Новости

Вместе мы добьемся большего

Учредители, члены правления и устав ПСКК

Составы первичных организаций

Материалы конференций ПСКК (отчеты, заявления, обращения, решения)

Статьи

Премии, дипломы, грамоты

Презентация, балы

Рекламный буклет



        660049, Красноярск, проспект Мира, дом 82, СибГТУ, офис Ц-6, ПСКК
тел/факс (3912) 66-03-98,
тел. 21-67-58
E-mail: mediasecret@list.ru



   

 

УДК 532.528

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КАВИТАЦИОННЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

В. А. Кулагин
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Kulagin

Работа посвящена разработке и внедрению в производство новых технологий получения многокомпонентных сред (эмульсий, суспензий, водных растворов и систем) с использованием кавитации, позволяющих достигать существенных положительных результатов в теплоэнергетике, стройиндустрии, сельском хозяйстве и других отраслях производства, науки и техники. Показана энергоэффективность и экологическая безопасность технологических процессов, построенных на эффектах кавитации, а также перспективность дальнейших исследований.

Использование гидродинамических и теплофизических эффектов кавитации (кавитационной технологии) способствует механотермолизу структуры воды с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых эмульсий, суспензий
и смесей, в конечном итоге имеющим перспективу для усовершенствования и интенсификации технологических процессов в различных отраслях производства.
В данной работе излагаются результаты экспериментальных исследований по изучению влияния гидротермодинамических особенностей кавитации на изменение характеристик топливно-водяных смесей и теплофизических особенностей при их сжигании в различных топочных устройствах. Приведены результаты влияния кавитационной обработки на свойства воды, которая в одном случае является дисперсной фазой, в другом – дисперсионной средой. Рассмотрено применение кавитационной технологии в других отраслях техники и производства с целью определения энергоресурсосберегающего, экологического и иных эффектов, что позволило получить ряд основных и дополнительных результатов.
В области изменения свойств воды установлено, что в результате гидродинамической обработки ее физические характеристики существенно изменяются и сохраняются достаточно длительное время (до 7–10 суток), что позволяет использовать модифицированную воду в различных технологических процессах.
Наблюдается быстрое кислородонасыщение в воздушной среде, объясняемое наличием кроме диффузионного (за счет высокой степени сжатия парогазового содержимого кавитационного микропузырька), также кинетического механизма насыщения воды кислородом, приводящего
к ощутимой неравновесности процесса его растворения.
Изучено нарастание равновесной концентрации кислорода в среде инертных газов и азота, влияющих на интенсивность и характер кинетики процесса кислородонасыщения. Характер изменения кислородонасыщения в среде азота обусловлен образованием NO, NO2, HNO2, НNО3, связывающих кислород и гидроксильные радикалы, что подтверждается результатами и выводами работ для случая ультразвуковой кавитации. Возбужденная молекула воды, наряду с излучением и диссипацией избыточной энергии в тепло, может диссоциировать. Увеличение концентрации О2 идет за счет гидродинамического кавитационного термолиза воды на  и протекания соответствующих механохимических реакций.
Изменение рН воды в результате кавитационной обработки происходит за счет образования различных химических соединений, выход которых зависит от режима обработки, наличия в воде примесей и газосодержания. Термолиз воды приводит к синтезу H2O2, что способствует понижению рН. Обработка в среде азота повышает кислотность системы за счет образования HNO2 и HNO3. Существенное влияние на кислотно-щелочные свойства оказывает концентрация СО2, величина которой может изменяться в результате обработки.
Таким образом, под действием кавитации в водном растворе, содержащем инертные и активные газы, возможно осуществление разнообразных химических реакций. Кавитационное инициирование их сводится к ионизации и возбуждению молекул воды, благородных и активных газов, а также к диссоциации молекул воды. Каждый из этих процессов осуществляется за время t~10–14 с. В связи с тем что продолжительность конечной стадии коллапса пузырька t~10–9–10–8 с, становятся возможными процессы передачи энергии и перезарядки с участием молекул инертных газов, идущие в газовой фазе по уравнениям
                                               
