Electrodialysis Reversal

الکترودیالیز یک فرایند جداسازی غشایی است که در آن از اختلاف پتانسیل الکتریکی به‌عنوان نیروی محرکه برای انتقال یون‌ها استفاده می‌شود. این فرایند بعد از جنگ جهانی دوم در سال 1946 برای اولین بار مورد توجه قرار گرفت و از اوایل سال 1970 برای كاربرد در تصفیۀ آب و فاضلاب‌های صنعتی توسعه یافت. سامانه‌های الكترودیالیز، از فنون الكتروشیمی و سل‌های غشایی برای جداسازی یون‌ها از محلول‌های مختلف استفاده می‌كنند که در شکل زیر نمایی از این فرایند نشان داده شده است. این سامانه‌ها در صنایع برای كاربردهای ویژه به كار گرفته می‌شوند و هدف اصلی آن‌ها تولید آب آشامیدنی مطلوب یا آب بدون یون از منبع آب آشامیدنی حاوی مواد معدنی است. در این سامانه‌ها از غشاهای پلیمری حاوی رزین‌های تبادل یونی استفاده می‌شود. این رزین‌ها روی پارچه‌های پلیمری مانند پلی‌اتیلن پوشش داده شده‌اند. غشاهای کاتیونی نسبت به کاتیون‌ها تراوا هستند و آنیون‌ها فقط می‌توانند از غشاهای آنیونی عبور کنند. فضای بین دو غشای غیرهمنام سل نامیده می‌شود. غشاهای آنیونی و کاتیونی مورد استفاده در واحد الکترودیالیز با جداکننده‌های پلیمری از یکدیگر مجزا می‌شوند. طراحی و بهینه‌سازی فاصله غشاها، از پارامترهای بسیار مهم در طراحی واحد الکترودیالیز است. مهاجرت آنیون‌ها و کاتیون‌ها از میان غشاها با توجه به جنس غشا صورت می‌گیرد و جریان اصلی آب موازی با غشا و عمود بر جریان مهاجرت یون‌ها است. الکترودهای موجود در این سیستم به‌منظور افزایش بهره‌وری و کارکرد بهتر سیستم با ذرات نانو پوشانده شده‌اند.

اصول کلی فرآیند الکترودیالیز

اگر یک محلول یونی به درون این سلول‌ها پمپ شود و از سوی دیگر یک پتانسیل الکتریکی بین آند و کاتد برقرار گردد، کاتیون‌های دارای بار مثبت به سمت کاتد و آنیون‌های دارای بار منفی به سمت آند مهاجرت می‌کنند. کاتیون‌ها از درون غشاهای گزینش پذیر کاتیونی (دارای بار منفی) عبور می‌کنند، اما توسط غشاهای گزینش پذیر آنیونی (دارای بار مثبت) به دام می‌افتند. به همین صورت آنیون‌های دارای بار  منفی  از درون غشاهای گزینش پذیر آنیونی (دارای بار مثبت) عبور کرده و توسط غشاهای گزینش پذیر کاتیونی (دارای بار منفی) به دام می‌افتند. نتیجه نهایی افزایش غلظت یون درون قسمت‌ها به‌صورت یک ‌درمیان می‌باشد. این عمل تا زمانی که قسمت‌های دیگر بطور همزمان از یون‌ها کاهش پیدا کنند، ادامه می‌یابد.

نمایی از فرآیند الکترودیالیز

از آنجا که نیروی رانشی اصلی در سیستم‌های شیرین سازی الکترودیالیز جریان الکتریکی می باشد، قابل تصور است که تمامی ذراتی که در میدان الکتریکی از خود واکنش نشان بدهند قابلیت جداسازی را دارند. این مواد می‌توانند یون‌های تک ظرفیتی مانند NO3 و Cl   و یا یون‌های رسوب‌زا و سنگین تر همانند Mg و Ca و حتی فلزات سنگین باشند. تمامی این مواد که در طبیعت به حالت خنثی موجود می‌باشند در میدان الکتریکی تجزیه شده و به سمت الکترود ناهم‌نام خود حرکت می کنند.

