В финале конкурса стартапов на XI Фестивале инновационных проектов "Sikorsky Challenge 2022" был представлен проект, посвященный производству водорода путём электролиза с применением ультразвуковой кавитации. В разговоре с одним из участников этого проекта – кандидатом технических наук, доцентом УН ММИ, лауреатом Премии Президента Украины для молодых ученых 2021года Андреем Зилинским – корреспондент "КП" узнал о достижениях группы ученых КПИ, работающих над внедрением в производство ультразвуковых кавитационных технологий и соответствующего технологического оборудования.
– Андрей Иванович, расскажите об истории этого проекта.
– На кафедре прикладной гидроаэромеханики и механотроники ММИ существует несколько научных групп. В сотрудничестве ученых из научной группы "Ультразвуковые кавитационные технологии и оборудование для их реализации" (научный руководитель – доктор технических наук, профессор Александр Федорович Луговской) и коллегами из научной группы "Гидромеханические процессы в вязких и аномально вязких жидкостях в замкнутых и разомкнутых емкостях машин и аппаратов" (научный руководитель – доктор технических наук, профессор Олег Михайлович Яхно) был создан проект под руководством кандидата технических наук, доцента Игоря Викторовича Ночниченка. Мы разработали и исследовали механотронное оборудование для внедрения технологии электролизного получения водорода в условиях ультразвуковой кавитации.
– К какой из этих научных групп вы относитесь?
– К научной группе, которую возглавляет Александр Луговской. Она разрабатывает ультразвуковое технологическое оборудование для обработки жидких сред, а также технологии ультразвукового безреагентного обеззараживания жидкостей, ультразвукового мелкодисперсного распыления жидкостей в составе механотронных систем орошения и искусственного микроклимата, ультразвукового распыления расплавленных металлов с целью получения мелкодисперсных металлических порошков, ультразвуковой кавитационной фильтрации жидкостей, получения стойких эмульсий за счет ультразвукового кавитационного перемешивания на молекулярном уровне, ультразвукового кавитационного экстрагирования, ультразвукового обессоливания воды, получения водорода с привлечением ультразвуковой кавитации и т.д.
– Какова цель ваших исследований? Хотелось бы более основательно понять сущность проблемы.
– Ультразвуковая кавитационная обработка жидкостных сред широко применяется в различных отраслях промышленности. Речь идет о технологических процессах, связанных с перемешиванием, диспергированием жидкостных и твердых веществ. Как результат – получение прямых и обратных эмульсий, разделение жидких неоднородных смесей, флотации (метод отделения одних минералов от других в водной среде – ред.), фильтрацией. Кавитационное влияние позволяет изменять скорость диффузии, окисления, кристаллизации и растворения веществ, способствует активизации химических реакций и многим другим физическим процессам. Благодаря этому достигается интенсификация технологических процессов.
Введение в жидкость акустических колебаний с интенсивностью, превышающей порог возникновения кавитации при данных условиях, приводит к зарождению, пульсациям и захлопыванию парогазовых кавитационных пузырьков. Образуются акустические микротечения, мощные ударные волны и кумулятивные струи, интенсивно разрушающие твердые поверхности. Конкретно акустические микротечения обеспечивают качественное удаление жировых пленок с поверхностей изделий и перемешивают жидкостные составляющие на молекулярном уровне. Высокое давление и температура, возникающие в микрообъемах при захлопывании кавитационных парогазовых пузырьков, создают условия для возникновения в них электрических зарядов, богатых энергией диссоциированных и ионизированных молекул, а также атомов и свободных радикалов. То есть это явление приводит к активизации жидкости. Ударные волны, давление, высокие температуры и интенсификация химических процессов, сопровождающих ультразвуковую кавитацию, обеспечивают эффект обеззараживания жидкостей и поверхностей.
–Кто работал над этой проблемой?
– Под руководством Александра Федоровича Луговского защитились многие молодые ученые. Среди них – кандидат технических наук, доцент, директор УН ММИ Игорь Анатольевич Гришко, который за разработку технологии использования ультразвука для обеззараживания жидкостей получил Премию Президента Украины для молодых ученых за 2014 год; доценты радиотехнического факультета Андрей Валерьевич Мовчанюк и Алина Викторовна Шульга. Я тоже защитил кандидатскую диссертацию под руководством Александра Федоровича.
Кстати, профессор Луговской за его научные разработки в 2021 году удостоен Национальной премии Украины имени Бориса Патона. Итак, речь идет об успехе научной группы в материаловедческом, инженерно-техническом и акустическом направлениях.
– Интересно было бы подробнее узнать о кавитации.
– Впервые его обнаружил еще академик Леонард Эйлер (1707 – 1783). Ученый, никогда не наблюдавший явление кавитации на практике, смог теоретически обосновать возможность образования в жидкости разрывов вследствие локального понижения давления с последующим захлопыванием возникших пустот. В дальнейшем благодаря многочисленным экспериментальным и теоретическим исследованиям было установлено, что образование в жидкости кавитационных пузырьков-каверн происходит при локальном падении давления ниже некоторого критического значения, соответствующего порогу кавитации. Обычно критическому значению соответствует давление, которое немного меньше давления насыщенных паров при данной температуре. Заполненные паром, газом или их смесью кавитационные пузыри, попадая в область повышенного давления, резко захлопываются, и это сопровождается возникновением ударных импульсов давления, достигающих 1000 МПа, повышением температуры до 1000 оС и электрическими разрядами.
