استفاده از امواج صوتی در تصفیه آب

شبکه فناوری های آب (شفا)

امروزه امواج صوتی در تصفیه آب از قبیل فیلتراسیون غشایی، کاهش کدورت و مواد جامد معلق، حذف جلبک‌ها، ضدعفونی، سختی‌گیری آب و حذف سایر آلاینده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. دانشنامه آب شفا در این مقاله، به دلیل اهمیت استفاده از امواج صوتی در تصفیه آب و فاضلاب ، به بررسی کاربردهای مختلف امواج صوتی در تصفیه آب می‌پردازد.

اهمیت تصفیه آب

تمام آب‌های موجود در زمین برای آشامیدن مناسب نیست و برای دستیابی به کیفیت استاندارد باید آن‌ها را تصفیه کرد.

روش‌های عمومی تصفیه آب آشامیدنی شامل چند مرحله حدف یا کاهش آلاینده‌های جامد و میکروبی معلق حل شده است.

فرایند اصلی تصفیه آب شامل لخته‌سازی، رسوب‌گذاری و تصفیه برای از بین بردن مواد جامد کلوئیدی و معلق، تبادل یونی، جذب کربن و فرآیندهای غشایی برای از بین بردن مواد جامد محلول است. مرحله نهایی تصفیه، ضدعفونی برای غیرفعال‌سازی میکروبی اغلب با استفاده از کلرزنی، ازن زنی و اشعه ماوراء بنفش (UV) انجام می‌شود.

هر فرآیند تصفیه آب آشامیدنی دارای برخی از محدودیت‌ها از جمله هزینه‌های بالا، بی اثر بودن بر حذف برخی آلاینده‌ها، مشکلات عملیاتی و تولید آلاینده‌های ثانویه سمی است.

یکی از فناوری‌های جدید برای بهبود فرآیند تصفیه آب، استفاده از امواج فراصوت (US) با فرکانس 20000 هرتز یا بالاتر با نام “فراصوت” است.

فرآیند تصفیه آب با فراصوت سازگار با محیط زیست است. پارامترهای مختلف شدت، فرکانس و زمان تابش بر بهره‌وری روش فراصوت تاثیر می‌گذارد. بنابراین برای مقرون به صرفه بودن، لازم است شدت، فرکانس و زمان تابش بهینه را بدست آورد.

فراصوت چیست؟

فراصوت امواج طولی با فرکانس بالای 20 کیلوهرتز است. این فرکانس بالاتر از محدوده صوت (20 هرتز تا 20 کیلوهرتز) قابل شنیدن توسط انسان و در زیر منطقه مگا صوت (> 600 کیلوهرتز) است.

امواج فراصوت با لرزش مولکول‌ها در محیطی که موج در آن پخش می‌شود، انتقال می‌یابد.

استفاده از فراصوت جایگزین روش‌های غشایی برای تصفیه آب

امروزه فناوری‌های غشایی به دلیل ظرفیت بالای دفع و توانایی در رسیدن به آبی با کیفیت بالا، به عنوان یک فرآیند مناسب برای جداسازی مواد جامد از مایع پذیرفته شده‌اند.

متداول‌ترین فرآیندهای غشایی عبارتند از: میکروفیلتراسیون، نانو فیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، الکترودیالیز و اسمز معکوس.

برخی از مزایای فناوری‌های غشایی شامل اتوماتیک‌سازی آسان، از بین بردن عوامل بیماری‌زا، نیاز به مواد منعقدکننده و ضدعفونی‌کننده‌های کمتر، ساده‌ بودن و امکان تولید آب آشامیدنی با کیفیت بالا است.

مهم‌ترین مشکل فیلترهای غشایی با وجود مزایای فراوان، رسوب غشایی است.

رسوب غشایی فرآیندی است که در آن املاح یا ذرات مانند مواد آلی طبیعی، سیلیس، اکسیدهای آهن، کلسیت و رس‌ها روی سطوح غشایی یا در منافذ غشایی رسوب می‌کنند به گونه‌ای که عملکرد غشاء را دچار مشکل می‌کنند.

تحقیقات مختلف در مورد استفاده از فراصوت در فرآیند تصفیه انجام شده است. فناوری امواج آکوستیک کلید جذب و جداسازی آلاینده‌ها از آب بدون فیلتر یا مواد شیمیایی است.

FloDesign Sonics یک شرکت آمریکایی است که فناوری جداسازی آلاینده از آب را بر مبنای موج آکوستیک توسعه داده است.

اساس سیستم FloDesign Sonics روشی به نام آکوستوفورز است که در آن می‌توان قطرات یا ذرات درون یک مایع را با یک الگوی خاص موج آکوستیک دستکاری کرد. این سیستم از الگویی از امواج مافوق صوت در محدوده مگا هرتز استفاده می‌کند که نیروهای صوتی اعمال می‌کنند که مواد پراکنده شده در مایع را به خوشه‌ها متصل می‌کنند.

بسته به چگالی نسبی آن‌ها نسبت به مایع، خوشه‌های بزرگ‌تر در پایین قرار می‌گیرند یا به سطح می‌آیند که می‌توانند به راحتی از هم جدا شوند.

این فناوری با هدف پاکسازی آب تولید شده هنگام استخراج نفت و گاز از زمین انجام می‌شود.

آب تولید شده حاوی هیدروکربن‌ها، نمک، باکتری‌ها، مواد رادیواکتیو و سایر ترکیبات و افزودنی‌های شیمیایی است که برای سهولت استخراج مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این فناوری، ذرات، قطرات روغن، ماسه و باکتری‌ها با اندازه یک میکرون جدا می‌کند و در مقایسه با روش‌های فعلی، انرژی و مصرف شیمیایی را تا 75 درصد کاهش می‌دهد.

