У фіналі конкурсу стартапів на ХІ Фестивалі інноваційних проєктів "Sikorsky Challenge 2022" було представлено проєкт, присвячений виробництву водню шляхом електролізу із застосуванням ультразвукової кавітації. У розмові з одним із учасників цього проєкту – кандидатом технічних наук, доцентом НН ММІ, лауреатом Премії Президента України для молодих учених 2021 року Андрієм Зілінським – кореспондент "КП" дізнався про досягнення групи вчених КПІ, які працюють над впровадженням у виробництво ультразвукових кавітаційних технологій та відповідного технологічного обладнання.
– Андрію Івановичу, розкажіть про історію цього проекту.
– На кафедрі прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки ММІ існує декілька наукових груп. У співпраці вчених з наукової групи "Ультразвукові кавітаційні технології та обладнання для їх реалізації" (науковий керівник – доктор технічних наук, професор Олександр Федорович Луговський) та колегами з наукової групи "Гідромеханічні процеси у в'язких та аномально в'язких рідинах у замкнених та розімкнених ємностях машин та апаратів" (науковий керівник – доктор технічних наук, професор Олег Михайлович Яхно) було створено проєкт під орудою кандидата технічних наук, доцента Ігоря Вікторовича Ночніченка. Ми розробили та дослідили механотронне обладнання для впровадження технології електролізного отримання водню в умовах ультразвукової кавітації.
– До якої з цих наукових груп належите ви?
– До наукової групи, яку очолює Олександр Луговський. Вона розробляє ультразвукове технологічне обладнання для обробки рідких середовищ, а також технології ультразвукового безреагентного знезараження рідин, ультразвукового дрібнодисперсного розпилення рідин у складі механотронних систем зрошування та штучного мікроклімату, ультразвукового розпилення розплавлених металів з метою отримання дрібнодисперсних металевих порошків, ультразвукового кавітаційного фільтрування рідин, отримання стійких емульсій за рахунок ультразвукового кавітаційного перемішування на молекулярному рівні, ультразвукового кавітаційного екстрагування, ультразвукового знесолення води, отримання водню із залученням ультразвукової кавітації тощо.
– Якою є мета ваших досліджень? Хотілося б ґрунтовніше зрозуміти сутність проблеми.
– Ультразвукова кавітаційна обробка рідинних середовищ широко застосовується в різних галузях промисловості. Мова про технологічні процеси, пов'язані з перемішуванням, диспергуванням рідинних і твердих речовин. Як результат – отримання прямих і зворотних емульсій, розділення рідких неоднорідних сумішей, флотації (метод відокремлення одних мінералів від інших у водному середовищі – ред.), фільтруванням. Кавітаційний вплив дозволяє змінювати швидкість дифузії, окислення, кристалізації і розчинення речовин, сприяє активізації хімічних реакцій і багатьом іншим фізичним процесам. Завдяки цьому досягається інтенсифікація технологічних процесів.
Введення у рідину акустичних коливань з інтенсивністю, що перевищує поріг виникнення кавітації за даних умов, приводить до зародження, пульсацій та захлопування парогазових кавітаційних бульбашок. Утворюються акустичні мікротечії, потужні ударні хвилі й кумулятивні струмені, які інтенсивно руйнують тверді поверхні. Саме акустичні мікротечії забезпечують високоякісне видалення жирових плівок з поверхонь виробів і перемішують рідинні компоненти на молекулярному рівні. Високий тиск і температура, що виникають у мікрооб'ємах при захлопуванні кавітаційних парогазових бульбашок, створюють умови для виникнення в них електричних зарядів, багатих на енергію дисоційованих та іонізованих молекул, а також атомів і вільних радикалів. Тобто, це явище приводить до активізації рідини. Ударні хвилі, тиск, високі температури та інтенсифікація хімічних процесів, що супроводжують ультразвукову кавітацію, забезпечують ефект знезараження рідин та поверхонь.
– Хто працював над цією проблемою?
– Під керівництвом Олександра Федоровича Луговського захистилися багато молодих науковців. Серед них – кандидат технічних наук, доцент, директор НН ММІ Ігор Анатолійович Гришко, який за розробку технології використання ультразвуку для знезараження рідин отримав Премію Президента України для молодих учених за 2014 рік; доценти радіотехнічного факультету Андрій Валерійович Мовчанюк та Аліна Вікторівна Шульга. Я теж захистив кандидатську дисертацію під керівництвом Олександра Федоровича.
До речі, професора Луговського за його наукові розробки в 2021 році удостоєно Національної премії України імені Бориса Патона. Отже, йдеться про успіх наукової групи у матеріалознавчому, інженерно-технічному та акустичному напрямах.
– Цікаво було б трохи докладніше дізнатися про явище кавітації.
– Уперше його виявив ще академік Леонард Ейлер (1707 – 1783). Вчений, який ніколи не спостерігав явище кавітації на практиці, зміг теоретично обґрунтувати можливість утворення у рідині розривів внаслідок локального пониження тиску з наступним захлопуванням виниклих пустот. У подальшому завдяки численним експериментальним та теоретичним дослідженням було встановлено, що утворення у рідині кавітаційних бульбашок-каверн відбувається при локальному падінні тиску нижче деякого критичного значення, яке відповідає порогу кавітації. Зазвичай критичному значенню відповідає тиск, що трохи менший від тиску насичених парів при даній температурі. Заповнені паром, газом або їхньою сумішшю кавітаційні бульбашки, потрапляючи в область підвищеного тиску, різко захлопуються, і це супроводжується виникненням ударних імпульсів тиску, які досягають 1000 МПа, підвищенням температури до 1000 оС та електричними розрядами.