برخلاف روش‌های سنتی که در آنها حذف آلودگی با مکانیزم انتقال از طریق کانال‌های ریز موجود در ساختار غشاء صورت می‌گیرد، در روش الکترودیالیز مکانیزم القاء یونی سبب انتقال آلودگی ها از یک جریان به جریان دیگر می‌شود. این مکانیزم برای جداسازی آلودگی از آب، در شرایطی که میزان آلودگی کم باشد (مانند آب های لب شور)، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نمایی از دیاگرام عملکردی EDR

روش الکترودیالیز معکوس (EDR) در اواخر قرن بیستم میلادی به وسیله یک شرکت آمریکایی بر اساس اصول مشابه واحد الکترودیالیز پایه‌ریزی و معرفی شد. در این روش به منظور جلوگیری از افت عملکرد غشاهای تبادل یونی موجود در سامانه الکترودیالیز، به منظور رفع مشکلات گرفتگی و رسوب، قطب های جریان الکتریکی متصل به سامانه الکترودیالیز پس از گذشت زمانی مشخصی از فرآیند به ‌صورت خودکار عوض می‌شود. هزینه‌ی پایین تعمیر و نگهداری به موجب سامانه بازیابی اتوماتیک و همچنین مصرف انرژی کمتر در قیاس با سایر روش‌های سنتی، الکترودیالیز را به یکی از روش‌های جذاب صنعت تصفیه آب و پساب تبدیل کرده است.

پیشرفتهای اخیر در فناوری EDR، موجب بهبود عملکرد، کاهش هزینه و طول عمر واحد شده است. استفاده از مکانیزم القاء یونی سبب می‌شود تا بر خلاف روش‌های فیلتراسیون، نیازی به مواد ضد رسوب (آنتی اسکالانت) در سامانه شیرین‌سازی نباشد. این ویژگی خود به مراتب سبب کاهش هزینه‌های عملیاتی سامانه الکترودیالیز نسبت به روش‌های فیلتراسیون می‌شود. سیستم EDR می‌تواند به منظور بازیابی پساب شور تغلیظ شده از سامانه‌های اسمزمعکوس (RO) نیز مورد استفاده قرار گیرد. مکانیزم القاء یونی موجود در الکترودیالیز علاوه بر کاهش مشکلات گرفتگی و به طبع آن کاهش هزینه‌های بالای مورد نیاز در بخش نگهداری (همانند مکانیزم اسمز معکوس)، درصد بالای بازیابی جریان را نیز به همراه دارد.

نمایی از دیاگرام فرایندی الکترودیالیز معکوس شونده

از مزایای روش الکترودیالیز معکوس می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• راندمان بالای بازیابی جریان (حدود 90% )
• طول عمر بالای غشاهای مورد استفاده (حدود 10 سال )
• مصرف انرژی پایین به ازای هر متر مکعب آب تولیدی (حدود 4/0 کیلووات ساعت)
• فرآیند شستشوی ساده و کاملا اتوماتیک
• عملکرد در شرایط محیط (فشار 1 بار و دمای 25 درجه سانتی‌گراد)
• قابلیت کنترل میزان شوری خروجی از سیستم
• عدم استفاده از مواد شیمیایی مکمل در طی فرآیند شیرین‌سازی
• هزینه‌های تعمیر و نگهداری بسیار کم در مقایسه با روش‌های سنتی مرسوم مانند اسمز معکوس

نمونه ای از الکترودیالیز معکوس شونده تولیدی شرکت PNF

انعقاد الکتریکی

انعقاد الکتریکی یک فرایند آب‌شناختی الکتروشیمیایی است که تجمع و رسوب‌گذاری آلاینده‌ها از طریق فرایند‌های الکتروشیمیایی را از آب حذف می‌کند. این روش معمولاً در پالایش و تصفیۀ آب و فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود.

چکیده‌ای از این فرایند به صورت زیر است:

 ۱. راه‌اندازی: انعقاد الکتریکی شامل یک سلول انعقاد الکتریکی است، که به‌طور معمول دو الکترود فلزی شامل آلومینیوم یا آهن دارد و در آب آلوده غرق می‌شوند. این الکترودها به یک منبع تغذیۀ الکتریکی وصل می‌شوند.

 ۲. الکترولیز: هنگامی که جریان الکتریکی اعمال می‌شود، یک الکترود به عنوان آند مثبت شارژ می‌شود، درحالی‌که الکترود دیگر، به‌عنوان کاتد منفی شارژ می‌گیرد. این امر منجر به تولید یون‌های فلزی از آند می‌شود.

