Какво представлява ултразвуковият хомогенизатор за биоразграждане

Ултразвуковата технология за биоразграждане, с нейните предимства, че е екологична, щадяща работа и способна да разгражда трудни--за третиране вещества, има широки перспективи за приложение в опазването на околната среда, храните и биомедицината. В момента обаче той е изправен пред предизвикателства като консумация на енергия и мащабируемост. Тъй като технологията продължава да се оптимизира, нейният комерсиален и промишлен потенциал за приложение постепенно ще бъде освободен. За да постигне широкомащабно-приложение, тази технология все още трябва да преодолее няколко пречки: Първо, консумацията на енергия е висока; текущата ултразвукова обработка включва значителна загуба на енергия, особено в индустриални приложения, където оперативните разходи са високи. Второ, липсват единни стандарти; параметри като ултразвукова честота и мощност не са стандартизирани за различни сценарии, което води до значителни разлики в ефектите на обработка. Въпреки това, тези проблеми могат да бъдат постепенно решени чрез технологична оптимизация, като разработване на високо-ефективни преобразуватели за подобряване на ефективността на преобразуване на енергия, установяване на стандартизирани параметрични системи за различни сценарии чрез големи данни и разработване на модулно оборудване за адаптиране към-мащабни нужди от обработка. С напредването на технологията разходите за нейното приложение ще продължат да намаляват, а сценариите за приложение ще се разширят допълнително, което прави нейните общи перспективи много обещаващи.

 

I. Работен принцип на ултразвуковото биоразграждане

Ултразвуковият хомогенизатор е ядрото: Когато ултразвукът се разпространява в течност, той генерира безброй малки мехурчета (кавитационни мехурчета).

Интензивно действие на мехурчета: Кавитационните мехурчета се разширяват бързо и след това незабавно се свиват, генерирайки локализирана висока температура и налягане (до хиляди градуси по Целзий и стотици атмосфери) и силни ударни вълни.

Разграждане на замърсители: При висока температура и налягане се генерират силни окисляващи вещества като хидроксилни радикали. Едновременно с това силните ударни вълни разрушават химическите връзки на замърсителите, като в крайна сметка разграждат големите молекулни замърсители на малки, безвредни молекули (като въглероден диоксид и вода).

 

II. Основни причини за използване на ултразвуково оборудване

Висока ефективност на разграждане: Силното окисляване и механичното въздействие на кавитацията може бързо да разложи неподатливите замърсители (като остатъци от пестициди и промишлени органични отпадъчни води).

 

Без вторично замърсяване: Не са необходими химически агенти; разграждането се основава единствено на физични и химични процеси, избягвайки ново замърсяване, причинено от остатъци от пестициди.

 

Широка приложимост: Може да третира различни органични и неорганични замърсители в течности и не е ограничен от концентрацията на замърсители, което го прави подходящ за множество сценарии като пречистване на отпадъчни води и пречистване на храни.

 

Лесна работа: Оборудването работи стабилно, не изисква сложна поддръжка и може да се използва във връзка със съществуващи процеси на обработка, намалявайки разходите за преоборудване.

 

Какви са някои случаи на приложение на ултразвукова технология за биоразграждане?

Ултразвуковата технология за биоразграждане, с нейния уникален ефект на кавитация и окислителни характеристики, има практически приложения в различни области като пречистване на промишлени отпадъчни води, изхвърляне на утайки, биологични експерименти, храни и медицински приложения. Следват конкретни примери: Пречистване на промишлени отпадъчни води

Отпадъчни води от електронни компоненти: Компания за производство на електронни компоненти прие комбиниран процес на „високо{0}}ефективно филтриране + неутрализация и регулиране + усъвършенствано окисление (озон) + MBR + ултравиолетова дезинфекция“. След въвеждането на ултразвуково-подпомогнато третиране, степента на отстраняване на COD от отпадъчните води достигна 93%, а качеството на крайния отпадъчен флуат отговаря на първокласния-стандарт за заустване, което значително подобрява ефекта на пречистване на първоначалния процес.

 

Отпадъчни води от галванопластика на тежки метали: За отпадъчни води от галванопластика, съдържащи 4000 × 10⁻⁶ mol/L никел, ултразвуковата обработка постигна степен на отстраняване на никелови йони над 99%. За промишлени отпадъчни води, съдържащи 1000 × 10⁻⁶ mol/L мед, ултразвуковата обработка постигна степен на отстраняване на медни йони от 99,8%. Основният принцип е да се разруши структурата на комплекса от тежки метали чрез вибрации, улеснявайки последващото утаяване и филтриране.

 

Отпадъчни води от боядисване и дъбене: Фабрика за боядисване използва 40kHz ултразвукова-технология за окисляване на Fenton за ефективно отстраняване на упоритите органични замърсители от отпадъчните води, постигайки стандарти за отпадъчни води, които отговарят на националните стандарти за заустване. По-нататъшни експерименти показаха, че предварителната обработка на отпадъчните води от щавене с ултразвук при интензитет на звука от 1,47 W/cm² и честота от 24kHz, комбинирана с коагулация и утаяване, повишава степента на отстраняване на COD с повече от 10%, достигайки максимум от 73,2%, в сравнение с простата коагулация и утаяване.

Биологични и експериментални изследователски области

 

Биомолекулна обработка: При биохимичните изследвания ултразвукът може да ускори фрагментирането и разграждането на ДНК. Това свойство отговаря на необходимостта от намаляване на размера на ДНК пробата в биоинформатичните изследвания и може също да се използва при мониторинг на околната среда за анализиране на ДНК на водата за локализиране на източници на замърсяване. Едновременно с това, той може да дисоциира протеинови комплекси, подпомагайки скрининга на молекули кандидат-лекарства. В съдебната медицина и клиничната диагностика ултразвукът може също така да помогне при извличането на нуклеинови киселини от проби, подобрявайки ефективността и чистотата на откриване.

Свързани с храните и медицината области

 

Разграждане на остатъците от антибиотици в храната: Антибиотици като пеницилин в млякото са силно термостабилни и конвенционалната стерилизация чрез нагряване е недостатъчна за пълното им отстраняване. Изследователски екип от университета Xihua проведе експеримент върху разграждането на пеницилина в млякото. При условия на 25 градуса и рН 7 млякото, съдържащо пеницилин, се третира с ултразвук от 150 W за 35 минути. Крайният остатък от пеницилин в млякото е по-малко от 1 ug/L, което отговаря на съответните стандарти за безопасност. Този метод избягва увреждането на качеството на млякото, причинено от висока-температура или химическо третиране, и предоставя осъществимо решение за третиране на остатъците от антибиотици в млечните продукти.

 

Помощ за стерилизация на медицински изделия: Ултразвукът може да унищожи клетъчните мембрани и клетъчните стени на микроорганизмите и може да подпомогне стерилизацията на медицински устройства в областта на медицината. Например, за някои високо-температурни-прецизни инструменти, ултразвукът може да проникне в пукнатините, за да убие бактериите, намалявайки риска от кръстосана-инфекция по време на медицински процедури. Може да се комбинира и с други методи за стерилизация за допълнително засилване на ефекта.