В современной технологической аппаратуре широкое распространение получили устройства, использующие эффект кавитации. На сегодняшний день существуют устройства, в основе рабочего процесса которых лежит эффект либо гидродинамической, либо ультразвуковой акустической кавитации, которые показывают положительные экономические, производственные, энергетические характеристики в различных областях промышленности. Кавитация имеет первостепенное значение в формировании нано- и микроструктур.
Ключевые слова: вода, дезинтеграция, кавитация, молекулы, обработка, осадок, пузырьки, распад, частицы, фаза.
Одним из приоритетных направлений развития пищевой промышленности являются вопросы по обеспечению качества и безопасности пищевого сырья и продуктов питания [1–5].
Для повышения конкурентной способности необходимо проводить работы по совершенствованию менеджмента качества и существующих технологических методов производства пищевых продуктов, но и внедрению современных инновационных технологий [6–10].
Из современных физических методов обработки сырья наибольший интерес представляет кавитационная технология.
В мировой практике вопросами динамики анализа кавитации распада микрочастиц во время подготовки нанопорошков занимались Richard Dvorskya, Jiri Lunaceka, Ales Slivab. Было доказано, что физический источник динамики кавитационных явлений, индуцирующих струю жидкости на сверхвысокой энергии, смешивается вместе с медленной жидкой суспензией измельченных частиц. Экстремальные растягивающие напряжения, возникающие при градиенте скорости более 1000 м/с-1 мм-1,при рабочей температуре генерируют высокую интенсивность кавитации чистого пара в дегазированной водной дисперсии с экстремальными значениями давления ударной волны на поверхности частиц.
Подготовка наночастиц кремния со средним диаметром 148 нм с использованием «Water Jet Mill» (WJM) устройства продемонстрировал пример применения метода кавитационного распада микрочастиц, а также показал теоретический анализ этого метода. Способ распада характеризуется высоким потенциалом отделения субмикронных частиц с высокой эффективностью [1].
Экспериментальным исследованием по гидродинамической кавитации распада отходов активного осадка на гидродинамическом кавитаторе занимались Huang Yonggan, Zhu Tong, Hu Xiaomin. Прежде всего, для эффективного процесса распада осадок должен быть предварительно обработан. Обработка в значительной степени непосредственно влияет на дальнейший этап очистки сточного активного осадка. Были сделаны гидродинамическая система кавитации и два аэробных реактора для дальнейшей обработки. Первый образец был объединен с системой гидродинамического кавитатора. Он был введен в ADR(аэробный обрабатывающий реактор). Второй образец был введен напрямую в ADR2. В соответствии с физической моделью эксперимента можно сделать выводы, что в качестве предварительного процесса гидродинамический метод кавитации может разделить осадок и привести его к процессу обезвоживания, а так же ускорить реакции обработки. Следовательно, гидродинамический кавитатор — простое устройство с более высокой экономии энергии и с небольшим вторичным загрязнением окружающей среды [2].
Suranjit Kumar провел исследования распада осадка с использованием озона-гидродинамической кавитации. Он применил гидродинамическую и озонирование как отдельно, так и в сочетании этих двух факторов одновременно, чтобы определить синергетический эффект этих двух технологий для распада осадка. Озон вводили после кавитации при концентрации 35 мг/л при скорости потока 3 л в минуту. Осадок подвергали обработке в течение 90 минут во всех трех случаях. На заключительном этапе в сочетании озона и кавитации был применен распад осадка в течение 10 часов. Было обнаружено, что сочетание озонирования и кавитации демонстрировало большую дезинтеграции осадка, чем применение их по отдельности. Около 31 % от исходного состояния было снижено на комбинированной системе, в то время как на 19 % была снижена на озоне и только на 4 % на кавитации отдельно в покое после 90 минут обработки. Было так же обнаружено, что при озоновой кавитации примерно 26 % от общего количества фосфорный осадок был выпущен в раствор в течении первых двух часов. В условиях эксплуатации использование отдельно озонирования и гидратации было недостаточно для распада осадка, чем при комбинированном использовании [3].