 ۳. تولید یون فلزی: یون‌های فلزی تولیدشده در آند با آب و آلاینده‌ها در آب واکنش می‌دهند. این امر واکنش‌های شیمیایی مختلفی را آغاز می‌کند، از جمله تشکیل هیدروکسیدهای فلزی.

 ۴. انعقاد: هیدروکسیدهای فلزی تولیدی، به‌عنوان انعقادکننده عمل می‌کنند. آن‌ها شارژ الکتریکی ذرات معلق و آلاینده‌های محلول در آب را نیترال می‌کنند. به‌عبارت دیگر، این آلاینده‌ها شروع به گروه‌بندی و ایجاد فلاک‌های بزرگ‌تر می‌کنند.

به‌طور خلاصه فرایند انعقاد الکتریکی به انتقال الکترون‌ها از یک جسم به جسمی دیگر توسط تأثیر یک میدان الکتریکی اشاره دارد.

یون‌زدایی خازنی (CDI)

فرایند یون‌زدایی خازنی به عملیات تخلیۀ یون‌های موجود در یک خازن اشاره دارد. این فرایند به‌کمک یک منبع تغذیۀ خاص، معمولاً یک منبع ولتاژ، انجام می‌شود. مراحل کلی این فرایند به‌صورت زیر است:

1. اعمال ولتاژ: ابتدا ولتاژ مورد نیاز برای خازن اعمال می‌شود. این ولتاژ می‌تواند باعث ایجاد یون‌های مثبت و منفی در دو لایه مختلف خازن شود.
2. جابه‌جایی یون‌ها: ولتاژ اعمال‌شده باعث جابه‌جایی یون‌ها از یک لایه به لایۀ دیگر می‌شود. به‌عبارت دیگر، یون‌های مثبت به لایۀ منفی مهاجرت می‌کنند و بالعکس.
3. تخلیه: در انتها، وقتی ولتاژ از خازن برداشته می‌شود یا کاهش می‌یابد، یون‌ها به موقعیت‌های اولیه خود برمی‌گردند. این فرایند تخلیۀ خازن نامیده می‌شود. این فرایند معمولاً در محاسبات الکترونیکی و برخی دستگاه‌های تحقیقاتی برای ذخیره و تخلیۀ انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.

CDI یک فناوری شیرین‌سازی و تصفیۀ آب مناسب محیط‌زیست است زیرا به مواد شیمیایی مضر متکی نیست و می‌تواند از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین شود. این به‌ویژه برای پروژه‌هایی که در آن بهره‌وری انرژی و پایداری ضروری است، مناسب است.

یون‌زدایی الکتریکی (EDI)

یون‌زدایی الکتریکی (EDI) یک فرایند تصفیۀ آب است که با ترکیب رزین‌های تبادل یون با یک میدان الکتریکی، یون‌ها و آلاینده‌ها را از آب حذف می‌کند. این فرایند به‌طور گسترده در صنایعی مانند داروسازی، الکترونیک و تولید انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در زیر خلاصه‌ای از فرایند EDI آورده شده است:

1. رزین‌های تبادل یون: آب ابتدا از طریق تخته‌های رزین تبادل یون عبور می‌کند. این رزین‌ها شامل یون‌های مثبت و منفی هستند که یون‌ها و آلاینده‌ها را به خود جذب می‌کنند.
2. میدان الکتریکی: یک میدان الکتریکی با استفاده از الکترودها در رزین‌ها ایجاد می‌شود. این میدان الکتریکی به جذب یون‌ها از رزین‌ها کمک می‌کند و آن‌ها را به‌سمت آب جذب می‌کند.
3. مهاجرت یونی: یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) به‌سمت الکترود منفی (کاتد) مهاجرت می‌کنند، درحالی‌که یون‌های منفی (آنیون‌ها) به‌سمت الکترود مثبت (آند) حرکت می‌کنند.
4. یون‌زدایی: در حین مهاجرت یون‌ها، آن‌ها از آب جدا شده و در نزد الکترودهای مختصری جمع می‌شوند. این فرایند به‌صورت مداوم رزین‌های تبادل یون را بازیابی می‌کند.
5. جداکردن: یون‌های جداشده در الکترودها می‌توانند به‌طور دوره‌ای خروجی داده شوند، تا رزین‌های تبادل یون اثربخش بمانند.
6. آب خالص خروجی: آبی که باقی می‌ماند دارای کیفیت بالا و حاوی میزان کمی یون و آلاینده است.
7. فراآیند مداوم: EDI یک فرایند مداوم و بدون نیاز به مواد شیمیایی است، برخلاف تبادل یون سنتی که نیاز به بازیابی دوره‌ای با مواد شیمیایی دارد. آب تصفیه‌شدۀ نتیجۀ این فرایند دارای کیفیت بالایی است و با استانداردهای صنعتی سخت‌گیرانه تطابق دارد. EDI بی‌ضرر، کارآمد و اغلب به‌عنوان گام نهایی در تولید آب بسیار خالص به کار می‌رود.

