CC BY
149
УДК 532.528
Аверина Ю.М., Моисеева Н.А., Шувалов Д.А., Нырков Н.П., Курбатов А.Ю.
КАВИТАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ. СВОЙСТВА ВОДЫ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАБОТКИ
Аверина Юлия Михайловна, кан. тех. наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, председатель Совета молодых учёных, e-mail: averinajm@mail.ru;
Моисеева Надежда Анатольевна, магистрант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, Шувалов Дмитрий Александрович, магистрант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Нырков Николай Павлович, магистрант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, Курбатов Андрей Юрьевич, ассистент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047, Москва, Миусская пл. д. 9
Объектом исследования данной работы является изучение влияния эффектов кавитации на характеристики обрабатываемых жидкостей. Кавитационная обработка, благодаря сопровождающим этот процесс проявлениям считается одним из эффективных методов обработки жидкостей. В статье приведён сравнительный анализ некоторых видов обработки воды и показано изменение свойств воды под действием кавитационной обработке.
Ключевые слова: кавитационная обработка, обработка воды, диспергирование, обеззараживание, вода
CAVITATION WATER TREATMENT. PROPERTIES OF WATER AND EFFICIENCY OF TREATMENT
Averina Yu.M., Moiseeva N.A., Shuvalov D.A., Nyrkov N.P., Kurbatov A. Yu. D. I. MendeleevUniversity of Chemical Technology
The object of this paper is study influence of cavitation effects on characteristics of liquids. Cavitation water processing due to manifestations which accompanying it is one of the effective liquid processing methods. In article a comparative analysis of some liquid processing methods are given and change ofproperties water is present when it was cavitated.
Key words: cavitation processing, processing of water, dispersion, disinfection, water
До недавнего времени перспективность использования эффектов кавитации в промышленности стояла под вопросом. Долгое время явление кавитации рассматривалось как отрицательное явление, связанное с эрозией поверхности устройств, работающих в условиях образования кавитации (насосы, винты судов, детали турбин и тд.) [1].
Теперь кавитационные технологии нашли широкий ряд применений в различных областях промышленности. Это связано с высокой энергоэффективностью химико-технологических процессов, которые подвергаются кавитационной обработке, экологичностью проведения процесса, его простотой. Одно из главных достоинств метода заключается в том, что кавитационная обработка является полностью физическим процессом, и, следовательно, считается более безопасным по сравнению с аналогичными химическими методами. Кроме того отличается большей эффективностью и менее затратен.
Кавитационные технологии используются благодаря ряду проявлений, сопровождающих образование кавитации: эрозия твёрдого тела,
очистка поверхностей, диспергирование твёрдых частиц, растворение, экстрагирование,
эмульгирование, гомогенизация, пенообразование [2].
Кавитационная обработка имеет широкий ряд применения в промышленности, сельском хозяйстве, медицине [2, 3]:
В пищевой промышленности для гомогенизации и пастеризации молока, консервации пищевых эмульсий и суспензий с целью повышения срока хранения продукта, сохранения природных качеств, снижения микробов и повышения питательности.
В медицине используется благодаря своему бактерицидному действию, также способствует проникновению антибиотиков, лекарственных веществ к очагу поражения, улучшает кровообращения, стимулирует регенеративные процессы.
В сельском хозяйстве, используя кавитационно-обработанную воду, наблюдается рост урожайности культур и снижение их заболеваемости, что связано с повышенным содержанием кислорода в воде. Кроме этого, кавитацией осуществляется обработка
отходов растениеводства с целью получения высокопитательных кормовых смесей и удобрений.
В нефтяной промышленности кавитационная обработка позволяет увеличивать выход более лёгких фракций нефти, и как следствие уменьшение температуры перегонки нефти, снижать вязкость мазута. Воздействие кавитацией на смазочно-охлаждающие жидкости повышает их качество и снижает затраты на производство.
В других областях данная обработка используется для очистки внутренних поверхностей оборудования от загрязнений и накипи, для помола твёрдых частиц, производства биогаза, обогрева помещений и др.
Одним из перспективных направлений рассматривается кавитационная водоподготовка. Вода применяется во всех сферах человеческой деятельности с самым разнообразным назначением. Применяется кавитационная технология
обеззараживания и дистиллирования воды, не требующая предварительной химической или механической подготовки.
Проведём сравнительный анализ и обозначим преимущества кавитационной обработки воды перед другими химическими и физическими способами
[4].
Обработка хлором: этот метод является наиболее распространённым, так как хлор относительно недорогой. Недостатки: к хлорированию устойчивы микобактерии,
энтеровирусы, цисты вирусов; кроме того, хлорирование питьевой воды вызывает высокие уровни мутагенной активности и токсичности, хлор может замещать бром и йод, который необходим организму; обнаруживаются побочные продукты высокой генотоксичностью; остаточный хлор токсичен для водоёмов.
Обработка УФ: является безреагентным и экологически чистым. К недостаткам относятся: высокая степень прозрачности воды, требуется отсутствие взвесей; малоэффективно при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей, плесени; способ трудозатратен, химическая чистка требует квалификации работников и химический реактивов.