استفاده از فراصوت برای از بین بردن جلبک‌ها

رشد جلبک‌ها مشکل شایع کارخانه‌های تصفیه آب و مخزن آب است. جلبک‌ها موجودات آبزی است که گروه بزرگ و متنوعی از ارگانیسم‌های ساده است که شامل اشکال تک سلولی تا چند سلولی غول پیکر به طول 65 متر است. عوامل اصلی موثر بر رشد جلبک‌ها دما و نور است. وجود جلبک‌ها باعث بروز افزایش نیاز به منعقدکننده‌ها و تصفیه، مشکل طعم و بو، مسدود شدن فیلتر و ترشح سموم می‌شود.

راهکارهای مختلفی برای کنترل و حذف جلبک‌ها از آب، از جمله  شناورکردن، پوشش حوضچه‌ها و فیلترها، فرآیندهای اکسیداسیون، ازن‌زنی، انعقاد/ لخته شدن توسط سولفات مس و پرمنگنات پتاسیم، حباب، شفاف‌سازی لجن، هوادهی، پیش اکسیداسیون با استفاده از کلر، اوزوفلوتاسیون، فرآیندهای کاتالیزوری وجود دارد.

بهترین روش برای کنترل جلبک‌ها و تجهیزات مکانیکی مستعد به رشد جلبک، تمیز کردن حوضه‌ها، کلرزنی به منظور ضدعفونی، استفاده از شوک برای تصفیه جلبک‌های موجود در محل در مخازن است. یک روش جدید برای رشد جلبک‌ها، پرتودرمانی فراصوت است. فراصوت می‌تواند جلبک‌ها را توسط پدیده‌های کاویتاسیون از بین ببرد.

استفاده از فراصوت در فرآیند ضدعفونی آب

فرآیند ضدعفونی آب برای از بین بردن میکروارگانیسم‌ها با روش‌های مختلفی از جمله استفاده از ماوراء بنفش و مواد شیمیایی مانند کلر، هیپوکلریت، کلرامین، دی اکسید کلر، برم و ازن انجام می‌شود.

در صنعت تصفیه آب، فناوری‌های سازگارتر با محیط زیست توسعه یافته تا به کاهش مواد شیمیایی در پساب کمک کند و از DBPS محصول مانند Trihalomethanes و اسید هالوستیک جلوگیری کند.

بنابراین استفاده از روش فراصوت برای فرآیند ضدعفونی به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. تابش فراصوت میکروارگانیسم را با مکانیسم‌های مختلفی که مبتنی بر حفره‌های صوتی است، غیر فعال می‌کند.

مکانیسم اول حمله شیمیایی رادیکال‌های هیدروکسیل توسط فراصوت است. مکانیسم دوم فشار و درجه حرارت بالا ناشی از فروپاشی حباب که باعث مرگ سلولی می‌شود و نیروهای برشی که به سلول‌های باکتری آسیب می‌رساند. همچنین، در حالی که غشای سلولی به دلیل تابش فراصوت دچار پارگی شده است، اکسیدان‌های شیمیایی می‌توانند درون سلول پراکنده شده و ساختارهای میکروارگانیسم را از بین ببرند.

روش فراصوت در فرآیندهای مختلف ضدعفونی، به عنوان پیش تصفیه یا ترکیب با سایر روش‌های ضدعفونی مانند UV، کلر، ازن برای ضدعفونی آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استفاده از فراصوت در سختی‌گیری آب

سختی آب با وجود کاتیون‌های دو ظرفیتی و سه ظرفیتی مانند کلسیم (⁺Ca²)، منیزیم (Mg²) و آلومینیوم (Al²⁺، ⁺Al³) و آهن (Fe²⁺، ⁺Fe³) به وجود می‌آید که در بین این کاتیون‌ها، ⁺Ca² و ⁺Mg² عوامل اصلی سختی است. سختی آب باعث بروز مشکلاتی از قبیل تشکیل رسوب در لوله‌ها و برج خنک‌کننده، تشکیل فوم سخت و گرفتگی غشاء می‌شود.

آب سخت می‌تواند به سرعت و به طور موثر با یک سیستم مافوق صوت بدون استفاده از مواد شیمیایی، نمک یا فیلتر برای مقابله با سنگ آهک سختی‌گیری شود.

سیستم Oasis بر مبنای فناوری اولتراسونیک، سازگار با محیط زیست و با قابلیت نصب آسان، از شرکت انگلیسی Waterite، برای مصارف صنعتی، تجاری و خانگی مناسب است. کلسیم را از لوله‌های آب خارج می‌کند و مانع از ایجاد سنگ آهک‌های مضر و از بین بردن هرگونه رسوب شده و بوهایی مانند کلر و گوگرد را کاهش می‌دهد.

اساس کار آن‌ها، انتقال امواج رادیویی اولتراسونیک در سراسر سیستم آب است که باعث کاویتاسیون آکوستیک شده و از اتصال ذرات کلسیم به سطوح و اتصالات لوله جلوگیری و باعث پراکنده شدن هرگونه رسوب کلسیم موجود در پودر می‌شود. بو، کلر، فلوراید و گوگرد، سولفات‌ها و تغییر رنگ آهن نیز توسط این سیستم کاهش یافته یا از بین می‌رود.

شبکه عرضه و تقاضای فناوری حوزه آب (شفا) ، سعی دارد تا با ایجاد یک فضای فناورانه، آشنایی و بررسی استفاده از فراصوت برای تصفیه و ضدعفونی آب، مسیر توسعه را در راستای بهبود و ارتقا کیفیت آب و زندگی، هموار کند.