Ин шарҳ истифодаи ҳамзамони ду равиши пешрафтаи оксидшавиро барои бартараф кардани ифлоскунандаҳои устувор аз об ва обҳои партов баррасӣ мекунад: кавитатсия ва плазма. Дар маркази таҳқиқот ду технологияи гибридӣ қарор доранд: кавитатсияи гидродинамикӣ–плазма (HC/плазма) ва кавитатсияи ултрасадоӣ–плазма (UC/плазма). Адабиёте, ки муаллифон арзёбӣ кардаанд, нишон медиҳад, ки ин ду усули физикӣ танҳо таъсирҳои худро ҷамъ намекунанд; дар шароити муайян онҳо метавонанд пайдоиш ва самаранокии химиявии якдигарро тақвият дода, синергияи воқеӣ ба вуҷуд оранд.

Ҳангоми кавитатсия дар дохили моеъ ҳубобчаҳои газ ё буғи миқёси микро ва нано пайдо шуда, калон мешаванд ва дар баъзе шароит бо шиддат фурӯ мерезанд. Фурӯпошии ҳубобча метавонад дар ҳаҷми хеле хурд ҳарорат ва фишори фавқулода баланд ба вуҷуд оварда, мавҷҳои зарба, микроҷараёнҳо, қувваҳои буриш ва намудҳои реактивиро ҳосил кунад. Дар шарҳ барои шароити маҳаллӣ ҳангоми фурӯпошии ҳубобчаҳои кавитатсионӣ арзишҳои тақрибан то 1000 atm фишор ва 6000 K ҳарорат оварда шудаанд. Ин маънои онро надорад, ки тамоми ҳаҷми реактор ба чунин ҳарорат ва фишор мерасад; ин арзишҳо “нуқтаҳои гарм”-и бисёр хурд ва кӯтоҳумри фурӯпошии ҳубобчаро ифода мекунанд.

Дар қисми плазма бошад, разряди барқӣ метавонад электронҳо, ионҳо, атомҳо ва молекулаҳои барангехта, инчунин радикали гидроксил (•OH), пероксиди гидроген (H₂O₂), ozon (O₃), озон (O3) ва намудҳои гуногуни реактивии оксигену нитроген (ROS/RONS)-ро ба вуҷуд оварад. Азбаски об барои разряди мустақими барқӣ шиддати баланди шикастро талаб мекунад, ҳубобчаҳои газ/буғи фишорашон паст, ки аз кавитатсия ба вуҷуд меоянд, метавонанд муҳитҳои микроскопиро фароҳам кунанд, ки плазма дар дохили моеъ дар онҳо пайдо шавад.

Афзалияти асосии якҷоя кардани ду усул маҳз дар ҳамин зоҳир мешавад. Ҳубобчаҳои кавитатсионӣ метавонанд разряди плазмаро осон ва шиддати оғози разрядро кам кунанд; плазма бошад, бо тавлиди ROS/RONS-и иловагӣ, шуоъафкании UV ва зарраҳои энергияи баланд метавонад таъсири химиявии кавитатсияро тақвият диҳад. Микроомехташавӣ, турбулентнокӣ ва ҷараёни акустикӣ ё гидродинамикие, ки кавитатсия ба вуҷуд меорад, ҳамчунин метавонад эҳтимоли бархӯрди оксидкунандаҳои кӯтоҳумри плазма бо ифлоскунандаҳоро зиёд кунад.

Дар шарҳ ҳадафҳои гуногун, аз ҷумла доруҳо, антибиотикҳо, рангҳои нассоҷӣ, бактерияҳо, вирусҳо, сианобактерияҳо ва микросистинҳо баррасӣ шудаанд. Дар баъзе мисолҳо дараҷаҳои хеле баланди бартарафсозӣ оварда шудаанд: бо системаи HC/DBD/UVC барои 10 mg/L метил-оранж дар 10 дақиқа %99,5; бо кавитатсияи гидродинамикӣ ва плазма барои индиго кармин дар як таҷрибаи муайян %100; дар баъзе таҷрибаҳои пилотии HC/ED плазма, ки тетрасиклин доштанд, зиёда аз %98 бартарафсозӣ гузориш шудааст. Аммо азбаски ин арзишҳо аз реакторҳо, консентратсияҳои ибтидоӣ ва шароити кори гуногун гирифта шудаанд, онҳоро ҳамчун як “самаранокии ягонаи кавитатсия-плазма” умумӣ кардан мумкин нест.