اسمز معکوس(RO)

شرکت مهندسی پیام‌آوران نانوفناوری فردانگر با بهره‌گیری از دانش روز و متخصصان باتجربۀ خود آمادۀ ارائه کلیۀ خدمات فنی و مهندسی در زمینۀ اجرای تمامی پروژه‌های تصفیۀ آب صنعتی با استفاده از سیستم اسمز معکوس است. ما در پیام‌آوران در تمامی ظرفیت‌های مورد نیاز کارفرمایان، سیستم مناسب اسمز معکوس را طراحی، اجرا و بهره‌برداری می‌کنیم.

معرفی سیستم اسمز معکوس:

می‌دانیم که حدود ۷۰ درصد از کرۀ زمین را آب فرا گرفته است. اما آب شور و غیرقابل مصرف. با این حساب، می‌توان متوجه شد که اغلب کشورهای جهان با بحران کمبود آب آشامیدنی مواجه هستند. برای درک هدف و فرایند اسمز معکوس ابتدا باید فرایند طبیعی اسمز را درک کنید. اسمز پدیده‌ای طبیعی و یکی از مهم‌ترین فرایندها در طبیعت است. فرایندی که در آن یک محلول نمک ضعیف‌تر، تمایل به حرکت به‌سوی محلول نمکی قوی‌تر را دارد.

اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول با غلظت‌های متفاوت قرار گیرد، یک اختلاف پتانسیل شیمیایی در سرتاسر غشا به وجود می‌آید. بنابراین آب تمایل دارد تا از طرف غلظت کمتر و پتانسیل بالاتر، به‌طرف غلظت بیشتر و پتانسیل کمتر غشا انتشار یابد. این جریان تا زمانی ادامه می‌یابد تا به حالت تعادل برسد. یعنی بین اختلاف فشار و اختلاف پتانسیل شیمیایی تعادل برقرار شود. این تعادل اختلاف فشار را فشار اسمزی می‌نامند. فشار اسمزی به غلظت و خصوصیات جزء حل‌شده یا ناخالصی و دما بستگی دارد. اعمال فشار در جهت مخالف و بیش از فشار اسمزی موجب عبور آب از میان غشا در خلاف جهت اسمز خواهد شد. به‌عبارتی جریان از طرف غلیظ‌تر به طرف غلظت کمتر از میان غشا عبور می‌کند که این پدیده را اسمز معکوس می‌نامند. این روش براساس فرایند اسمز است. زیرا در فرایند اسمز، آب در برابر یک غشای نیمه‌تراوا از غلظت کمتر به غلظت بیشتر حرکت می‌کند. در روش شوری‌زدایی اسمز معکوس، به‌علت فشار ورودی به آب شور، آب از غلظت بیشتر به غلظت کمتر می‌رود و حرکت عمودی آب برخلاف شیب غلظت املاح و جهت طبیعی اسمز است.

درنتیجه، آب خالص از غشا عبور کرده و املاح در طرف دیگر غشا باقی می‌مانند.

