Пример описания эффектов

Звук коагулирует частицы в дисперсной системе

Синоним: акустическая коагуляция

Условия реализации

Пучок звука должен проходить через дисперсную систему.

Показатели эффекта

• Скорость коагуляции частиц дисперсной системы под действием звука: до нескольких сот грамм в секунду.
• Кратность уменьшения концентрации частиц дисперсной системы при воздействии на нее звуком: до сотен раз в секунду.

Объяснение

Пучок звука проходит через объем дисперсной системы, например, суспензии. В результате частицы суспензии сближаются и слипаются (коагулируют). Они становятся более крупными и начинают оседать или всплывать на поверхность суспензии. Данное явление называется акустической коагуляцией.

Суспензия – это дисперсионная система с жидкой дисперсионной средой (жидкой основой) и с твердыми частицами размером более 10^–6 м. Частицы суспензии участвуют в броуновском движении. Однако они достаточно крупные, чтобы противостоять этому движению. Поэтому, если плотность частиц больше плотности жидкой основы, то они оседают под действием силы тяжести (седиментируют). Параллельно с седиментацией частиц проходит их коагуляция. Седиментация и коагуляция частиц суспензии занимают достаточно много времени.

При прохождении пучка звука через суспензию, в суспензии происходит ряд процессов, способствующих ускорению коагуляции её частиц.

Во-первых, под действием звука частицы суспензии начинают колебаться. Диаметр области броуновского движения частиц увеличивается. В результате возрастает вероятность столкновений частиц друг с другом и, следовательно, скорость их коагуляции.

Во-вторых, под действием звукового давления частицы дрейфуют в сторону от источника звука. В результате, увеличивается концентрация частиц в области суспензии, максимально удаленной от источника звука, Как следствие, возрастают вероятность столкновений между частицами и скорость их коагуляции.

В-третьих, под действием звука в жидкой основе (далее жидкости) суспензии возникают акустические течения. Если частицы суспензии находятся в потоке жидкости или сами движутся относительно этой жидкости, то на них действует сила Бернулли. Эта сила перемещает частицы суспензии навстречу друг к другу.

Поток жидкости движется относительно частиц суспензии. Когда жидкость обтекает две рядом расположенные частицы, её скорость изменяется. В сужении между частицами скорость жидкости увеличивается. Согласно закону Бернулли, увеличение скорости жидкости без изменения ее полной энергии приводит к уменьшению давления жидкости. Поэтому давление жидкости в сужении между частицами меньше, чем давление с их внешней стороны. В результате в жидкости возникает разность давлений, которая создает поперечную силу Бернулли. Под действием этой силы частицы быстро сближаются, что увеличивает скорость их коагуляции.

Примечание.
На иллюстрации показан только последний процесс акустической коагуляции.

Расчетные модели

V — скорость коагуляции частиц суспензии под действием звука, кг/с
Π — число «пи» = 3.14
I — интенсивность звука, Вт/м² (Ватт/м²)
с — скорость распространения звука в жидкой основе суспензии, м/с
d — средний диаметр частиц суспензии, м
D — диаметр сечения пучка звука, м

*Для суспензии на основе воды.

k — кратность уменьшения концентрации частиц суспензии при воздействии на нее звуком
c₀ — начальная концентрация частиц в суспензии до воздействия на нее звуком, кг/м³
c — концентрация частиц в суспензии после воздействия на нее звуком, кг/м³
а — эмпирический коэффициент, зависящий от интенсивности звука, м²/(Вт•с)
I — интенсивность звука в суспензии, Вт/м² (Ватт/м²)
τ — время воздействия звука на суспензию, с

Примечание.

1. Скорость коагуляции частиц определяет массу коагулировавших частиц в суспензии в единицу времени.
2. Формула 2 получена при условии:

• интенсивность ультразвука постоянна в суспензии.
• эмпирический коэффициент a зависит от свойств жидкости, дисперсных частиц и интенсивности звука.
• концентрация частиц снижается не сразу после прекращения воздействия звука, а после их осаждения.

Экспериментальные данные

1. Для коагуляции аэрозолей применяется звуковой пучок с интенсивностью больше 100 Вт/м² и с частотой 0,5 … 20 кГц. При интенсивности звука 10⁴ Вт/м² весь процесс коагуляции аэрозоля протекает в течение нескольких секунд.
2. Очистка аэрозолей методом акустической коагуляции рационально при концентрации больше 1…2 г/м³.
3. Для коагуляции гидрозолей применяются ультразвуковые пучки.

Источник.
Физическая энциклопедия (в 5-ти томах), статья «Коагуляция акустическая». Под редакцией А.М. Прохорова. Москва, Большая Российская энциклопедия, 1992.

Свойства

Скорость звука c жидкостей при нормальных условиях

Зависимость эмпирического коэффициента a от интенсивности звука I

Источники (для скорости звука c).
Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М., Наука, 1976, с. 105.

Применение

• Акустическая коагуляция очищает газ от мелкодисперсных частиц
  > Акустическая коагуляция очищает табачный дым от вредных примесей U.S. Patent 4,253,508; May 03,1981; “Selective filtering of tobacco smoke by enhanced filtration efficiency”.

• Акустическая коагуляция очищает жидкость от мелкодисперсных частиц
  > Акустическая коагуляция очищает промышленные сточные воды до уровня повторного использования U.S. Patent 5,466,367; Nov. 14,1995; “Industrial waste water treatment”.

Разделы науки: акустика

Литература

Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. Москва, Химия, 1990.

Агранат Б.А., Дубровин М.Н, Хавский Н.Н. и др. Основы физики и техники ультразвука. Москва, Высшая школа, 1987.

Красильни ков В. А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. Москва, 1984.

Медников Е.П. Акустическая коагуляция и осаждение аэрозолей. Москва, 1963.

Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Перевод с немецкого. Москва, 1957.

Woodbury. Acoustical physics. New York: American Institute of Physics, 1993.

Hall, Donald E. Basic acoustics. Malabar, Fla.: Krieger, 1993.

Calvert, S., and H.M. Englund, eds. Handbook of Air Pollution Technology. New York: A Wiley–Interscience Publications, 1984.

Basic physics of ultrasound. Rockville, MD: The Center, Washington, 1983.

Urik, R.D. The Basis of Underwater Acoustics. New York: Pergamon Press, 1976.