СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Аналитический обзор методов и техники сонолюминесценции….
1.1. Гидродинамическая и ультразвуковая сонолюминесценция
1.2. Исследования явления гидролюминесценции
1.3. Сонолюминесценция в медицине
1.4. Сонолюминесценция при анализе воды
2. Анализ методов измерений
2.1. Устройства однопузырьковой сонолюминесценции
2.2. Устройства многопузырьковой сонолюминесценции
2.3. Гидродинамические устройства
2.4. Ультразвуковые устройства
2.5. Выбор и обоснование выбранного метода
З. Проектирование сонолюминесцентного анализатора
3.1. Структурная схема
3.2. Расчет параметров электрического генератора
3.3. Ультразвуковой преобразователь колебаний
3.4. Сонолюминесцентная камера
3.5. Фотоприемник
3.6. Усилитель
4. Организационно-экономическая часть
4.1. Разработка основных разделов бизнес-плана проекта
4.2. Расчет трудозатрат и составление сметы затрат на
выполнение проекта
4.3. Определение договорной цены
4.4. Оценка экономической целесообразности проведения работ
по теме
5. Экология и безопасность жизнедеятельности
5.1. Анализ условий труда
5.2. Оптимальное рабочее место
5.3. Карта условий труда
5.4. Защита от шума
5.5. Заключение
Заключение
Список используемой литературы
ВВЕДЕНИЕ
К водам, которые сбрасываются в систему канализации и подлежат очистке на ОС биологического типа, а также в замкнутых водооборотных системах предприятий, предъявляются, как известно, определённые требования, выполнение которых обеспечивается посредством очистных мероприятий, проводимых с водными растворами при помощи электрореагентов. Данные мероприятия включают в себя следующие этапы: химическая подготовка, изменение скорости (направления) процессов разрушения микробных и химических токсинов, образование синтетическим способом комплексных солей, а также происходящая на основе данных веществ коагуляция выпадающих в осадок взвешенных органоминеральных водных надмолекулярных структур.
К создающимся на основе металлических гидроксидов и поверхностно-активных веществ хлопьям поликонденсатов как в исходном, так и в преобразованном виде подключаются такие вредные элементы, как взвеси, ионы металлов, нефтепродукты и т.д.
При сочетании более консервативных методов очистки при помощи химических реагентов (органических коагулянтов, железа, солей кальция, органическими коагулянтами, а также физико-химических поглощающих процессов и биохимических процессов преобразования токсичных веществ в безвредные (окислительного и пластического типа) с новыми методами электрокатализа можно добиться выработки такой технологии очистки вод, которая может быть названа на данный момент максимально рациональной и эффективной.
Анализ индивидуальных соединений природной воды требует много времени и труда. Что до органических веществ, то определяются, в лучшем случае, как правило, по требованию заказчика, только некоторые их категории, такие, как летучие жирные кислоты, нефтепродукты и пр. Общий объём органических соединений, содержащих С, определяется уровнем окисляемости данных веществ, который, в свою очередь, может быть установлен при помощи расчёта химического или бихроматного потребления кислорода.
В ходе создания методов оперативного контроля общего содержания в водах природного происхождения раствора органических веществ представляется оптимальным использование методов, при которых предполагается формирование и применение безреагентных сенсоров, способных самостоятельно производить в контролируемой зоне в ходе анализа окислитель, т.е. аналитический реагент.
Такие методы могут обладать повышенным уровнем эффективности в том случае, если происходит сопровождающееся свечением окисление, поскольку при осуществлении бесперебойного контроля качества вод природного происхождения именно такое физико-химическое явление, как свечение (люминесценция) способно обеспечить максимальное удобство и качество проводимых контрольных мероприятий.
Люминесценция нетепловое свечение вещества (нетепловое), которое происходит после поглощения им энергии возбуждения, может быть использована при разработке анализаторов газа нового технического уровня. В связи с этим, исследования, посвященные разработке и внедрению методов и средств измерений, основанные на сонолюминесценции явлении возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной на сегодняшний день являются актуальнвми.
Целью работы является разработка сонолюминесцентного анализатора газа для оценки водной среды в реальном времени, основанной на обобщенных показателях.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Провести аналитический обзор теоретических и практических работ в области сонолюминесценции.
2. Установить методы исследования СОНОЛЮМИНеСЦеНЦИИ.
З. Разработать сонолюминесцентный анализатор газа для контроля электрореагентой очистки питьевых, технических и сточных вод.
4. Разработать организационно-экономические мероприятия по принятым в проекте решениям.
