CC BY
16Процессы и аппараты
УДК 66.069+544.77+648.23 Р.Ш. Абиев1, В.С. Давыдов2, Ю.В. Гурихина3, В.М. Барабаш4
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МОЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЛЬТРАЗВУКА: ОБЗОР МЕТОДОВ И МОДЕЛЬ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Введение
Процесс отмывки тканых материалов от загрязнений (стирка) зависит от состава синтетических моющих средств (СМС), основу которых составляют поверхностноактивные вещества (ПАВ), и от гидродинамической обстановки в аппаратах, в которых осуществляется этот процесс. Наряду со стиральными машинами активаторного и барабанного типов на рынке активно продвигаются стиральные устройства с ультразвуковыми излучателями.
В настоящее время в стиральных устройствах воздействие на ткань осуществляется либо посредством генерирования турбулентных пульсаций в моющем растворе (макромасштабные воздействия), либо посредством создания микромасштабных ультразвуковых воздействий.
Обзор литературы
В одной из первых работ по использованию ультразвука (УЗВ) для стирки тканей [1] показано, что стирка шерсти при помощи УЗВ может сократить продолжительность с 3 час до 15-30 мин без снижения белизны. УЗВ воздействие на хлопчатобумажные ткани позволяет ускорить процесс их промывки после окрашивания в 2-3 раза [2]. В последнее десятилетие интерес к применению УЗВ при обработке тканых материалов - стирке, окрашиванию и проведению промежуточных технологических операций - значительно усилился.
1) Публикации, посвященные применению УЗВ для улучшения качества и ускорения процесса окрашивания тканей. Процесс окрашивания в некотором смысле можно рассматривать как противоположный стирке, т.к. здесь
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Исследована эффективность моющего действия при непрерывном и периодическом способах воздействия на моющий раствор в масштабах лабораторной установки. При стирке тканей, загрязненных пигментномасляным загрязнением, периодическая суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий позволяет увеличить моющее действие в 7-8 раз по сравнению со случаем только макромасштабных воздействий. Введен критерий энергетической эффективности, характеризующий достигаемое моющее действие, отнесенное к энергии, подведенной к моющему раствору. Выявлено, что при уменьшении продолжительности включения ультразвука эффективность процесса возрастает.
Ключевые слова: моющее действие, микро- и макромасштабные воздействия, интенсификация массопереноса, ультразвук, циркуляция, конвекция.
необходимо подвести молекулы/частицы красителя к поверхности волокон ткани и закрепить их. Известное сходство с процессом стирки имеют и процессы твердофазной экстракции (экстрагирования), очистки мембран, пропитки тканей. Работы по исследованию экстракции при облучении УЗВ ягод приведены в [3]. В работе [4] изучен процесс очистки мембран при наложении двух частот УЗВ -220 кГц и 28 кГц. Обработка УЗВ использовалась для ускорения процесса пропитки тканей наноразмерными частицами пигмента [5]. УЗВ способствует диффузии частиц пигмента через пограничный слой на границе нить - жидкость. Кроме того, под действием УЗВ распределение пигмента по ткани более равномерное, а качество окрашивания ткани повышается.
В фундаментальном исследовании [6] отмечается, что ткань не является идеальной средой для акустических волн, т.к. в ней содержатся полости, служащие центрами зарождения кавитационных пузырей. Главный вывод: ткани передают очень малую часть интенсивного ультразвука, следовательно, большая часть энергии отражается. Даже самые тонкие ткани пропускают не более 4 % высокоинтенсивной ультразвуковой энергии. С увеличением плотности ткани пропускаемая энергия снижается.
2) Публикации, посвященные применению УЗВ для интенсификации стирки. Одна из интересных работ [7] посвящена теоретическим аспектам интенсификации массопереноса в текстильных материалах при их облучении ультразвуком. Авторы выделяют два важных шага в процессе стирки: разрыхление загрязнения и его последую-
1 Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук. профессор, зав. каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, ги-fat.abiev@gmail.com
2 Давыдов Владимир Сергеевич, аспирант каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, Do-SPb@yandex.ru
3 Гурихина Юлия Владимировна, студентка пятого курса, каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, neznaiu2@mail.ru
4 Барабаш Вадим Маркович, д-р техн. наук. профессор, генеральный директор ООО "МИКСИНГ", 191167, Санкт-Петербург, ул. Александра Невского, 9, barabash@mixing.ru
Дата поступления - 31 октября 2012 года
щий транспорт. На первом шаге разрушаются связи между загрязнением и тканью, на втором загрязнение переносится в моющий раствор. В статье дан обзор работ о физико-химических аспектах разрыхления загрязнения [8], о роли поверхностного натяжения [9] и о влиянии пАв на явления в капиллярах при стирке текстиля [10].
