Активация воды акустическими колебаниями

11. Активация воды акустическими колебаниями

Площадь излучательной пластинки 1 (рис. 1.49) волновода 2-5см² (диаметр пластинки – 2,5 см). При воздействии УЗ небольшой мощностью на воду или водные растворы в присутствии воздуха образуются Н₂О₂ и HNO₂, причем это сопровождается понижением рН среды. Возникновение кавитационных явлений в клетке человека возможно с интенсивности около 0,5-1,0 Вт/см², при этом генерируются радикалы ОН, НО₂, N и продукты их рекомбинации. УЗ ускоряет некоторые окислительные процессы, повышает проницаемость клеточных мембран, диффузию, способствует высвобождению ферментов и биологически активных веществ [45-54]. Вода, обработанная УЗ, меньше отлагается в организме в виде нерастворимых солей. Применение УЗ рационально при экстрагировании и эмульгировании лекарственных веществ.

Радикалы и ионы являются достаточно устойчивыми частицами, и при отсутствии в системе веществ, способных с ними реагировать, могут существовать весьма долго. В результате вторичных реакций после схлопывания кавитационных пузырьков в озвучиваемой раствор переходят радикалы Н, ОН, а в присутствии кислорода - НО₂ и ОН, продукты их рекомбинации Н₂ и Н₂О₂ и возбужденные метастабильные молекулы Н₂О, распадающиеся, в свою очередь, на Н и ОН. При озвучивании воды в присутствии О₂ в кавитационной полости образуется небольшое количество озона, а присутствие СО или небольших количеств СО₂ приводит к образованию формальдегида. Например, при воздействии на 50 мл воды в течение 20 мин акустическими колебаниями с частотой 400 кГц интенсивностью 2,5 Вт/см² в сосуде диаметром 3,2см в атмосфере кислорода, концентрация образующегося Н₂О₂ достигает 72 мк моль/л [43,44]. Кинетика звукохимических реакций может осложняться возникновением пост-эффектов в результате воздействия ультразвуковых волн, причем в системе продолжаются в течение многих суток после сонолиза медленные окислительно-восстановительные реакции с участием органических пероксидных соединений. Сонолиз воды в атмосфере содержащей азот (воздух) приводит к образованию пероксида водорода, водорода, азотистой и азотной кислот, а при наличии в воде органических примесей, например, карбоновых кислот, появляются аминокислоты.

Применение УЗ обработки водных растворов и других жидкостей в режиме кавитации имеет значительные перспективы. Например, способ приготовления диспергированных в воде липосом (заявка 141082 Дании, A61К 9/50, В01D 13/02, опубл. 14.01.1980), содержащих биологически активные вещества, осуществляется посредством ультразвука в присутствии более одного соединения формулы XY (X — гидрофильная полярная группа, например, фосфата, сульфита, амина, окси или холиногруппа; Y — гидрофильная неполярная группа, остаток насыщенного или ненасыщенного углеводорода, возможно замещенного ароматической или циклоалифатической группой). Диспергирование проводят вибрацией водного раствора или масла. Например, можно использовать касторовое масло – 90 % рицинолевой кислоты, глицериды олеиновой, линоленовой и стеариновой кислот. При диспергировании необходимо учитывать взаимную растворимость веществ, например, масла (подсолнечное) смешиваются с бензином, но не смешиваются с этанолом (кроме касторового) и водой; глицерин — растворяет KI, ZnSO₄, Na₂CO, ацетилсалициловую кислоту, смешивается с водой и этанолом во всех отношениях, нерастворим в жирных маслах. Для получения эффекта обеззараживания воды необходимая интенсивность ультразвука — 2 Вт/см² при f = 46 кГц. Действие ультразвука на бактерии интенсифицируется в жидкостях, содержащих газы (озон).

В способе экстракции из твердого растительного сырья (пат. 2104733 России, В01D 11/02, B01J 19/10, опубл. 1996), включающем предварительное измельчение растительного сырья с последующим воздействием УЗ с частотой 22 кГц в растворе этанола, для повышения эффективности процесса используют УЗ с интенсивностью воздействия 1-70 Вт/см² в течение 60-420 с, а для УЗ излучателя используют коническую насадку.