Шарҳ аз назари Туркия: Аз нигоҳи эҳтиёҷоти тозакунии обҳои партови соҳаҳои нассоҷӣ, дорусозӣ, химия, хӯрокворӣ ва минтақаҳои муташаккили саноатии Туркия, системаҳои кавитатсия–плазма як равиши пешрафтаи тозакунии арзандаи таҳқиқ мебошанд. Бо вуҷуди ин, қисми муҳими таҳқиқоти дар шарҳ овардашуда дар миқёси лабораторӣ ё пилотӣ анҷом ёфтааст. Дар обҳои партови воқеии саноатии Туркия шӯрии баланд, ноқилияти барқӣ, моддаҳои сахти муаллақ, карбонат, хлорид, моддаҳои органикии табиӣ ва ҷараёни тағйирёбанда метавонанд разряди плазма ва химияи радикалиро ба таври ҷиддӣ тағйир диҳанд. Аз ин рӯ, фоизҳои баланди бартарафсозии таҳқиқот кафолати кори иншооти маҳаллӣ нестанд; санҷиши пилотӣ бо оби партови воқеӣ, масрафи энергия, умри электрод, эрозияи кавитатсионӣ ва маҳсулоти иловагии оксидшавӣ бояд якҷоя арзёбӣ шаванд.

Кавитатсия чист?

Кавитатсия равандест, ки ҳангоми паст шудани фишори маҳаллӣ дар моеъ аз фишори буғи сершуда холигиҳои пур аз газ ё буғ пайдо шуда, калон мешаванд ва баъд ҳангоми расидан ба минтақаи фишори баланд фурӯ мерезанд. Ин ҳодиса аз боло баромадани ҳубобчаи оддии ҳаво фарқ мекунад. Фурӯпошии хеле тези ҳубобчаҳо энергияро дар минтақаи микроскопӣ мутамарказ мекунад.

Манбаъ таъсирҳои кавитатсияро дар се гурӯҳи асосӣ баррасӣ мекунад:

• Таъсирҳои механикӣ: турбулентнокӣ, микроҷараёнҳои баландсуръат, мавҷҳои зарба, қувваҳои буриш, градиентҳои фишор ва ҳаракати шадиди моеъ.
• Таъсирҳои физикӣ: фишор ва ҳарорати хеле баланди маҳаллӣ, хориҷшавии рӯшноӣ, садо ва эрозияи мавод.
• Таъсирҳои химиявӣ: ҳосил шудани намудҳои реактивӣ ба монанди •OH, •OOH ва H₂O₂ дар натиҷаи шикастани молекулаҳои об.

Аҳамияти кавитатсия дар тозакунии об дар он аст, ки ин се таъсир метавонанд ҳамзамон ба амал оянд. Таъсирҳои механикӣ омехташавии ифлоскунандаҳо ва оксидкунандаҳоро осон мекунанд, дар ҳоле ки таъсирҳои химиявӣ ба таҷзияи молекулаҳои органикии устувор мусоидат мекунанд.

Фарқи байни кавитатсияи гидродинамикӣ ва ултрасадоӣ

Кавитатсияи гидродинамикӣ (HC) ҳангоми гузаронидани моеъи ҳаракаткунанда аз гулӯгоҳи Venturi, лавҳаи сӯрохдор, сопло, vortex diode ё тангшавиҳои геометрии шабеҳ ва дар натиҷа паст шудани фишори маҳаллӣ ба вуҷуд оварда мешавад. Азбаски ин равиш мустақиман ба ҷараёни моеъ вобаста аст, мутобиқ кардани он ба системаҳои пайваста ва ҳаҷми калон нисбатан осонтар аст.

Кавитатсияи ултрасадоӣ (UC) бошад, бо татбиқи мавҷҳои пурқуввати ултрасадоӣ ба моеъ ба вуҷуд меояд. Марҳилаҳои пайдарпайи фишурдашавӣ ва васеъшавии мавҷҳои фишор ташаккули ядро, калоншавӣ ва фурӯпошии ҳубобчаҳоро таъмин мекунанд. Манбаъ ултрасадои қувваи басомади пастро тақрибан дар 20–100 kHz ва ултрасадои басомади баландро тақрибан дар 0,1–1,0 MHz шарҳ медиҳад.