Ткань, сплетенная из нитей, которые, в свою очередь, свиты из волокон, представляется как бипори-стая среда с относительно большими межнитевыми порами и сравнительно мелкими внутринитевыми порами, т.е. порами между волокнами внутри нити. Ранее было показано, что основная масса жидкости проходит через меж-нитевые поры, не проникая в пространство внутри нитей. Это связано с высоким гидравлическим сопротивлением внутринитевых пор по сравнению с крупными межните-выми порами.
Описана модель нити с непроточным ядром и «конвективной» оболочкой. В ядре массообмен протекает по молекулярному диффузионному механизму, а в оболочке - по конвективному. Задача механических воздействий на ткань формулируется как уменьшение диаметра непроточного ядра в нити. В барабанной машине это происходит за счет различных видов деформации нитей: изгиба, скручивания, растяжения и сдавливания [11].
Авторы [7], ссылаясь на опыты по извлечению соли из ткани, описанные в работах [12, 13], приходят к выводу о том, что идея интенсификации стирки путем уменьшения диаметра непроточного ядра в нити является более продуктивной по сравнению с генерированием случайных макромасштабных гидродинамических явлений в моющем растворе.
В [7] введены три линейных масштаба: ткани (0,1 м), нити (200 мкм) и волокна (10 мкм), определяющие масштаб соответствующих течений жидкости. Ранее показано, что порядок скорости в межнитевых порах 0,1 мм/с, тогда как во внутринитевых порах скорость имеет порядок
0,1 мкм/с. Это факт объясняется с помощью уравнения фильтрации Дарси, в котором скорость фильтрации пропорциональна квадрату поперечного линейного размера поры (в константе Козени-Кармана).
Авторы работы [7] пришли к мнению о необходимости циклического сжатия и расширения поперечного сечения нитей с целью интенсификации процесса вымывания из них частиц загрязнений с всасываемым при расширении нити и выталкиваемым при ее сжатии объемом моющего раствора.
Обнаружено, что огромную роль в результатах стирки при помощи УЗВ играет воздух. В работе [7] авторы утверждают, что стирка в деаэрированной воде дает гораздо лучшие результаты, чем в обычной водопроводной. Однако в следующей своей статье 2004 года [14] авторы, напротив, в качестве интенсифицирующего фактора рассматривают кавитационные пузырьки и порождаемые ими конвективные течения.
Отметим, что в описанных экспериментах [7] использовалась хорошо растворимая в воде поваренная соль. Реальные загрязнения могут иметь гораздо более прочные связи со структурой ткани.
В следующей работе той же группой авторов [14] рассмотрены новые применения ультразвука для интенсификации мокрой обработки тканей, в которых мас-соперенос в меж- и внутринитевых порах текстильных изделий является основным физическим механизмом. Обнаружено, что массоперенос в ткани во время модельного процесса идет в два этапа, характеризующиеся двумя различными коэффициентами конвективной диффузии. Этот эффект объясняется неравномерным распределением загрязнений в меж- и внутринитевых порах. Коэффициент интенсификации массообмена, определяемый как отношение конвективного коэффициента диффузии к
коэффициенту молекулярной диффузии частиц загрязнений, оказался в диапазоне 1000-2000. В опытах использовались мелкие камешки пемзы (200-400 мкм, общей массой 20 мг), служащие источниками ядер зародышеобразо-вания кавитационных пузырьков. Вода подвергалась химической дегазации.
В работе [15] показано, что УЗВ воздействие (35-39 кГц) позволяет улучшить эффективность очистки шерсти в воде, и в меньшей степени - в воде с неионными поверхностно-активными веществами, не вызывая растрескивания или травления поверхности волокна. Ультразвук помогает в удалении в мягких условиях липидов, имеющих тиоэфирные связи с поверхностью. В некоторых работах [16, 17] предприняты попытки перейти от уровня домашней стиральной машины к промышленному масштабу. Пока что это относится лишь к способу технологической обработки рулонных тканей в УЗВ ванне для их обезжиривания перед окраской или кондиционирования.
В принципе, такой метод может применяться и для стирки крупногабаритных изделий типа простыней, штор, покрывал, скатертей. Суть метода заключается в медленном пропускании ткани через моющий раствор в УЗВ ванне, на расстоянии 10-15 мм от поверхности УЗВ излучателя. Так, в работе [16] использована ванна объемом 15 л (объем раствора 4 л) с погружным волноводом с УЗВ излучателем диаметром 60 мм с частотой 24 кГц и мощностью до 600 Вт. Электронная микроскопия показала, что без УЗВ обработки на волокнах остаются побочные частицы и другие природные дефекты, тогда как УЗВ облучение полностью очищает поверхность волокон, повышая качество ткани. Показано, что применение УЗВ с мощностью 40 Вт/л при 60-70°С позволяет сократить расход воды на 20 %, моющих средств на 37 %, энергии на нагрев воды - на 40-50 %. При этом рекомендуемое расстояние от ткани до излучателя 10-15 мм. Отметим, что такие жесткие условия по расстоянию между объектом стирки и излучателем реально осуществить лишь при обработке рулонных материалов.
