بخشی از مقاله
چکیده
روشهاي رایج حذف انواع آلودگی داراي معایب بسیاري براي سلامتی انسان و محیط می باشند. میتوان با جایگزین کردن این روشها با روشهایی نوین همچون اولتراسونیک - فراصوت - به حفظ محیط زیست و سلامت انسانها کمک کرد. از مزایاي این روش نسبت به سایر روشها می توان به حذف و کاهش مواد معلق، حذف جلبک ها، تبدیل مواد سخت و تجزیه ناپذیر به مواد ساده و تجزیه پذیر، عدم تولید آلودگی ثانویه و ... اشاره کرد.
اولتراسونیک با نرخ فرکانس پایین باعث به وجود آمدن پدیده کاویتاسیون می شود که اثرات مکانیکی قوي دارد. از مزایاي این پدیده می توان به تخریب حبابهاي موجود در سلول جلبکها که باعث ته نشینی آن می گردد و یا تبدیل ذرات معلق و درشت به ذرات ریزتر که در انتها به تجزیه بیولوژیکی بهتر منجر می شود، اشاره کرد و با این روش می توانیم به کمک باکتريها آمده تا مواد آلوده و پسماندها به صورت طبیعی تجزیه گردند.
مقدمه
آب یک ماده لازم براي ادامه زندگی انسان می باشد. آب باید داراي استانداردهاي خاصی باشد؛ بنابراین آب و فاضلاب براي رسیدن به این استانداردها باید تصفیه و پاك سازي شوند. این عمل تصفیه در طول سه فرآیند فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی حاصل می شود که هر فرآیند خود فرآیندهاي کوچکتري را شامل می شود. این فرآیندهاي نام برده در بعضی موارد یک سري آلایندههاي ثانویه را تولید می کنند. فناوري جدیدي براي بهبود تصفیه آب و فاضلاب و حل آلودگیهاي ثانویه مورد استفاده قرار گرفته که اولتراسونیک نام دارد.[1]
محدوده شنوایی انسان20 Hz تا 20kHz و محدوده مگاصوت بالاتر از 600 kHz می باشد . امواج اولتراسونیک در بین این دو محدوده می باشد، یعنی بالاتر از محدوده شنوایی انسان و پایین تر از محدوده مگاصوت است. پس محدوده اولتراسونیک بین 20 kHz تا 600kHz می باشد.[1] تئوري صدا این مورد را بیان می کند که تقریبا تعداد زیادي از دستگاههاي اولتراسونیک جدید به مبدلهایی تشکیل شده از مواد پیزوالکتریک نیازمند هستند و کاربرد آن بدین صورت است که کریستال - شیشه - انرژي الکتریکی را در پتانسیل متناوب به انرژي صوتی در فرکانسهاي بالا تبدیل می کند.[2]
امواج اولتراسونیک مزایاي فراوانی دارند که می توان کاربرد و کاربري آسان، افزایش تولید بیوگاز، عدم تولید آلاینده ثانویه، حذف و کاهش مواد معلق، حذف جلبک ها، تبدیل مواد سخت تجزیه ناپذیر به مواد ساده تر تجزیه پذیر و ... را نام برد. هم چنین این امواج فرآیندهاي شیمیایی و بیولوژیکی را در تصفیه آب و فاضلاب سرعت می بخشند.[2]
شکل گیري، رشد و فروپاشی حبابها که در یک مایع و در مدت زمان کم - میلی ثانیه - صورت می گیرد، کاویتاسیون نام دارد.کاویتاسیون آکوستیک - صوتی - ، کاویتاسیونی است که با امواج اولتراسونیک مرتبط است و توسط آنها به وجود می آید.[1] فروپاشی حبابها ، تولید حرارت تا 5000 c° و فشار تا حداکثر 2000 atm را در پی دارد که در شکل - 1 - نشان داده شده است.[3] این میزان حرارت و فشار، رادیکالهاي هیدروکسیل - OH ° - و هیدروژن - H ° - را به وجود می آورد که اکسیداسیون مواد و ترکیبات آلی حل شده در آب حاصل نفوذ این رادیکال ها در آّب است.[1]
.1 حذف آلودگیها
1.1 حذف کردن جلبک:
جلبکها داراي تنوع زیادي هستند که در این بین میتوان به موجودات ساده تک سلولی و چند سلولی و حتیگونهاي با نام کلپسکه طول آن به 65 m نیز می رسد، اشاره کرد. این گروه از موجودات را جدا از گیاهان دسته بندي میکنند و به عنوان ارگانیسمهاي آبزي شناخته میشوند. رشد جلبکها به یک مشکل حاد براي محیط زیست تبدیل شده است و 2 عامل نور و درجه حرارت بر رشد بی اندازه جلبکها تاثیر به سزایی دارند و باعث ایجاد مشکلاتی نظیر تغییر بو در آب و گرفتگی و مسدود شدن فیلترها می شوند.