Ультразвуковая кавитация позволяет использовать физико-химическую обработку избыточного осадка, полученного во время биологической очистки сточных вод. Возможна также интенсификации гидролитической фазы избыточного осадка, которая ограничивает дальнейшие процессы биохимического разложения органических соединений бактериями в последующие фазы — кислотопродуцирующие и метагенные. Они стали одним из самых интересных и широко проанализированных в научных проблемах технологий сточных вод и очисти сточных вод от осадка. Очистка сточных вод от осадка может быть осуществлена с помощью предварительной обработки осадка с помощью термических, химических и механических методов.
Данная обработка направлена на диспергирование твердой фазы осадка и уничтожение клеток микроорганизмов, сопутствующее освобождением субстратов и ферментов в осадке жидкости, и для дальнейшего биохимического разложения органических веществ [4].
Распад на гидродинамической кавитации оказывает положительное влияние на степень и скорость осадка анаэробного сбраживания ила. Гидродинамический распад клеток происходит в течение нескольких минут, а не дней. Освобождаются внутриклеточные и внеклеточные компоненты и становятся сразу же доступными для биологического разрушения, что приводит к улучшению последующего анаэробного процесса. Гидродинамический распад активированного ила в органических веществах и перенос полимера из твердой фазы в жидкую фазу увеличивает стоимость использования технологии.
Разрушение бактериальных клеток путем гидродинамической кавитации оказывает положительное влияние на степень и скорость избыточного ила анаэробного сбраживания. Клетки микроорганизмов активированного ила подвергаются разрывы, что приводит к увеличению производства биогаза. Гидродинамический распад активного ила приводит к более высокой степени разрушения и увеличения биогаза [5].
В настоящее время значительное внимание уделяется изучению свойств и процессов формирования минеральных нано- и микрочастиц. Исследования наноразмерных структур в природе может дать новую информацию о межмолекулярном веществе. Кавитация имеет первостепенное значение в формировании нано- и микроструктур. Существует процесс синтеза алмазов с помощью процесса кавитации. Идея кавитационного механизма формирования алмаза состоит в следующем: узкий канал с полостью переменного сечения образуется в результате быстрого движения жидкости. Когда полость канала расширяется, давление уменьшается, что приводит к разделению фаз флюида, который расслаивается на жидкую фазу и газовую фазу, существующая в виде газовых пузырьков. Когда жидкость переходит к суживающему сечению канала, давление восстанавливается и пузырьки разрушаются. Было подтверждено, что давление внутри схлопывающихся пузырьков, которые заполнены углеродсодержащим газом, является достаточным для синтеза алмазов.
Механизм кавитации объясняет происхождение микроскопических шариков, найденных в полостях и трещинах жильного кварца из мезотермальных месторождений золота. Адушкин разработал теорию, которая описывает формирование минеральных нано- и микросфер через механизм кавитации, учитывающей характерные размеры кавитационных пузырьков и их эволюцию наряду с динамикой нагрева частиц в кавитационных пузырьках. На основе этой теории максимальные размеры кавитационных пузырьков зависят от размера глобул, полученных за счет расплавления частиц различного минерального состава. Было показано, что механизм кавитации может привести к образовании. минеральных флюидов.
В результате кавитации взаимодействие полиминеральных микрочастиц пузырьков может привести к распаду и фрагментации микрочастиц в мономинеральных фракциях с размерами десятком микрометров, которые получаются при разработке месторождений низкосортных рудных отвалов [6].
Обычные способы очистки сточных вод от органических загрязнений является одной из наиболее важных проблем. Стоимость обработки избыточного осадка и его утилизация может составить до 60 % от эксплутационных расходов. Таким образом, процесс биологической очистки может решать проблемы борьбы с загрязнением воды с твердыми отходами [7, 8].