اسمز معکوس یک روش تصفیۀ آب فیزیکی است که به‌منظور شیرین‌کردن آب‌های شور نیز از آن استفاده می‌شود. در این روش، از یک غشای نیمه‌تراوا استفاده شده و آب با غلظت بیشتر را که حاوی مواد آلاینده است با استفاده از یک پمپ فشار بالا از آن عبور می‌دهند. عبور آب با آلاینده‌های زیاد از غشای نیمه‌تراوا باعث می‌شود تا تنها مولکول‌های آب از غشا عبور کنند و املاح و آلاینده‌ها در سمت دیگر غشا باقی بمانند. با توجه به اینکه در تصفیۀ آب به‌روش اسمز معکوس، آب با غلظت بیشتر به‌سمت آب با غلظت کمتر حرکت می‌کند و عکس رفتار طبیعت است، لذا لازم است از پمپ فشار بالا برای تأمین فشار مورد نیاز فرایند استفاده کرد. اسمز معکوس با استفاده از یک پمپ فشار بالا برای افزایش فشار و پمپاژکردن آب به غشای نیمه‌تراوای اسمز معکوس کار می‌کند و تقریباً تمام (حدود 95٪ تا 99٪) نمک‌های محلول را به جریان ریجک یا جریان تغلیظ‌شونده وارد می‌کند.

مقدار فشار مورد نیاز به غلظت نمک آب خوراک بستگی دارد. هرچه آب خوراک غلیظ‌تر باشد، فشار بیشتری برای غلبه بر فشار اسمزی مورد نیاز است. به‌عبارت بسیار ساده، آب تغذیه به یک سیستم اسمز معکوس پمپ می‌شود و در نهایت دو نوع آب: آب تصفیه‌شده و آب تغلیظ‌شده از سیستم خارج می‌شود.

املاح قابل حذف از طریق اسمز معکوس

اسمز معکوس می‌تواند 95 تا 99 درصد نمک‌های محلول (یون‌ها)، ذرات، کلوئیدها و باکتری‌ها را از آب خوراک حذف کند. یک غشای RO آلاینده‌ها را بر اساس اندازه و بار آن‌ها دفع می‌کند. هر آلاینده‌ای که دارای وزن مولکولی بیشتر از 200 باشد از آب جدا می‌شود. به همین ترتیب، هرچه بار یونی آلاینده بیشتر باشد، احتمال بیشتری وجود دارد که قادر به عبور از غشای RO نباشد. یک سیستم RO گازهایی مانند دی‌اکسید کربن (CO2) را به‌خوبی حذف نمی‌کند، زیرا در حالت محلول بسیار یونیزه نیستند و وزن مولکولی بسیار کمی دارند. اسمز معکوس در تصفیۀ آب‌های لب‌شور، سطحی و زیرزمینی برای کاربردهای جریان بزرگ و کوچک بسیار مؤثر است. برخی از نمونه‌های صنعت‌هایی که از آب RO استفاده می‌کنند شامل داروسازی، آب خوراک دیگ بخار و صنایع غذایی می‌شود.

مزایای روش اسمز معکوس:

• در این فرایند به‌جز یون‌های شوری، سایر مواد موجود در آب مانند ذرات معلق، ویروس‌ها، مواد معدنی، مواد آلی و میکروب‌ها نیز از آب جدا می‌شوند.
• ویژگی برجستۀ روش اسمز معکوس، این است که هیچ تغییر فازی در آن وجود نداشته و مصرف انرژی نسبتاً پایینی دارد.
• اقتصادی‌بودن در هزینۀ خرید اولیه
• امکان کار مداوم بدون نیاز به توقف دوره‌ای
• بهره‌برداری آسان، کنترل کاملاً اتوماتیک
• میزان بازدهی متوسط در کل سیستم
• تولید آب با کیفیت مطابق استانداردها
• غشاهای اسمز معکوس می‌تواند برای نمک‌زدایی آب‌های لب‌شور، آب اقیانوس‌ها، نرم‌سازی، حذف مواد آلی طبیعی و حدف آلاینده‌های خاص مورد استفاده قرار گیرد.

