با حباب‌های میکرو-نانوی هوا، دارای ۱۲۶ برابر بازده انتقال جرم بیشتر و سه برابر اکسیژن محلول (DO) بیشتر هستند. افزایش انتقال جرم در فصل مشترک حباب، بازده انتقال اکسیژن را نیز افزایش داده و منجر به ماندگاری طولانی‌تر میکروحباب‌ها در آب می‌شود. در زمینه تصفیه فاضلاب با استفاده از میکرو-نانوحباب‌ها، تِمِسگِن (۲۰۱۷) مطالعه‌ای را پیرامون کاربرد نانوحباب‌ها برای تجزیه پسماندهای هوازی انجام داد. نتایج نشان داد که نرخ مصرف اکسیژن و نرخ انتقال حجمی در تأسیسات تصفیه مصنوعیِ هوادهی‌شده با نانوحباب، تقریباً دو برابرِ مقادیر مربوط به حباب‌های هوای معمولی بود. زمان تجزیه پسماندهای آلی در واحدهای هوادهی‌شده با نانوحباب، کمتر از نصفِ زمان مورد نیاز در سیستم‌های متداول بود. در نهایت، نرخ تجزیه و رشد در واحد هوادهی‌شده با نانوحباب نیز بسیار سریع‌تر از سیستم متداول گزارش شد. با توجه به چنین ویژگی‌هایی، نیاز بیشتری به انجام مطالعات تجربی در این زمینه احساس می‌شود.
فرآیند شناورسازی
شناورسازی (فلوتاسیون) یکی از فرآیندهای اصلی جداسازی در حوزه تصفیه آب است. مواد اصلی که باید طی فرآیند شناورسازی حذف شوند عبارتند از گرد و غبار، مواد شیمیایی، مواد آلی، یون‌های فلزی و روغن‌ها. کارایی فرآیند جداسازی ارتباط تنگاتنگی با اندازه حبابها دارد؛ برای مثال، Dockko و Han (2004) احتمال بهبود کارایی شناورسازی را عمدتاً از طریق تغییر ویژگی‌های حبابها (مانند اندازه سطح) و خواص ذرات بررسی کردند. در شناورسازی، معمولاً از حباب‌های نانو (NBs) و میکرو (MBs) برای حذف آلاینده‌ها از آب با کارایی بالاتر استفاده می‌شود. مطالعات تجربی متعدد بعدی، کارایی این روش را در زمینه جمع‌آوری اتصال حباب-ذره به اثبات رسانده‌اند سرعت شناورسازی وابستگی شدیدی به اندازه حبابها دارد، به‌طوری که با کاهش اندازه حباب از ۶۵۵ به ۷۵ میکرومتر، سرعت فرآیند ۱۰۰ برابر افزایش یافت.
علاوه بر این، Yoon (1993) نشان داد که کاهش اندازه حباب در شناورسازی، همبستگی شدیدی با افزایش احتمال برخورد ذرات ریز با حباب‌های کوچک دارد که در نتیجه منجر به افزایش کارایی جداسازی می‌شود. افزون بر اندازه ذرات و حباب‌های کوچک، بارهای سطحی نیز نقش مهمی در شناورسازی ایفا می‌کنند. انتظار می‌رود حباب‌های میکرو (MBs) با بار مثبت بتوانند جلبک‌ها را به‌طور مؤثری از آب جدا کنند؛ به‌طوری که نرخ حذف سلول‌ها به ۹۰ درصد و میزان کاهش کلروفیل به ۹۲ درصد برسد. در خصوص مواد آلی، یعنی کربن آلی محلول و مخلوط‌های آلفاتیک یا آروماتیک، حباب‌های میکرو (MBs) توانستند به نرخ حذف بیش از ۳۰ درصد دست یابند.