В более поздней работе также исследована стирка рулонных материалов [17]. Авторы считают, что хорошее моющее действие обусловлено интенсивным кавитационным полем, генерируемым прямоугольным излучателем в тонком слое жидкости с тканью. При этом значительную роль играют схлопывания нестационарных кавитационных пузырьков на поверхности ткани с образованием струек, направленных внутрь ткани, что и позволяет разрушить слой загрязнений. Еще два важных сопутствующих явления - акустические течения и стационарная кавитация. Для реализации идеи использования УЗВ в этих случаях разработаны и запатентованы процесс и система [18], в которых ткань стирается в слое толщиной несколько миллиметров, а УЗВ вводится при помощи излучателя прямоугольной формы размером 22x5 мм.
В работе [19] исследовано использование ультразвуковых воздействий как метод снижения скатывания и усадки при стирке шерстяной ткани. Ультразвуковая обработка повысила качество удаления пятен из тканей по сравнению с ручной стиркой.
Использование «силового» ультразвука (26 кГц, 180 Вт) [20] показало себя как эффективная техника по улучшению отбеливания льняных тканей в сочетании с техникой отбеливания лакказой с перекисью водорода (лакказа принадлежит к числу окислительных ферментов или оксидаз). Кроме того, УЗВ немного улучшает процесс окрашивания тканей.
Обстоятельное исследование процесса стирки операционной одежды медицинских учреждений выполнено в работе [21]. Специальные смесовые ткани были загрязнены кровью, после чего отстирывались как обычным методом, так и с использованием УЗВ энергии. В опы-
тах использовался УЗВ излучатель с частотой 47 кГц ± 6 %, стирка проводилась в ванне объемом 1 л, с концентрацией моющего средства 1 г/л в течение 5 минут. Обработка УЗВ в течение 15 мин позволила отстирать ткань (по разности показателей цветового индекса) лучше, чем 30 мин стирка обычным методом: 100 % полиэстер - в 3.7 раза, ткань полиэстер/хлопок (65/35 %) - в 1.1 раза и полиэстер/углеродное волокно (99/1 %) - в 12 раз.
3) Некоторые работы посвящены созданию крупномасштабных излучателей УЗВ повышенной мощности и эффективности. В работе [22] рассматриваются конструкции мощных ультразвуковых излучателей нового поколения с частотой 10-40 кГц и акустической эффективностью 75-80 %. Форма излучателей - от круглой и прямоугольной до системы с отражателем типа рупора и цилиндрической.
Интересны исследования, касающиеся оптимизации формы модуляции сигнала. В работе [23] показано, что пульсирующее включение ультразвука существенно снижает интенсивность акустических токов. Эксперименты были проведены с излучателями с резонансной частотой 2.63 МГц и 4.12 МГц.
Важное для практики исследование выполнено в [24]. Определены требования к конструкции ультразвуковой ванны промышленных размеров для обработки текстильных материалов.
Вместе с тем, до настоящего времени нет опубликованных данных о моющем действии при использовании суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор. В то же время, применение такой суперпозиции позволит улучшить отвод загрязнений, отделившихся от ткани, в ядро потока, препятствуя резорбции. В одной из недавних работ выполнено исследование моющего действия в пульсационном аппарате [25]. По результатам наших предварительных исследований [26], сочетание ультразвуковых (микромасштабных) воздействий с макромасштабными воздействиями, например, посредством механического перемешивания, циркуляции либо низкочастотных пульсаций, приводит к улучшению моющего действия. Последующие исследования [27, 28] показали, что при непрерывной суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор (т.е. при сочетании УЗВ и циркуляционного перемешивания) моющая способность увеличивается для различных типов тканей (бязь, лён, шифон) в 2.0-2.9 раза. Там же [27, 28] было определено, что исследованный метод непрерывной суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий позволяет сократить расход моющих средств до четырех раз не только без снижения эффективности стирки, но и с одновременным повышением качества стирки в 1.47-2.57 раза.
Концепция исследования
При непрерывной суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий происходит наложение ультразвуковых волн (микромасштабные воздействия) на создаваемое погружным насосом циркуляционное течение и порождаемые им турбулентные вихри (макромасштабные воздействия). Это приводит при определенных условиях к улучшению моющего действия.
