Широкомасштабний пластир з ультразвуком
Будь то обстеження на вагітність, діагностика захворювань у важкодоступних частинах тіла або тестування матеріалів - медицина та технології вже неможливо уявити без ультразвуку. Зараз відкриваються нові області застосування для звукових хвиль з частотами, що перевищують поріг слуху: при очищенні очисних споруд та колодязях питної води.
Якщо водний розчин опромінюють ультразвуком, постійна зміна тиску призводить до незліченних бульбашок розміром кілька мікрометрів, які заповнюються сумішшю водяної пари та інших газів. Протягом частки секунди ці мікропухирці зростають у багато разів від початкових розмірів і нарешті розкладаються. Це створює так звану гарячу точку з температурою близько 5000 градусів Цельсія і тиском до 500 бар. Фізики називають це явище кавітацією.
Багато чого можна зробити за допомогою пекельних сил, що працюють: наприклад, видалення токсичних хімічних речовин зі стічних вод або очищення стічних вод. У Технічному університеті Гамбург-Гарбург професор Уве Нейс та його колеги досліджують використання ультразвуку в управлінні водою. Найдосконалішим є його застосування на очисних спорудах. Там величезна кількість бактерій, поодиноких клітин і дрібних багатоклітинних організмів постійно зростає в біологічних очисних басейнах, які очищають скинутий стічний стік з додаванням кисню. Оскільки маленькі помічники розмножуються, велика кількість надлишкової біомаси, «надлишок мулу».
Лікування ультразвуком дозволяє надлишковим організмам руйнуватися швидше і ретельніше. У той час як на звичайних очисних спорудах лише близько половини мулу перетворюється на біогаз, обробка ультразвуком збільшує врожайність до 75 відсотків. Дослідження на очисних спорудах в Дахау показало, що шляхом перетворення біогазу в електроенергію може бути вироблено в чотири рази більше електричної енергії, ніж потрібно для роботи ультразвукового приладу. І чим більший оборот біогазу, тим менша кількість мулу стічних вод, який доводиться утилізувати великими витратами.
При обробці шламу стічних вод використовується механічний ефект кавітації - утворення порожнин. Високі температури, коли мікробульбашки розпадаються, навпаки, особливо придатні для приведення в дію хімічних процесів. Як і в крихітних піролізних печах, з'єднання макромолекул розтріскуються. З води можна видалити навіть високотоксичні речовини, такі як хлорбензол, поліароматичні вуглеводні та багато пестицидів. Гамбургські дослідники змогли довести, що ніяких інших токсичних хімічних речовин не виробляється.
Цей відносно простий процес детоксикації зустрів великий інтерес у промисловості, де до цього часу основна увага приділялася використанню хімічних речовин для детоксикації стічних вод. Метод також пропонує переваги для операторів сміттєзвалищ, у вимивних ямах яких часто накопичується небезпечний коктейль токсичних речовин.
Ультразвукова технологія підходить не тільки для очищення стічних вод, але і для виробництва питної води. У Німеччині є близько 100 000 свердловин, з яких відкачують підземні води. Але кількість води, що відкачується з глибини, з часом зменшується, оскільки плівки з біологічних речовин закупорюють вхідні отвори у стволі свердловини та навколишні шари гравію. Крани для питної води необхідно регулярно мити, щоб вода могла продовжувати бурбати. На сьогодні для цього застосовували механічні або хімічні методи. Поширене введення розведеної соляної кислоти, яка розчиняє домішки. Потім знову відсмоктується брудною рідиною.
У спільному проекті з Німецьким федеральним екологічним фондом Інститут досліджень води та водних технологій ESWE у Вісбадені проводить випробування, які свердловини для питної води підходять для регенерації за допомогою ультразвуку. На довгому сталевому тросі дослідники опускають у стовби свердловини кілька потужних сонотродів - генераторів для генерації ультразвуку. Вже через кілька хвилин ультразвукової обробки отвори для впуску та невеликі водні канали між галькою звільняються від усіх відкладень. "Ультразвукове очищення є екологічно чистим, оскільки в свердловини не потрібно заливати хімікати", - говорить Рольф-Дітер Вілкен, керівник ESWE. "Крім того, звукові хвилі зменшують кількість бактерій у стовбурі свердловини, тому біоплівки не утворюються знову так швидко".
Генератор звукової хвилі вже працює на станції очищення питної води на дамбі Ванбах поблизу Зігбурга. "Це означає, що ми можемо майже повністю видалити плавучі організми з сирої води", - пояснює Юрген Клазен, керівник лабораторії заводу. Особливо в теплі місяці велика кількість такого планктону часто розвивається у стоячих водах, таких як водойми. До цього часу робилися спроби зв’язати його у пластівці, додавши солі заліза або алюмінію, а потім утримати у піщаних фільтрах. Однак у багатьох мікроорганізмів є один або кілька ниткоподібних відростків тіла, які допомагають їм рухатися по воді. Тож вони проскакують через сітку пластівців і потрапляють у труби питної води. З іншого боку, звукові хвилі з частотою близько 40 кілогерц не дають небажаним організмам шансів: вони також виводять з ладу мобільний планктон.