Содержание
- Механизм очистки ультразвуком
- Практическое применение ультразвуковых излучателей
- Ограничения и рекомендации по применению
- Преимущества ультразвука
- Влияние ультразвука на человека: аспекты безопасности
Ранее мы писали о проблеме обрастания кварцевых чехлов УФ-ламп и том, как это влияет на эффективность УФ-обеззараживания, а также о методах очистки и удаления минеральных отложений – механической очистке, химической промывке и использовании ультразвука. Ниже рассмотрим последний метод поподробнее – как он работает, в чем его преимущества (и ограничения), а также особенности эксплуатации УЗ-генераторов.
В целом, ультразвук широко используется в различных областях промышленности, благодаря способности бережно удалять загрязнения без механического воздействия – в медицине и стоматологии, микроэлектронике, оптике и других. Эта технология особенно востребована там, где требуется бесконтактная очистка хрупкого инструмента, деталей, приборов.
Механизм очистки ультразвуком
Принцип работы ультразвуковых волн основан на создании механических колебаний с частотой, превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха (выше 20 кГц) и их распространении в среде в виде волн, переносящих энергию.
Кавитация — ключевой механизм очистки
При достижении определенной интенсивности ультразвука (обычно в диапазоне частот 20–100 кГц) в жидкости возникают области пониженного давления, где образуются микроскопические пузырьки газа или пара, известные как кавитационные пузырьки.
Они быстро схлопываются под действием окружающего давления, генерируя локальные ударные волны (до 1000 атмосфер). Это разрушает кристаллические структуры минеральных отложений и препятствует их осаждению.
При этом в момент схлопывания происходят кратковременные температурные всплески (до 5000 К в момент схлопывания). И хотя в воде этот эффект быстро гасится, они также усиливают разрушение отложений.
Кавитация особенно эффективна против карбонатных отложений магния и кальция (CaCO₃, MgCO₃), оксидов металлов и органических загрязнений.
Акустические течения и микровибрация
Ультразвуковые волны создают в жидкости направленные потоки (акустические течения), которые усиливают турбулентность, предотвращая осаждение частиц на поверхности кварца. Они дополняют кавитационное воздействие, обеспечивая равномерную очистку поверхности и замедляя формирование новых отложений.
Антибактериальное воздействие
Помимо воздействия на минеральные отложения есть свидетельства того, что ультразвуковые волны могут воздействовать и на микроорганизмы. Высокочастотный ультразвук (80–100 кГц) способен повреждать их клеточные мембраны за счет механических напряжений. Это нарушает метаболизм бактерий, подавляя рост биопленок, а также снижая их адгезию к поверхности кварца. На этот эффект указывает ряд публикаций [1-6].
При этом частотный режим имеет принципиальное значение для возникновения того или иного эффекта. Низкие частоты (20–40 кГц) вызывают интенсивную кавитацию и оптимальны для удаления твердых минеральных отложений. А высокие частоты (80–100 кГц) генерируют меньше кавитации, но создают мощные акустические течения и более выраженное антибактериальное воздействие.
Практическое применение ультразвуковых излучателей
Ультразвуковые волны создаются с помощью пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей. Эти устройства преобразуют электрическую энергию в механические колебания. Конструктивно системы представляют из себя УЗ-преобразователь, генерирующий колебания, и источник питания.
Ультразвуковые излучатели устанавливаются непосредственно в камере УФ-обеззараживания или на подводящих трубах и работают параллельно с УФ-установкой в непрерывном режиме.
Ограничения и рекомендации по применению
Несмотря на преимущества, при использовании ультразвуковой очистки необходимо учитывать ряд ограничений и рекомендаций:
- Качество материала: Кварцевые чехлы должны быть изготовлены из высококачественного материала без микротрещин, так как ультразвук может ускорить их развитие.
- Жесткость воды: метод неэффективен для очень жесткой воды (≥10 мг-экв/л или ≥500 мг/л CaCO₃). Но справедливости ради, при такой жесткости само применение УФ-обеззараживания невозможно без предварительной очистки.
Преимущества ультразвука для очистки кварцевых чехлов
Среди главных преимуществ УЗ-очистки – низкие временные и трудозатраты на обслуживание. Процесс экономичен и безопасен, а также:
- Ультразвуковая очистка может осуществляться без остановки УФ-установки, обеспечивая непрерывность процесса обеззараживания.
- В процессе очистки не используются химические реагенты, что делает технологию экологически безопасной.
- Ультразвуковые системы характеризуются низким потреблением энергии (обычно 10–100 Вт на излучатель).
- Отсутствие механического воздействия на кварцевые чехлы уменьшает их абразивный износ, увеличивая их срок службы.
Влияние ультразвука на человека: аспекты безопасности
Ультразвуковые волны, используемые для целей очистки (20–100 кГц), делятся на низкочастотный (20–40 кГц) и высокочастотный (>40 кГц) ультразвук.
Низкочастотный ультразвук может частично восприниматься людьми с особо чувствительным слухом. Высокочастотный (>40 кГц) ультразвук считается безопасным при стандартных уровнях мощности, т.к. не воспринимается человеком. Однако при очень высоких интенсивностях (120–145 дБ) может возникать звуковое ощущение.
Санитарными правилами СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания нормируются ультразвуковые колебания, распространяемые в воздушной среде.
Но так как ультразвуковые преобразователи, используемые для целей очистки кварцевых чехлов УФ-ламп, устанавливаются на корпусе УФ-установки и ультразвуковые волны распространяются в водной, а не воздушной среде, то данные нормативы не применимы к подобным устройствам. Вода и корпус установки эффективно гасят ультразвук.
В заключение, можно сказать что ультразвуковые преобразователи в УФ-установках абсолютно безопасны для человека, метод не требует реагентов и значительно снижает риски по сравнению с альтернативными способами очистки.
- Ashokkumar M. The characterization of acoustic cavitation bubbles – An overview, Ultrasonics Sonochemistry, 2011, 18(4), 864-872.
- Piyasena P. Inactivation of microbes using ultrasound: A review, International Journal of Food Microbiology, 2003, 87(3), 207-216.
- Blume T., Neis U. Improved wastewater disinfection by ultrasonic pre-treatment,
Ultrasonics Sonochemistry, 2004, 11(5):333-6. - Neis U. Ultrasonic disinfection of wastewater effluents for high-quality reuse, Water Supply 2003, 3 (4): 261–267.
- Hua I., Thompson J.E. Inactivation of E. coli by sonication at discrete ultrasonic frequencies, Water Research, 2000, 34(15), 3888-3893
- Gao S. Inactivation of microorganisms by low-frequency high-power ultrasound: 2. A simple model for the inactivation mechanism, Ultrasonics Sonochemistry, 21(1), 454-460