В работе [29] сформулировано предположение о том, что постоянное во времени микро- и макромасштабное воздействие на моющий раствор может оказаться не оптимальным, поскольку генерируемые ультразвуковым излучателем волны могут смещаться мощными конвективными течениями, что снизит эффект от воздействия на отстирываемые тканые изделия. Проверке этой рабочей гипотезы и посвящена данная статья, являющаяся продолжением работ [26, 27].
Целью данной работы являлось сравнение моющего действия при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор в лабораторной модели при непрерывном и периодическом включении микромасштабных воздействий (ультразвуковых излучателей) и постоянных макромасштабных воздействий на моющий раствор, а также построение модели процесса разрушения и удаления прочных загрязнений из бипористой структуры ткани.
По нашим представлениям, при воздействии ультразвуковой волны на загрязнения в ткани в моющем растворе практически полностью отсутствует конвекция, способная отвести моющий раствор с загрязнениями от поверхности ткани, препятствуя резорбции. В результате макромасштабный процесс стирки лимитируется конвективной диффузией загрязнений, окруженных адсорбционной оболочкой ПАВ в растворе.
Помимо этого, на общий эффект стирки существенное влияние оказывает и химическое моющее действие. В связи с этим, для выявления влияния гидродинамики на моющее действие, в дальнейших опытах роль химического моющего действия была намеренно снижена за счет уменьшения концентрации моющих веществ в растворе.
Исследования интенсификации моющего действия в ультразвуковой ванне
В данной работе исследования проводились при стабилизированных параметрах ультразвука и управляемых макромасштабных воздействиях. Для получения стабильных условий ультразвукового воздействия на моющий раствор была использована серийно выпускаемая ультразвуковая ванна УЗВ2-0,16/37 (производитель - ООО "Ультразвуковая техника") объемом 5.4 л, в нижней части которой установлены три пьезокерамических ультразвуковых излучателя общей мощностью (160±40) Вт, генерирующих ультразвуковые колебания с фиксированной частотой (37±3.7) кГц. Для создания периодического УЗВ воздействия на моющий раствор излучатели были подключены к сети через реле времени УТ-24 («Овен», Москва).
Внутри ванны для создания макромасштабных воздействий был смонтирован погружной циркуляционный насос М] 1000 с номинальным объемным расходом 1000 л/ч, напором 1.48 м и потребляемой мощностью 13.8 Вт. Схема установки представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки. 1 - ультразвуковая ванна; 2 - ультразвуковые излучатели; 3 - циркуляционный насос; 4 -экспериментальный образец полотна с нашитыми кусочками ткани размером 50x50 мм.
Ранее [27] были проведены следующие исследования: 1) определена оптимальная навеска стирального порошка; 2) исследовано моющее действие при постоянно включенных УЗВ излучателях; 3) то же, что в п. 2, но при непрерывной циркуляции раствора насосом М] 1000. Моющая способность - безразмерная величина, представляющая собой отношение разности яркостей отстиранного и загрязненного образца ткани к разности яркостей еще не загрязненного (чистого) и загрязненного образца ткани.
Опыты по определению минимально необходимой концентрации моющих средств в растворе, когда эффект стирки практически не снижается, показали, что для шифона, бязи, льна при уменьшении навески стирального порошка до 25 % от рекомендуемой производителем моющее действие снижалось всего на 11.3-26.7 % от нормы [27]. Для выявления роли микро- и макромасштабных воздействий на эффект стирки (моющее действие) дальнейшие опыты проводили при навеске стирального порошка 25 % от рекомендуемой производителем.
Исследование моющего действия при постоянно и периодически включаемых УЗВ излучателях
В данной части проводили три вида исследований:
1) Стирка экспериментальных образцов при воздействии только УЗВ с количеством порошка, равным 25 % от рекомендуемого и температурой моющего раствора 30°С, длительностью 5, 10, 15 и 25 минут. Все последующие опыты проводились при тех же условиях: количестве порошка, температуре и длительности стирки.
2) Стирка экспериментальных образцов при постоянном воздействии УЗВ и одновременной циркуляции моющего раствора, осуществляемой погружным насосом. Циркуляционный расход (измерялся объемным методом) составлял 14.3 л/мин.
3) Стирка экспериментальных образцов при периодическом воздействии УЗВ и одновременной (непрерывной) циркуляции моющего раствора при температуре 30°С с продолжительностью стирки 5, 10, 15 и 25 минут для каждого опыта.
Периодичность включения УЗВ излучателей в третьей серии опытов определялась как доля времени их включения
Ф = Т /Т (1)
узв ци^ (1)
где Тузв - продолжительность включения УЗВ излучателей, с; Тцикл - продолжительность цикла между включениями УЗВ излучателей, с. Величина Ф задавалась в опытах равной 0.1, 0.5 и 0.9, длительность цикла составляла Тцикл = 40 с.
