فن آوری های نوآورانه برای تولید نانوحباب

ساخت حباب های نانو

هنگام ساختن حباب، گازی را در مایع قرار می دهید. حباب از خانواده مایعات و یا بهتر است بگوییم مایعی در گاز است. یکی دیگر از اعضای خانواده حباب یا مایعات، ذره است. ذره یک شی جامد در گاز یا مایع است. مهم است که این سه اصطلاح را از یکدیگر متمایز کنیم. چند روش برای ساخت حباب وجود دارد، هیدرودینامیکی، صوتی، نوری و از طریق کاویتاسیون ذرات. مقرون به صرفه ترین و کارآمدترین روش برای ساخت حباب های فوق ریز، هیدرودینامیکی است. هیدرودینامیک شاخه ای از فیزیک است که به حرکت روی سیالات و نیروهای وارد بر اجسام جامد غوطه ور در سیالات و در حرکت نسبت به آنها می پردازد. ساده‌تر بگوییم ایجاد حباب به یک مایع متحرک نیاز دارید، یک گاز اضافه کنید و به گاز و مایع نیرو وارد کنید تا حباب‌ها ایجاد شوند. در زندگی روزمره وقتی یک قوطی آبجو یا یک بطری کک را باز می‌کنید، با تغییر فشار (نیرو) حباب‌ها ایجاد می‌شوند، این امر با چشم و صدا قابل مشاهده است.

سال 1982 اولین بار بود که مقاله ای در مورد نانوحباب ها منتشر شد و تا همین اواخر وجود نانوحباب ها به شدت مورد بحث بود، تبلیغات اخیر در فناوری حباب های بسیار ظریف یا فناوری نانوحباب ها ناشی از دو عامل است، اول اینکه در حال حاضر تجهیزاتی در بازار موجود است که می تواند اندازه و چگالی حباب های بسیار ریز را اندازه گیری کنید و اکنون اکثر دانشمندان بر وجود نانوحباب ها توافق دارند. دوم، مزیت بزرگ تجهیزات اندازه‌گیری این بود که سازندگان حباب‌های بسیار ریز اکنون می‌توانند مولدهای حباب بسیار ریز خود را توسعه داده و بهینه‌سازی کنند و کاربردهای بیشتری را توسعه دهند.

اساساً دو نوع فناوری تولید نانوحباب وجود دارد، ابتدا انواع مولدهای نانوحباب با گردش آب و گاز وجود دارد. دوم، فشار زدایی گاز-آب وجود دارد که اغلب به عنوان نوع انحلال تحت فشار ژنراتور نانوحباب نامیده می شود. اکثر واحدها بر اساس یک اصل یا اصل دیگر یا ترکیبی از هر دو هستند.

ما می توانیم روش های زیر تولید حباب های خوب را تشخیص دهیم. 4 روش اول با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است:

  1. انحلال تحت فشار
  2. جریان چرخشی
  3. میکسر استاتیک آشفته
  4. نازل اجکتور
  5. اولتراسونیک (ارتعاش مافوق صوت)
  6. نوسان ساز
  7. ونتوری
  8. تراکم تماس مستقیم بخار مخلوط

روش انحلال تحت فشار

این روش تولید حباب بسیار ریز بر اساس اصول قانون هنری است که غلظت گاز را به فشار جزئی مرتبط می کند. این بدان معنی است که گاز بیشتری را می توان در یک محلول با فشار بالاتر حل کرد. اصل مولد حباب بسیار ریز به شرح زیر است: از طریق یک سیستم ونتوری مایع و گاز با هم مخلوط می شوند، در مرحله بعد در جعبه اختلاط گاز از طریق فشار به آب ذوب می شود. در مرحله آخر از طریق یک نازل آب و گاز تخلیه می شود. به دلیل افت شدید فشار محلول گاز مایع فوق اشباع، گاز به صورت حباب های ریز و حباب های بسیار ریز در مایع خارج می شود. شکل روند را نشان می دهد.

  1.   مایع تحت فشار به داخل واحد پمپ می شود.
  2.   با باریک شدن اندازه لوله، سرعت جریان مایع ورودی افزایش می‌یابد که فشار پمپ را به فشار دینامیکی تبدیل می‌کند و در نتیجه فشار استاتیک و هوای مکش شده از طریق فشار منفی را کاهش می‌دهد.
  3.   پس از اشباع شدن مایع و گاز مکش شده با حباب، جریان مایع/گاز از طریق یک لوله عریض‌تر برای کاهش سرعت جریان فرستاده می‌شود، جایی که فشار دینامیکی دوباره به فشار استاتیکی تبدیل می‌شود و فرآیند انحلال تحت فشار گاز انجام می‌شود.
  4.   پس از حل شدن کامل گاز در مایع، مایع/گاز به یکباره با استفاده از فشار اتمسفر خارج می‌شود و باعث می‌شود که مایع بیش از حد اشباع شود و نانوحباب‌های بسیار ریز عظیمی آزاد شوند.