Яке аз бартариҳои муҳими UC он аст, ки ҷараёни акустикӣ интиқоли массаро тақвият медиҳад. Аммо суст шудани энергияи ултрасадо бо дур шудан аз манбаъ метавонад ташкили кавитатсияи яксонро дар реакторҳои ҳаҷми калон душвор кунад. HC бошад, азбаски бевосита ба ҷараёни моеъ ҳамгиро мешавад, дар шарҳ барои васеъкунии миқёси саноатӣ бартаритар дониста мешавад.

Плазма обро чӣ гуна тоза мекунад?

Плазма муҳити ионидашудаест, ки электронҳо, ионҳо, атомҳо, молекулаҳо ва намудҳои барангехтаро дар бар мегирад. Дар тозакунии обҳои партов махсусан плазмаҳои ҳарорати паст ё ба разряди барқӣ асосёфта муҳиманд. Ҳангоми таъсири мутақобилаи плазма бо фазаи об ё газ шумораи зиёди намудҳои реактивии оксиген ва нитроген ба вуҷуд омада метавонанд.

Дар шарҳ дар байни маҳсулоти асосии химияи плазма инҳо зикр мешаванд:

• радикали гидроксил, •OH;
• оксигени атомӣ, •O;
• радикали гидроген, •H;
• пероксиди гидроген, H₂O₂;
• озон, O₃;
• оксигени синглетӣ, ¹O₂;
• намудҳои нитроген вобаста ба нитрит ва нитрат;
• электронҳои энергияи баланд ва фотонҳои UV/вакуум-UV

.

Масалан, радикалҳои гидроксил метавонанд муттаҳид шуда, пероксиди гидроген ҳосил кунанд:

\[ \mathrm{OH^{\bullet}+OH^{\bullet}\rightarrow H_2O_2} \]

Пероксиди гидроген низ метавонад зери таъсири UV дубора ба радикалҳои гидроксил табдил ёбад:

\[ \mathrm{H_2O_2 + UV \rightarrow OH^{\bullet}+OH^{\bullet}} \]

Аз ин рӯ, плазма танҳо як оксидкунанда тавлид намекунад; он муҳити мураккаби химиявиро ба вуҷуд меорад, ки дар он намудҳои зиёди реактивии кӯтоҳумр ва дарозумр ҳамзамон мавҷуданд.

Мушкили табдил додани мустақими об ба плазма чист?

Ба вуҷуд овардани разряди устувори барқӣ бевосита дар дохили оби моеъ метавонад майдони баланди барқиро талаб кунад. Манбаъ хабар медиҳад, ки майдони шикаст дар дохили об метавонад аз 10 MV/cm зиёд шавад, дар ҳоле ки бо ворид кардани фазаи газ ё ҳубобчаҳои фишорашон паст ба моеъ майдони зарурӣ метавонад то тақрибан 1–10 kV/cm паст шавад.

Сабаби асосии муҳандисии якҷоя кардани кавитатсия–плазма ҳамин аст: ҳубобчаҳои кавитатсионӣ метавонанд мисли микрореакторҳои газ/буғ амал кунанд, ки дар онҳо разряди барқӣ осонтар ба вуҷуд меояд.

Кавитатсияи гидродинамикӣ плазмаро чӣ гуна дастгирӣ мекунад?

Дар реактори HC, вақте моеъ аз тангшавӣ мегузарад, абрҳои ҳубобча фазоҳои газии фишорашон пастро ба вуҷуд меоранд. Агар электродҳо дар ин минтақа дуруст ҷойгир шаванд, разряди барқӣ на дар тамоми ҳаҷми об, балки дар ҳамин каналҳои газ/буғ оғоз шуда метавонад.

Шарҳ мефаҳмонад, ки HC ба плазма бо чанд роҳ мусоидат мекунад:

• кам кардани шиддати оғози разряд;
• фароҳам кардани каналҳои газ/буғ, ки плазма метавонад дар дохили моеъ паҳн шавад;
• зиёд кардани масоҳати интерфейси газ–моеъ;
• суръат бахшидани интиқоли намудҳои реактивӣ ба моеъ;
• афзоиши интиқоли ифлоскунандаҳо ба минтақаи реаксия тавассути турбулентнокӣ ва гардиш;
• ҳосил кардани •OH-и иловагӣ тавассути фурӯпошии ҳубобча.