Кеннет показал, что химические эффекты гидродинамической и акустической кавитаций одинаковы, а именно, температура, масса и природа растворенного газа. Установлено, что в водных растворах акустическая кавиатция приводит к образованию активной формы, такие как ОН, Н и Н2О2. Эти короткоживущие формы способны окислить органические вещества и разрушать клеточные стенки. Согласно этому, было предложено много методов предварительной обработки шлама. Они снижали стоимость обработки осадка в системе водоподготовки. Разработанный «VCS» использует кавитационные пузырьки и генерирует их затем в кавитационную систему «venturi». Этот процесс показал положительные энерго- и экономические затраты [9, 10].
Так как химические эффекты гидродинамической и акустической кавитаций одинаковы, то возникает вопрос — нельзя ли интенсифицировать эффект кавитации на обрабатываемую среду. И выход был предложен: если в зоне интенсивного развития кавитации сформировать сверхзвуковое течение (известно, что в двухфазных средах скорость звука много ниже, чем в составляющих эту среду компонентах), то дальнейшее течение сверхзвукового потока в условиях трения проточной части гидродинамического кавитационного устройства перейдет в дозвуковой режим в скачке давления, энергия которого позволит осуществить взаимодействие компонентов среды на микроуровне.
Таким образом, взаимопроникновение и взаимообмен компонентов смеси осуществляется наиболее полно, что отражено в наших публикациях [11–19].
Литература:
1. Ребезов М. Б., Топурия Г. М., Асенова Б. К. Виды опасностей во время технологического процесса производства сыровяленых мясопродуктов и предупреждающие действия (на примере принципов ХАССП). Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2014. Т. 2. № 1. С. 60–66.
2. Губер Н. Б., Ребезов М. Б., Топурия Г. М. Инструменты снижения рисков при реализации инновационных проектов в сфере продуктов питания животного происхождения. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Экономика и менеджмент. 2014. Т. 8. № 1. С. 156–159.
3. Белокаменская А. М., Зинина О. В., Наумова Н. Л., Максимюк Н. Н., Соловьева А. А., Солнцева А. А., Ребезов М. Б. Контроль качества результатов исследований продовольственного сырья и пищевых продуктов на содержание свинца. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2012. № 1. Т. 2. С. 157–162.
4. Ребезов М. Б., Мирошникова Е. П., Богатова О. В., Максимюк Н. Н., Хайруллин М. Ф., Лукин А.А, Зинина О. В., Залилов Р. В. Технохимический контроль и управление качеством производства мяса и мясопродуктов. Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2011. 107 с.
5. Ребезов М. Б., Максимюк Н. Н., Богатова О. В., Курамшина Н. Г., Вайскробова Е. С., Интегрированные системы менеджмента качества на предприятиях пищевой промышленности. Магнитогорск: МаГУ, 2009. 357 с.
6. Губер Н. Б., Ребезов М. Б., Асенова Б. К. Перспективные способы разработки мясных биопродуктов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2014. Т. 2. № 1. С. 72–79.
7. Зинина О. В., Ребезов М. Б., Соловьева А. А. Биотехнологическая обработка мясного сырья. В.Новгород: Новгородский технопарк, 2013. 272 с.
8. Ребезов М. Б., Зинина О. В., Максимюк Н. Н., Соловьева А. А. Использование животных белков в производстве мясопродуктов. Вестник Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого. 2014. № 76. С. 51–53.
9. Соловьева А. А., Зинина О. В., Ребезов М. Б., Лакеева М. Л. Современное состояние и перспективы использования стартовых культур в мясной промышленности. Сборник научных трудов SWorld. 2013. Т. 10. № 1. С. 84–88.
10. Соловьева А. А., Зинина О. В., Ребезов М. Б., Лакеева М. Л., Гаврилова Е. В. Актуальные биотехнологические решения в мясной промышленности. Молодой ученый. 2013. № 5. С. 105–107.
11. Dvorskya R., Lunaceka J., Slivab A. Dynamics analysis of cavitation disintegration of microparticles during nanopowder preparation in a new Water Jet Mill (WJM) device. Advanced Powder Technology. 2011. № 22 (5). С. 639–643.