Залежно від способу зниження тиску в рідині, розрізняють гідродинамічну кавітацію, що виникає внаслідок великих місцевих швидкостей в крапельному потоці рідини, та ультразвукову кавітацію, що з'являється внаслідок проходження з великою інтенсивністю звукової хвилі.
– А в чому полягає принцип технології ультразвукового знезараження?
– Ультразвукові хвилі створюють у рідині високочастотні коливання, які приводять за певних умов до виникнення кавітаційних бульбашок. Під час цього процесу виникають високі температура і тиск, відбуваються окислювальні процеси. Все це приводить до знищення мікроорганізмів. Йдеться про великі за розмірами мікроорганізми, бактерії, віруси та грибки.
Ультразвукова стерилізація може бути використана для дезінфекції та стерилізації різноманітних предметів: інструментів для хірургічних операцій, стоматологічних інструментів, протезів, медичних приладів, скляних посудин та інших предметів, які застосовуються в стерильних умовах. Крім того, ультразвукова стерилізація може бути використана для очищення води та рідин від мікроорганізмів. Важливим є те, що цей метод не використовує хімічні речовини та є придатним для обробки рідин різної прозорості, і тому є екологічно безпечним.
– З нашої бесіди зрозуміло, що застосування ультразвукових коливань великої потужності та кавітаційних явищ, які їх супроводжують під час фільтрування рідини, дозволяє не лише інтенсифікувати цей процес та підвищити його якість, але й сприяє забезпеченню саморегенерування фільтроелементу. Про які переваги варто згадати ще?
– Створення фільтрів, що не потребують обслуговування, є важливим напрямом у розвитку техніки фільтрування. Особливих можливостей надає використання в технології фільтрування рідин ультразвукових коливань з частотою 20-100 кГц. Застосування ультразвукової енергії в процесі фільтрування рідин дає можливість значно спростити конструкції та зменшити розміри таких фільтрів. Це відбувається завдяки відмові від циркуляційних насосів або приводів обертання фільтрувальних барабанів, які забезпечують досягнення потрібної різниці відносних швидкостей забруднювача та чистої рідини, а також від низькочастотних віброелектроприводів. Останні забезпечують періодичне або неперервне скидання осаду з фільтрувальної перегородки. Відмова від громіздких та енергоємних допоміжних агрегатів у фільтрах, що не потребують технічного обслуговування, за рахунок використання можливостей ультразвукових перетворювачів дозволяє розширити гаму типорозмірів цього класу фільтрів – від стаціонарних великогабаритних промислового застосування до маловитратних автономних широкого використання. Основними ж перевагами таких фільтрів є те, що вони не потребують технічного обслуговування, а також мають практично необмежений термін використання. А ще, учетверо-вп'ятеро вищий ступінь фільтрації за тих само продуктивності та пористості фільтрувальної перегородки. Останні також збережені у фільтрах з ультразвуковими перетворювачами (такі фільтри зазвичай називають ультразвуковими).
– Говоримо про наукову групу, але ще не з усіма колегами ми знайомі. Представте їх, будь ласка.
– Із задоволенням. Аліна Вікторівна Шульга – кандидат технічних наук, доцент РТФ, працює над розробкою та впровадженням розпилювачів, заснованих на ультразвукових ефектах. Ультразвукове розпилення в тонкому шарі рідини має широке застосування у фармацевтичній, харчовій, косметичній та інших промислових галузях. Цей метод дозволяє отримати рідинний монодисперсний аерозоль з розмірами крапель в діапазоні від 5 до 20 мкм.
Вагомий внесок зробила доктор технічних наук Ірина Миколаївна Берник, яка працює нині на посаді завідувача кафедри у Вінницькому національному аграрному університеті. Кандидатську і докторську дисертації вона захищала під науковим керівництвом професора О.Ф.Луговського. Її докторська була присвячена розробці ультразвукової кавітаційної технології вилучення пектину (розчинна у воді речовина, яка міститься у клітинному соку плодів і овочів – ред.) з рослинної сировини та створенню обладнання для її реалізації. Принцип ультразвукової технології отримання пектину полягає в застосуванні для видалення з рослинної сировини корисних компонентів звукокапілярного ефекту.
Наступний – кандидат технічних наук, доцент РТФ Андрій Валерійович Мовчанюк. Він досліджував технологію та обладнання для віброударного зміцнення поверхонь і зняття напружень зі зварних з'єднань, яке застосовується для зняття напружень, що виникають у металевих деталях після зварювання. Це дозволяє підвищити міцність та збільшити термін служби деталей. Ультразвукове віброударне зняття напружень (так називається ця технологія) може бути застосоване до різних типів металів, включаючи сталі, алюмінієві сплави та титан, а також до металевих деталей різної форми та розміру, у тому числі зварних швів, пластин і труб.