Ультразвук в водоподготовке
Опубликовано: 04 декабря 2015 г.
3813
Ультразвук в системах водоснабжения применяется для обнаружения трещин и других повреждений на трубопроводах и технологическом оборудовании с помощью методов ультразвуковой дефектоскопии, находит также применение в контрольно-измерительных приборах для определения уровня жидкости в резервуарах и для установления скорости течения воды в напорных и безнапорных каналах (ультразвуковые водосчетчики). Ультразвуковая обработка оборудования используется для удаления минеральных отложений. В водоподготовке ультразвук применяется для обеззараживания питьевой воды и удаления из нее примесей и загрязнений.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
По своей физической сущности ультразвук представляет собой упругие волны наподобие обычных звуковых волн, но с большими частотами от 15 кгц до 106 кгц. Такие частоты колебаний придают ультразвуку уникальные возможности по своему распространению и затуханию в воде. Это проявляется в дисперсии звука, а также в образовании зон разряжений и уплотнений. Эти зоны образуют своеобразную дифракционную решетку, на которой происходит дифракция световых волн в оптически прозрачных средах, например, чистой воде.
Другая особенность ультразвука – большая интенсивность колебаний при небольших амплитудах. Это приводит к высокой плотности потока энергии, которая вызывает в воде явление кавитации – рост пузырьков газа в воде. В этих пузырьках возникают области высоких давлений и локальных разряжений. Кавитация в воде наступает уже при частоте колебаний 20 кгц и плотности потока энергии 0,3 Вт/см2. При больших частотах – 100–10 000 кгц и интенсивности в несколько Вт/см2 происходит образование фонтана или тумана.
Ультразвук получают с помощью генераторов, которые можно условно разбить на две группы. К первой группе относятся механические излучатели, однако они обладают невысоким КПД и широким спектром излучаемых частот, что сильно ограничивает область их использования. Ко второй, основной группе ультразвуковых генераторов относятся все виды преобразователей, которые тем или иным способом преобразуют электрические колебания в механические.
Для получения низкочастотных колебаний используются электрические излучатели, работающие на основе эффекта магнитострикции с сердечниками из никеля, ферритов и других сплавов. Магнитострикционные излучатели представляют собой цилиндрические или кольцевые сердечники с обмоткой, на которую подается переменный электрический ток определенной частоты. Получение ультразвука средней и высокой частот производится главным образом за счет пьезоэффекта при использовании кристаллов кварца, ниобата лития и дигидрофостфата калия. Такие излучатели представляют собой пластины из этих материалов, к которой подведены электрические провода для подачи переменного электрического тока. Во всех видах излучателей для увеличения интенсивности излучения применяют ультразвуковую фокусировку, а для увеличения амплитуды – концентраторы ультразвукового излучения.
Очистка воды от примесей
На кавитации, вызываемой ультразвуковым воздействием, основан метод удаления из воды примесей железа, марганца, а также растворенных газов. В нем применяется механический ультразвуковой генератор, выполненный в виде эжектора. При протекании воды через этот эжектор образуется паровоздушная смесь со скоростью распространения, превышающей звуковой барьер. Это вызывает кавитацию и приводит к дроблению воды до субмикронных размеров с резким уменьшением, вплоть до 1 мин, времени окисления кислородом воздуха двухвалентного железа (Fe +2) до трехвалентного (Fe +3). При этом также окисляются примеси марганца. Это связано с тем, что скорость распространения звуковых волн в водновоздушной среде сильно падает и достигает минимума при 27 м/с (около 97 км/ч). Поэтому сверхзвуковые скорости в эжекторе, разработанном фирмой «Тензор» (Дубна, Московская обл.), могут быть достигнуты при невысоких давлениях в водонапорной линии, которые обычно составляют всего 2,5–3,0 атм.
Ультразвуковое обеззараживание
Одним из способов обеззараживания воды в процессе водоочистки и обработки стоков является ультразвуковая обработка, которая основана также на использовании кавитации, вызванной ультразвуком. Образование высоких давлений при протекании кавитации приводят к разрыву оболочек клеток микроорганизмов и их дальнейшей гибели. Важной особенностью ультразвукового обеззараживания питьевой воды является то, что бактерицидное действие ультразвука чрезвычайно сильно зависит от интенсивности колебаний. Для полного уничтожения патогенной микрофлоры, включая ряд споров и грибков, необходимы достаточно большие дозы поглощенной энергии. В ряде случаев это очень затруднительно, и поэтому для широкого практического применения используется комбинированное воздействие на воду, включающее ультразвуковое и УФ облучение. Примером может служить серия установок «Лазурь–М» производства компании «Сварог» (Москва), в которой использовано УФ излучение с максимумами 253,7 и 185 нм совместно с ультразвуковым воздействием. Эти установки выпускаются в модульном исполнении производительностью от 0,5 до 50 м3/ч и используются как в отдельных коттеджей, так и в населенных пунктах и на промышленных предприятиях.
Разрушение органических загрязнений воды
Недавно в университете Purdue (США) был разработан эффективный метод использования ультразвука для очистки воды, который заключается в разрушение примесей органического происхождения под действием кавитации, сопровождающейся сонолюминесценцией. Суть этого явления заключается в том, что в лопающемся пузырьке при высоких температурах и давлении находится газ, который светится. Этого излучения в сочетании с температурным и манометрическим воздействием оказывается достаточно для разрушения примесей органического происхождения. Предполагается, что ультразвуковые технологии в будущем будут удачной альтернативой традиционным методам, использующим хлор и озон. Дело в том, что под воздействием этих соединений происходит обеззараживание и очистка воды, но также образуются различные органические соединения, обладающие токсичностью. Ожидается, что в результате такой обработки органические примеси распадаются на относительно безвредные компоненты. Разработчики считают несомненными преимуществами этого метода отсутствие химических реагентов и легкость его применения на практике.
Рис. 1 Ультразвуковые преобразователи, применяющиеся в составе ультразвуковых водосчетчиков.
Рис. 2 Ультразвуковой противонакипной аппарат «ЗЕВСОНИК В-2»
Рис. 3 Установка для обеззараживания воды комбинированным воздействием ультразвука и ультрафиолетового облучения «Лазурь М 250».
Статья из журнала «Аква-Терм» ноябрь-декабрь, № 6 (88), 2015. Рубрика «Водоснабжение и водоподготовка»