5. Дать оценку экологической безопасности и безопасности жизнедеятельности при внедрении проектных решений.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР В МЕТОДАХ И ТЕХНИКЕ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
1.1. Гидродинамическая и ультразвуковая сонолюминесценция
Сонолюминесценция (СЛ) — это, по сути, свечение жидких веществ в ходе физического воздействия на жидкость при помощи УЗ-волн, связанная с обусловленными соответствующим видом колебаний кавитационными процессами. При распространении в жидкой среде УЗ-волны формируются пузыри, способные издавать свечение при условии некоторых воздействий; подобное явление наблюдается также в случае воздействия механического характера, например, в том случае, когда жидкая среда обтекает то или иное препятствие или просачивается сквозь узкое отверстие. Представляется логичным именовать его гидролюминисценцией (сокращённо ГЛ), поскольку природа данного явления очевидно относится к сфере гидродинамики [1]; таким образом, под данным термином подразумевается естественное свечение жидкой среды в ходе вызванных гидродинамическими факторами кавитационных процессов. Во всём объёме явлений, связанных с эмиссией света, можно условно выделить соно- и гидролюминисценцию; их физическая сущность до сих пор окончательно не определена, в силу чего трактовки самих процессов и факторов, обуславливающих их возникновение, у разных авторов различны. Однако существует 2 наиболее распространённые среди учёных теории генеза данных процессов – электрическая и тепловая; тепловая основана на предположении о том, что в ходе процессов кавитации внутри образующихся пустот, при условии обеспечения внешнего воздействия на пузырьки, значительно повышается t, что и обуславливает процесс световой эмиссии. Что же касается второй теории, то она основывается на возникающих вне или внутри кавитационных пустот электрических явлениях.
Впервые такое явление, как сонолюминесценция, наблюдалось в Кельнском университете в 30-х гг. прошлого столетия; авторами открытия были Шультес и Френцель [2], хотя они не смогли детально исследовать обнаруженный эффект, по причине слабости возникшей люминесценции. Соно- и гидролюминесценция в дальнейшем были объединены под общи наименованием МПСЛ или многопузырьковой сонолюминесценции. В исследование физической природы явления внесли значительный вклад также такие специалисты, как Крам и Гайтан [3,4], которые открыли ОПСЛ – однопузырьковую сонолюминесценцию – посредством получения одиночного коллапсирующего пузырька с более сильным и устойчивым свечением, нежели при многопузырьковой. В начале 90-х гг. прошлого века, с целью углубления дальнейших исследований, Патерманом и Барбэром [5] была создана т.н. акустическая камера, позволяющая проводить наблюдения ОПСЛ на регулярной основе. Достоверность и точность результатов физических опытов была обеспечена за счёт устойчивой световой эмиссии и продолжительной локальной пульсации одиночного пузырька, благодаря чему стало возможно определить его радиус и скорость стенки, а также зафиксировать длительность вспышки при достаточно высоком разрешении.
Такое явление, как гидролюминесценция (иначе ГЛ) было открыто Константиновым в сер. 40-х гг. прошлого века[6]; исследователь пришёл к выводу, что при плоском обтекании жидкостью какого-либо твёрдого тела позади данного тела, если кавитация гидродинамического характера достаточно интенсивна, возникает люминесценция. Другие исследователи, Тэйлор и Джарман, в сер. 60-х гг. наблюдали сходное явление в условиях пластиковой «трубы Вентури» [7,8].
Андерсон и Петерсон немного позднее использовали тот же прибор, но уже изготовленный из кварца [9] с целью исследования влияния на силу люминесценции наличия в жидкости газовых растворов. Однако, несмотря на все предпринятые усилия, никому из специалистов так и не удалось точно определить и описать природу и источник свечения [7,8, 9], что обуславливалось невозможностью проведения объективных наблюдений по причине кратковременности и разбросанности вспышек. Только исследовательская команда Маргулиса в начале 90-х гг. смогла добиться стабильного и поддающегося анализу свечения[10]; в результате проводимых ими экспериментов в 2009-м г. был открыт такой эффект, как формирование электропотенциала при прохождении потока не проводящей электричество жидкости сквозь узкий неэлектропроводный канал. [1]
1.2. Исследования явления гидролюминесценции
Истечение света, как обычно считается, осуществляется непосредственно в тот момент, когда пузырьки схлопываются, либо сразу после этого, в силу чего на анализируемое явление существенно влияют такие показатели, как температура и давление, а также динамика данных параметров, что детально исследовалось рядом специалистов. [11,12] При возникновении СЛ давление газа в пузырьках повышается одновременно с потеплением жидкости, в результате чего интенсивность света снижается. В одной из работ было определено температурное значение (65 ос), при котором рассматриваемый эффект в воде не регистрируется [11]; авторы продемонстрировали также, что он не регистрируется даже в кипящей жидкости (Н2О), и даже при условии кратковременного включения УЗ-генератора (с целью исключить удаление растворённых в воде газов)[12]. В той же работе отмечалось возникновение сонолюминесценции при условии быстрого формирования в рамках системы вакуума (около 15 миллиметров ртутного столба), что, с точки зрения теории, делает процесс схлопывания пузырьков невозможным.
При УЗ-свечении диапазон частот колеблется в пределах от 7 до 1500 килогерц. [13,14]. Некоторыми исследователями[13,15] сонолюминесценция наблюдалась при частоте 7-800 герц, в иных же случаях значение показателя составляло от 300 до 1500 килогерц. [14,16] Регистрация эффекта производилась в водной среде, растворах Н2О, органических соединениях [17], что указывает на вариативность воздействующих на него средовых факторов. Что касается интенсивности свечения, то она определяется присутствием в жидкой среде газовых растворов. [18]
Согласно ещё одной работе [19], по результатам исследования более чем трёх десятков различных веществ, авторам удалось обнаружить определённую обусловленность последнего показателя произведением дипольного момента молекул на показатель вязкости (табл. 1).
Однако вопрос, связанный с природой и причинами возникновения эффекта, до сих пор не выяснен; как уже говорилось, в пределах изучаемого явления выделяются однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценции, схожесть природы которых не является пока доказанным фактом.
