1 КАВИТАЦИОННО-ВИХРЕВАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКОСТЕЙ Исследования по использованию кавитации жидкости в различных технологических процессах ведутся во многих странах с середины 60-х годов. В настоящее время ультразвуковая кавитация (в силу её большей управляемости и относительной простоты организации) довольно широко используется для обеззараживания вод, при получении мелкодисперсных эмульсий, ускорения процессов флотации, при очистке загрязненных поверхностей и т.д. В последнее время для интенсификации химических и массообменных процессов начинают применяться гидродинамические импульсные кавитаторы. Наша исследовательская группа уже более восьми лет проводит эксперименты по поиску и изучению технологий гидродинамического воздействия на жидкие среды с целью создания новых способов производства (смешивание), очистки (разделение) и активации (энергетическое насыщение) различных жидкостей. За это время был создан ряд экспериментальных стендов и установок различной мощности, конструкции и назначения (характеристики некоторых из них представлены в приложении 1). Метод обработки и устройство запатентованы (патенты РФ № 2220767 от 10. 01. 04 и №2402375 от 27.10.10). Фактически в общих чертах разработана новая технология кавитационно-вихревой обработки (КВО) жидких сред, совмещающая кавитационную и вихревую обработку жидкости, в результате чего многократно возрастает степень механического и энергетического воздействия на нее. При КВО жидкость под давлением подаётся в сопло специального профиля, где по логарифмической спирали разгоняется до относительно высоких скоростей и образует устойчивый вихрь. При этом сопло работает как суперцентрифуга (отношение центробежного ускорения к g может превышать 30000). По оси потока формируется зона кавитации. В рабочей (подсопельной ) зоне в объеме жидкости создается область взаимодействующих вихрей заданных параметров. При схлопывании кавитационных пузырьков возникают ударные волны, воздействующие на жидкость в широком диапазоне частот и затрагивающие весь спектр её структурных образований, а локальная температура в точке схлопывания может достигать нескольких тысяч градусов, давление – нескольких тысяч атмосфер. При такой обработке происходит существенное изменение структуры, физических и химических свойств жидкостей и смесей, смещается точка равновесия обратимых химических реакций и т.д. В сопле одновременно протекают процессы перемешивания и разделения жидкостей, диспергирования и коагуляции эмульсий, гомогенизация и гетерогенизация смесей и растворов. Но изменяя параметры течения (значения и соотношение угловой и осевой скоростей, соотношение осевого и радиального градиентов давления, профиль сопла и др.) можно существенно усилить требуемые процессы и смягчить или полностью исключить нежелательные. 2 Выполненные эксперименты и оценки показывают, что кавитационно-вихревая обработка позволяет интенсифицировать многие технологические процессы в промышленности и в сельском хозяйстве, и, в частности, может быть эффективно использована по следующим направлениям: - активация воды и её применение для направленного изменения развития живых организмов, прежде всего, в агротехнологиях; - обеззараживание и очистка пресной воды: - опреснение морской воды; - интенсификация механических и химических процессов в эмульсиях, в частности, при производстве модифицированного моторного топлива, биодизеля и получении устойчивых мелкодисперсных водных эмульсий в топливе; - в пищевой промышленности, медицине и косметике. производстве стройматериалов, в I.Кавитационно-вихревая обработка воды При кавитационно-вихревой обработке воды за счет энергии схлопывания кавитационных пузырьков происходит частичное разрушение сетки водородных связей. Методом ИК-спектроскопии объективно установлено существенное изменение кластерной структуры воды, ее упорядочение, возникновение значительного числа мелких кластеров. В зоне кавитации идет интенсивная диссоциация молекул воды на высокоактивные H+ и OH- с дальнейшей их рекомбинацией; образуется перекись водорода и водород. В результате изменяются основные физико-химические свойства воды: возрастает электропроводность, понижается температура замерзания, увеличивается (или уменьшается в зависимости от режима обработки) поверхностное натяжение, существенно изменяются спектральные и люминисцентные характеристики и т.