جریان چرخشی

جریان چرخشی اغلب روش چرخشی یا جریان مارپیچی نیز نامیده می شود. این مولد حباب ریز بر اساس اصل برنولی حباب تولید می کند. در دینامیک سیالات، اصل برنولی چنین است: افزایش سرعت سیال همزمان با کاهش فشار یا کاهش انرژی پتانسیل سیال اتفاق می افتد. این اصل به نام دانیل برنولی نامگذاری شده است که آن را در کتاب خود "هیدرودینامیک" در سال 1738 منتشر کرد. قرنها بعد، مولدهای حباب ریز بر اساس این اصل ساخته شدند. اولین محصول مبتنی بر این فناوری لوله گرداب Ranque-Hilsch در سال 1933 است. در اواسط دهه نود، اولین میکرو حباب های چرخشی در ژاپن اختراع شد.

اصل مولد حباب ریز به شرح زیر است: آب از سمت بالا در یک مخزن استوانه ای قرار می گیرد و به صورت مارپیچی به سمت پایین جریان می یابد. از پایین وسط سیلندر، گاز به داخل مکیده می شود. آب در حال چرخش به بالای سیلندر بریده می شود و حباب های ریز تولید می کند. با این حال، به طور کلی در صنعت حباب بسیار ریز پذیرفته شده است که غلظت حباب روش انحلال تحت فشار بیشتر از جریان چرخشی است.

مخلوط کن استاتیک توربولینت

میکسر استاتیک از مخلوط کردن دو مایع منشأ گرفته است، اولین ثبت اختراع برای میکسر استاتیک در سال 1965 ثبت شد. به جای مخلوط کردن دو مایع، امکان اختلاط مایع و گاز نیز وجود دارد. این فناوری بر اساس اصل ایجاد یک گرداب و وارد کردن یک گاز به داخل گرداب پایه گذاری شده سات. به دلیل جریان آشفته؛ گاز گرداب را می شکند و برخورد بین آب و گاز باعث ایجاد نانوحباب می شود. مزایای میکسرهای استاتیک این است که طراحی نسبتاً ساده ای دارند و می توانند حجم زیادی از آب را به طور همزمان با انرژی نسبی کمی در مقایسه با بسیاری از دیگر ژنراتورهای نانوحباب فوق تصفیه کنند. در نهایت، آنها به گرفتگی حساس نیستند. تکنولوژی آکنیتی توربیتی ترکیبی از مخلوط کن استاتیک توربولینت و نازل اجکتور است.

Ejector Nozzle اجکتور نازل

در نوع مولد نانوحباب اجکتور نازل ، کانال های جریان مایع در ژنراتور استوانه ای به گونه ای طراحی شده اند که منقبض شده و به صورت مرحله ای بزرگ شوند. گاز در کمترین نقطه فشار تحت فشار منفی وارد می شود و توسط کاویتاسیون به تعدادی نانوحباب کاهش می یابد. در این دستگاه جریان آب به شدت متلاطم است و گاز با کاویتاسیون به نانوحباب تبدیل می شود. اجکتور نازل ها ارتباط نزدیکی با ژنراتورهای کاویتاسیون هیدرودینامیکی دارند، با این روش کاویتاسیون توسط جریان مایع از طریق یک هندسه ساده در شرایط کنترل شده ایجاد می شود. در این مولد نانوحباب، هنگامی که فشار به زیر فشار بخار مایع می‌رسد، مایع فلاش (چشمک) می‌زند و تعدادی حفره ایجاد می‌کند. حفره ها با بازیابی فشار فرو می ریزند. فروپاشی حباب های کاویتاسیون باعث شروع برخی از اثرات فیزیکوشیمیایی مانند امواج ضربه ای، نیروهای برشی و واکنش های شیمیایی می شود. گاهی اوقات رادیکال های آزاد توسط این فرآیندها تولید می شوند.

چرخش آسیاب چکشی

مفهوم چرخش آسیاب چکشی در مقایسه با سایر تکنیک های تولید نانوحباب یک مفهوم منحصر به فرد است، زیرا از پمپ برای تولید نانوحباب استفاده نمی کند. در عوض، از یک موتور با چکش های نصب شده روی شفت استفاده می کند. موتور با سرعت 3400 دور در دقیقه در یک لوله می چرخد. لوله از بالا با آب پر می شود و تزریق گاز نیز از بالا است. چکش های روی شفت گاز را حل کرده و گاز را به صورت نانوحباب در پایین واحد خرد می کند و نانوحباب ها خارج می شوند. مفهوم چرخش چکش کم مصروف ترین راه برای تولید نانوحباب است، زیرا مقادیر زیادی آب را حرکت نمی دهد و نیازی به فشار زیاد ندارد، اما از تمام انرژی خود برای خرد کردن گاز استفاده می کند. مجموعه ژنراتورهای نانوحباب چرخشی آسیاب چکشی را مولد نانوحباب میکرو استار می نامند. این دستگاه برای گاز ازن و برای استفاده در محیط های آب دریا مناسب است.