Таблица 1.1 — Интенсивность свечения от произведения дипольного момента (озвучиваемых молекул) на вязкость данной среды
В рамках трактовки такого явления, как возникающие при кавитационных процессах световые вспышки, наиболее популярными являются теории, связанные с электричеством, которые можно условно разделить на следующие категории:
1) СЛ, как предположили в 30-х гг. ХХ века Ржевкин и Левшин, возникает вследствие образования на стенках пузырька электрических зарядов, что объясняется воздействием эффекта, практически аналогичного м эффекту Ленарда; [20]
2) в начале 40-х гг. Френкелем была предложена теория, [21] согласно которой в момент возникновения кавитационные пузырьки принимают форму линзы, а возникновение нескомпенсированных и противоположно заряженных электрозарядов привязано во времени к моменту разрыва жидкости и представляет собой результат случайных отклонений в распределении на стенках пузырька присутствующих в жидкой среде ионов, вследствие чего и появляется свечение;
3) по теории, выдвинутой Маргулисом, у поверхности разграничения с кавитационной полостью в жидкой среде возникает двойной электрический слой[22];
4) Дегройс с группой соавторов [23] объясняют возникновение световой вспышки возникновением на стенках кавитационной полости электрозарядов и пробоем в момент схлопывания полости через газовую фазу.
Ниже детально рассматриваются причины того, почему ни одну из описанных теорий нельзя считать в полной мере доказанной. [1 ,24]
Что касается «тепловой» теории природы возникающей в ходе кавитационных процессов люминесцении, то данная теория может считаться сомнительной по причине того, что резкое увеличение температуры в кавитационной полости в момент схлопывания было опровергнуто многими исследователями [24]; однако полностью отрицать «тепловую» теорию тоже было бы неверно.
Первоначально она была выдвинута рядом авторов[25], полагавших, что анализируемый эффект является, по сути, тепловым излучением газов, раскаляющихся в момент схлопывания кавитационной полости вследствие адиабатического сжатия, причём внутри полости значение t способно достигать 10 4К. Указанные авторы полагали [25], что эмиссия света представляет собой излучение черного тела.
Данной теории придерживались такие авторы, как Сербинов и Гордеев. [26,27] В результате серии опытов, направленных на исследование процессов инициирования взрыва в жидкой взрывчатой среде, им удалось обнаружить, что связь между кавитационными процессами и взрывом обусловлена не расширением, а схлопыванием кавитационного пузырька. [27] На основании результатов экспериментальных исследований [26,27], было выведено заключение о связанных с кавитацией термических процессах как основном факторе, способствующем истечению света при СЛ.
Опыты, направленные на исследование углеводородов в СЛ, проводили Барбэр [30] и Саслик с командой [28,29], которым удалось выявить в полосы Свана в люминесценции; в этой связи необходимо заметить, что до сих пор не названа точная причина излучения углеводородным пламенем полос, однако, вместе с тем, считается, что явление теплового распада присутствует, если речь идёт о горении углеводородов более высокого порядка (в первую очередь – ацетилена). Группа Саслика, по результатам анализа выявленных спектров, смогли оценить значения колебательных и вращательных возбуждений, а также прийти к выводу о предположительном влиянии на эффект СЛ высоких температур, составляющих от 3000 до 5000 К.
В дальнейшем этим исследователем, в результате расчёта спектров излучения сонолюминесценции [31], был предложен порядок более точной оценки максимальных значений давления и температуры внутри кавитационной полости (около 1000 атмосфер и 5000 К, соответственно). Несмотря на то, что указанные параметры не опровергают «электрическую» теорию, сам учёный является в большей степени сторонником теории «тепловой».
Непарайсом и Нолтингом [32] была предложена так называемая «теория горячего пятна», в соответствии с которой, при схлопывании кавитационной полости истечение света представляет собой равновесное излучение чёрного тела, что обусловлено повышением температуры внутри полости примерно до 104 К.
В рамках «тепловой» теории предлагались и другие гипотезы; например, по Гриффингу [33], образование люминесценции в жидкой среде обуславливается комбинацией радикалов Н, ОН, формирующихся вследствие тепловой гомолитической диссоциации Н2О. Джарман [34] рассматривал кавитационную полость в момент схлопывания как своеобразный вариант «ударной трубы», внутри которой происходит фокусировка ударных волн при сжатии, т.е. природа СЛ носит именно тепловой характер. Ряд исследователей [64,65] отмечали вероятность, что эффект СЛ инициирует в кавитационной полости термоядерную реакцию, однако существуют работы, опровергающие эту гипотезу. [66-69]
Некоторые исследователи указывают на значительные различия явлений однопузырьковой и многопузырьковой сонолюминесценции; различия указанных эффектов первыми отметили Патерман и Барбэр [35,36], рассматривавшие, в частности, такие показатели, как продолжительность световой вспышки, весьма низкую при однопузырьковой СЛ, а также различия в видах спектров, при том, что спектр ОПСЛ может соответствовать спектру излучения черного тела. Значение t внутри пульсирующей кавитационной полости было определено как 25-50 тысяч К [37]; кроме того, удалось обнаружить временную привязку светового истечения к минимальному радиусу схлопывающегося пузырька. Но в любом случае основная проблема по-прежнему состоит в установлении термической либо электрической природы СЛ. Следует отметить, что в пользу первой свидетельствуют следующие факты:
• различие спектров в случае многопузырьковой и однопузырьковой сонолюминесценции (при совпадении спектров однопузырьковой со спектром излучения чёрного тела) [38];
• продолжительность световой вспышки (при однопузырьковой СЛ данный показатель на порядки ниже);
• регистрация эффекта однопузырьковой сонолюминесценции в камерах шарообразной формы при симметричных колебаниях, где кавитационная полость приобретает симметричную форму, что обуславливает наличие определённых сомнений в «электрической» теории, базирующейся на сложной и ассиметричной форме данной полости.