д. В обработанной воде значительно улучшается растворимость газов. Кавитационно-вихревая обработка, изменяя физико-химические свойства и упорядочивая кластерную структуру воды, повышает её биологическую активность (˜активирует˜ воду). Как показывают эксперименты, такая вода оказывает значительное воздействие на развитие биологических объектов. В частности, Краснодарский сельхозуниверситет получил при проращивании в 10-процентной активированной воде ускорение роста растений амаранта в 2,5-3 раза. При проращивании пшеницы в Московской сельхозакадемии ускорение роста (особенно, корневой системы) составило 1,6-2,2 раза, огурцов – в 1,5 раза. Однократное внесение трех тонн активированной воды в рыборазводный пруд ЗАО «Рыбокомбинат Лотошинский» (Московская обл.) объёмом около 250 тыс. тонн привело к массовому развитию водной растительности (биомасса относительно контрольного пруда возросла за сезон в 5-6 раз). Испытания, проведенные Институтом пресноводного рыбоводства, 3 показали, что при добавлении в проточную ванну обработанной воды дополнительный прирост веса осетровых (при одинаковом потребляемом количестве корма) составил около 20%. В настоящее время в Брянской сельхозакадемии, где нами смонтирована специальная установка, проводятся системные исследования возможностей широкого использования активированной воды в сельском хозяйстве. В Будапештском университете (там также создана малая кавитационно-вихревая установка) ведутся испытания активированных воды и растворов гуматов в высокоинтенсивном овощеводстве. Существенных результатов в ускорении роста растений и повышении урожайности можно достичь, если использовать в растениеводстве при обработке почвы, подкормке растений и предпосевной обработке семян, активированный с помощью кавитационно-вихревой технологии водный раствор гуминовых кислот. В условиях развитой кавитации в растворе происходит разрушение по определённым типам связей больших гетерополимерных молекул гуминового вещества с получением молекул размерами 18-20 нанометров, что заметно повышает повышает эффективность удобрения. Аналогично можно активировать и другие препараты и вещества, используемые в агротехнологиях. По данным официального отчета по НИР Брянской сельхозакадемии за 2010 год применение КВО – технологии при выращивании кормовой культуры люпина белого обеспечило повышение урожайности по зерну на 35%, по зеленой массе – на 9%, вегитационный период сократился на 20 дней (на 18%). Эксперименты дают основания также утверждать, что в зависимости от условий активации (интенсивность и направление вращения вихря, развитость кавитации и др.) и режимов (в первую очередь, периодичности) применения активированная вода может как ускорить, так и замедлить развитие живого организма. То есть, можно, как показывают испытания Брянской сельхозакадемии, существенно сократить вегитационный период, но можно, замедлив созревание, обеспечить значительный прирост зелёной массы или корневой системы растения. В частности, самые предварительные эксперименты, проведенные нами на инфузориях, огурцах, тыквах и кроликах, астраханскими исследователями - на мышах и томатах, австрийскими учеными - на дрожжах, показали, что постоянное употребление активированной воды удлиняет жизнь биологического организма как минимум на 25%. Такой результат стоит дальнейших серьезных исследований проблемы активации питьевой воды. Нами не ставилась и не ставится задача медицинского или оздоровительного использования активированной воды. Но уже более пяти лет вода, получаемая при физических экспериментах, выбирается желающими для лечения различных 4 заболеваний. При этом не выявлено ни одного случая ухудшения здоровья, связанного с этим. Субъективно отмечается улучшение самочувствия, повышение тонуса и сопротивляемости стрессам. Испытаниями (методом Фоля) объективно подтверждено, что приём активированной воды существенно усиливает иммунитет. Употребление такой воды компенсирует воздействие на организм алкоголя. Во многих случаях симптомы алкогольной аллергии исчезали сразу же после потребления активированной воды (представляется целесообразным испытать её при лечении наркомании). Таким образом, полученные экспериментальные результаты дают основания утверждать, что кавитационно-вихревая обработка изменяя биологические свойства воды позволяет определенным образом управлять развитием живых организмов, и уже на данном этапе исследований может широко применяться в сельском хозяйстве для повышения его эффективности. 