Обработка с применением эффекта кавитации лишена этих недостатков; она менее энергозатратна
и является самым дешёвым способом: затраты на УФ обработку в 1,6 раз больше, на хлорирование - 3 раза, озонирование - в 10 раз превышает затраты, чем на кавитационную обработку [5].
С возникновением кавитационных пузырьков и изменением их размеров в процессе развития кавитации меняются физические и акустические свойства жидкости. Рассмотрим это явление на примере воды:
При схлопывании кавитационного пузырька вода диссоциирует:
Н2О ^ Н+ + ОН- (1)
Н+ + Н+ ^ Н2 (2)
ОН- + ОН- ^ Н2О2 (3)
При гидродинамической обработке воды изменяются её физико-химические свойства и сохраняются до 7-10 суток (рисунок 1) [4-8]:
1. Увеличение рН за счёт образования пероксида водорода, образуется щелочная среда;
2. Уменьшение жёсткости: соли магния и кальция разрушаются под действием ударных волн;
3. Увеличение электропроводности;
4. Увеличение числа свободных ионов и активных радикалов;
5. Структуризация и активация молекул;
6. Уменьшение цветности более чем в 2 раза.
Вода насыщается кислородом за счёт гидродинамического кавитационного термолиза воды, меняет своё энергетическое состояние, приобретая дополнительные степени свободы, улучшает усвоение клетками организма, ускоряет выведение шлаков. Кавитационная обработка позволяет наиболее глубоко очищать воду, сохраняя при этом биологически важные микроэлементы. Эффективность бактерицидного действия зависит от интенсивности кавитации и времени воздействия. На эффективность не влияет качество исходной жидкости: мутность, солевой состав, цветность и тд. Бактерии подвергаются одновременно
гидродинамическому, тепловому и ударному воздействию кавитации, что приводит к разрушению их оболочек и гибели.
1 мин 2 МММ 3 М1Ш Контрой
Поонтел» 120 180 240 120 130 240 120 150 240
Вт Вт Вт Вт Вт Вт Вт Вт Вт
Водородный показатель, рН 6,37 6,9^ 6.99 6,74
Температуря. "С 15,3 17,? 22,3 23*2 32,5 Ш 33,6
Оошпя жесткость, ммоль дм' 4,95 4)8 4,7? 4,?? 4,? 4.4* 4,* 5
Рис.1. Значения водородного показателя общей жёсткости для исследуемых образцов воды
Кроме того, кавитация способствует диспергированию коллоидов и частиц, где могут находиться микроорганизмы, комплексы
неорганических и органических соединений, вместе с тем оставляя их беззащитными перед другими факторами кавитационного воздействия:
химическими, физическими и электрическими. Наиболее интенсивное уничтожение
микроорганизмов приходится на момент начала кавитации, а полное обеззараживание происходит при равномерном распределении кавитационных зон. Степень обеззараживания достигается: по яйцам и личинками - 100%, бактериям - 99.99%, вирусы -99.96%. Обработка хлором - 91%, УФ - 43.7%, озонированием - 96.4%.
Таким образом, подверженная кавитационной обработке вода многократно проходит совместному термобарическому и электромагнитному
воздействию [2, 4-8], при котором происходит:
• Перевод растворённых соединений в нерастворимые или газообразные;
• Обеззараживание;
• Флотация;
• Дегазация;
• Обесцвечивание;
• Уменьшение запаха стоков;
• Разложение окисление остатков биостимуляторов и лекарственных препаратов;
• Разложение и связывания ПАВ, токсичных и ВМС;
• Связывание солей тяжёлых металлов, пестицидов и гербицидов в нетоксичные комплексы;
• Дробление коллоидов, бактериальных растительных компонентов и их активное перемешивание.
Список литературы
1. М.Л. Линдеров, Д.Л. Мерсон, "Влияние кавитации на деструкция поверхности конструкционных сталей ", Вектор науки ТГУ. № 3(13), 2010.
2. М.А. Промтов, "Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации ХТП", Вестник ТГТУ. 2008. Том 14. № 4.
3. А.М. Зайнутдинов, "Применение ультразвуковой кавитации при хирургических инфекциях", Казанский медицинский журнал, 2009, том 90, №3.
4. Петрякова О.Д., Гудач М.В., "Оценка преимуществ кавитационного обеззараживания и разработка кавитационного устройства нового типа".
5. М. А. Промтов, А. В. Алешин, М. М. Колесникова, Д. С. Карпов, "Обеззараживание сточных вод кавитационной обработкой", Вестник ТГТУ. 2015. Том 21. № 1.
6. Н.В. Попова, С.А. Фатеева, " Изучение явления ультразвукового воздействия на показатели качества воды", Вестник 30 ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии».
7. Гидродинамическая обработка природной воды / Ю. М. Аверина, А. Ю. Курбатов, И. С. Джессу Лубо, М. А. Ветрова // Успехи в химии и химической технологии. — 2018. — Т. 32, № 1. — С. 43-45.
8. Безопасный и эффективный метод обработки природной воды / Ю. М. Аверина, А. Ю. Курбатов, М. А. Ветрова, Г. Е. Калякина // Успехи в химии и химической технологии. — 2018. — Т. 32, № 1. — С. 54-56.