Продолжительность возникающей при однопузырьковой сонолюминесценции вспышки некоторые исследователи определяют в диапазоне от 12 [39] и 50 пс [30,36] до 350 пс [40]. Наиболее точные расчёты в данной области сделал Гомпфу [40]; разрешение в рамках модернизированной системы регистрации, оснащённой 2-мя фотоэлектронными умножителями, составило 30 пс. Длительность вспышки, согласно многочисленным измерениям, определяется концентрацией газа в системе, а также звуковым воздействием. В качестве примера можно привести продолжительность соновспышки, составившую при слабой однопузырьковой СЛ 100 пс (звуковое давление и концентрация О – 1,25 атмосфер и 3,394 — 260 пс, соответственно). По сравнению с продолжительностью световых излучений при многопузырьковой СЛ, такие вспышки весьма непродолжительны. Некоторые авторы [41] эмпирическим путём вывели, что при многопузырьковой СЛ продолжительность вспышки в 180 раз превышает её продолжительность при однопузырьковой, что уже даёт возможность сделать вывод об автономной физической природе процессов ОПСЛ.
В одной из работ [38] был сделан вывод о том, что спектр однопузырьковой СЛ имеет специфические особенности, которыми спектр МПСЛ не обладает. В рамках указанного исследования был получен сплошной спектр, не содержащий эмиссионных полос, что послужило для авторов основанием склониться к «тепловой» теории формирования анализируемого эффекта, поскольку форма полученного спектра имела сходство с формой спектра излучения чёрного тела, что создаёт почву для расчётов t в одиночном пузырьке, значение которой должно составлять 37000 К [42].
ГЛ или свечение, возникающее в результате гидродинамических эффектов, было открыто исследователями в 40-х гг. [6] и в начале 90-х гг. ХХ века [43], причём в каждом из этих случаев речь идёт о различных аспектах явления. Константинов в 40-х гг. исследовал ГЛ в кавитирующей струе опытным путём, тогда как Колдамасов в 1990-м г. выявил возникновение данного эффекта при течении жидкости через диффузор (в кавитирующей струе эффект также был зарегистрирован, но не рассматривался исследователем как основной объект).[43] Следует отметить принципиальное различие открытий обоих учёных. По аналогии с СЛ, процесс гидролюминесценции можно условно разделить на 2 категории: процесс интенсивной гидролюминесценции и процесс гидролюминесценции, протекающий в кавитационной струе. Что касается первой категории, то данное явление можно наблюдать, как правило, невооружённым глазом; оно возникает при прохождении сквозь узкий канал неэлектропроводной жидкости, тогда как для возникновения гидролюминесценции в кавитационной необходимо, чтобы жидкость обтекала какое-либо твёрдое тело (эффект регистрируется сразу после прохождения тела, в кавитирующей зоне).
Вопрос о сходстве природы соно- и гидролюминесценции по-прежнему не решён; в некоторых работах [10] был выявлен ряд общих для данных явлений закономерностей. В частности, опытным путём была установлена общая обусловленность интенсивности световой эмиссии значениями температуры жидкой среды и скорости потока (в случае сонолюминесценции скорость потока следует трактовать как воздействие звукового давления). Для определения интенсивности данного показателя авторы [10] применяли АИ-1024-95 – многоканальный амплитудный анализатор импульсов. На приведённом ниже рисунке представлен график указанной зависимости:
Рисунок 1.2 — График, отражающий обусловленность интенсивности гидролюминесценции значением скорости потока (цифрами обозначены: 1 – пресная вода, 2 – солёная вода) [10]
И при СЛ, и при ГЛ сила свечения в солёной воде превышает данный показатель для пресной воды. [44][10]. Ряд авторов высказывал предположение о возможном образовании в рамках эффекта ГЛ О-линий, которые отмечались при СЛ; однако чётких подтверждений оно не получило. Было установлено, что уровень эффективности гидролюминесценции снижается в случае продолжительного функционирования контура гидродинамической системы (по всей вероятности, это обусловлено тем, что из жидкой среды частично удаляются газовые растворы).
На приведённом ниже рисунке представлен график температурной зависимость уровня СЛ в условиях гидродинамической кавитации (скорость обтекания препятствия в ходе исследований составляла 23-24 м/с). Максимальная интенсивность, установленная при проведении испытаний, была связана с наиболее низким значением t, что исследователи трактовали как дополнительное доказательство сходной природы явлений соно- и гидролюминесценции.
Рисунок 1.3 Температурная зависимость уровня СЛ при гидродинамической кавитации [10].
