Потребность в изучении ультразвука как одной из областей такой науки, как физика, было связано с потребностями морского флота. Начало изучению ультразвука заложил французский ученый Савар, который при определении предела слышимости человека обнаружил существование звуков, не воспринимаемых человеческим ухом. Более подробные исследования свойств ультразвука были начаты уже в XIX в. Большой скачок в развитии ультразвуковой техники произошел после открытия братьями Кюри в 1880 г. пьезоэлектрического эффекта. После открытия этого явления в 1883 г. был построен первый ультразвуковой генератор, а ультразвук стали использовать в различных областях техники.
9.1. Описание метода
По своей физической сути ультразвук представляет собой упругие колебания наподобие обычных звуковых, но с большей – от 20 до 106 кГц – частотой. Частотой колебаний обусловлены уникальные свойства ультразвука при его распространении в воде. Это проявляется в дисперсии (рассеивании) звука, а также в образовании зон разрежений и уплотнений, образующих своеобразную дифракционную картину.
Другая, чрезвычайно важная особенность ультразвука – достижение очень большой колебательной скорости при небольших амплитудах. Передаваемый ультразвуком поток энергии характеризуется высокой плотностью и вызывает кавитацию – цепную реакцию возникновения, роста и распространения каверн – пузырьков газа с высоким внутренним давлением. Микровзрывы кавитационных каверн, происходящие при их попадании в области локального разряжения, сопровождаются возникновением гидравлических ударов и новых газовых пузырьков. Кавитация в воде наступает уже при частоте колебаний 20 кГц и плотности потока энергии 0,3 Вт/см2.
Обеззараживание воды ультразвуком основано на использовании явления кавитации. Бактерицидное действие ультразвука сильно зависит от интенсивности колебаний. Для полного уничтожения патогенной микрофлоры, включая ряд спор и грибков, необходимы достаточно большие дозы поглощенной энергии, обеспечить которые при широком практическом применении метода затруднительно. Поэтому ультразвуковое воздействие целесообразно применять в комбинации с каким-либо другим видом обработки воды, например УФ-облучением.
В качестве примера реализации данного метода подготовки воды можно упомянуть серию установок «Лазурь-М» производства компании «Сварог», в которой излучение с длиной волны 253,7 и 185 нм воздействует на воду в комбинации с ультразвуковыми волнами.
9.2. Аппаратурное оформление
В технике ультразвук получают с помощью генераторов, которые можно условно разбить на две группы. К первой относятся механические излучатели, обладающие невысоким КПД и широким спектром излучаемых частот, что сильно ограничивает область их использования. Вторую, основную, группу ультразвуковых генераторов составляют преобразователи, 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.
Сдерживающим фактором применения обеззараживания ультразвуком является отсутствие нормативно подтвержденных критериев и методов контроля эффективности процесса.
Магнитострикционные излучатели представляют собой цилиндрические или кольцевые сердечники с обмоткой, через которую пропускается переменный электрический ток определенной частоты. Получение ультразвука средней и высокой частоты производится главным образом за счет использования пьезоэлектрического эффекта: колебания генерируются пластинами из специальных материалов (кристаллы кварца, ниобата лития и дигидрофосфата калия), на которые и воздействует переменное электрическое поле. Во всех видах излучателей для увеличения интенсивности излучения применяют ультразвуковую фокусировку, а для повышения амплитуды – концентраторы излучения. В этом проявляется их схожесть с рядом оптических приборов.
В настоящее время областями широкого применения ультразвука являются водоснабжение и водоподготовка. Кроме общих приемов обнаружения трещин и других повреждений в трубопроводах и технологическом оборудовании с помощью методов ультразвуковой дефектоскопии, ультразвук применяется в контрольно-измерительных приборах для определения и расхода жидкости в напорных и безнапорных каналах. Важное место занимает также ультразвуковая обработка оборудования для удаления минеральных отложений, обеззараживания питьевой воды и удаления из нее загрязнений. Один из примеров такого применения – удаление из воды примесей железа, марганца, а также растворенных газов. Ультразвуковое воздействие на воду предотвращает рост кристаллов нерастворимых солей до размеров, необходимых для их выпадения в осадок. При этом минеральные отложения не группируются на твердых поверхностях, а образуют мелкодисперсный шлам.
Очистка воды ультразвуком считается одним из новейших методов дезинфекции.
9.3. Положительные и отрицательные качества метода
На качество обеззараживание воды ультразвуком не влияют такие параметры, как высокая мутность и цветность воды, характер и количество микроорганизмов, а также наличие в воде растворенных веществ. Степень обеззараживания воды зависит только от интенсивности ультразвуковых колебаний.
Сдерживающим фактором применения этого метода является отсутствие нормативно подтвержденных критериев и методов контроля эффективности процесса обеззараживания.
В настоящее время проводятся работы по установлению зависимости степени инактивации различных групп микроорганизов от мощности ультразвукового воздействия, а также условий, влияющих на процессы обеззараживания.
Отсутствие нормативных документов, регламентирующих использование метода, а также большие затраты делают способ ультразвукового обеззараживания неконкурентоспособным для промышленного использования.