Una panoramica della tecnologia ad ultrasuoni nella purificazione dell'acqua

Di Matthew Taylor, ricercatore associato e scrittore presso Save The Water ™ | 30 marzo 2021

 

Non tutte le tecnologie di purificazione dell’acqua soddisfano efficacemente una determinata situazione. Ad esempio, la loro capacità di rimuovere alcuni contaminanti dall’acqua, il loro costo e la loro capacità li limitano. Abbiamo bisogno di nuove tecnologie per affrontare questi problemi. La tecnologia ad ultrasuoni potrebbe fornire una soluzione.

 

Cos'è la tecnologia ad ultrasuoni?

La tecnologia ad ultrasuoni funziona sulla base delle onde ultrasoniche. Si tratta di onde ad alta frequenza troppo alte per essere udite da un essere umano, generalmente 20 kilohertz e oltre. I dispositivi a ultrasuoni producono queste onde, che viaggiano attraverso l'acqua come onde di pressione. Dispositivi chiamati trasduttori convertono l'energia elettrica in vibrazioni. I trasduttori producono molto spesso queste onde.

 

Esistono due tipi di trasduttori: trasduttori piezoelettrici e trasduttori magnetostrittivi. Nei trasduttori piezoelettrici, la vibrazione viene creata utilizzando cristalli piezoelettrici. Questi cristalli vibrano quando l'elettricità li attraversa. Con i trasduttori magnetostrittivi, la corrente elettrica passa attraverso le bobine, che formano un campo magnetico. Di conseguenza, il nucleo del trasduttore si espande e si contrae.

 

Come funziona per purificare l'acqua?

I dispositivi ad ultrasuoni producono onde di pressione. Queste onde sono costituite sia da pressione positiva che negativa, che si alternano in cicli. Nell'acqua, quando la pressione supera la resistenza dell'acqua , cioè la sua capacità di resistere ad una forza che tende a disgregarla, inizia a verificarsi un processo chiamato cavitazione.

 

Durante la cavitazione le bolle si formano, crescono e poi implodono. La pressione e la temperatura raggiungono livelli enormi all'interno delle bolle. Quando implodono, rilasciano una grande quantità di energia sotto forma di onda d'urto. Queste onde d'urto possono frantumare la materia organica. Pertanto, la tecnologia ad ultrasuoni può affrontare l'inquinamento batterico e algale nell'acqua. Potremmo utilizzare la tecnologia ad ultrasuoni, ad esempio, per mitigare le dannose fioriture algali nei Grandi Laghi.

 

Le onde ultrasoniche possono essere prodotte in modo continuo o tramite un impulso. Nel trattamento dell'acqua, vengono spesso prodotti in continuo per poter purificare l'acqua in modo più efficace. Le bolle che si formano con le onde ultrasoniche pulsanti producono meno energia quando scoppiano, rendendole meno efficaci.

 

Quali sono i vantaggi dell'utilizzo della tecnologia ad ultrasuoni nella purificazione dell'acqua?

La tecnologia ad ultrasuoni presenta numerosi vantaggi nella purificazione dell'acqua:

Riduzione della torbidità: la torbidità si riferisce a quanto è limpida l'acqua. La tecnologia ad ultrasuoni può aiutare a rendere l'acqua meno torbida, riducendone la torbidità. Uno studio del 2011 ha rilevato che le onde ultrasoniche possono ridurre la torbidità fino al 76%.

Disinfezione dell'acqua: le onde ultrasoniche sono altamente efficaci nell'affrontare la contaminazione batterica e algale nell'acqua. Le bolle che si formano durante il processo di cavitazione raggiungono una temperatura dell'ordine di migliaia di gradi e una pressione dell'ordine di migliaia di atmosfere. L’implosione risultante e la conseguente onda d’urto, lo stress e l’improvviso cambiamento di temperatura uccidono i batteri. Di conseguenza, ciò limita la capacità dei batteri di riprodursi. Uno studio del 1997, ad esempio, ha scoperto che dopo 15 minuti di esposizione agli ultrasuoni, l’80% dei batteri E. coli presenti nell’acqua potabile moriva.

Degradazione degli inquinanti organici: la tecnologia a ultrasuoni può abbattere contaminanti organici diversi da batteri e alghe. Può anche abbattere gli inquinanti organici come pesticidi, fenoli e persino esplosivi. Uno studio del 2004, ad esempio, ha scoperto che le onde ultrasoniche hanno degradato quasi completamente alcuni idrocarburi, tra cui naftalene e acenaftilene, presenti nell’acqua.

Sviluppi futuri per la tecnologia ad ultrasuoni

La tecnologia a ultrasuoni presenta anche degli inconvenienti che i ricercatori devono affrontare prima che possa diventare più diffusa: 

Nuova tecnologia: i ricercatori devono svolgere più indagini e analisi per rendere più semplice la progettazione dei sistemi a ultrasuoni. È necessario sviluppare ulteriormente modelli di dati teorici per standardizzare la progettazione dei dispositivi a ultrasuoni. Potremo aumentare l'uso dei dispositivi a ultrasuoni una volta sviluppati questi modelli. Ancora più importante, questo ci consentirà di ampliarli per purificare maggiori volumi di acqua.

Costi proibitivi: le tecnologie a ultrasuoni possono avere costi di manutenzione elevati. Ciò è dovuto alla manutenzione e sostituzione della sonda ecografica, che si danneggia durante l'attività ultrasonica.

Possono rompersi facilmente: se i dispositivi a ultrasuoni si rompono, potrebbe essere necessario che uno specialista li ripari. Questo requisito può lasciare un'area senza trattamento dell'acqua per un certo periodo. Pertanto, le tecnologie più convenienti e più facili da riparare sono molto più comuni.

Si spera che la tecnologia a ultrasuoni diventi più accessibile, affidabile e conveniente. Questa tecnologia è un altro strumento prezioso che possiamo utilizzare per rendere l’acqua più pulita per tutti.