Авторы одной из работ [10] пришли к заключению, что на интенсивность люминесценции в ходе гидродинамических процессов (как и в случае сонолюминесценции при УЗ-кавитации) воздействуют основные факторы, которые были изучены в ходе опытов: скорость потока (либо звуковое давление), температура, наличие солевых растворов в жидкой среде.
С другой стороны, некоторые авторы, по результатам проведённых испытаний, приходят к выводу о том, что между обоими исследуемыми явлениями присутствуют определённые различия. Например, в одной из работ [45,46] рассматриваются механизмы гидролюминесценции, функционирование которых в значительной степени определяется наличием стенок канала, вследствие чего любые заключения здесь к явлению сонолюминесценции неприменимы. В другой работе [46] рассматриваются гидродинамические характеристики гидролюминесценции, т.е. обусловленность силы вспышки скоростью потока и толщиной канала. Далее будет представлено описание устройства экспериментальной установки и теоретическое обоснование свечения прокачиваемой через узкий канал воды. Теоретически, на примере электродинамической модели, удалось доказать процессы дифференциации зарядов в пределах пограничного электродиффузионного слоя, благодаря которому в приграничной зоне возникают электрические поля, способные инициировать эмиссию из стенки канала и дальнейшее возникновение ГЛ-эффекта; с этим связана гипотеза о присоединении электронов к положительно заряженным молекулам как первопричине исследуемого явления.
Рисунок 1.4 Граница возникновения свечения жидкости в зависимости от толщины канала и скорости потока [46].
Некоторые авторы [46] проводили серии экспериментальных исследований, в ходе которых люминесценция регистрировалась с помощью ФЭУ, благодаря чему удалось установить значительное влияние электропроводных свойств жидкой среды на электризацию и интенсивность световых вспышек, которые возникают в условиях непрерывного давления, несмотря на то, что в случае резких скачков скорости интенсивность люминесценции будет повышаться. На приведённом ниже рисунке представлена осциллограмма интенсивности и ЭМ фона при квазистатической динамике давления перед входной кромкой канала; в данном случае есть возможность наглядно убедиться в наличии корреляции между световой эмиссией и ЭМ-помехой. По результатам наблюдений исследователи [46] пришли к заключению о том, что формирование электрического поля в зоне, характеризующейся высокой напряженностью, обусловлено электризацией канала, что, при возбуждении молекул жидкой среды, влечёт за собой формирование эмиссии. Появление на границе изменения электрофизических характеристик материала канала эффекта люминесценции следует рассматривать в качестве результата такого явления, как флюоресценция жидкой среды. Вследствие автоэлектронной эмиссии стенка канала разрушается. Возникшая люминесценция будет сопровождаться ЭМ-помехой и носить прерывистый характер.
Рисунок 1.5 — Осциллограмма интенсивности свечения (З) электромагнитного фона (2) при квазистатическом изменении давления (1)
Ряд специалистов [46] предложили гипотезу, в соответствии с которой обязательным условием для возникновения гидролюминесценции являются кавитационные процессы; для подтверждения был проведён самостоятельный опыт, состоящий в создании на внутренней стенке канала выемок с острыми краями, в результате чего последовало формирование в данных выемках стационарных углублений, ставшее, в свою очередь, следствием отрыва жидкости. В ходе данных процессов, как и предполагалось, в области углублений было зарегистрировано явление ГЛ, тогда как при закруглённых краях выемок оно не регистрировалось. Приведённый факт указывает, вместе с тем, и на то, что при гидролюминесценции газовая фаза представляет собой источник свечения, а также на то, что кавитационные процессы являются только достаточным (но не императивным) условием.
Рисунок 1.6 Выемки с кавернами на внутренней стороне коаксиального канала (а), свечение жидкости в кавернах (б) [46].
Актуальность исследования эффектов соно- и гидролюминесценции обусловлена распространением применения в различных отраслях и сферах неэлектропроводных труб, использующихся с целью подачи жидкости к разного рода оборудованию.
Одна из многих возможностей, открывающихся в результате исследования анализируемых эффектов, состоит в электризации жидких веществ. [47] Данное явление при ГЛ обеспечивает создание наэлектризованный аэрозоля, который может успешно применяться в различных отраслях, например, в сельском хозяйстве[47], благодаря расширенным возможностям в обработке растений.
Эффект достигается при быстром проведении диэлектрической жидкости через узкий канал. Использование возможно, кроме того, в сфере обработки поверхностей, изготовленных из металла. При подаче высокого напряжения на такую поверхность и между нею и аэрозолем (с отрицательным зарядом) обеспечивается колоссальная разность потенциалов, за счёт чего возникает притяжение аэрозоля к поверхности, и оседание частиц существенно ускоряется. Далее приводится схематическое изображение процесса: при быстром прохождении ДЭ-жидкости через ДЭ-канал и воздействии на жидкость значительного перепада давления в веществе образуются процессы кавитации и электризации, с одновременным получением каналом положительного заряда и насыщении жидкой среды свободными электронами. Разрыв значений потенциалов стенок канала и жидкости может при этом претерпевать определённые изменения, что делает необязательным наличие внешнего источника высокого напряжения.
Рис. 1.7 — Узкий ДЭ-канал, при прохождении через который жидкость электризуется
После данного процесса покрытие поверхности становится более равномерным, что обуславливает целесообразность использования его при окраске автомобилей. Заряд жидкости при этом, как утверждают авторы исследований [46], будет положительным, при отрицательном заряде канала. Благодаря использованию вышеописанного метода, качество окраски существенно возрастает, а затраты материалов в то же время снижаются.