При воздействии ультразвука даже небольшой мощности на воду или водные растворы в присутствии воздуха образуются, пероксид водорода, азотистая и азотная кислоты, что сопровождается понижением рН среды. Поэтому для биологических объектов лекарственных препаратов, продуктов пищевой промышленности, образование указанных реакционно-способных соединений может приводить к заметным последствиям.

Ультразвуковая обработка при малой интенсивности (до 2 Вт/см²) зерна и семян перед посевом интенсифицирует процесс прорастания, повышает урожайность культуры на 20-40 %. Например, обработанное ультразвуком зерно ячменя дает всходы на 2-3 дня раньше, чем контрольные посадки, длина колоса и количество зерен в нем увеличивается на 30 % , количество стеблей от одного зерна также увеличивается на 25-30 %.

Возможно выделение кавитационной энергии в гидрофизическом контуре в виде центробежного насоса, прогоняющего воду по замкнутому контуру, в котором находится кавитатор (рис. 1.50). При наличии в контуре кавитации выделяется тепло в количестве, равном механической энергии, подведенной к насосу. Кавитацию в контуре можно получать с помощью вращающегося крана (пробкового) или трубы Вентури и других устройств. При схлопывании образующихся кавитационных полостей возникают высокие давления, которые можно использовать для дробления порошков, активизации водных растворов и других биологических жидкостей.

Некоторые разработчики подобных кавитационных устройств предполагают, что при кавитационном гидрофизическом эффекте происходит выделение дополнительной энергии (на 1 кДж подведенной к двигателю насоса, выделяется 1,2-1,3 кДж теплоты). Подбирая форму сопла-кавитатора, повышают выделение тепла в воде до 1,5 кДж/1 кДж электроэнергии, применение другой жидкости увеличивает показатель до 2 кДж. Данный эффект пытаются объяснить тем, что в зоне схлопывания кавитационных пузырьков проходят реакции холодного ядерного синтеза или выделение дополнительной энергии происходит при взаимодействии ядер с частицами «мирового вакуума». Оба объяснения противоречат второму закону термодинамики. Анализ работы подобных гидродинамических кавитационных нагревателей, проведенный в работе [71], показал принципиальную невозможность получения энергетического КПД таких устройств выше 100 %, хотя они с успехом могут использоваться для активации водных систем (измельчении суспензий, эмульгирования и др.).

В целом гидродинамический принцип активации жидкостей при их высоких скоростях имеет значительные перспективы, например, уничтожение вредных химических веществ, содержащихся в воде возможно, если две струи воды разгонять навстречу друг другу со скоростью более 194 м/с. При этом происходит расщепление молекул загрязнителей.

Для УЗ активации жидкостей широко используют различные конструкции гидродинамических излучателей. Пластинчатые гидродинамические излучатели состоят (рис. 1.51) из погруженных в жидкость прямоугольных щелевых сопел и заостренной в сторону струи пластинки, которая крепится в узловых точках, либо консольно. При натекании на пластинку потока жидкости в ней возбуждаются изгибные колебания, с основной собственной частотой [55-58]:

_пл = (S/l²)(E/ρ)^0,5; (2)

где  - коэффициент пропорциональности, зависящий от способа крепления пластинки (при креплении пластинки в двух узлах  = 2,82; при креплении консольно -  = 0,162); l - длина пластины; S - толщина пластины; E - модуль упругости; ρ - плотность материала, из которого изготовлена пластина (все величины выражены в единицах системы СГС).

Наличие присоединенной массы несколько понижает значение f_пл. В натекающей струе возникают автоколебания с частотой f_c = kV/h, где V — скорость струи, h – расстояние между соплом и пластиной; k – коэффициент пропорциональности, зависящий от V и h. Для возбуждения интенсивных колебаний необходимо совпадение f_c и f_пл. Настройка пластины в резонанс с колебаниями струи осуществляется регулировкой скорости истечения струи и изменением расстояния между соплом и пластинкой. Такие генераторы создают колебания с частотой 2÷35 кГц. Излучение осуществляется в основном за счет колеблющейся пластинки 1 в направлении, перпендикулярном ее плоскости, с максимумом посредине опор (рис. 1.51, а), либо вблизи свободного конца (рис. 1.51, б). В другой модификации (рис. 1.51, в) используется кольцевое щелевое сопло 2, образованное двумя коническими поверхностями, а колеблющимся препятствием служит полый цилиндр 3, который разрезан вдоль образующих так, что создается система расположенных по окружности консольных пластин.