جاذب‌های پایه نانو آهن

جاذب‌های پایه نانو آهن موادی هستند که به‌عنوان جاذب‌های نانوساختاری در برنامه‌ها و فرایندهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. این جاذب‌ها دارای خصوصیات منحصربه‌فردی هستند که به‌شرح زیر است:

1. اندازۀ نانو: جاذب‌های پایه نانو آهن دارای اندازۀ نانویی هستند که از تعاملات سطحی زیادی بهره می‌برند و ازاین‌رو به بهبود کارایی جذب و کاتالیزوری افزوده می‌شوند.
2. سطح بالا: این جاذب‌ها دارای سطح ویژۀ بالایی هستند که امکان تعاملات بیشتر با مواد مورد نظر را فراهم می‌کند.
3. توانایی کاتالیز: نانوذرات آهن در این جاذب‌ها می‌توانند به‌عنوان کاتالیزورهای مؤثر در فرایندهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند.
4. جذب آلاینده‌ها: این نانوذرات قادر به جذب مواد مضر و آلاینده‌ها از محیط هستند، که از اهمیت آن‌ها در تصفیۀ آب و هوا برای بهبود کیفیت محیط‌زیست بهره‌برداری می‌شود.
5. کاربردهای گسترده: جاذب‌های پایه نانو آهن در تصفیۀ آب، تصفیۀ هوا، صنعت نفت و گاز، داروسازی، و دامپزشکی به کار می‌روند.

به‌طور خلاصه، این مواد به‌دلیل خصوصیات نانوتکنولوژیکی خود، در مقابله با مسائل محیطی و صنعتی بسیار مفید هستند. جاذب‌های نانو، مواد پیشرفته‌ای هستند که پتانسیل بالایی برای مقابله با آلودگی و چالش‌های تصفیه در صنایع مختلف دارند. خواص منحصربه‌فردشان، آن‌ها را به ابزاری ارزشمند برای محیطی تمیزتر و سالم‌تر تبدیل می‌کند.

تلفیق کاویتاسیون و اوزوناسیون

تلفیق کاویتاسیون و اوزوناسیون دو روش مهم در شیمی هستند:

1. کاویتاسیون (Cavitation):
   – این فرایند، وقوع حباب‌های جوامع گازی در مایع را توصیف می‌کند. این حباب‌ها به‌دلیل فشار کاهشی در مایع تشکیل می‌شوند.

– وقتی فشار محیط به‌حدی پایین می‌رود که تشکیل حباب‌های گازی در مایع ممکن شود، این حباب‌ها به‌صورت ناگهانی ترک برخی مواد را ایجاد می‌کنند.

– کاویتاسیون می‌تواند به تخریب و شکستن مواد، بهبود فرایندهای شیمیایی و حتی پاک‌سازی آب از مواد آلوده کمک کند.

2. اوزوناسیون (Ozonation):

 – اوزوناسیون از گاز اوزون به‌عنوان عامل اکسیدانت برای پاک‌سازی و تصفیۀ آب و هوا استفاده می‌کند.

 – اوزون (O3) یک مولکول تشکیل‌شده از سه اتم اکسیژن است و بسیار بازتر از اکسیژن معمولی (O2) در واکنش‌های اکسیداسیون عمل می‌کند.

– در این فرایند، اوزون به آب یا هوا می‌افزاید و مواد آلوده را از بین می‌برد. این فرایند می‌تواند در تصفیۀ آب، پسماند و همچنین در پرسابینی واحدهای صنعتی استفاده شود.

 در برخی موارد، تلفیق کاویتاسیون و اوزوناسیون برای بهبود کارایی پاک‌سازی و تصفیۀ مواد آلوده در آب و فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود. در این تلفیق، کاویتاسیون حباب‌هایی از اوزون را در مایع تشکیل می‌دهد و این حباب‌ها افزایش میزان تماس بین اوزون و مواد آلوده را فراهم می‌کنند که منجر به بهبود کارایی تصفیه می‌شود.

کاویتاسیون هیدرودینامیکی

کاویتاسیون هیدرودینامیکی پدیده‌ای است که هنگامی که یک مایع با سرعت بالا از طریق یک مسیر تنگ عبور می‌کند وقوع می‌یابد و منجر به کاهش فشار می‌شود. این کاهش در فشار باعث شکل‌گیری و سپس فروپاشی حباب‌های کوچک پر از بخار در داخل مایع می‌شود.