1.3. Сонолюминесценция в медицине
Красивое физическое явление под названием сонолюминесценция (что обозначает «свечением, порожденным звуком») называют следующий процесс: при фокусировании в водной среде УЗ-волны достаточно высокой мощности в центре возникнет точечный голубоватый источник яркого свечения. Принимая во внимание давнюю известность такого эффекта, как возникновение люминесценции при пропускании звуковой волны, следует отметить, что природа его до сих пор не выяснена. Определённо можно сказать, что кавитационный процесс представляет собой промежуточное звено между светом и звуком; если упростить его описание, то он сводится к «разрыванию» жидкой среды звуковой волной, сфокусированной в фазе разрежения, в ходе чего формируется кавитационная полость, мгновенно коллапсирующая в фазе сжатия под влиянием той же волны.
В момент коллапса данная полость испускает короткую световую вспышку; при этом формирование и схлопывание пузырька будут осуществляться в одном и том же месте с высокой частотой, тем самым создавая, при условии стабильности звуковой волны, яркую и устойчивую люминесценцию.
Сонолюминесцентное излучение, исходя из результатов последних исследований, имеет термическую природу. На очень короткий период времени в центральной части схлопывающейся кавитационной полости появляется небольшое облачко светящейся плазмы, значение t которой при ОПСЛ составляет, по итогам опытов, десятки тысяч градусов. Здесь сразу возникает вопрос – каким образом может достигаться столь высокое значение температуры; ответ на него будет таким – скорость сжатия полости весьма высока, в результате чего наполняющий его газ резко нагревается.
Стенки полости не являются полностью непроницаемыми – при оседании на них водяного пара присутствующий в пузырьке благородный газ будет диффундировать вовне; следует также принимать во внимание обычный теплоотвод, осуществляемый за счет свойства теплопроводности. Эффективно поглощать тепло при высоких температурах могут также начинающиеся эндотермические реакции.
Таким образом, температуру невозможно многократно повысить при помощи простого сжатия пузырька. Следует также учесть, что на последнем этапе коллапсирования полости скорость составляет от 1 до 1,5 км/с, что втрое-вчетверо превышает скорость распространения звука в наполняющей полость газовой смеси. Движение, превышающее скорость звука, как известно, создаёт ударные волны, что является причиной образования коллапсирующей волны внутри полости, способной, в соответствии с гидродинамическими законами, весьма эффективно нагревать окружающую среды. Весьма существенное повышение температурных значений обеспечивается также за счёт двукратного прохождения ударной волной одной и той же точки после её отражения от центра полости.
Рисунок 1.8. Люминесценция, образующаяся в толще жидкости при фокусировании УЗ-волны (эффект СЛ).
Формирование соответствующей отрасли химической науки связано с применением эффекта СЛ при проведении опытов в период, предшествующий окончательному решению проблемы физической сущности анализируемого эффекта и источников его возникновения (отрасль носит наименование сонохимии). Химические реакции с участием УЗ-волн могут протекать и без образования световой эмиссии, но для ряда случаев данный эффект обладает ключевым значением; примером могут служить те реакции, которые способны осуществляться только при условии высоких температур. В данном случае использование СЛ освобождает исследователя от необходимости применять дорогостоящее и связанное с высокими производственными рисками оборудование; для начала проведения испытаний достаточно собственно химических реагентов и источника УЗ, после чего кавитация сама обеспечивает прохождение всех необходимых этапов – концентрирует в малом объёме вещества энергию УЗ, повысит температуру до требуемого значения и проведёт химическую реакцию. Исследователь, со своей стороны, должен только получить необходимые для получения окончательных результатов спектры. Сонолюминесценция обеспечивает в данном случае не только само прохождение реакции, но также точные измерения показателей.
Уже вполне очевидны перспективы обозримом будущем исследуемого эффекта в медицинской отрасли, которая уже на текущий момент пользуется результатами многих новейших физических открытий (резонансная томография, лазерная микрохирургия, лечение онкобольных при помощи высокоэнергетических протонов и т.п.). Такое явление, как СЛ, уже используется в медицине в качестве способа визуализации кавитационных процессов; известно, что данные процессы существенно влияют на деградацию искусственных внутренних органов, подверженных механическим нагрузкам.
Представители Университета Токио в начале 2000-х гг. применили анализируемый эффект с целью визуализации тех зон искусственного сердца, которые более других подвержены негативному влиянию кавитации; однако использование СЛ непосредственно внутри организма пациента представляется более перспективным направлением. Указанный процесс, с медицинской точки зрения, представляет собой нехирургический метод точного воздействия на внутренние органы, полностью контролируемый и обеспечивающий точечный характер манипуляций, поскольку диаметр кавитационной полости очень мал, а продолжительность воздействия можно отрегулировать до долей мсек. Известно, что в составе всех живых организмов значительную долю составляет вода, что весьма удачно с точки зрения использования СЛ, максимально интенсивного именно в водной среде. Воздействие данного явления на человеческий организм может быть как диагностическим, так и лечебным. УЗ-волна, с целью проведения диагностики мягких тканей организма, должна быть сфокусирована в требуемой точке, генерируя в данной точке пузырёк, испускающий свечение, которое регистрируется специальным чувствительным прибором. Затем спектр свечения подлежит анализу при выделении отдельных линий излучения; за счёт этого в конкретной точке организма пациента осуществляется полный химический анализ. На текущий момент уже проводятся исследования в данном направлении; учёным из Университета Техаса Л. Вангу и К. Шенгу в конце 90-х гг. ХХ века удалось доказать, что благодаря СЛ-томографии, в самом деле может проводиться точный химический анализ мягких полупрозрачных материалов.