В стержневых гидродинамических излучателях генерируются пульсации кавитационной области, образующейся между соплом и препятствием (рис. 1.52). Излучатель содержит конусно–цилиндрическое сопло 1, отражатель 2 и резонансную колебательную систему в виде стержней 3, расположенных вдоль образующих цилиндра с осью сопло–отражатель. Система может быть изготовлена либо в виде набора скрепленных по краям стержней, либо в виде пустотелого цилиндра с профрезерованными вдоль образующих пазами. Отражающие поверхности могут быть выпуклыми, плоскими и вогнутыми. Лучшим в энергетическом отношении является вогнутый отражатель в виде лунки, обеспечивающий образование кавитационной области, содержимое которой с определенной частотой (частотой одного тона) выбрасывается из зоны сопло–отражатель. Для возбуждения интенсивных колебаний необходимо определенное соотношение между диаметром лунки D на торце отражателя и диаметром сопла d при определенной форме отражающей поверхности. Пульсации кавитационной области создают переменные поля скоростей и давлений, которые возбуждают в стержнях изгибные колебания на их собственной частоте, что дает вклад в излучение, повышая его интенсивность и монохроматичность. Собственная частота стержней f_ст определяется по той же формуле (2), что и f_пл (коэффициент  при двустороннем закреплении стержней 1,03, а при консольном — 0,7).

Принцип излучения за счет пульсации кавитационной области возможен в конструкции (рис. 1.51, в), если в дне цилиндрического препятствия имеется отверстие диаметром d. Кавитационная область тороидальной формы образуется между торцами сопла и отражателя при скорости истечения жидкости 20÷35 м/с и давлении 0,2÷1,0 МПа. Спектр частот генерируемых колебаний 0,3÷25 кГц.

Гидродинамические излучатели, основанные на эффекте Бернулли, состоят (рис. 1.53) из круглого сопла 1 и защемленной по контуру мембраны 2. Струя, вытекая из сопла, периодически меняет давление в зоне сопло–мембрана, вызывая колебания мембраны. При этом в жидкость излучаются низкочастотные колебания с основным тоном, соответствующим собственной частоте изгибных колебаний мембраны.

Способ смешения газа и жидкости при пропускании потока через акустический генератор с кольцевой резонирующей полостью, например в клапанной тарелке (а. с. 423481 СССР, ВО1D 3/30, опубл. 14.02.1972), используется для интенсификации процессов тепломассообмена за счет возникновения ультразвуковых колебаний, причем сопло снабжено кольцевой проточкой, расположенной в узком сечении сопла (рис. 1.54, а). Установка резонирующей камеры на выходе цилиндрического сопла или около отверстия в емкости приводит к возникновению автоколебаний с частотой несколько сот герц, пропорциональной размерам кольцевой резонирующей полости (рис. 1.54, б) (см. также а. с. СССР - 1037927; 1057052; 1114431).

Способ активации лекарственных препаратов (пат. 2020961 России, А61К 41/00, опубл. 25.02.1991) осуществляется путем воздействия низкочастотного ультразвука в кавитационной струе, причем воздействуют УЗ на водные растворы препаратов вблизи порога кавитации при плотности УЗ энергии 0,05÷2 Дж/мл в течение 30÷300 секунд.

В способе активации–деаллергации водных растворов медикаментозных препаратов (заявка 961 15855/14 России, А61К 41/00, В06В 3/00, опубл. 06.08.1996; пат. 2110280 России, А61К 41/00, опубл. 10.05.1998), заключающемся в воздействии на водный раствор УЗ колебаниями, используют акустические синусоидальные колебания в течение 1–8 мин с частотой 44 кГц–1,6 МГц, интенсивностью 0,02–1 Вт/см². УЗ колебания могут излучаться в импульсном режиме с частотой 2–6 импульсов в секунду. Авторы патента утверждают, что при такой обработке проявляется микрорезонанс элементов атомно–молекулярной структуры водного раствора и происходит изменение структуры гидратных оболочек вокруг молекул.