В каждом эксперименте было использовано по три образца ткани, каждого из трех видов ткани: лен; бязь; шифон. В каждом новом эксперименте были задействованы новые (ещё не стираные) образцы ткани. В экспериментах использовалось два типа загрязнителей: пигментно-масляная смесь и белковая смесь.
Подготовка ткани осуществлялась согласно требованиям [30]; она заключалась в измерении яркости чистых полотен ткани в отражённом свете, их последующего загрязнения в загрязняющих смесях, нарезки ткани на квадраты размером 50x50 мм, повторного измерения яркости образцов материи. Яркость образцов в отражённом свете определялась при помощи компьютера, оснащённого сканирующим устройством Сапоп Сапо5сап LiDe25 и программой А^Ье РИоШвИор CS 2 [26, 27].
Результаты экспериментов и их обсуждение
Пример кинетических кривых моющего действия для тканей с пигментно-масляным загрязнением при периодическом включении ультразвука и использовании
0.25 навески стирального порошка на примере бязи представлены на рисунке 2.
Время, мин
Рисунок 2. Кинетика моющего действия бязи при периодическом включении ультразвука и использовании 0.25 навески стирального порошка. Пигментно-масляное загрязнение. Круглые точки - средние значения, крестики - предельные значения. а - только УЗВ; б - УЗВ (100%) и насос; в - УЗВ (10%) и насос; г - УЗВ (50%) и насос; д - УЗВ (90%) и насос.
Из графиков на рисунке 2 следует, что для бязи моющее действие при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий (УЗВ совместно с циркуляцией) улучшается существенно (в 7-8 раз) по сравнению с включением только УЗВ, причем периодическое включение УЗВ излучателей в данном случае улучшило моющее действие не столь значительно (в 3-5 раз), как при постоянном включении. Вместе с тем, для сокращения энергетических затрат и увеличения ресурса излучателей возможна работа в режиме периодического включения УЗВ излучателей с долей времени 10 %.
Пример кинетических кривых моющего действия для тканей с белковым загрязнением при периодическом включении ультразвука и использовании 0.25 навески стирального порошка на примере стирки льна представлен на рисунке 3.
В данном случае статистически значимого различия между различной периодичностью включения УЗВ не обнаружено. Лишь при доле времени включения УЗВ, равной 10 %, рост моющего действия был значительно слабей, чем при 50 %, 90 % или 100 %. Таким образом, для экономии электроэнергии и увеличения ресурса УЗВ излучателей возможно их периодическое включение всего на половину от общей продолжительности цикла.
Необходимость более длительного облучения моющего раствора УЗВ в этой серии опытов, вероятно, связана с более прочными связями белкового загрязнения со структурой ткани.
Еп() =
где М(г) - моющее действие; г - продолжительность стирки, с; Е\ - мощность, потребляемая циркуляционным насосом, Вт; Е2 - номинальная мощность уЗв излучателей, Вт; ф - коэффициент времени включения насоса (0 или 1, принимается равным нулю, если включены только УЗВ излучатели).
В знаменателе формулы (2) записана суммарная энергия (Дж), вводимая в моющий раствор за время г
ЕШа1() = (ФЕ1 + УЕ2 )? ■
(3)
Рисунок 3. Кинетика моющего действия льняной ткани при периодическом включении ультразвука и использовании 0.25 навески стирального порошка. Белковое загрязнение. Круглые точки - средние значения, крестики - предельные значения. а - только УЗВ; б - УЗВ (100%) и насос; в - УЗВ (10%) и насос; г - УЗВ (50%) и насос; д - уЗв (90%) и насос.
На рисунке 4 показано влияние периодичности включения УЗВ на моющее действие бязи с белковым загрязнением. Хотя для бязи эффект не столь высокий, как для льна, 90 % и 100 % включение УЗВ совместно с циркуляцией дают значительный эффект по сравнению со стиркой только с применением УЗВ (соответственно в 1.5 и в 1.4 раза).
Рисунок 4. Влияние доли времени включения ультразвука на моющее действие бязи при использовании 0.25 навески стирального порошка.
Белковое загрязнение. а - УЗВ и насос; б - только УЗВ.
Для оценки эффекта от суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий (УЗВ совместно с циркуляцией) по сравнению с действием одних лишь микромасштабных воздействий (УЗВ) и обобщения данных ранее предложено использовать три показателя эффективности [27].
В качестве характеристики эффекта от применения суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий (УЗВ плюс циркуляция) по сравнению с применением только микромасштабных воздействий (УЗВ), здесь предлагается использовать энергетический критерий, учитывающий эффект (моющее действие), отнесенный к затратам энергии на стирку, Дж-1:
(2)
Отметим, что в рассматриваемой установке доля энергии, затрачиваемая на циркуляцию, невелика, особенно при у > 0.1 (полезная мощность насоса 4 Вт против 160 Вт полной мощности излучателей). Отсюда следует, что характер зависимости критерия энергетической эффективности от затраченной энергии (а также от периодичности включения) гиперболический.