Указанная методика была в начале 2000-х гг. успешно опробована на мышах группой азиатских учёных, причём полученные изображения (рис. 1.9 давали возможность не только увидеть животное в
СЛ-освещении, но также точно определить мягкие ткани внутри организма (жировую, мышечную и т.д.) и отследить распространение инъецированного агента, благодаря которому люминесценция усиливалась. При этом следует отметить, что ни одна из лабораторных мышей не погибла в результате опытов.
Рисунок 1.9 — Изображение подопытного животного (мыши) в оптическом диапазоне и при СЛ-эффекте (а и b, соответственно)
На изображении можно ясно видеть область диффузии введённого мыши препарата.
СЛ в случае использования в терапевтических целях будет играть роль своеобразного скальпеля точечного воздействия, причем со значительно более широкой областью применения, нежели используемый в этих же целях УЗ, поскольку сможет не только точечно воздействовать на ЗК-опухоли, но также осуществлять в заданной точке химические реакции. Вполне можно допустить, что уже в не столь далёком будущем лечение болезни будет состоять в выдаче больному препаратов биоактивных реагентов в форме микрокапсул, где активное вещество лекарства будет «раскрываться» и точечно воздействовать на организм с помощью эффекта сонолюминесценции.
По-прежнему не полностью раскрытый механизм СЛ в последние годы успешно используется в некоторых областях медицины; так, в Нижнем Новгороде (В.В. Чернов и другие) были проведены исследования плазмы крови с применением СЛ-диагностики, показавшие впечатляющие результаты. [56] В экспериментах использовались частоты возбуждения СЛ, составляющие 350, 530 и 780 килогерц, при постоянном уровне интенсивности звуковой волны.
Кроме того, в опытах использовалась электрическая мощность, не превышающая 10 Вт; они проводились с помощью одноэлектронного ФЭУ-140, область спектральной чувствительности которого составляет 300-700 нм.
Исследовался объём материала, не превышающий 1,5 миллилитра; средовые условия проведения опытов были неизменными во всех случаях. Забор образцов у пациентов осуществлялся натощак. СЛ-диагностика была применена более чем к восьми тысячам пациентов, страдающих различными тяжёлыми заболеваниями (СПИД, туберкулез, онкология и пр.). Как показали результаты исследований, интенсивность сонолюминесценции существенно отличается при исследовании образцов, взятых от больных людей и условно здоровых, у которых данный показатель гораздо выше. Из числа больных наиболее низкое значения показателя демонстрируют пациенты с онкозаболеваниями. В целях организации разграничения различных областей диагностики, а также определения активности туберкулёзного процесса, были исследованы образцы, взятые у страдающих туберкулезом пациентов (395 чел.) и у 70 здоровых для формирования контрольной группы. Проведённые испытания позволили определить нормативный интегральный показатель интенсивности СЛ. Кроме того, в рамках дифференциальной диагностики метод был применён к 347-ми пульмонологических больных (171 – туберкулёз; 107 – саркоидоз; 69 – рак лёгких); при этом контрольная группа состояла также из семидесяти условно здоровых людей. Интегральный коэффициент люминесцирования образцов оказался информативен у абсолютного большинства больных; в особенности это касается страдающих туберкулёзом. Кроме того, в целях определения активности туберкулёзного процесса, исследование УЗ-свечения плазмы крови было проведено пятидесяти восьми детям, из которых тридцать страдали активным туберкулёзом дыхательной системы, 11 – иными заболеваниями, у семерых были обнаружены посттуберкулёзные изменения, и десятеро составили контрольную группу (условно здоровые, тубинфицированные). В рамках перечисленных групп Кн СЛ показал различные значения; параллельно с возникновением положительной динамики вследствие терапии в большинства детей, страдающих туберкулёзом, наблюдалось повышение значений Кн до уровня здоровых тубинфицированных детей. В результате проведённых испытаний удалось, таким образом, установить, СЛ-диагностика плазмы крови может использоваться при заболеваниях, обуславливающих снижение человеческого иммунитета. Данное явление, благодаря значительной скорости проведения исследования и отсутствию потребности в дорогостоящих реагентах и препаратах, может активно использоваться для выявления людей, входящих в т.н. «группы риска», с целью дальнейшей постановки на медицинский учёт. С внедрением полностью страховой системы здравоохранения описанный метод может быть весьма перспективен.