12. Yonggan H., Tong Z., Xiaomin H. Study on hydrodynamic cavitation disintegration for waste activated sludge. The experimental investigation on the hydrodynamic cavitator. Industrial Electronics and Applications. 2009. № 5. С. 2201–2203.
13. Kumar S. Disintegration of sludge using ozone-hydrodynamic cavitation. University of British Columbia,Electronic Thesis or Dissertation. 2010. С. 1–3.
14. Sorys P., Zielewicz-Madej E. Ultrasonic cavitation in sewage sludge. Institute of Water and Wastewater Engineering, Silesian University of Technology, Konarskiego. 2009. № 3. C. 44–47.
15. Machnicka A., Grűbel K., Suschka J. The use of hydrodynamic disintegration as a means to improve anaerobic digestion of activated sludge. BURGESS JE and PLETSCHKE BI. 2008. № 34. С. 343–349.
16. Sergey I., Popel V., Adushkin V. Nanoscale particles in technological processes of beneficiation. J. Nanotechnol. 2014. № 5, С. 458–465.
17. Baier U., Schmidheiny P. Enhanced anaerobic degradation of mechanically disintegrated sludge. Wat. Sci. Tech. 2013. № 36(11), С. 137–143.
18. Прохасько Л. С. Применение гидродинамических кавитационных устройств для процессов водоочистки. Международная научно-практическая конференция «Чистая вода — 2009»: сб. науч. тр. Кемерово: КТИПП, 2009. С. 460–464.
19. Canales, AG., Pareilleux A., Rols J., Goma L. Decreased sludge production strategy for domestic wastewater treatment. Wat. Sci. Tech..2012. № 30 (8), C. 97–106.
20. Jeremy S., John A. Treatment of primary sludge with enzymes. H Biotech. & Bioeng. 2008. № 20 (8), С. 1221–1234.
21. Прохасько Л. С. Гидродинамика и расчет кавитационных смесителей непрерывного действия: автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2000. 20 с.
22. Спиридонов Е. К., Прохасько Л. С., Боковиков В. С., Валиев А. Х. Смеситель кавитационного типа Патент РФ № 2158627 от 10.11.2000. Приоритет изобретения 23.03.1999 г.
23. Прохасько Л. С., Ребезов М. Б., Зинина О. В., Залилов Р. В., Мазаев А. Н., Асенова Б. К., Ярмаркин Д. А. Смеситель кавитационного типа для жидких пищевых сред. Патент на полезную модель РФ № 136741 от 20.01.2014. Приоритет изобретения 16.04.2013 г.
24. Прохасько Л.С, Ребезов М.Б, Асенова Б. К., Зинина О. В., Залилов Р. В., Ярмаркин Д. А. Применение гидродинамических кавитационных устройств для дезинтеграции пищевых сред. Сборник научных трудов SWorld. 2013. Т. 7. № 2. С. 62–67.
25. Прохасько Л. С., Залилов Р. В., Ребезов Я. М. Расчет кавитационных устройств для обработки жидких пищевых сред. Техника и технология пищевых производств: мат. IХ междунар. науч.- технич. конф. (25–26 апреля 2013 г). Могилев: МГУП, 2013. С. 260.
26. Прохасько Л. С., Ярмаркин Д. А. Математическая модель рабочего процесса гидродинамического кавитационного смесителя. Технические науки — от теории к практике. 2013. № 10. С. 61–65.
27. Прохасько Л. С., Ярмаркин Д. А. К вопросу об определении продольных размеров гидродинамических кавитационных устройств. Естественные и математические науки в современном мире. 2013. № 10–11. С. 117–121.
28. Лиходумова М. А., Прохасько Л. С., Ярмаркин Д. А., Асенова Б. К., Залилов Р. В. Инновационные технологии водоподготовки для производства слабо- и безалкогольной продукции. Молодой ученый. 2013. № 10. С. 159–161.
29. Кондратьева А. В., Ярмаркин Д. А., Прохасько Л. С., Асенова Б. К., Залилов Р. В. Новые технологии обработки молочной продукции (на примере молока коровьего). Молодой ученый. 2013. № 10. С. 146–149.