Результаты расчетов по формулам (2) и (3) на примере стирки бязи приведены на рисунках 5 и 6.
Еп
¥
Рисунок 5. Зависимость коэффициента эффективности Еп (1/МДж) от периодичности включения УЗВ у при стирке бязи с использованием 0.25 навески стирального порошка. Пигментно-масляное загрязнение. а - только УЗВ, б - УЗВ и насос.
М
0.1
0.2 0.3
Ешаї, МДж
Рисунок 6. Зависимость моющего действия М от затрат энергии УЗВ и насоса ЕПы (МДж) при стирке бязи с использованием 0.25 навески стирального порошка. Пигментно-масляное загрязнение. а - только УЗВ, б - УЗВ и насос.
Из рисунка 5 следует, что при стирке тканей с пигментно-масляным загрязнением энергетическая эффективность стирки монотонно снижается, причем суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий (точки б) на моющий раствор дает значительный эффект по сравнению с использованием только микромасштабных воздействий (точка а). Это связано в первую очередь с возрастанием затрат энергии по мере увеличения значения у. График на рисунке 6 показывает: чем больше
0
энергии вводится в раствор, тем выше моющее действие (зависимость М(у) имеет аналогичный вид). Поскольку зависимость Еп (ЕТоЫ) имеет вид Еп (ЕТоЫ) = а + Ъ/ЕТошЬ причем постоянное слагаемое а существенно меньше гиперболической части Ъ/ЕТоЫ , кривая на рисунке 5 имеет ниспадающий характер. Аналогичный характер зависимостей получен и для белкового загрязнения, хотя обобщению эти данные для разных тканей и двух видов загрязнений пока не поддаются. Эффективность стирки является одним из показателей качества стирки и характеризует отношение полезного эффекта (моющего действия) к затраченной энергии.
Таким образом, при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор моющая способность увеличивается для различных типов тканей от 3 до 8 раз. Применение периодического включения УЗВ не влияет на моющее действие при стирке бязи и шифона, хотя при стирке льняной ткани достигается определенный эффект.
Что касается энергетической эффективности от применения периодического включения УЗВ при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор, то тут налицо экономия энергии за счет сокращения времени работы УЗВ излучателей без заметного снижения моющего действия.
Показано также, что использование УЗВ без наложения макромасштабных воздействий на моющий раствор моющее действие значительно ниже.
Модель кавитационного механизма разрушения и экстракции загрязнений при отстирывании прочных загрязнении при помощи УЗВ
Анализ отечественных и зарубежных научных публикаций [1-24] показал, что до сих пор не существует не только надежной методики расчета моющего действия под действием ультразвука, но даже сколько-нибудь отчетливых представлений о механизме отделения частиц загрязнений от ткани в ультразвуковом поле. Наиболее развитые представления о процессе стирки разработаны лишь для случая хорошо растворимых в воде загрязнений, образующих молекулярный раствор [7].
В ближайшее время предполагается разработка теоретической модели, основанной на взаимодействии УЗВ поля и турбулентных пульсаций с частицей загрязнения, связанной с нитями ткани адсорбционными силами. Предполагается также принять во внимание кавитационный механизм отстирывания, включающий взаимодействие пульсирующих пузырьков с частицей загрязнения.
Здесь, на основе аккумулированной информации предлагается следующее описание процесса отстирывания прочных загрязнений при помощи УЗВ, являющееся базой для будущей теоретической модели.
В работе [7] подробно рассмотрен механизм стирки тканей, загрязненных хорошо растворимыми в моющем растворе веществами. На практике часто приходится иметь дело с прочными загрязнениями, отстирывание которых нам представляется в два этапа. Первый - кавитационное разрушение загрязнений при помощи УЗВ (рисунок 7).
На этом этапе кавитационные пузырьки схлопы-ваются вблизи поверхности ткани и загрязнений (известно, что на площади 1 см2 за 1 с могут образоваться и разрушиться до 30 млн. кавитационных пузырьков), постепенно разрушая загрязнения. Отколовшиеся осколки загрязнений отводятся из межнитевых пор и от поверхности ткани макромасштабными течениями, а остатки загрязнений пока еще остаются во внутринитевых порах.
Рисунок 7. Модель кавитационного механизма разрушения загрязнений при отстирывании прочных загрязнений при помощи УЗВ. 1 - нити (поперечное сечение); 2 - волокна; 3 - загрязнение; 4 - область пропитки нити загрязнением; 5 - кавитационные пузырьки; 6 - кумулятивные кавитационные струйки; 7 - межнитевое пространство; 8 -внутринитевые поры.