آنها حتی باعث به خطر افتادن زندگی آبزیان در دریاها و سایر منابع آبی نیز شده اند. اما تاکنون براي جلوگیري از رشد بی رویه جلبکها راه حلهایی یافته اند که در این بین می توان به شناورسازي هوا محلول، اکسیداسیون پیشرفته، انعقاد توسط سولفات مس و پر منگنات پتاسیم، پیش اکسیداسیون با کلر و... اشاره کرد. اما علی رغم وجود روش هاي گوناگون هیچ کدام از آنها کارایی لازم را ندارند و موفقیت چشم گیري در حذف جلبکها نداشته اند.[1]
اما با استفاده از روش اولتراسونیک و استفاده ترکیبی آن با روش انعقاد می توان به نتایج قابل توجه اي دست یافت. انعقاد یکیاز اصلیترین روشها در حذف جلبک بوده اما به دلیلاین مقادیر بالاي منعقد کننده نیاز است این روش رضایت بخش نیست. با استفاده کردن از تابش اولتراسونیک به مدت 5s در حالی که مقدار ماده منعقدکننده 0/4 mg/L ، 0/8 بوده حذف جلبک تا بیش از 20% نیز افزایش می یابد.
امواج اولتراسونیک باعث به وجود آمدن پدیده کاویتاسیون صوتی در آب می گردند که نقش این پدیده در حذف جلبکها بسیار موثر است، زیرا با تخریب کردن حبابهاي گاز درون سلول جلبک میزان معلق بودن سلول را کاهش و سرعت رسوب و ته نشینی جلبکها را افزایش می دهد و همین طور فتوسنتز را مهار می کند. در نتیجه سلولهاي جلبک توانایی شناور بودن خود را از دست می دهند و ته نشین می گردند.توسط مشاهدات میکروسکوپی تایید شده می توان به درستی این فرضیه پی برد - شکل.[4] - 2
همان گونه که مشاهده می شود در شکل - الف - جلبکها به صورت انباشته روي هم می باشند . بعد از عملیات سونیکیشن تجمع آنها بسیار کمتر شده است و از یکدیگر جدا شده اند. مدت زمان سونیکیشن از عوامل بسیار مهمی می باشد که کارآیی تصفیه را مشخص می کند. در شکل - 3 - می توان به وضوح مشاهده نمود که ایده آلترین مدت زمان براي سونیکیشن 1 s و 5 s همراه با 2 مقدار متفاوت از ماده منعقد کننده می باشد.
زمانی که مقدار PAC= 0/1 mg/L بوده است و نمونه را تحت تابش اولتراسونیک به مدت 1 s تا 5 s قرار می دهند، میزان درصد حذف جلبک از 83% به 97% افزایش یافته و اگر تحت 10 s تابش قرار گیرد، راندمان حذف به % 95 خواهد رسید. اما همانطور که مشاهده می شود سونیکیشن در مدت زمان بالاتراز 30 s ثمربخش نبوده است و تاثیري بر روي حذف جلبک نداشته است.[4]
اما براي مقدار PAC=0/4 mg/L نیز می توان نتایج مشابه را انتظار داشت و مدت زمان 1 s و 5 s بالاترین راندمان حذف جلبک را مانند حالت قبل دارند. اما دلیل این که چرا مدت زمان بالاتر از این میزان راندمان حذف را کاهش می دهد و تاثیر مثبتی ندارد را می توان تخریب سازه جلبک که باعث کاهش یافتن رسوب سلول جلبک می گردد، دانست.[4]