2. Обеззараживание и очистка воды. Доказано, что при надлежащей организации кавитационная обработка жидкости обеспечивает ее значительное обеззараживание. Такой способ почти вдвое дешевле УФ-обработки, втрое – хлорирования и в 10 раз – озонирования. При этом биологические и органолептические качества воды улучшаются. Ультрозвуковая кавитация уже успешно применяется для обеззараживания питьевой воды. Эксперименты показали, что гидродинамическая обработка приводит к понижению концентрации растворенных в жидкости солей (выпадают в осадок), что связано со снижением в зоне кавитации диэлектрической проницаемости воды и соответственным уменьшением растворимости неорганических ионных соединений. Меняется структура растворов электролитов, в гидратной оболочке ионов теряется заметное количество молекул воды и происходит частичное образование ионных пар. Упрощённую схему процесса очистки воды от различных примесей описать следующим образом: можно Для очистки воды от электролитов (растворенных солей), в том числе опреснения, в дифузорной части сопла размещается керамическая мембрана, производительность которой, как показывают эксперименты, при такой организации течения существенно возрастает. В первую очередь это связано с изменением физико-химических свойств воды и возникающим при кавитации звукокапилярным эффектом, а также с изменением гидратации поверхности мембраны и её «самоочисткой» вихревым течением и кавитацией. Очистка воды от нефтяных загрязнений основывается на том, что при вихревом движении гетерогенной эмульсии в поле центробежных сил 5 происходит перемещение и "прилипание" к стенкам сопла этих примесей. Качество очистки определяется параметрами течения и организацией вывода загрязнений из пристеночного слоя. Эффективность описанных процессов определяется конструкцией сопла, организацией и параметрами вихревого течения, характеристиками мембраны. Для различных видов загрязнений параметры и конструкция, необходимые для обеспечения требуемой степени очистки, могут существенно различаться. Таким образом, кавитационно-вихревая технология позволяет создать высокоэффективные очистные системы на основе ранее не использовавшихся для этих целей физических процессов. 3. Интенсификация механических и химических процессов в эмульсиях и смесях жидкостей. Кавитационно-вихревая обработка многокомпонентной среды может существенно интенсифицировать физико-химические процессы, протекающие в ней. Это связано как с центробежным массопереносом, так и с процессами формирования и схлопывания парогазовых пузырьков, и с воздействием на эту среду ударных волн, образующихся при их схлопывании. В случае, когда обрабатывается гетерогенная многокомпонентная смесь жидкостей с различной вязкостью, в пристеночном слое за счет центробежных сил и турбулентного переноса концентрируется более вязкая составляющая (происходит её "прилипание" к стенке, менее вязкая – "сдувается" потоком). При надлежащей организации вихревого течения и вывода вязкой компоненты из пограничного слоя кавитационно-вихревая обработка позволяет разделять смесь жидкостей по вязкости во многих случаях значительно эффективнее, чем существующие способы (разделение по плотности, по фазовому переходу). Гомогенная смесь (например, нефть, мазут, нерафинированное масло) при прохождении через зону кавитации "гетерогенизируется" (при заполнении кавитационного пузырька парами легко летучих компонентов, по его поверхности концентрируются менее летучие, и возникшая неоднородность сохраняется после схлопывания), а далее процесс проходит таким же образом, как при разделении эмульсии. Как представляется, в первую очередь именно в результате этих процессов в экспериментах с КВО было проведено рафинирование подсолнечного масла, разделена эмульсия “масло в воде”, дизельное топливо и бензин были очищены от серы и остаточных тяжелых фракций. 6 С другой стороны, при соответствующей организации потока КВО позволяет обеспечить диспергирование (в определённом смысле, гомогенизацию) эмульсий и суспензий. В зоне кавитации пузырьки образуются, в первую очередь, на частицах включений и энергия схлопывания идет в том числе и на дробление этих частиц. В экспериментах была получена суспензия фторопласта (вязкое, практически не дробящееся вещество) в воде с размерами частиц менее 0,4 микрона. Обработка мазута с водой привела к образованию устойчивой эмульсии (была стабильна более года). В дизельное топливо было ˜вбито˜ до 10% воды без использования ПАВов. С использованием минимального количества соответствующего ПАВа на двухкаскадной односопельной установке произведена устойчивая (стабильна уже более двух лет) эмульсия воды в подсолнечном масле с содержанием воды около 70%. Выполнено дополнительное диспергирование кварцевого песка. Получена устойчивая суспензия каменного угля в воде (жидкий уголь), но процесс, по нашим оценкам, на настоящий момент оказался энергетически не эффективным. При равновесных химических реакциях в системе жидкостей с различными вязкостью и плотностью КВО может обеспечить вывод того или иного компонента из зоны реакции и сместить её равновесие в требуемую сторону. В частности, это позволяет принципиально улучшить технологию производства биодизеля. Биодизель в промышленных масштабах