Использование кавитационного эффекта в ходе очистки воды

Using cavitation effect for water purification

Ilia Chenskij

graduate Student , Department of Water Supply and Wastewater, Academy of Civil Engineering and Architecture of DSTU, Russia, Rostov-on-Don

Аннотация. На сегодняшний день задача охраны окружающей среды с использованием безреагентных методов очистки воды носит актуальный характер. В рамках экспериментальных исследований описаны серии опытов с применением кавитационного эффекта в высокоскоростных потоках очищаемой жидкости и соответствующим образованием пузырьков слабоионизированного газа. Подтверждено образование химически активных радикалов, способствующих окислению примесей органической и неорганической природы в воде.

Abstract. Today the problem of protection the environment using non-reagent methods of water purification is topical. Experimental studies have described series of experiments using the cavitation effect in high-velocity liquid flows and the corresponding formation of bubbles of a weakly ionized gas. The formation of chemically active radicals promoting the oxidation of impurities of organic and inorganic nature in water has been confirmed.

Ключевые слова: кавитация, очистка, вода.

Keywords: cavitation, water treatment, water.

Минимизация пагубного воздействия промышленных продуктов и сточных вод хозяйственной жизнедеятельности людей является предметом повышенных исследований в мире современной экологии. С целью создания оптимальных экологических условий разрабатываются новые экологически безопасные технологии очистки сточных вод. Одним из перспективных методов очистки является извлечение тяжелых металлов и обеззараживание воды путем применения кавитации в потоках очищаемой жидкости.

Явление кавитации представляет собой локальное понижение уровня давления в жидкости ниже давления насыщенного пара в ходе её прохождения через кавитационное устройство. Таким образом, в области локального понижения давления, в жидкости происходит образование микроскопических кавитационных пузырьков. В области локального повышения давления наблюдается их схлопывание с последующим образованием ударных волн, приводящих к краткосрочному повышению температуры и уровня давления до 2500 ^оС и 100 атм, соответственно.

Ударные волны являются причиной разрыва молекулярных связей воды и образования частиц ОН. Затем атомы водорода и гидроксил радикалы комбинируются, образуя молекулярный водород и перекись водорода. На основании этого, при наличии в воде примесей неорганической и органической природы, возможно их окисление.

В технической практике при кавитационных процессах в диэлектрических каналах возможно возникновение электризации жидкостей и эмульсий. Причина данного явления обусловлена накоплением заряда статического электричества на границе раздела жидкости и стенок канала. Последующее перемещение заряда с поверхности проводника в поток диэлектрической жидкости характеризуется образованием слабоионизированной плазмы с насыщенно синим свечением [1].

Явление кавитации с образованием плазмы обеспечивает повышенное обезвреживание очищаемой воды и на ряду с этим улучшает эффект ультрафиолетового излучения, озона и электрического поля. Данное воздействие может представляться весьма эффективным. Созданные в необходимом количестве активные частицы интенсифицируют окислительные процессы органических веществ до форм, подверженных биоразложению, увеличивают число извлеченных ионов тяжелых металлов и способствуют гибели патогенных микроорганизмов.

При использовании металлического шнека и капилляра диаметром 1,5 мм обнаруживаются полосы излучения гидроксильной группы и интенсивные линии излучения атомарного водорода, окрашенные в синий цвет. В этих же спектрах люминесценции наблюдается излучение однократно ионизованных атомов кислорода в сине-фиолетовой области спектра.

При скорости потока в канале 60 м/с, проводимости воды 0,04 мкС/см², при входной нагрузке 1 МОм регистрируются электромагнитные импульсы (рис. 1).

Сигналы, фиксируемые в рамке э.д.с., соответствуют вспышкам люминесценции микроразрядов в ячейке. Время между импульсами составляет 10 мкс. Затухающие периодические осцилляции сигнала регистрируются параметрами колебательного контура, состоящего из последовательно соединенных индуктивной катушки, сопротивления и емкости входного каскада осциллографа. На основании вида сигнала, считываемого датчиком с малой индуктивностью, характерную длительность электромагнитного импульса можно представить величиной 10 нс.

Исследования, проводимые в данной области, преследуют обнаружение снятых спектров химически активных частиц, способных оказать интенсифицирующее воздействие на окислительно-восстановительные процессы в водной среде. Результаты демонстрируют, что в спектре люминесценции отмечаются полосы излучения гидроксил-радикала, насыщенные линии излучения атомарного водорода и кислорода. В середине потока на участке от закручивающего устройства до расширительной камеры формируется парогазовая пустота цилиндрической формы.

Рисунок 1. Электромагнитные импульсы, регистрируемые датчиком

Люминесценция прослеживается вдоль всей оси конфузора, принимая максимум в капилляре. Спектр люминесценции определяется в точке входа в капилляр, где свечение характеризуется наибольшей яркостью при визуальном наблюдении.

Наличие в спектрах люминесценции линий таких высокоактивных частиц, как ОН-радикалы, пероксид водорода (H₂O₂), O^2- и O^- указывает на возможность применения данного метода в целях уничтожения органических веществ, содержащихся в жидких средах. Кроме того, зафиксированы электрические импульсы, обусловленные нестационарным потоком заряженных частиц, индуцирующих э.д.с. в приемной антенне. Несмотря на причины появления зарядов, перемещение заряженных частиц по каналу определяет ток, приводящий посредством индукции к сигналу э.д.с. Известно, что эффект кавитации оказывает влияние на процессы окисления ионов металлов и образование их плохо растворимых соединений, которые могут быть легко удалены из обрабатываемой воды [2].

На основании выше изложенного можно сделать заключение, что конструкция кавитационной ячейки способна интенсифицировать окислительно-восстановительные процессы в жидкости за счёт создания трибоэлектрических эффектов. Совместное воздействие кавитации и образования слабоионизированного газа может порождать удваивающий деструктивный эффект поотношению к загрязняющим веществам и микроорганизмам в воде.