В зависимости от способа снижения давления в жидкости различают гидродинамическую кавитацию, возникающую вследствие больших местных скоростей в капельном потоке жидкости, и ультразвуковую кавитацию, появляющуюся вследствие прохождения с большой интенсивностью звуковой волны.
– А в чем заключается принцип технологии ультразвукового обеззараживания?
– Ультразвуковые волны создают в жидкости высокочастотные колебания, приводящие при определенных условиях к возникновению кавитационных пузырьков. Во время этого процесса возникают высокие температуры и давление, происходят окислительные процессы. Все это приводит к уничтожению микроорганизмов. Речь идет о больших по размерам микроорганизмах, бактериях, вирусах и грибках.
Ультразвуковая стерилизация может использоваться для дезинфекции и стерилизации различных предметов: инструментов для хирургических операций, стоматологических инструментов, протезов, медицинских приборов, стеклянных сосудов и других предметов, применяемых в стерильных условиях. Кроме того, ультразвуковая стерилизация может использоваться для очистки воды и жидкостей от микроорганизмов. Важно то, что этот метод не использует химические вещества и пригоден для обработки жидкостей различной прозрачности, и поэтому экологически безопасен.
– Из нашей беседы понятно, что применение ультразвуковых колебаний большой мощности и кавитационных явлений, сопровождающих их при фильтрации жидкости, позволяет не только интенсифицировать этот процесс и повысить его качество, но и способствует обеспечению саморегенерирования фильтроэлемента. О каких преимуществах стоит упомянуть еще?
– Создание фильтров, не требующих обслуживания, является важным направлением в развитии техники фильтрации. Особые возможности предоставляет использование в технологии фильтрации жидкостей ультразвуковых колебаний с частотой 20-100 кГц. Применение ультразвуковой энергии в процессе фильтрования жидкостей позволяет значительно упростить конструкции и уменьшить размеры таких фильтров. Это происходит благодаря отказу от циркуляционных насосов или приводов вращения фильтровальных барабанов, обеспечивающих достижение нужной разности относительных скоростей загрязнителя и чистой жидкости, а также низкочастотных виброэлектроприводов. Последние обеспечивают периодический или непрерывный сброс осадка из фильтровальной перегородки. Отказ от громоздких и энергоемких вспомогательных агрегатов в не требующих технического обслуживания фильтрах за счет использования возможностей ультразвуковых преобразователей позволяет расширить гамму типоразмеров этого класса фильтров – от стационарных крупногабаритных промышленного применения до малозатратных автономных широкого использования. Основными преимуществами таких фильтров является то, что они не нуждаются в техническом обслуживании, а также имеют практически неограниченный срок использования. А еще, в четыре-пять раз выше степень фильтрации при тех же производительности и пористости фильтровальной перегородки. Последние также сохранены в фильтрах с ультразвуковыми преобразователями (такие фильтры обычно называют ультразвуковыми).
– Говорим о научной группе, но еще не со всеми коллегами мы знакомы. Представьте их, пожалуйста.
– С удовольствием. Алина Викторовна Шульга – кандидат технических наук, доцент РТФ работает над разработкой и внедрением распылителей, основанных на ультразвуковых эффектах. Ультразвуковое распыление в тонком слое жидкости широко используется в фармацевтической, пищевой, косметической и других промышленных отраслях. Этот метод позволяет получить жидкостный монодисперсный аэрозоль с размерами капель в диапазоне от 5 до 20 мкм.
Весомый вклад внесла доктор технических наук Ирина Николаевна Берник, работающая ныне в должности заведующего кафедрой в Винницком национальном аграрном университете. Кандидатскую и докторскую диссертацию она защищала под научным руководством профессора А.Ф.Луговского. Ее докторская была посвящена разработке ультразвуковой кавитационной технологии извлечения пектина (растворимое в воде вещество, содержащееся в клеточном соке плодов и овощей – ред.) с растительного сырья и созданию оборудования для ее реализации. Принцип ультразвуковой технологии получения пектина заключается в применении для удаления из растительного сырья полезных компонентов звукокапиллярного эффекта.
Следующий – кандидат технических наук, доцент РТФ Андрей Валерьевич Мовчанюк. Он исследовал технологию и оборудование для виброударного укрепления поверхностей и снятия напряжений со сварных соединений, применяемого для снятия напряжений, возникающих в металлических деталях после сварки. Это позволяет повысить прочность и увеличить срок службы деталей. Ультразвуковое виброударное снятие напряжений (так называется эта технология) применимо к различным типам металлов, включая стали, алюминиевые сплавы и титан, а также к металлическим деталям различной формы и размера, в том числе сварных швов, пластин и труб.