Наряду с указанными, в кавитационной полости протекают реакции трансформирования радикалов с участием химически активных газов и рекомбинации радикалов за время t~ 10–7–10–6 с. В результате этих процессов после схлопывания кавитационного пузырька в раствор переходят продукты радикального разложения молекул H2O и рекомбинации радикалов, обнаруженные с помощью метода спиновых ловушек, что приводит к накоплению в воде молекулярного O2, H2O2 и других соединений. Высокая скорость протекания реакций свидетельствует о том, что они происходят непосредственно в зоне кавитационных разрушений, интенсифицируя процесс кавитационной эрозии, что существенно важно при эксплуатации различного гидро- и энергооборудования.
В области топливоподготовки и приготовления водотопливных эмульсий и суспензий
с целью увеличения полноты сгорания топлива и подавления образования вредных веществ в технологических выбросах исследовались: водомазутная эмульсия (ВМЭ), водоугольная суспензия (ВУС), смеси «вода –дизельное топливо» (ВДТ) и «вода – бензин» и др. Определено влияние размеров капель топлива на физические процессы испарения, теплообмена и смесеобразования
с учетом полноты его сгорания. Разработаны конструкции и исследованы гидродинамические, расходные и дисперсионные характеристики кавитационных технологических аппаратов в зависимости от режимных параметров работы и ряда внешних факторов с целью определения оптимальных конструктивных и технологических параметров.
Включение в технологическую схему топливоподготовки кавитационной обработки мазута значительно уменьшило пределы колебаний влажности и дисперсности водной фазы топлива (при уменьшении абсолютного среднего диаметра капель воды в ВМЭ в 10–15 раз, примерно 10-15 мкм), что достаточно убедительно подтверждается  микрофотографиями проб ВМЭ. Попадая в топочный объем, капли топлива за счет вторичного дробления (в результате микровзрыва) существенно уменьшаются в размерах. В результате время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания; увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива; скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута. Наряду со стабилизацией влажностно-дисперсионных характеристик топлива, другим важным эффектом диспергирования являются разрушение смолисто-асфальтеновых структур и повышение однородности мазута.
Результаты исследования проб дымовых газов при сжигании мазута М100 и ВМЭ показали, что использование ВМЭ вместо собственно мазута позволяет уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 3–5 раз, сернистого ангидрида – в 2–4 раза, оксида углерода в 2–2,5 раза. Наиболее целесообразно применение ВМЭ с Wp » 15–20 %. Подавление крекинга углеводородов происходит в результате не только уменьшения размера капель мазута, но и за счет отвода тепла испаряющейся водой, а также в результате протекания дополнительных реакций между диссоциированными молекулами воды и углерода.
Исследования ВУС показали перспективность ее применения. В работе использовались различные фракции угля: 0–100, 100–1000, 1000–1600, 1600–2500 мкм и уголь различного исходного гранулометрического состава, оцениваемого по относительному содержанию фракции менее 100 мкм – 15, 30, 45, 90 %. Подготовка экспериментальных партий угля различного гранулометрического и фракционного состава осуществлялась в такой последовательности: грубый размол угля; усреднение; последовательные этапы тонкого размола, оцениваемые по показателю эффективности конверсии –отношению содержания фракции угля (0–100 мкм) к общей массе всех фракций угля выборки.
Установлено, что повышение эффективности конверсии угля не только увеличивает значение удельной поверхности частиц за счет уменьшения их размеров, но и значительно снижает гетерогенность распределения частиц, т. е. приближает ВУС по этому параметру к моносубстрату, но отличающемуся от фракционированного гетерогенностью химического состава.
Эффективность от применения ВУС возрастает при трубопроводной транспортировке исходного угля, а также при использовании маслосодержащей или загрязненной другими нефтепродуктами воды. При этом экологический эффект от утилизации и огневого обезвреживания
отходов производства возрастает. При объемном содержании угля до 60 % расслоение ВУС
не наблюдалось до 50 суток. Экономия топлива происходит за счет увеличения полноты сгорания, эксплуатации форсунок с минимальным избытком воздуха и снижения температуры уходящих газов. Получены положительные результаты при брикетировании угля после кавитационной обработки (прочностные характеристики полученных брикетов выше примерно на 20–30 %, чем при производстве традиционными методами).
