Ультразвуковое противообрастающее средство
Ультразвуковое противообрастающее средство — это технология, которая использует высокочастотный звук ( ультразвук ) для предотвращения или уменьшения биообрастания на подводных конструкциях, поверхностях и средах. Ультразвук – это просто высокочастотный звук (который человек не слышит). Ультразвук имеет те же физические свойства, что и звук, слышимый человеком. Метод имеет две основные формы: интенсивность субкавитации и интенсивность кавитации . Субкавитационные методы создают высокочастотные вибрации, тогда как кавитационные методы вызывают более разрушительные микроскопические изменения давления. Оба метода подавляют или предотвращают и другими биообрастание водорослями одноклеточными организмами .
Фон
[ редактировать ]Ультразвук был открыт в 1794 году, когда итальянский физиолог и биолог Лаццарро Спалланцани обнаружил, что летучие мыши ориентируются посредством отражения высокочастотных звуков. [ 1 ] Считается, что ультразвуковое противообрастающее средство было изобретено ВМС США в 1950-х годах. [ нужна ссылка ] . Во время гидроакустических испытаний на подводных лодках было отмечено, что зоны вокруг гидроакустических преобразователей имели меньше загрязнений, чем остальная часть корпуса. [ нужна ссылка ] .
Предотвращение обрастания (удаление биообрастания ) предпринималось с древних времен, первоначально с использованием воска, смолы или асфальта. Медные и свинцовые оболочки позже были введены финикийцами и карфагенянами ». [ 2 ] « Катти Сарк» — один из примеров такой медной оболочки , который можно увидеть в Гринвиче, Англия .
Теория
[ редактировать ]УЗИ
[ редактировать ]
Ультразвук (ультразвук) — это звук настолько высокой частоты, что человек его не слышит. Звук имеет частоту (от низкой до высокой) и интенсивность (от тихого до громкого).
Ультразвук используется для чистки ювелирных изделий, сварки резины, лечения абсцессов и сонографии . Эти приложения полагаются на взаимодействие звука со средой, через которую он распространяется. В морских приложениях ультразвук является ключевым компонентом гидролокатора ; Сонар использует звук на частотах от инфразвуковых до ультразвуковых.
Биопленка
[ редактировать ]Тремя основными этапами являются образование кондиционирующей биопленки , микрообрастание и макрообрастание. Биопленка – это скопление одноклеточных организмов на поверхности. Это создает среду обитания, которая позволяет другим организмам обосноваться. Кондиционирующая пленка собирает живые и мертвые бактерии, создавая так называемую первичную пленку. [ 2 ]
Ультразвуковое противообрастающее средство
[ редактировать ]Два подхода к ультразвуковому противообрастающему воздействию:
Кавитация: Ультразвук достаточно высокой интенсивности вызывает кипение воды, создавая кавитацию . Это физически уничтожает живой организм и поддерживающую его биопленку. Одна из проблем связана с потенциальным воздействием на корпус. Кавитация [ 3 ] можно предсказать математически посредством расчета акустического давления . Если это давление достаточно низкое, жидкость может достичь давления испарения . Это приводит к локализованному испарению с образованием небольших пузырьков; они разрушаются быстро, с огромной энергией и турбулентностью, выделяя тепло порядка 5000 К (4730 °C; 8540 °F) и давление порядка нескольких атмосфер . [ 4 ] Такие системы более подходят там, где энергопотребление не является решающим фактором, а защищаемые поверхности могут выдерживать действующие силы.
Субкавитация: звук вызывает вибрацию поверхностей (например, корпуса, кингстонов, охладителей воды), к которым прикреплен датчик. Вибрации не позволяют ципридной стадии видов биообрастания навсегда прикрепиться к субстрату, разрушая силу Ван-дер-Ваальса , которая позволяет их микроворсинкам удерживаться на поверхности. [ 5 ]
Различные частоты и интенсивности (или мощность) ультразвуковых волн по-разному влияют на морскую жизнь, например, на ракообразных , [ 5 ] мидии и водоросли.
Компоненты
[ редактировать ]Двумя основными компонентами ультразвуковой противообрастающей системы являются:
- Преобразователь : динамик или преобразователь принимает электрический сигнал и вибрирует среду, в которой он расположен, на частотах сигнала. Преобразователь находится в прямом контакте с корпусом или другими поверхностями, заставляя их распространять звук. Материалы корпуса, такие как бетон и дерево, не обеспечивают хорошей защиты от обрастания, поскольку содержат много пустот, которые рассеивают/поглощают звук.
- Блок управления: источник звука и усилитель, который передает сигналы и питание на каждый преобразователь. Один блок управления может управлять несколькими преобразователями с одинаковым или разными сигналами.
Приложения
[ редактировать ]Коммерческие системы доступны в широком диапазоне энергий и конфигураций. Все они используют керамические пьезоэлектрические преобразователи в качестве источника звука. Поддержка выделенных систем:
- Защита корпуса корабля (для предотвращения обрастания, увеличения скорости и снижения затрат на топливо)
- Защита теплообменника (для продления рабочих циклов между очистками)
- Водозаборники (для предотвращения засоров)
- Топливные баки (для предотвращения загрязнения дизельного топлива)
- Морские сооружения (такие как ветряные электростанции, нефтегазовые установки и т. д.)
- Градирни HVAC для уменьшения или устранения дозирования химикатов
Борьба с водорослями
[ редактировать ]Ультразвуковой контроль водорослей – это коммерческая технология, которая, как утверждается, позволяет контролировать цветение цианобактерий , водорослей и биообрастание в озерах и водохранилищах с помощью импульсного ультразвука . [ 6 ] [ 7 ] Предполагается, что продолжительность такой обработки может занять до нескольких месяцев в зависимости от объема воды и вида водорослей. Несмотря на экспериментальную демонстрацию определенных биоэффектов на небольших образцах в контролируемых лабораторных условиях и условиях обработки ультразвуком, не существует научной основы для ультразвукового контроля водорослей на открытом воздухе.
