لمحة عامة عن تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية في تنقية المياه

بقلم ماثيو تايلور، باحث مشارك وكاتب في منظمة Save The Water™ |30 مارس 2021

لا تتوافق كل تقنيات تنقية المياه مع موقف معين بشكل فعال.على سبيل المثال، فإن قدرتها على إزالة بعض الملوثات من الماء، وتكلفتها، وقدرتها تحد منها.نحن بحاجة إلى تقنيات جديدة لمعالجة هذه المشاكل.تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية يمكن أن توفر الحل.

ما هي تقنية الموجات فوق الصوتية؟

تعمل تقنية الموجات فوق الصوتية على أساس الموجات فوق الصوتية.وهي عبارة عن موجات عالية التردد عالية جدًا بحيث لا يستطيع الإنسان سماعها، وعادةً ما تبلغ 20 كيلو هرتز أو أعلى.تنتج أجهزة الموجات فوق الصوتية هذه الموجات التي تنتقل عبر الماء كموجات ضغط.تقوم الأجهزة التي تسمى محولات الطاقة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى اهتزاز.غالبًا ما تنتج محولات الطاقة هذه الموجات.

هناك نوعان من محولات الطاقة: محولات الطاقة الكهروضغطية ومحولات الطاقة المغناطيسية.في محولات الطاقة الكهرضغطية، يتم إنشاء الاهتزاز باستخدام بلورات كهرضغطية.تهتز هذه البلورات عندما تمر الكهرباء من خلالها.مع محولات الطاقة المغناطيسية، يمر التيار الكهربائي عبر الملفات، مما يشكل مجالًا مغناطيسيًا.ونتيجة لذلك، محول’يتوسع جوهره ويتعاقد.

كيف يعمل على تنقية المياه؟

أجهزة الموجات فوق الصوتية تنتج موجات الضغط.تتكون هذه الموجات من الضغط الإيجابي والسلبي، والذي يتناوب في دورات.في الماء عندما يتغلب الضغط على الماء’قوة الشد، وهي قدرتها على مقاومة القوة التي تميل إلى تفكيكها، تبدأ عملية تسمى التجويف.

أثناء التجويف، تتشكل الفقاعات وتنمو ثم تنفجر.يتراكم الضغط ودرجة الحرارة إلى مستويات هائلة داخل الفقاعات.عندما تنفجر، فإنها تطلق كمية كبيرة من الطاقة على شكل موجة صدمية.يمكن لموجات الصدمة هذه تفتيت المواد العضوية.ولذلك، يمكن لتكنولوجيا الموجات فوق الصوتية معالجة التلوث البكتيري والطحالب في الماء.يمكننا استخدام تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية، على سبيل المثال، للتخفيف من تكاثر الطحالب الضارة في منطقة البحيرات الكبرى.

يمكن إنتاج الموجات فوق الصوتية إما بشكل مستمر أو من خلال النبض.في معالجة المياه، غالبًا ما يتم إنتاجها بشكل مستمر حتى تتمكن من تنقية المياه بشكل أكثر فعالية.تنتج الفقاعات التي تتشكل بموجات فوق صوتية نابضة طاقة أقل عندما تنفجر، مما يجعلها أقل فعالية.

ما هي فوائد استخدام تقنية الموجات فوق الصوتية في تنقية المياه؟

تقنية الموجات فوق الصوتية لها فوائد عديدة في تنقية المياه:

تقليل التعكر: يشير التعكر إلى مدى وضوح الماء.يمكن أن تساعد تقنية الموجات فوق الصوتية في جعل المياه أقل غيومًا، مما يقلل من تعكرها.وجدت دراسة أجريت عام 2011 أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تقلل من التعكر بنسبة تصل إلى 76٪.

تطهير المياه: الموجات فوق الصوتية فعالة للغاية في معالجة التلوث البكتيري والطحالب في المياه.تصل الفقاعات التي تتشكل أثناء عملية التجويف إلى درجة حرارة تصل إلى آلاف الدرجات وضغط يصل إلى آلاف الأجواء.يؤدي الانفجار الداخلي الناتج وموجة الصدمة اللاحقة والإجهاد والتغير المفاجئ في درجة الحرارة إلى قتل البكتيريا.ونتيجة لذلك، وهذا يحد من البكتيريا’القدرة على التكاثر.على سبيل المثال، وجدت دراسة أجريت عام 1997 أنه بعد 15 دقيقة من التعرض للموجات فوق الصوتية، مات 80% من بكتيريا الإشريكية القولونية الموجودة في مياه الشرب.

تحلل الملوثات العضوية: يمكن لتقنية الموجات فوق الصوتية تحطيم الملوثات العضوية بخلاف البكتيريا والطحالب.ويمكنه أيضًا تحليل الملوثات العضوية مثل المبيدات الحشرية والفينول وحتى المتفجرات.على سبيل المثال، وجدت دراسة أجريت عام 2004 أن الموجات فوق الصوتية تؤدي إلى تحلل بعض الهيدروكربونات بشكل كامل تقريبًا، بما في ذلك النفثالين والأسينافثيلين، في الماء.

التطورات المستقبلية لتكنولوجيا الموجات فوق الصوتية

تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية لها أيضًا عيوب يجب على الباحثين معالجتها قبل أن تصبح أكثر انتشارًا:

التكنولوجيا الجديدة: يحتاج الباحثون إلى إجراء المزيد من البحث والتحليل لتسهيل تصميم أنظمة الموجات فوق الصوتية.إنهم بحاجة إلى مواصلة تطوير نماذج البيانات النظرية لتوحيد تصميم أجهزة الموجات فوق الصوتية.يمكننا زيادة استخدام أجهزة الموجات فوق الصوتية بمجرد تطوير هذه النماذج.والأهم من ذلك، أن هذا سيمكننا من توسيع نطاقها لتنقية كميات أكبر من المياه.

باهظة التكلفة: قد يكون لتقنيات الموجات فوق الصوتية تكاليف صيانة عالية.ويرجع ذلك إلى صيانة واستبدال مسبار الموجات فوق الصوتية، الذي يتضرر أثناء نشاط الموجات فوق الصوتية.

يمكن أن تنكسر بسهولة: إذا تعطلت أجهزة الموجات فوق الصوتية، فقد تحتاج إلى متخصص لإصلاحها.قد يترك هذا المطلب منطقة دون معالجة المياه لبعض الوقت.ولذلك، فإن التقنيات ذات الأسعار المعقولة والأسهل في الإصلاح هي أكثر شيوعًا.

نأمل أن تصبح تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية أكثر سهولة وموثوقة وبأسعار معقولة.هذه التكنولوجيا هي أداة قيمة أخرى يمكننا استخدامها لجعل المياه أكثر نظافة للجميع.