Przegląd technologii ultradźwiękowej w oczyszczaniu wody

Autor: Matthew Taylor, badacz i pisarz w Save The Water ™ | 30 marca 2021 r

 

Nie każda technologia oczyszczania wody jest skutecznie dopasowana do danej sytuacji. Na przykład ich zdolność do usuwania niektórych zanieczyszczeń z wody, ich koszt i wydajność ograniczają je. Aby rozwiązać te problemy, potrzebujemy nowych technologii. Rozwiązaniem może być technologia ultradźwiękowa.

 

Co to jest technologia ultradźwiękowa?

Technologia ultradźwiękowa działa w oparciu o fale ultradźwiękowe. Są to fale o wysokiej częstotliwości, które są zbyt wysokie, aby człowiek mógł je usłyszeć, zwykle o częstotliwości 20 kiloherców i wyższej. Urządzenia ultradźwiękowe wytwarzają te fale, które przemieszczają się w wodzie jako fale ciśnienia. Urządzenia zwane przetwornikami przekształcają energię elektryczną w wibracje. Przetworniki najczęściej wytwarzają te fale.

 

Istnieją dwa rodzaje przetworników: przetworniki piezoelektryczne i przetworniki magnetostrykcyjne. W przetwornikach piezoelektrycznych wibracje powstają za pomocą kryształów piezoelektrycznych. Kryształy te wibrują, gdy przepływa przez nie prąd. W przetwornikach magnetostrykcyjnych prąd elektryczny przepływa przez cewki, które tworzą pole magnetyczne. W rezultacie .rdzeń przetwornika rozszerza się i kurczy

 

Jak działa oczyszczanie wody?

Urządzenia ultradźwiękowe wytwarzają fale ciśnienia. Fale te składają się z dodatniego i ujemnego ciśnienia, które zmieniają się w cyklach. W wodzie, gdy ciśnienie przekracza wytrzymałość wody na rozciąganie, czyli jej zdolność do przeciwstawienia się sile, która ma tendencję do jej rozrywania, zaczyna zachodzić proces zwany kawitacją.

 

Podczas kawitacji pęcherzyki tworzą się, rosną, a następnie implodują. Wewnątrz pęcherzyków ciśnienie i temperatura osiągają ogromne poziomy. Kiedy implodują, uwalniają dużą ilość energii w postaci fali uderzeniowej. Te fale uderzeniowe mogą rozbić materię organiczną. Dlatego technologia ultradźwiękowa może uporać się z zanieczyszczeniami bakteryjnymi i glonami w wodzie. Moglibyśmy na przykład zastosować technologię ultradźwiękową, aby złagodzić szkodliwe zakwity glonów w Wielkich Jeziorach.

 

Fale ultradźwiękowe mogą być wytwarzane w sposób ciągły lub impulsowy. W uzdatnianiu wody są one częściej produkowane w sposób ciągły, dzięki czemu mogą skuteczniej oczyszczać wodę. Pęcherzyki powstające w wyniku pulsujących fal ultradźwiękowych wytwarzają mniej energii po pęknięciu, co czyni je mniej skutecznymi.

 

Jakie są korzyści ze stosowania technologii ultradźwiękowej w oczyszczaniu wody?

Technologia ultradźwiękowa ma kilka zalet w oczyszczaniu wody:

Redukcja zmętnienia: Zmętnienie odnosi się do przejrzystości wody. Technologia ultradźwiękowa może pomóc zmniejszyć zmętnienie wody, obniżając jej zmętnienie. Badanie przeprowadzone w 2011 roku wykazało, że fale ultradźwiękowe mogą zmniejszyć zmętnienie aż o 76%.

Dezynfekcja wody: Fale ultradźwiękowe są bardzo skuteczne w usuwaniu zanieczyszczeń bakteryjnych i glonów w wodzie. Pęcherzyki powstałe w procesie kawitacji osiągają temperaturę rzędu tysięcy stopni i ciśnienie rzędu tysięcy atmosfer. Powstała implozja, a następnie fala uderzeniowa, stres i nagła zmiana temperatury zabijają bakterie. W efekcie ogranicza to . zdolność bakterii do reprodukcji Na przykład badanie przeprowadzone w 1997 roku wykazało, że po 15 minutach ekspozycji na ultradźwięki 80% bakterii E. coli w wodzie pitnej zginęło.

Degradacja zanieczyszczeń organicznych: Technologia ultradźwiękowa może rozkładać zanieczyszczenia organiczne inne niż bakterie i glony. Może również rozkładać zanieczyszczenia organiczne, takie jak pestycydy, fenol, a nawet materiały wybuchowe. Na przykład badanie przeprowadzone w 2004 roku wykazało, że fale ultradźwiękowe niemal całkowicie rozkładają w wodzie niektóre węglowodory, w tym naftalen i acenaftylen.

Przyszły rozwój technologii ultradźwiękowej

Technologia ultradźwiękowa ma również wady, którymi badacze muszą się zająć, zanim stanie się bardziej powszechna: 

Nowa technologia: Naukowcy muszą przeprowadzić więcej badań i analiz, aby ułatwić projektowanie systemów ultradźwiękowych. Muszą dalej rozwijać teoretyczne modele danych, aby ujednolicić projektowanie urządzeń ultradźwiękowych. Gdy opracujemy takie modele, będziemy mogli zwiększyć wykorzystanie urządzeń ultradźwiękowych. Co najważniejsze, umożliwi nam to zwiększenie ich skali w celu oczyszczenia większych ilości wody.

Nieopłacalne: technologie ultradźwiękowe mogą wiązać się z wysokimi kosztami konserwacji. Dzieje się tak na skutek konserwacji i wymiany sondy ultradźwiękowej, która ulega uszkodzeniu w trakcie działania ultradźwięków.

Łatwo się psują: jeśli urządzenia ultradźwiękowe się zepsują, ich naprawa może wymagać specjalisty. Wymóg ten może spowodować, że dany obszar będzie przez jakiś czas pozbawiony uzdatniania wody. Dlatego znacznie powszechniejsze są technologie, które są tańsze i łatwiejsze w naprawie.

Mamy nadzieję, że technologia ultradźwiękowa stanie się bardziej dostępna, niezawodna i niedroga. Ta technologia to kolejne cenne narzędzie, którego możemy użyć, aby woda była czystsza dla wszystkich.