производится в Европе более 15 лет и в настоящее время в странах ЕЭС ежегодно потребляется свыше 10 млн. тонн метилового эфира. Однако существенного совершенствования технологии его выработки за это время не произошло. Основными недостатками существующих установок и производств являются: - реакция переэтерификации осуществляется в несколько стадий с существенным избытком метанола по отношению к стехиометрическому количеству. Соответственно, увеличиваются металлоемкость и стоимость технологического оборудования, производственные площади и энергозатраты, повышаются требования к безопасности. В производственной линии необходим цикл выделения, осушения и возврата в контур избытков метанола; - в процессе переэтерификации используется катализатор (гидроокись или метилат калия), что требует дополнительных затрат на отмывку получаемого биодизеля, отделение воды и сушку готового продукта. Для возврата в контур отмывочной воды необходима система её очистки; Как показали эксперименты, устранить эти недостатки или существенно их уменьшить позволяет кавитационно-вихревая обработка исходных смесей и готовых продуктов производства биодизеля. 7 При кавитационно-вихревой обработке многокомпонентной смеси растительного масла, спирта (исходных продуктов для производства биодизеля), глицерина и соответствующего эфира (продуктов реакции переэтерификации) в пристеночном слое за счет центробежных сил и турбулентного переноса концентрируется наиболее вязкая и тяжелая составляющая – глицерин, т.е. он выводится из зоны реакции. Равновесие реакции переэтерификации смещается в сторону конечных продуктов. При надлежащей организации вихревого потока и вывода глицерина из пограничного слоя и контура кавитационно-вихревая обработка позволяет исключить из технологического процесса катализатор. В этих условиях нет необходимости и в избытке спирта, и в отмывке и сушке готовых продуктов, и в нейтрализации щелочи и др. На одной из установок были проведены эксперименты по интенсификации физико-химических процессов на различных стадиях производства биодизеля. В частности, было осуществлено рафинирование подсолнечного масла со значительным уменьшением его вязкости, была эффективно разделена эмульсия "вода в масле". В ходе кавитационно-вихревой обработки смеси подсолнечного масла с этиловым спиртом (количество спирта составляло 95% от стехиометрического) наблюдалось существенное смещение равновесия реакции переэтерификации в сторону эфиров, и был получен биодизель (этиловый эфир). Полученные экспериментальные результаты уже позволяют разрабатывать блоки кавитационно-вихревой обработки для существующих производств биотоплива с целью повышения их эффективности. На каждой стадии производства (подготовка масла, переэтерификация, разделение и очистка продуктов) КВО существенно интенсифицирует технологические процессы и значительно повышает эффективность производства в целом. В результате многократно возрастает экономичность повышается его безопасность, значительно снижается нагрузка на производственную площадку. производства, экологическая Таким образом, выполненные исследования и оценки дают достаточно оснований утверждать, что кавитационно-вихревая технология может успешно использоваться в различных химических производствах при обработке эмульсий и смесей жидкостей, при производстве водно-топливных смесей, биодизеля, очистке и восстановлению смазывающе - охлажлающих жидкостей (СОЖ) и т.д. 4.Использование КВО в пищевой промышленности. Особые свойства активированной воды, в первую очередь повышенная мембранная (клеточная) проницаемость, позволяют широко использовать ее в пищевой промышленности. Предварительные эксперименты в мясопереработке показали, что такая вода интенсифицирует реакцию гидратации растительных и 8 животных белков. Это может дать, следовательно, значительный экономический эффект, поскольку связанная таким путем вода становится неотъемлемой частью белков, т.е. естественным образом увеличивает их массу (вода соединяется с белками благодаря действию механизмов аналогичных тем, которые имеют место в живой природе в процессе их синтеза). При этом можно существенно уменьшить в рассоле количество консервантов, пищевых фосфатов и других добавок, а срок сохранности (срок реализации продукта) увеличить более чем вдвое (как уже упоминалось, развитие микроорганизмов в среде с активированной водой можно существенно замедлить). В частности, технология ультразвуковой кавитационной обработки рассолов на Вологодском мясокомбинате обеспечивает исключение из рассола, а, следовательно, из конечного продукта, неорганических влагоудерживающих и цветостабилизирующих добавок, снижение содержания вкусовых и консервирующих добавок, а также сокращение