Акустические волны помогут очищать сточные воды

Международная группа исследователей из Израильского технологического института, Университета Эстремадуры в Испании, Технологического института Нью-Джерси в США и Национального университета Центра провинции Буэнос-Айрес в Аргентине разработала новый способ отделения масла от воды в устойчивых эмульсиях с помощью поверхностных акустических волн частотой 20 мегагерц. Такой метод не требует химических реагентов, сложных мембран и существенных энергозатрат, поэтому может стать компактной и дешевой заменой традиционным технологиям для небольших промышленных производств или жилых и коммерческих объектов.

Эмульсии, представляющие собой равномерное распределение масла в воде, возникают при добыче нефти, в пищевой промышленности, медицине и бытовых стоках. Масло в них содержится в виде микроскопических капель, окруженных защитной оболочкой из поверхностно-активных веществ, и не сливается. Классические способы очистки, такие как дистилляция или коагуляция, работают только в крупных установках и требуют много энергии и реагентов, поэтому непригодны для локальной очистки.

Чтобы упростить процесс, исследователи использовали различие в том, как вода и масло смачивают твердую поверхность. Вода с высоким поверхностным натяжением (40–70 миллиньютон на метр) остается неподвижной, тогда как масло с низким натяжением (20 мН/м для силиконового и около 34 мН/м для подсолнечного) под действием колебаний растекается. В опытах на пьезоэлектрической пластине из литий-ниобата ученые размещали каплю объемом 10 микролитров с содержанием масла от 10 до 50 %. Размер капель масла был около 230 нанометров, а сама эмульсия оставалась стабильной 12–18 месяцев.

После подачи поверхностных акустических волн с амплитудой смещения 0,5–2,5 нанометра и скоростью колебаний частиц 60–300 миллиметров в секунду начиналось испарение воды. При низкой влажности процесс шел быстрее: при 50% влажности масло появлялось на краю капли через 170–190 секунд, а при 85% — только через 465 секунд. Испарение увеличивало долю масла у поверхности капли, и там образовывалась пленка. Под действием акустического давления эта пленка выходила из капли и растекалась по поверхности в сторону, противоположную направлению волны.

Выход масла происходил особым образом: акустическое давление смещало масляные капли внутри эмульсии к задней части капли, поэтому первые тонкие «пальцы» масла появлялись сбоку и сзади, а не спереди. Со временем они сливались в сплошную пленку толщиной около 25 микрометров — это соответствует условиям акустического смачивания при утечке ультразвука с длиной волны 75 мкм в масло. Лазерные измерения показали, что помимо толстых зон в пленке встречались тонкие участки толщиной 1–3 микрометра, а на толстой части при действии волн формировался ячеистый рельеф с перепадом высоты 0,1–0,3 мкм и шагом в десятки микрон.

По мнению авторов, маломощные акустические волны можно использовать для локальной очистки сточных и «серых» вод — от небольших производств и жилых домов до крупных предприятий. Это позволит уменьшить количество загрязненных стоков, снизить нагрузку на очистные сооружения и сократить расход реагентов и энергии.

Материал доступен на сайте «Глобальной энергии»