Дар манбаъ гуфта мешавад, ки дар баъзе системаҳо HC ҳубобчаҳои плазмаро то тақрибан 100 µm хурд карда ва нигоҳдории газро зиёд кардааст. Дар ҳолати суперкавитатсия бошад, холигиҳои калони буғии устувортар метавонанд муҳити фишораш пастро барои фурӯзон ва нигоҳ доштани плазма фароҳам кунанд.

Кавитатсияи ултрасадоӣ плазмаро чӣ гуна дастгирӣ мекунад?

Дар UC пайдо шудани миллионҳо ҳубобчаи хурд дар майдони ултрасадоӣ метавонад дар фосилаи байни электродҳо микроканалҳое эҷод кунад, ки шикасти барқиро осон мекунанд. Дар манбаъ як таҷрибаи махсусан ҷолиб оварда шудааст: бе ултрасадо разряди шарора танҳо дар ноқилияти камтар аз 39,9 µS/cm ба амал меомад, аммо бо дастгирии ултрасадо ҳадди болоии ноқилият барои шикаст ба 1002 µS/cm расид. Ин васеъшавии тақрибан 24-карата нишон медиҳад, ки UC метавонад имкон диҳад плазма дар моеъҳои ноқилияташон баландтар низ кор кунад.

Аммо таъсири ултрасадо ҳамеша мусбат нест. Соникатсияи дарозмуддат метавонад газро аз моеъ хориҷ кунад ва шумораи ҳубобчаҳои байни электродҳоро кам намояд. Воридкунии аз ҳад зиёди газ низ метавонад паҳншавии мавҷҳои ултрасадоиро халалдор кунад. Аз ин рӯ, зичии ҳубобчаҳо, ҷараёни газ ва қувваи ултрасадо бояд якҷоя оптимизатсия карда шаванд.

Оё кавитатсия ва плазма якдигарро дуҷониба тақвият медиҳанд?

Бале. Натиҷаи асосии шарҳ ин аст, ки ин таъсири мутақобила якҷониба нест. Кавитатсия пайдоиши плазмаро осон мекунад, дар айни ҳол разряди плазмаи шиддати баланд низ метавонад дар моеъ ҳубобчаҳои нави кавитатсионӣ ва таъсирҳои ултрасадоӣ ба вуҷуд орад. Энергияи дар плазма озодшуда метавонад динамикаи ҳубобчаҳоро тағйир дода, реаксияи занҷираи HC-ро тақвият диҳад.

Синергия чӣ гуна чен карда мешавад?

Шарҳ барои арзёбии он ки кори якҷояи кавитатсия ва плазма аз маҷмӯи таъсирҳои ҷудогонаи онҳо қавитар аст ё не, коэффисиенти синергияро истифода мебарад:

\[ S_c=\frac{k_{\mathrm{Cavitation+Plasma}}}{k_{\mathrm{Cavitation}}+k_{\mathrm{Plasma}}} \]

Дар ин ҷо \(k\) собити суръати реаксияи бартарафсозии ифлоскунанда аст. \(S_c>1\) будан нишон медиҳад, ки суръати системаи гибридӣ аз маҷмӯи суръатҳои ду раванди мустақил зиёд аст ва ин ба синергия ишора мекунад.

Дар шарҳ гуфта мешавад, ки дар татбиқҳои HC/плазма коэффисиентҳои синергияе, ки аз рӯйи собити суръат ҳисоб шудаанд, дар бисёр мисолҳо тақрибан дар доираи 1,32–2,74 қарор доранд. Арзишҳое, ки аз фоизи бартарафсозӣ ҳисоб мешаванд, хеле васеътар тағйир меёбанд. Муаллифон қайд мекунанд, ки коэффисиенти синергия аз собити суръати реаксия нисбат ба коэффисиенти ба фоизи бартарафсозӣ асосёфта маънодортар аст.

Бо вуҷуди ин, ҳамаи комбинатсияҳо синергӣ нестанд. Дар ҷадвалҳои манбаъ шароитҳое низ ҳастанд, ки коэффисиенти синергия аз 1 камтар аст. Аз ин рӯ, хулоса баровардан мумкин нест, ки “кавитатсия + плазма дар ҳама ҳолат синергия ба вуҷуд меорад”.

Синергия дар тавлиди намудҳои реактивӣ то чӣ андоза калон шуда метавонад?