времени посола при сохранении традиционного вкуса и внешнего вида готового продукта. Содержание в продукте соли снижается на 15-20%, нитрата натрия – в 4-5 раз, фосфатов – в 3 раза. Вода из рассола становится неотъемлемой частью биополимерной структуры протеинов, существенно улучшая ее свойства. Поэтому выход продукта увеличивается на 3-7%. Кавитационно-вихревая обработка цельного молока обеспечивает тестируемое увеличение в нем содержания белка и заметно улучшает вкус продукта; позволяет синтезировать молоко из молочной сыворотки и сухого молока, а также обогащать его искусственно вносимыми пищевыми компонентами, и, таким образом, существенно нарастить объем его производства без увеличения стада и значительно уменьшить его цену. Эту технологию можно эффективно использовать для бактерицидной обработки молока и его пастеризации. Обработанная творожная сыворотка (вкус заметно улучшился) сохранялась при комнатной температуре без изменений более полугода. В настоящее время эксперименты с молоком проводятся в Брянской сельхозакадемии. Имеются данные об эффективном использовании «активированной» воды, позволившем улучшить качество и снизить себестоимость продукции, в хлебопекарной и кондитерской промышленности. Широкое применение такая вода может найти при солении и мариновании овощей и при приготовлении соков. Гидродинамическая обработка позволяет существенно повысить растворимость в воде кислорода или углекислого газа и улучшить вкусовые качества газированных напитков. Обогащение кислородом 9 дает возможность создания нового для РФ класса напитков. энергетических Результаты наших экспериментов позволяют утверждать, что кавитационно-вихревая обработка водки может существенно улучшить её качество, но, главное, позволяет создать принципиально новый по воздействию на организм человека алкогольный напиток. Как известно, спирт, и тем более его растворы, являются кластерными жидкостями. При КВО происходит их структурирование со смещением равновесия в область более мелких кластеров, дополнительная очистка за счет выведения из раствора остаточных масел и солей, существенно изменяются биологические свойства напитков. После обработки качество водки по заключению дегустаторов-профессионалов заметно улучшается, но главное, как показали испытания на добровольцах, коренным образом изменяется характер её воздействия на организм человека: - при употреблении обработанного напитка состояние опьянения стабилизируется на определенном уровне и слабо усиливается с увеличением количества выпитого (вплоть до объемов 1-2 литра на человека); - на следующий день после принятия алкоголя симптомы интоксикации (головная боль, тошнота, слабость) полностью отсутствуют, напротив, зачастую отмечается прилив сил. Есть все основания полагать, что употребление такой водки наносит значительно меньший вред организму (или даже его оздоравливает). Изменение характера воздействия определяется следующими факторами. 1. Методом газоразрядной визуализации (методом Кирлиана) установлено, что употребление алкоголя ослабляет биополе человека, почти до полного его исчезновения. С другой стороны, употребление обработанной (КВО) воды значительно усиливает биополе и активированная вода, содержащаяся в обработанной водке, компенсирует (по крайней мере, ослабляет) этот аспект воздействия алкоголя. 2. Мелкокластерная структура жидкости облегчает вывод из организма спирта и ядов, образовавшихся при его усвоении. 3. Сказывается дополнительная очистка водки. Таким образом, кавитационно-вихревая обработка водки, сохраняя и улучшая её потребительские свойства (возможность получения продлённого состояния эйфории и расслабления), устраняет её отрицательные качества (бесконтрольное опьянение и алкогольную интоксикацию «тяжкое похмелье»). КВО позволяет создать принципиально новый алкогольный напиток, имеющий, как нам представляется, хорошую социальную и коммерческую перспективу. Использование растительных кавитационно-вихревой технологии при обработке масел выявило высокий уровень их очистки и 10 значительное улучшение вкусовых качеств конечного продукта. На практике это даёт возможность упростить и удешевить процесс рафинации. *** Возможности кавитационно-вихревого воздействия на жидкие среды никак не исчерпываются перечисленными выше направлениями. В частности, нам представляется, что эта технология может найти эффективное применение в производстве строительных материалов и в строительстве (обработка раствора цемента существенно повышает прочность бетона и др.), для улучшения смазывающих свойств различных масел (обработка буровых жидкостей, как показали наши эксперименты в ЗАО «Полицел» (г. Владимир), значительно повышает их потребительские качества) и т.д.