1.4. Сонолюминесценция при анализе воды
К водам, которые сбрасываются в систему канализации и подлежат очистке на ОС биологического типа, а также в замкнутых водооборотных системах предприятий, предъявляются, как известно, определённые требования, выполнение которых обеспечивается посредством очистных мероприятий, проводимых с водными растворами при помощи электрореагентов. Данные мероприятия включают в себя следующие этапы: химическая подготовка, изменение скорости (направления) процессов разрушения микробных и химических токсинов, образование синтетическим способом комплексных солей, а также происходящая на основе данных веществ коагуляция выпадающих в осадок взвешенных органоминеральных водных надмолекулярных структур. [50]
К создающимся на основе металлических гидроксидов и поверхностно-активных веществ хлопьям поликонденсатов как в исходном, так и в преобразованном виде подключаются такие вредные элементы, как взвеси, ионы металлов, нефтепродукты и т.д.
При сочетании более консервативных методов очистки при помощи химических реагентов (органических коагулянтов, железа, солей кальция, органическими коагулянтами, а также физико-химических поглощающих процессов и биохимических процессов преобразования токсичных веществ в безвредные (окислительного и пластического типа) с новыми методами электрокатализа можно добиться выработки такой технологии очистки вод, которая может быть названа на данный момент максимально рациональной и эффективной. В ходе её использования могут быть получены такие эффекты, как:
— обезвреживание низкомолекулярных примесей, растворяемых водой, при преобразовании их молекулярного строения в обширную категорию окисляющихся соединений, утилизирующихся в дальнейшем в виде субстрата в природных водоемах или путём поглощения живыми организмами;
— структурирование взвесей, обезвреживание болезнетворных микробов в общих осадках, а также ионов металлов (посредством гидроксилирования, поликонденсации, а также образования на базе ионов комплексных солей, синтеза стерилизующих и консервирующих перскисных соединений, озонидов, хлоридов и перхлоратов, атомарного кислорода и хлора и других биологически активных соединений);
-выделение в осадок сверхнормативных примесей ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов, взвешенных веществ и гидрофобных эмульсий высокомолекулярных органических соединений.
Реактор ЭРУ – это электрохимическая ячейка проточного типа, предусматривающая возвратное обращение реакционной смеси и оснащённая анодами из нерастворимых металлических карбидов, а также катодами, изготовленными из нержавеющей стали. [51]
Водные массы, подлежащие обработке, многократно проходят через пространство между электродами, подвергаясь при этом воздействию термодинамического характера электрического поля переменного и постоянного токов, горячих электронов на возбужденных уровнях полисопряженных несвязанных смесей органики и минералов, а также создаваемых электрохимическим методом на базе аквакомплексов ионов переменных металлов активных радикалов (катализаторов — переносчиков ОН — групп).
Функциональная схема установки оптимизируется в зависимости от состава промышленных стоков. После определения количественного и качественного состава промышленных стоков определяется окончательный вариант аппаратурного оформления, необходимые исходные реагенты и величины их расходов, режимы электрообработки, производительность различных стадий процесса в соответствии с которыми настраиваются приборы, датчики, исполнительные органы [52].
Анализ индивидуальных соединений природной воды требует много времени и труда. Что до органических веществ, то определяются, в лучшем случае, как правило, по требованию заказчика, только определённые их категории (нефтепродукты, летучие жирные кислоты и пр.). Общий объём органических соединений, содержащих С, определяется уровнем окисляемости данных веществ, который, в свою очередь, может быть установлен при помощи расчёта химического или бихроматного потребления кислорода.
В ходе создания методов оперативного контроля общего содержания в водах природного происхождения раствора органических веществ представляется оптимальным использование методов, при которых предполагается формирование и применение безреагентных сенсоров, способных самостоятельно производить в контролируемой зоне в ходе анализа окислитель, т.е. аналитический реагент.
Такие методы могут обладать повышенным уровнем эффективности в том случае, если происходит сопровождающееся свечением окисление, поскольку при осуществлении бесперебойного контроля качества вод природного происхождения именно такое физико-химическое явление, как свечение (люминесценция) способно обеспечить максимальное удобство и качество проводимых контрольных мероприятий.
В наиболее общем смысле, под явлением люминесценции подразумевается свечение вещества нетермической природы, возникающее при поглощении данным веществом возбуждающей энергии. В настоящей работе рассматриваются научные исследования по выработке измерительных методик, основой для которых послужили такие типы исследуемого явления, как сонолюминесценция (эффект световой вспышки при коллапсировании возникших под воздействием мощной УЗ-волны в жидкой среде кавитационных полостей), а также озонохемилюминесценция (свечение, возникающее в результате химических реакций озона); данные эффекты на текущий момент активно используются с целью оценки качества воды по общим показателям. Методики обобщены и закончены в ходе выполнения научноисследовательских работ в Санкт-Петербургском государственном университете сервиса и экономики (СПбГУСЭ) [53].
Структурная схема экспериментальной системы регистрации озонохемилюминесцентных процессов представлена на рисунке 1.10. В качестве источника озона, был использован опытный образец портативного проточного озонатора, разработанный СПбГУСЭ [52].
Рисунок 1.10 — Структурная схема экспериментальной системы регистрации озонохемилюминесцентных процессов: 1 — емкость с водной пробой; 2 — насос подачи водной пробы; З — камера озонолитического реактора; 4 — фильтр-распылитель озоновоздушной смеси; 5 — насос подачи озоновоздушной смеси; 6 — генератор озона; 7 — оптически-прозрачное окно; 8 — схема питания фотоприемного устройства; 9 — высоковольтный стабилизатор; 10 — фильтр-поглотитнль озоновоздушной смеси; 11 система регистрации.