مراحل این فرایند به‌شرح زیر است:

1. تنگ‌شدن: یک مایع از طریق یک مسیر تنگ، مانند لوله ونتوری یا سوراخ تنگ، عبور می‌کند. این تنگ‌شدگی باعث افزایش سرعت جریان مایع می‌شود.
2. کاهش فشار: هنگامی که مایع از تنگ‌شدگی عبور می‌کند، سرعت افزایش می‌یابد و به‌علت اصول برنولی، فشار کاهش می‌یابد. این کاهش در فشار برای آغاز کاویتاسیون اهمیت دارد.
3. شکل‌گیری حباب: کاهش فشار در مایع باعث ایجاد حباب‌های کوچک پر از بخار یا “حباب‌های کاویتاسیون” در داخل مایع می‌شود.
4. رشد و فروپاشی: حباب‌های کاویتاسیون به‌عنوان مایع از کاویتاسیون ادامه می‌یابند و هنگامی که به اندازه‌ای حیاتی برسند، به‌علت محیط با فشار بالاتر اطراف، به‌سرعت فروپاشی می‌کنند. این فروپاشی یک رویداد انفجاری است که امواج شوک و گرمای محیط محلی شدید ایجاد می‌کند.
5. تأثیرات: فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون می‌تواند اثرات مختلفی ایجاد کند، از جمله دماهای بالا، آشوب محیطی شدید و امواج شوک. این تأثیرات می‌توانند برای برخی کاربردها مانند پالایش فاضلاب، تشکیل امولسیون و افزایش واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند.

توجه به این نکته ضروری است که کاویتاسیون هیدرودینامیکی بسته به کاربرد، هم اثرات مفید و هم مضر دارد. درحالی‌که می‌تواند برای مخلوط‌کردن و تقویت فرایندهای شیمیایی خاص استفاده شود، به‌دلیل ماهیت خشونت‌آمیز ریزش حباب می‌تواند باعث فرسایش و آسیب به تجهیزات شود. مهندسی و کنترل مناسب برای بهینه‌سازی استفاده از آن ضروری است.

اولترافیلتراسیون

فرایند اولترافیلتراسیون یک روش جداسازی استفاده‌شده در صنایع مختلف از جمله تصفیۀ آب و بیوتکنولوژی است که به‌صورت اصل جداسازی براساس اندازه ذرات عمل می‌کند.

1. هدف: اولترافیلتراسیون برای جداسازی ذرات و مولکول‌ها براساس اندازۀ آن‌ها به کار می‌رود، به‌طوری که ذرات کوچک‌تر از یک میلی‌متر از طریق یک غشای نیمه‌نفوذپذیر عبور کنند و ذرات بزرگ‌تر نگه داشته شوند.
2. غشای نیمه‌نفوذپذیر: یکی از مؤلفه‌های حیاتی این فرایند، غشای نیمه‌نفوذپذیر است که دارای منافذ کوچکی است که تنها اجازۀ عبور ذرات با اندازۀ مشخصی را می‌دهد. اندازۀ منافذ براساس جداسازی مورد نیاز تنظیم می‌شود.

3. فشار: نیروی محرکی، معمولاً فشار هیدرولیکی، به مخلوط مایعی که نیاز به جداسازی دارد، اعمال می‌شود و مخلوط را به‌سمت غشا فشار می‌دهد.
4. جداسازی: فشار باعث می‌شود مولکول‌ها و ذرات کوچک‌تر (حلال و مواد جامد محلول) از طریق غشا عبور کنند، درحالی‌که ذرات بزرگ‌تر (پروتئین‌ها، کلوئیدها یا آلودگی‌ها) در یک سمت غشا نگه‌ داشته می‌شوند.
5. جریان خروجی و جریان ورودی: مولکول‌های کوچک‌تر را که از طریق غشا عبور می‌کنند، جریان خروجی یا “پرمیت” می‌نامند، درحالی‌که ذرات بزرگ‌تری که نگه داشته می‌شوند، جریان ورودی یا “رتنتیت” نامیده می‌شوند.
6. کاربردها: اولترافیلتراسیون در کاربردهای مختلفی مانند تصفیۀ آب با حذف آلودگی‌ها، ترکیب پروتئین‌ها و آنزیم‌ها در بیوتکنولوژی و پردازش آب‌های فاضلاب صنعتی استفاده می‌شود.
7. نگهداری: نگهداری دوره‌ای، از جمله تمیزکردن یا تعویض غشا، ضروری است تا کارایی سیستم اولترافیلتراسیون حفظ شود.

به‌طور خلاصه، اولترافیلتراسیون یک فرایند جداسازی براساس اندازۀ ذرات است که با استفاده از یک غشای نیمه‌تراوا و فشار، در صنایع مختلف استفاده می‌شود.