Анализ результатов гидродинамического эмульгирования жидкого топлива и сравнение с результатами акустического воздействия для бинарных эмульсий (ВДТ, «вода – бензин») показали, что легко получаются устойчивые эмульсии бензина в воде, тогда как обратные эмульсии, вследствие интенсивной коалесценции, приготовить сложно (водосодержание в такой эмульсии при отсутствии поверхностно-активных веществ не превышает нескольких процентов). ВДТ возможно получать с водосодержанием до 30–40 %. На эффективность процесса кавитационного эмульгирования существенно влияет механизм, основанный на различии в плотности жидкостей; наиболее высококачественные эмульсии получаются в случае, когда плотность несущей фазы больше плотности дисперсной. Применение водотопливных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания приводит к снижению твердых и газообразных (СО, СО2, NOx) выбросов.
В стройиндустрииувеличение удельной поверхности цемента непосредственно в водной среде с помощью кавитационного диспергирования позволяет полнее использовать его потенциальные свойства и повышать степень гидратации и поверхностную энергию частиц. Разрушая малопрочную первичную алюминатную крупнозернистую структуру, удается получить мелкокристаллическую структуру цементного камня, прочность которого возрастает в 2–3 раза по сравнению с приготовлением раствора в обычных смесителях.
Минералогические характеристики высококальциевой золы, получаемой в результате сжигания канско-ачинских углей, позволяет использовать ее вместо цементов в производстве строительных растворов и бетонов. Проблема ее использования состоит в том, что она содержит большое количество (до 20–30 %) негашеной извести в капсулированном виде. При использовании этой золы в качестве вяжущего, в результате медленного гашения извести происходит медленное саморазрушение материала. С помощью кавитационной технологии удается получить качественное связующее из золошлаковых отходов при производстве строительных конструкций путем гашения содержащейся в шлаке извести в процессе обработки; кавитационная обработка водозольной суспензии (ВЗС) ведет к повышению прочности растворных образцов на 10–15 %.
В медицине, микробиологии и биотехнологиях представляет интерес влияние многофакторного воздействия следствий кавитации на элементы живой природы. В качестве объекта изучения использованы две линии клеточных культур: перевиваемая L-41 и первично-трипсинизированная культура клеток фибробластов эмбрионов человека (ФЭЧ). Густота клеточной взвеси во время пересевов составляла 150–200 тыс. клеток в 1 мл для культуры клеток L-41 и 300–350 тыс. в 1 мл для ФЭЧ. Культивирование проводилось в матрицах объемом 230 см3. Ростовую среду, которая состояла из 10%-ной сыворотки крови крупного рогатого скота и 90%-ной питательной среды 199, меняли через 2 дня.
Контролем для обеих культур клеток служила среда 199, которая использовалась для приготовления питательной среды без механической обработки. Всего приведен 31 пассаж перевиваемой культуры клеток L-41, где применялась кавитационная обработка среды и 12 пассажей для культуры ФЭЧ, чего достаточно для получения высокой (95 %) степени достоверности результатов.
При различном содержании обработанной среды 199 в питательном растворе наблюдается неодинаковая степень интенсивности роста культур клеток L-41 и ФЭЧ. Общим для обеих культур клеток является наиболее быстрый рост при внесении в ростовую среду 50%-ной обработанной среды 199. Как полная, так и частичная (25 %) замена обычной среды 199 на высоконасыщенную кислородом не выявляет существенных различий в процессе роста клеточных культур в сравнении с контролем.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о влиянии на репродукцию культур клеток L-41 и ФЭЧ (в сторону ускорения роста клеточных культур) обработанной среды 199. Наибольший эффект достигнут при 50%-ном содержании в питательном растворе такой среды. Полная замена среды 199 на обработанную приводит к замедлению роста, связанному с перенасыщением свободным О2, который изменяет рН ростовой среды в сторону увеличения кислотности.
Результаты биохимической обработки предварительно гидродинамически активизированной ВУС при производстве биостимулятора роста цветов, овощных и садовых культур «Гумат» позволяют судить о значительном сокращении периода биохимической обработки при одновременном снижении поверхностного натяжения (вязкости) ВУС и увеличение выхода гуминовых кислот из органической массы водорастворимой части ВУС.
Комплексная гидродинамическая и биохимическая обработка ВУС позволяет существенно ускорить процесс переработки высококонцентрированных полидисперсных систем. При этом наблюдается: сокращение времени биохимической обработки ВУС с 50 до 25 ч за счет ликвидации фазы набухания частиц угля и осуществления непосредственного процесса физико-химического диспергирования в присутствии диспергирующих факторов микробиологического происхождения (в частности белковых комплексов); увеличение выхода микродисперсной фракции углей на 40 % (от сухих веществ микродисперсной фракции) и гуминовых кислот на 34 % (от органической составляющей микродисперсной фракции); улучшение технологических характеристик ВУС (снижение поверхностного натяжения с 1,1 до 0,52 г/см2, вязкости – на 52 %); сокращение времени максимального образования диспергирующего фактора микробиологического происхождения до 15 ч (без предварительной гидродинамической обработки – 40–45 ч). Эта технология перспективна при проведении рекультивации земель, например по окончании разработки угольных разрезов открытым способом.