حباب‌های نانو (NBs) سطح ذرات شناور را گسترش داده و خاصیت آب‌گریزی ذرات سطحی را افزایش می‌دهند که این امر منجر به بهبود کارایی فرآیند شناورسازی می‌شود. مشخص شد که شناورسازی با حباب‌های نانو (که دارای بار منفی هستند)، فرآیندی مقرون‌به‌صرفه برای تصفیه مکانیکی و شیمیایی فاضلاب است. آزمایش‌های انجام‌شده با حباب‌های میکرو-نانو (MNBs) نشان‌دهنده افزایش ۴۰ درصدی در کارایی تصفیه فاضلاب و حذف حدود ۹۵ درصدی مواد زائد جامد و سیلیس بود. علاوه بر این، هزینه و عملکرد فناوری شناورسازی با استفاده از حباب‌های نانو در مقایسه با فرآیندهای معمول، به‌طور قابل‌توجهی مطلوب‌تر است.
فرآیند گندزدایی
اکسیداسیون آلاینده‌ها و گندزدایی عوامل بیماری‌زا با استفاده از ازن، روشی نویدبخش برای تصفیه فاضلاب است. مطالعات نشان می‌دهند که حباب‌های گازی ازن، به دلیل قدرت بالای گندزدایی، حتی با زمان تماس کوتاه و غلظت پایین نیز آب را به‌طور موثری تصفیه می‌کنند. اثربخشی این روش منجر به افزایش کاربرد آن برای مقابله با باکتری‌های اسپورساز مقاوم به مواد شیمیایی (مانند *کریپتوسپوریدیوم پارووم* و *باسیلوس سوبتیلیس*) شده است. علاوه بر این، استفاده از حباب‌های میکرو (MBs) کارایی این فرآیند را افزایش می‌دهد؛ چرا که سینتیک گندزدایی، نرخ کاهش سریع‌تری را برای باکتری *اشریشیا کلی* (کاهش ۹۹ درصدی) نشان می‌دهد و این امر با مخزن آب نسبتاً کوچک‌تر و مقدار ازن کمتری (برای تولید حباب‌های میکرو) نسبت به فرآیند معمول گندزدایی با ازن محقق می‌شود. حباب‌های میکرو و نانو، باکتری *باسیلوس سوبتیلیس* را از بین می‌برند. آزمایش‌های تکمیلی بر روی غیرفعال‌سازی باکتری‌ها نشان داد که نیروی ناشی از ترکیدن حباب‌های کوچک، تعیین‌کننده کارایی گندزدایی آب است.
نتایج آزمایش نشان داد که آزادسازی شدیدتر حباب‌های نانو، در مقایسه با روش‌های دیگر نظیر استفاده از ارتعاش‌های فراصوت (اولتراسونیک)، منجر به گندزدایی بهتری می‌شود.
علاوه بر این، فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOP) پتانسیل تبدیل اکثر ترکیبات آلی به دی‌اکسید کربن (CO2) را دارد؛ این امر یا از طریق واکنش مستقیم مولکول O3 (اُزون) و یا از طریق واکنش غیرمستقیم اکسیداسیون توسط رادیکال‌های هیدروکسیل (که خود ناشی از O3 هستند) محقق می‌شود. شایان ذکر است که سیستم‌های AOP مبتنی بر O3 که در آنها رادیکال‌هایی مانند رادیکال هیدروکسیل (OH) نقش غالب را ایفا می‌کنند، کارایی بالاتری در تصفیه آب نشان داده‌اند. در چنین ساختارهایی، رادیکال OH به دلیل داشتن پتانسیل اکسیداسیون بالاتر (۲.۸۰ ولت) در مقایسه با اکسیداسیون مستقیم (۲.۰۷ ولت)، واکنش‌پذیری بسیار زیادی نسبت به بسیاری از آلاینده‌های آلی دارد. با این حال، برای دستیابی به اثربخشی مطلوب در گندزدایی، سازوکارهای واکنش نیازمند بهبود هستند.
مطالعات پیشین نشان می‌دهند که فرآیند AOP مبتنی بر اُزون ارتباط تنگاتنگی با ویژگی‌های آب، از جمله قلیائیت، نوع مواد بیولوژیکی، pH و دما دارد.