Второй этап можно условно назвать экстракционным в том смысле, что здесь происходит извлечение (вымывание) остатков загрязнений из внутринитевых пор после их постепенного разрушения. Разрушение происходит главным образом за счет кавитационного эффекта, а вымывание - за счет периодического расширения и сжатия нитей, впервые описанное в [7] (на рисунке 8 показаны фазы изменения поперечного сечения нитей).
Рисунок 8. Модель экстракционного механизма извлечения остатков загрязнений за счет пульсационной конвекции под действием УЗВ. а-г - стадии экстракционного механизма извлечения остатков загрязнений за счет пульсационной конвекции: а - разрушение остатков загрязнения во внутринитевых порах; б, г - фаза расширения нити УЗВ давлением, всасывание жидкости в поры; в - фаза сжатия нити УЗВ давлением, вытеснение жидкости из пор. 1 - нити; 2 - волокна; 3 - остатки загрязнений; 4 - кавитационные пузырьки; 5-раздробленные остатки загрязнений; 6 - макромасштабные течения в объеме моющего раствора. Оболочка ПАВ на поверхности загрязнений условно не показана.
Такое периодическое движение может быть обусловлено как турбулентными пульсациями, так и пульсациями при колебаниях кавитационных пузырьков в УЗВ поле, а также специально сгенерированными в моющем растворе низко- и среднечастотными пульсациями [25, 31].
Заключение и перспективы дальнейших исследований
1. При стирке тканей, загрязненных пигментномасляным загрязнением, постоянная суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий позволяет увеличить моющее действие в 7-8 раз по сравнению со случаем только макромасштабных воздействий. При этом для сокращения энергетических затрат и увеличения ресурса излучателей возможна работа в режиме периодического включения УЗВ излучателей с долей времени 10 %; в этом случае увеличение моющего действия достигается в 3-5 раз.
2. Исследованный метод позволяет сократить расход моющих средств до четырех раз не только без снижения эф-
1
1
фективности стирки, но и с одновременным повышением качества стирки в 3-8 раза.
3. Введен критерий энергетической эффективности, характеризующий достигаемое моющее действие, отнесенное к энергии, подведенной к моющему раствору.
4. Показано, что зависимость критерия энергетической эффективности от затраченной энергии (периодичности включения) имеет вид уравнения гиперболы.
В настоящее время проводятся дальнейшие исследования для определения оптимального режима воздействия на моющий раствор с попеременным включением УЗВ и разработка вспомогательного устройства для реализации макроперемешивания в соответствии с [31].
Серия исследований, описанных в данной статье, а также в работах [26-28], проводилась в условиях, когда процесс стирки имитировался как можно ближе к реальному: модельное тканое изделие по размерам приближалось к размерам рубашки или наволочки, и оно находилось в моющем растворе в свободном состоянии. В то же время, вследствие непрерывного перемещения модельного тканого изделия с потоком циркулирующей жидкости (либо с барабаном) облучение ультразвуком образцов отстирываемых тканей происходило стохастически, что, по-видимому, и стало причиной повышенного разброса значений моющего действия. Вместе с тем, заметный разброс данных наблюдается и во многих работах по исследованию влияния ультразвука на различные массообменные процессы.
В дальнейшем планируется выполнить «рафинированные» эксперименты, представляющие скорей не практический, а академический интерес, в которых образцы ткани будут закрепляться на определенном расстоянии от излучателей ультразвука. Предполагается, что такой метод позволит получить более однородные условия, а значит, и меньший разброс результатов. Этой же цели послужит использование не водопроводной, а специально подготовленной, например, дистиллированной воды.
Благодарности
Авторы благодарят фонд РФФИ за финансовую поддержку данной работы (грант № 10-03-00100-а).
Литература
1. Efremov N.I. // Tekstil. Prom.1963. V. 23(11). P. 57.
2. Ковалева Л.Ф., Попиков И.В., Саруханов Р.Г. Интенсификация процесса промывки напечатанных тканей в поле упругих колебаний. // Технология текстильной промышленноси. 1985. Т.
1. С. 66-69.
3. d'Aiessandro L. G., Kriaa K.., Nikov I. [et ai.J. Ultrasound assisted extraction of polyphenols from black chokeberry // Separation and Purification Technology. 2012. V. 93. P. 42-47.
4. Gonzalez-Avila S.R., Prabowo F., Kumar A. [et al.]. Improved ultrasonic cleaning of membranes with tandem frequency excitation // Journal of Membrane Science. 2012. V. 415-416. P. 776-783.
5. Hao L., Wang R., Liu J. [etai.J. Ultrasound-assisted adsorption of anionic nanoscale pigment on cationised cotton fabrics // Carbohydrate Polymers. 2012. V. 90 P. 1420-1427.