В работе изучалось влияние кавитационной обработки в суперкавитационном миксере на содержание кишечной палочки и золотистого стафилококка в питьевой воде. Опыты проводились с клиновидным кавитатором (угол при вершине клина составлял α = 20°) при температуре 20–22 °С. Варьировались число оборотов ротора в диапазоне от 2 до 10 тыс. об/мин и время обработки τ. Число кавитации, подсчитанное для диаметра крыльчатки, составило χ= 0,56–0,02. Измерения проводились с помощью метода светорассеяния и электронного микроскопа. Характер изменения концентрации для кишечной палочки и стафилококка одинаков, близки и количественные характеристики, что, видимо, объясняется примерно одинаковыми характеристиками клеток. Модуль Юнга равен соответственно ~5·108 и 4·107 Па, а предел прочности клеточных оболочек составляет ~105–1010 Па. Учитывая эти данные и уровень расчетных значений при кавитационном воздействии (Р ~ 10000 атм;  ~ 1011 К/с; Т ~ 2000 К; Рm ~ 108 Па), можно сделать заключение о достаточности силового воздействия для разрушения клеточного материала. Эти результаты могут быть использованы для разработки технологии уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах, питьевой воде и т. п.
В сельском хозяйстве использование кавитационно-обработанной воды позволяет получить прирост урожайности тепличных овощных культур до 30 % при одновременном снижении заболеваемости растений. Очевидно, что основными факторами, влияющими на полученный эффект, являются повышенное кислородосодержание обработанной (активированной) воды, а также сложные физико-химические процессы, происходящие под действием кавитации:
окислительно-восстановительные реакции, которые идут в воде между растворенными веществами и продуктами расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;
реакции между растворенными газами внутри кавитационных пузырьков;
цепные реакции в растворе, инициируемые продуктами расщепления в кавитационных пузырьках примесных веществ;
деструкция макромолекул и инициированная ею полимеризация;
изменение структуры воды с образованием свободных водородных связей и т. п.
Полученный результат хорошо согласуется с опытами других авторов, применивших данную технологию с эффективностью 15–20 %, используя кавитационно-обработанную воду в качестве питьевой в животноводстве и при выращивании мальков рыб из икринок.
В пищевой промышленности кавитационная обработка способствует повышенному (приблизительно на 15 %) сокоотделению (винодельческая, сахарная промышленность), сокращению времени предварительной и основной дефекации свекловичных диффузионных соков примерно
в 10 раз (сахарная промышленность), качественному экстрагированию полезных веществ из плодов и растений при производстве различных пищевых добавок и витаминов и др.
При производстве композиционных материалов многофакторное кавитационное воздействие (преимущественно эрозионный механизм разрушения и интенсивное турбулентное микроперемешивание) способствует получению высокодисперсных гомогенизированных субстратов
и смесей.Получены результаты диспергирования ультрадисперсного алмаза (УДА) в сравнении
с традиционной ультразвуковой обработкой (УЗ). Использовались образцы, имеющие эффективный рассеивающий размер до обработки 170 нм.
Действие УЗ и гидромеханической (ГМ) обработки качественно и количественно идентичны, однако последняя из-за большого числа изменяемых параметров (частота, продолжительность воздействия, угол клина) позволяет более точно обеспечить оптимальные режимы обработки. При этом ГМ-обработка не вносит в систему каких-либо дополнительных факторов, влияющих на
агрегативную устойчивость суспензии. С учетом дешевизны, производительности и возможности построения непрерывного процесса гидромеханический метод диспергирования оказывается предпочтительнее УЗ, особенно в промышленном производстве.
Ультрадисперсный алмаз в смеси с графитом находит применение в качестве присадок
к моторным и другим маслам с целью повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания, улучшения антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств моторного масла. Использование ГМ-обработки по сравнению с традиционной существенно эффективнее.
Перспективно использование кавитационной обработки в производстве бумаги, где важнейшими процессами, определяющими ее свойства (прочность, электропроводность и т. д.), являются размол и дефлокуляция целлюлезно-бумажной массы. В данном производстве специально вводятся минеральные наполнители (тальк, каолин и др.), которые требуется измельчить до 0,5–1,5 мкм и одновременно перемешать, что легко достичь в суперкавитационных аппаратах.
