ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

Кавитация - это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. До недавнего времени перспективность применения эффектов кавитации в промышленности стояла под вопросом. Долгое время явление кавитации рассматривалось как отрицательное явление, связанное с эрозией поверхности устройств, работающих в условиях образования кавитации (насосы, судовые винты, детали турбин и тд.) [1].

Теперь кавитационные технологии нашли широкий ряд применений в различных областях промышленности. Это связано с высокой энергоэффективностью химико-технологических процессов, которые подвергаются кавитационной обработке, экологичностью проведения процесса, его простотой. Одно из главных достоинств метода заключается в том, что кавитационная обработка является полностью физическим процессом, и, следовательно, считается более безопасным по сравнению с аналогичными химическими методами. Кроме того отличается большей эффективностью и менее затратен.

Кавитационные технологии используются благодаря ряду проявлений, сопровождающих образование кавитации: эрозия твёрдого тела, очистка поверхностей, диспергирование твёрдых частиц, растворение, экстрагирование, эмульгирование, гомогенизация, пенообразование [2].

Кавитационная обработка имеет широкий ряд применения в промышленности, сельском хозяйстве, медицине [2, 3]:

В пищевой промышленности для гомогенизации и пастеризации молока, консервации пищевых эмульсий и суспензий с целью повышения срока хранения продукта, сохранения природных качеств, снижения микробов и повышения питательности.

В медицине используется благодаря своему бактерицидному действию, также способствует проникновению антибиотиков, лекарственных веществ к очагу поражения, улучшает кровообращения, стимулирует регенеративные процессы.

В сельском хозяйстве, используя кавитационно-обработанную воду, наблюдается рост урожайности культур и снижение их заболеваемости, что связано с повышенным содержанием кислорода в воде. Кроме этого, кавитацией осуществляется обработка отходов растениеводства с целью получения высокопитательных кормовых смесей и удобрений.

 В нефтяной промышленности кавитационная обработка позволяет увеличивать выход более лёгких фракций нефти, и как следствие уменьшение температуры перегонки нефти, снижать вязкость мазута. Воздействие кавитацией на смазочно-охлаждающие жидкости повышает их качество и снижает затраты на производство.

В других областях данная обработка используется для очистки внутренних поверхностей оборудования от загрязнений и накипи, для помола твёрдых частиц, производства биогаза, обогрева помещений и др.

Одним из перспективных направлений рассматривается кавитационная водоподготовка. Вода применяется во всех сферах человеческой деятельности с самым разнообразным назначением. Применяется кавитационная технология обеззараживания и дистиллирования воды, не требующая предварительной химической или механической подготовки.

 Проведём сравнительный анализ и обозначим преимущества кавитационной обработки воды перед другими химическими и физическими способами [4].

Обработка хлором: этот способ является наиболее распространённым, так как хлор относительно невелик в цене. Недостатки: к хлорированию устойчивы микобактерии, цисты вирусов; кроме того, хлорирование питьевой воды вызывает высокие уровни мутагенной активности и токсичности, хлор способен замещать бром и йод, который необходим организму; обнаруживаются побочные продукты высокой генотоксичностью.

Обработка УФ: является безреагентным и экологически чистым. К недостаткам относятся: высокая степень прозрачности воды, требуется отсутствие взвесей; малоэффективно при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей, плесени; способ трудозатратен, химическая чистка требует квалификации работников и химический реактивов.

Обработка с применением эффекта кавитации лишена этих недостатков; она менее энергозатратна и является самым дешёвым способом: затраты на УФ обработку в 1,7 раз больше, на хлорирование – 3.5 раза, озонирование – в 10 раз превышает затраты, чем на кавитационную обработку [5].

 С возникновением кавитационных пузырьков и изменением их размеров в процессе развития кавитации меняются физические и акустические свойства жидкости. Рассмотрим это явление на примере воды:

При схлопывании кавитационного пузырька вода диссоциирует:

H₂O → H⁺ + OH⁺                                            (1)

 H⁺ + H⁺ → H₂                                             (2)

       OH^- + OH^- → H₂O₂                                          (3)

(При гидродинамической обработке воды изменяются её физико-химические свойства и сохраняются до 7-12 суток (рисунок 1) [4-7].

Вода насыщается кислородом за счёт гидродинамического кавитационного термолиза воды, меняет своё энергетическое состояние, получает дополнительные степени свободы, повышает усвоение клетками организма, ускоряет выведение шлаков. Кавитационная обработка позволяет наиболее глубоко очищать воду, сохраняя при этом биологически важные микроэлементы. Эффективность бактерицидного воздействия зависит от интенсивности кавитации и времени воздействия. На эффективность не влияет качество исходной жидкости: мутность, солевой состав, цветность, запах и тд. Бактерии подвергаются одновременно гидродинамическому, тепловому и ударному воздействию кавитации, что приводит к разрушению их оболочек и гибели.

Рисунок 1. Значения водородного показателя общей жёсткости для исследуемых образцов воды

Кроме того, кавитация способствует диспергированию коллоидов и частиц, где могут находиться микроорганизмы, комплексы неорганических и органических соединений, вместе с тем оставляя их беззащитными перед другими факторами кавитационного воздействия: химическими, физическими и электрическими. Наиболее интенсивное уничтожение микроорганизмов приходится на момент начала кавитации, а полное обеззараживание происходит при равномерном распределении кавитационных зон. Степень обеззараживания достигается: по яйцам и личинками - 100%, бактериям - 99.9%, вирусы - 99.97%. Обработка хлором - 92%, УФ – 46.6%, озонированием - 97.8%.

Таким образом, подверженная кавитационной обработке вода многократно проходит совместному термобарическому и электромагнитному воздействию, Кавитационная обработка жидкости способствует ее активации, изменяет физико-химические свойства, интенсифицирует химико-технологические процессы. После кавитационной обработки чистая питьевая вода становится «мягкой» и «лечебной», у неё происходит структурные изменения. [2, 4]. В результате использования эффекта кавитации практически полностью обезвреживаются в воде микробиологические примеси. То есть происходит обеззараживание воды без применения хлорирования и озонирования. Доказана высокая эффективность бактерицидного действия гидродинамической кавитации при минимальных энергетических и экономических затратах.