Было высказано предположение, что ультразвук, производимый на резонансных частотах клеток или их мембран, может вызвать их разрыв. Центральные частоты ультразвуковых импульсов, используемых в научных исследованиях, лежат в диапазоне от 20 кГц до 2,5 МГц. [ 8 ] Применяемая акустическая мощность , давление и интенсивность варьируются от низких, не влияющих на человека, до [ 9 ] [ 10 ] слишком высоко, небезопасно для пловцов. [ 11 ]
Согласно исследованиям Университета Халла , ультразвука выделение газа с помощью из клеток сине-зеленых водорослей может происходить из азотсодержащих клеток, но только в очень специфических условиях на небольшом расстоянии, которые не репрезентативны для предполагаемого применения на открытом воздухе. [ 12 ] Кроме того, исследование нескольких видов водорослей, проведенное Университетом Вагенингена, пришло к выводу, что большинство заявлений об ультразвуковом контроле над водорослями на открытом воздухе необоснованны. [ 13 ]
Ограничения
[ редактировать ]Очистка поверхности
[ редактировать ]Ультразвуковые противообрастающие системы, как правило, способны лишь поддерживать чистоту поверхности. Они не могут очистить поверхность, на которой уже имеется хорошо зарекомендовавшее себя и зрелое биообрастание. С этой целью они являются профилактической мерой, целью которой является поддержание защищаемой поверхности как можно ближе к ее оптимально чистому состоянию.
Материалы корпуса
[ редактировать ]Ультразвуковые системы неэффективны на судах с деревянным корпусом или судах, изготовленных из ферроцемента, поскольку эти материалы гасят вибрации преобразователей. Композитные корпуса с многослойной конструкцией также могут потребовать модификации для формирования монолитных оснований из твердого материала в каждом месте расположения преобразователя.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «История ультразвука» . Руководство по ультразвуковым школам . 21 октября 2014 года . Проверено 20 января 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Нуриоглу, Айда Г .; Эстевес, А. Катарина К.; Де С, Гейсбертус (2015). «Нетоксичные противообрастающие покрытия, не выделяющие биоцидов, на основе молекулярной структуры для морского применения» . Журнал химии материалов Б. 3 (32): 6547–6570. дои : 10.1039/C5TB00232J . ПМИД 32262791 . Проверено 20 января 2021 г.
- ^ « Объяснение акустической кавитации - H2oBioSonic» » (PDF) .
- ^ Перспективы здоровья окружающей среды, том 64, стр. 233–252, 1985. « Генерация свободных радикалов ультразвуком в водных и неводных растворах . П. Рисс, Д. Бердал и К. Л. Кристман
- ^ Jump up to: а б Го, Сан-Франциско; Ли, HP; Чау, КК; Миклас, Дж.; Тео, СЛМ; Дикинсон, GH; Берч, WR; Ху, Британская Колумбия (2011). «Влияние ультразвука на карповых и молодых ракушек». Биологическое обрастание . 27 (2): 185–192. дои : 10.1080/08927014.2010.551535 . ПМИД 21271409 . S2CID 36405913 .
- ^ Утигер, Тарин (14 апреля 2015 г.). «Звуковые волны убивают водоросли в водоеме» . Вещи (компания).
- ^ «Обзор литературы о влиянии ультразвуковых волн на цианобактерии, другие водные организмы и качество воды» (PDF) . Висконсин DNR.Gov.
- ^ Котопулис С., Шоммарц А., Постема М. (2008). «Радиус безопасности для уничтожения водорослей на частоте 200 кГц – 2,5 МГц» . Симпозиум IEEE по ультразвуку 2008 г. (PDF) . стр. 1706–1709. дои : 10.1109/ULTSYM.2008.0417 . ISBN 978-1-4244-2428-3 . S2CID 21382938 .
- ^ Ву X, Мейсон Ти Джей (июнь 2017 г.). «Оценка воздействия мощного ультразвука на клетки водорослей в небольшом пилотном масштабе» . Вода . 9 (7): 470. дои : 10.3390/w9070470 .
- ^ Суслик Дж.С., Диденко Ю., Фанг М.М., Хён Т., Колбек К.Дж., Макнамара В.Б., Вонг М. (1999). «Акустическая кавитация и ее химические последствия» (PDF) . Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. А. 357 (1751): 335–353. Бибкод : 1999RSPTA.357..335S . дои : 10.1098/rsta.1999.0330 . S2CID 12355231 .
- ^ Постема М., Шоммарц А. (2008). «УЗИ и безопасность пловцов» . Достижения в области акустики: DAGA 2008, 34-я немецкая ежегодная конференция по акустике, 10–13. Март 2008 г., Дрезден, Немецкое общество акустики, март 2008 г., Дрезден, Германия . Достижения в области акустики: 467–468.
- ^ Котопулис С., Шоммарц А., Постема М. (2009). «Звуковое растрескивание сине-зеленых водорослей» . Прикладная акустика . 70 (10): 1306–1312. doi : 10.1016/j.apacoust.2009.02.003 . S2CID 110406431 .
- ^ Люрлинг М., Толман Ю. (2014). «Борьба с хандрой: есть ли музыка в борьбе с цианобактериями с помощью ультразвука?». Исследования воды . 66 (1): 361–373. Бибкод : 2014WatRe..66..361L . дои : 10.1016/j.watres.2014.08.043 . ПМИД 25240117 .