6. Datar G. V., Banks-Lee P., Grady P.L. Acoustical Characteristics of Fabrics in High-Intensity Ultrasound // Applied Acoustics. 1996. V. 48. No. 1. P. 33-45.
7. Warmoeskerken M.M.C.G., van der V/ist P., Moholkar V.S., [et ai.J. Laundry process intensification by ultrasound // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2002. V. 210. P. 277-285.
8. Carroll B.J. // Colloid. Surf. A. 1993. V. 74. P. 131-167.
9. Bergink-Martens D.J.M., Frens G., Tenside Surf. Det. 34 (1997) 263-266.
10. Timmerman A.M.D.E., Ph.D. Thesis, TU Delft, The Netherlands, 2002.
11. K.L. Ganguli, van Eendenburg J. Mass transfer in a laboratory washing machne. Textile Res. J. 50 (1980) 428-432.
12. Van der Donck J.C.J., So A., Frens G. Tenside Surf. Det. 35 (1998) 119-122.
13. Van der Donck J.C.J. Tenside Surf. Det. 36 (1999) 222-224.
14. Moholkar V.S., Warmoeskerken M.M.C.G. Investigations in mass transfer enhancement in textiles with ultrasound // Chemical Engineering Science. 2004. V. 59. P. 299-311.
15. McNeilS.J., McCall R.A. Ultrasound for wool dyeing and finishing. // Ultrasonics Sonochemistry. 2011. V. 18. P. 401-406.
16. Vouters M., Rumeau P., Tierce P. [et al.]. Ultrasounds: an industrial solution to optimise costs, environmental requests and quality for textile finishing // Ultrasonics Sonochemistry. 2011. V. 18. P. 33-38.
17. Gallego-Juarez JA., Riera E., Acosta V. [et al.]. Ultrasonic system for continuous washing of textiles in liquid layers // Ultrasonics Sonochemistry. 2010. V. 17. P. 234-238.
18. Process and Device for Continuous Ultrasonic Washing of Textiles: pat.№ 6,266,836B1. US. 31.07.2001.
19. Hurren C., Cookson P., WangX. The effects of ultrasonic agitation in laundering on the properties of wool fabrics // Ultrasonics Sonochemistry. 2008. V. 15. P. 1069-1074.
20. Abou-Okeil A., El-Shafie A., El Zawahry MM Ecofriendly laccase-hydrogen peroxide/ultrasound-assisted bleaching of linen fabrics and its influence on dyeing efficiency // Ultrasonics Sonochemistry. 2010. V. 17. P. 383-390.
21. Canoglu S., Gultekin B.C., Yukseloglu S.M. Effect of ultrasonic energy in washing of medical surgery gowns // Ultrasonics. 2004. V. 42. P. 113-119.
22. Gallego-Juarez J A., Rodriguez G., Acosta V., [eta.]. Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing // Ultrasonics Sonochemistry. 2010. V. 17. P. 953-964.
23. Hoyos M., Castro A. Controlling the acoustic streaming by pulsed ultrasounds // Ultrasonics.. V. 53. P. 70-76. URL: http://dx.doi.ora/10.1016/i.ultras.2012.03.015.
24. Perincek S., Uzgur A. E, Duran K. [et al.]. Design parameter investigation of industrial size ultrasound textile treatment bath // Ultrasonics Sonochemistry. 2009. V. 16. P. 184-189.
25. Абиев РШ Пневматические пульсации — новый эффективный и энергосберегающий способ интенсификации моющего действия // Гидравлика и пневматика. 2004. № 13-14. С. 29-31.
26. Абиев Р.Ш., Давыдов В.С., Барабаш В.М. Экспериментальное сравнение методов интенсификации моющего действия при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор // Известия СПбГТИ(ТУ). 2010. № 9 (35), С. 60-63.
27. Абиев Р.Ш., Давыдов В.С., Гурихина Ю.В. [и др.]. Интенсификация моющего действия при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий // Известия СПбГТИ(ТУ)ю 2012ю № 13 (39). С. 67-70.
28. AbevR.Sh., Davydov V.S., Gurikhina Yu.V., [et al.]. Tissue detergency intensification by use of micro and macro scale action on the washing liquid // Trans. of 20th International Congress CHISA 2012, Prague, 25-29 August 2012. CD-ROM, №0182.
29. Способ стирки: пат. № 2410479 Рос. Федерация. №
2009124686/05; заявл. 29.06.2009; опубл. 27.01.2011. Бюлл. № 3, 2011.
30. ГОСТ 22567.15-95 Средства моющие синтетические.
Метод определения моющей способности. М., ИПК Издательство стандартов, 1999. 12 с.
31. Пульсационная стиральная машина и способ ее экс-
плуатации: пат. № 2257435 Рос. Федерация. № 2000132023/12; заявл. 20.12.2000; опубл. 20.01.2003. Бюлл. № 21, 2005.