Применение кавитационной технологии при обработке корундо- и алюмосодержащих пылей глиноземных производств позволяет получать композиции для производства полировальных паст и растворов с меньшими по сравнению с традиционными способами энергозатратами примерно в 10 раз.
Актуальна и чрезвычайна важна проблема утилизации золошлаковых отходов энергетики – это целый ряд задач снижения нагрузки на окружающую среду вследствие постоянного роста золошлаковых хранилищ. Получение и разработка новых зольных материалов, выделение из зол полезных элементов и соединений также являются основой современного производства. Кавитационная обработка зольных пеноматериалов наряду с измельчением твердой фазы позволила на микроскопическом уровне провести разделение металлических фаз переходных металлов, содержащихся в золе.
При кавитационном воздействии гидродинамического типа наблюдается процесс графитизации углерода. При этом в ряде случаев на частицах осаждается металлическая пленка. В других условиях кавитации, как следует из работ некоторых исследователей, могут образовываться алмазы. Возможно, что при изменении режимных и геометрических параметров гидродинамического воздействия (изменения угловой скорости вращения, времени воздействия на водную суспензию и ее концентрацию и др.) возможно получение алмазных структур.
Слоистая структура частиц, полученная в результате обработки фуллереновой сажи, обусловлена процессом ее «графитизации», т. е. образованием структуры, аналогичной аллотропной форме углерода – графиту. Поскольку концентрация фуллереновой сажи в воде небольшая, то кавитационное воздействие, возможно, происходит по следующему механизму – взаимодействие частицы с системой ударных волн при схлопывании групп пузырьков. Частица при этом должна испытывать сильные деформации, что и приводит к преобразованию различных тетрагональных структур углерода в графитовую слоистую структуру или нанотрубки, углеродные цепочки и т.п.
По всей видимости образование углеродных цепочек является метастабильным состоянием углерода за счет влияния кавитационной активированной воды.Действительно, кавитационно активированная вода находится в неравновесном состоянии, в которое она переходит в результате разрыва водородных связей. Если она переходит в состояние с минимальной потенциальной энергией, то выделяющийся при этом избыток энергии идет на процесс структурирования углеродных частиц.
Кавитационную технологию можно рассматривать как новый метод получения наноматериалов или наноструктур и представить его в виде комбинации уже известных (например, механохимический синтез – ударно-волновой – высокотемпературный синтез), но обладающий рядом преимуществ (простота реализации, энергоэффективность, экобезопасность и многое другое).
Известно, что в настоящее время углеродные нанотрубки привлекают исследователей
в медицинских и биологических целях, в частности, как контейнеры для поставки нужных компонентов в нужные точки человеческого организма. Однако появились работы, которые говорят
о том, что углеродные нанотрубки могут быть вредны для человека. Так в 2007 году в журнале «NATURE» была опубликована работа исследователей из University of Cambridge, в которой было показано, что нанотрубки проникают в клетку через клеточную мембрану, накапливаются в цитоплазме и ядре и тем самым вызывают гибель клеток.
Полученные нами макроструктуры подобные по форме нанотрубкам, возможно, тоже вредны для здоровья человека. Возможно, при множественных пожарах в воздухе образуются различные сажевые аэрозоли, способные к самоорганизации при различных условиях, которые могут быть вредны для человека.
Кавитационная гидродинамическая технология способствует процессам агрегации углеродных частиц. В результате проведенных экспериментов мы получили 3 типа агрегации углеродных частиц под воздействием гидродинамической кавитации:
углеродные цепочки по форме подобные углеродным нанотрубкам и превышающие по длине на 3?4 порядка;
сетчатые структуры, образованные из углеродных нитей по форме подобные тем, которые наблюдаются при синтезе в поточном аэрозольном реакторе при разложении паров ферроцена в атмосфере монооксида углерода, и в шунгитовых экстрактах;
слоистые структуры, в которых плоскости из атомов углерода чередуются со слоями, в которых находятся частички металла, т. е. углерод с магнитными свойствами.
Кроме этого получены стабильные во времени водные взвеси.
Таким образом, кавитация является методом получения углеродных структур подобных многослойным нанотрубкам, которые могут служить основой для фильтров, или, к примеру, основой для армирования конструкционных материалов и многое другое. При помощи кавитации также можно получать легкие углеродные магнитные материалы и многое, многое другое.