برای نمونه، pH آب عاملی حیاتی در تجزیه O3 محسوب می‌شود. اگرچه حباب‌های میکرو (MBs) با افزایش میزان OH و O3 موجب بهبود کارایی گندزدایی می‌شوند، اما تاکنون پژوهشی در خصوص تولید محصولات جانبی در حین این فرآیند گندزدایی انجام نشده است. به همین ترتیب، در مورد حباب‌های نانو (NBs) نیز انجام پژوهش‌های بیشتر ضروری است. همچنین در خصوص تأثیر حباب‌های نانومقیاس (MNBs) بر کارایی مصرف ازن (O3)، و نیز بهینه‌سازی راکتور و اثر کاهش دما، به پژوهش‌های بیشتری نیاز است.
کاربرد حباب‌های میکرو-نانو (MNB) در بخش‌های مختلف در سال‌های اخیر، به دلیل ویژگی‌های نویدبخش حباب‌های میکرو-نانو (MNB)، کاربرد آنها به حوزه‌های گوناگونی همچون کشاورزی، پزشکی، صنعت، آبزی‌پروری و مصارف خانگی گسترش یافته است.
نتیجه‌گیری
فناوری MNB (حباب‌های نانو-میکرو) فناوری نویدبخشی است و کاربرد آن طی دهه گذشته به‌طور قابل‌توجهی در طیف وسیعی از بخش‌ها، از جمله انرژی، محیط‌زیست، صنعت، کشاورزی و آبزی‌پروری گسترش یافته است. این مقاله مروری عمدتاً به بررسی وضعیت موجود و پیشینه پژوهش‌ها پیرامون کاربرد MNB در حوزه‌های گوناگون تصفیه آب، نظیر فناوری شناورسازی، گندزدایی، هوادهی و اکسیداسیون پیشرفته می‌پردازد. به‌کارگیری فناوری MNB، به‌ویژه در بخش‌های کشاورزی و آبزی‌پروری، بسیار امیدبخش بوده و فرصت‌های فراوانی را به همراه دارد. اگرچه وضعیت کنونی پژوهش و کاربرد عملی آن به‌تدریج در حال پیشرفت چشمگیری است، اما روند توسعه آن روندی پایدار و پیوسته را طی می‌کند. برای نمونه، بخش عمده‌ای از متون علمی موجود درباره MNB بر کاربردهای مرتبط با آب در حوزه‌های اصلی و بنیادینی همچون کشاورزی و آبزی‌پروری متمرکز است؛ با این حال، گسترش دامنه این کاربردها به حوزه‌هایی نظیر علوم پزشکی نیز ضروری به نظر می‌رسد. بررسی متون علمی نشان‌دهنده وجود ابهاماتی در خصوص ویژگی‌های بنیادین این حبابها، از جمله پایداری حباب‌های نانو (NBs) در توده سیال (bulk) است که تاکنون به‌درستی تبیین نشده‌اند. تنها تعداد اندکی از مطالعات تجربی به موضوع پایداری و ماندگاری حباب‌های نانو پرداخته‌اند و در این زمینه اجماع قابل‌توجهی وجود ندارد. هنوز مشخص نشده است که آیا ویژگی‌هایی نظیر جداسازی و پایداری، از اصول علمی (مانند اصول کلاسیک ترمودینامیک) پیروی می‌کنند یا خیر. با وجود پیشرفت‌های حاصل‌شده و طرح فرضیه‌های متعدد برای توضیح پایداری بلندمدت حباب‌های نانو، هیچ‌یک از آنها قادر به توصیف دقیق این مشاهدات تجربی نیستند. در نهایت، این مطالعه بر ضرورت تحقیقات بیشتر در زمینه‌هایی همچون بهبود تکنیک‌های عملکردی، بررسی رشد و اندازه حبابها در شرایط گوناگون فیزیکی و شیمیایی، روش‌های تولید حباب و بهینه‌س