Дар баъзе таҷрибаҳо системаҳои якҷояшуда на танҳо дар бартарафсозии ифлоскунандаҳо, балки дар тавлиди оксидкунандаҳо низ афзоиши хеле калон нишон додаанд. Дар шарҳ аз як таҳқиқоти HC/ED плазма оварда шудааст, ки пас аз як дақиқаи кор консентратсияи умумии оксидкунанда барои HC 0,131 mM ва барои HC/ED плазмаи гибридӣ 1,722 mM буд. Пас аз понздаҳ дақиқа арзишҳо мутаносибан ба 0,153 ва 13,426 mM расиданд.

Дар таҳқиқоти дигари HC/GPD, дар 15 дақиқа HC танҳо тақрибан 0,12–0,15 mM H₂O₂ тавлид кард, дар ҳоле ки дар системаи якҷояи HC/GPD тақрибан 13,4 mM гузориш шуд.

Ин фарқиятҳо иқтидори баланди системаҳои гибридиро нишон медиҳанд, аммо арзишҳо ба реактор ва шароити кори мушаххас дахл доранд; ин маънои онро надорад, ки ҳамаи дастгоҳҳои кавитатсия–плазма ба ҳамин сатҳи тавлиди оксидкунанда мерасанд.

Дар кадом ифлоскунандаҳо санҷида шудааст?

Харитаи татбиқ дар саҳифаи 12 ва Ҷадвали 4-и шарҳ нишон медиҳанд, ки технология дар чор самти васеъ омӯхта шудааст: доруҳо, рангҳо, ифлоскунандаҳои бактериявӣ/микробиологӣ ва системаҳои сианобактерия/микросистин.

Ин ҷадвал як нуктаи муҳимро равшан нишон медиҳад: шароити таҷрибаҳо ба таври назаррас фарқ мекунад. Танҳо аз рӯйи бузургии рақамӣ тартиб додани фоизҳои бартарафсозӣ ва баровардани хулосаи “беҳтарин система” дуруст нест.

HC/плазма ё UC/плазма — кадомаш бартарӣ дорад?

Шарҳ қайд мекунад, ки ин ду равиш механизмҳои муштарак доранд, аммо хусусиятҳои муҳандисии онҳо ба таври назаррас фарқ мекунанд.

Арзёбии умумии шарҳ барои татбиқи саноатии дебити калон чунин аст, ки HC/плазма нисбат ба UC/плазма метавонад осонтар миқёспазир бошад ва иқтидори баландтари самаранокии энергетикӣ дошта бошад. Аммо ин натиҷа барои ҳамаи тарҳҳои реактор бартарии универсалии исботшуда нест.

Оё масрафи энергия воқеан бартарӣ дорад?

Нишондоди энергетикӣ вобаста ба тарҳи система хеле тағйир меёбад. Шарҳ таҳқиқотеро меорад, ки барои sono-плазма дар басомади импулсии барқии 68 kHz тақрибан 2,5 kWh/m³ масрафи қувва гузориш шудааст; ҳамзамон барои натиҷаи шабеҳи тозакунӣ дар озонкунии анъанавӣ 13,2–30,2 kWh энергия лозим дониста шудааст. Дар ин муқоисаи мушаххас самаранокии хароҷотии sono-плазма нисбат ба озонкунӣ 5–10 маротиба баландтар пешниҳод шудааст.

Дар системаҳои дигар бошад, самаранокии энергетикӣ хеле фарқ мекунад. Таҳқиқоте ҳаст, ки дар бартарафсозии метилен кабуд бо HC/плазма барои %90 бартарафсозӣ самаранокии энергетикии 2333 mg/kWh гузориш кардааст. Барои тавлиди H₂O₂ дар системаи плазмаи монанди HC/glow 9,6 g/kWh ва дар CaviPlasma тақрибан 10 g/kWh оварда шудааст.

Азбаски ин арзишҳо ба мақсадҳои гуногун ва таърифҳои гуногуни энергия дахл доранд, онҳо нишондиҳандаҳои каталоги дастгоҳ барои муқоисаи мустақим нестанд. Худи шарҳ низ самаранокии умумии энергетикиро яке аз монеаҳои муҳими паҳншавии технология мешуморад.

Чаро ноқилияти барқӣ муҳим аст?

Яке аз мушкилоти муҳимтарини муҳандисӣ барои оби партови воқеӣ ноқилияти барқӣ мебошад. Дар ноқилияти хеле баланд ҷараёни ионӣ метавонад майдони барқиро пароканда карда, шикасти плазмаро байни электродҳо пешгирӣ кунад.

Дар шарҳ таҳқиқоте оварда шудааст, ки дар таҷрибаҳои HC/плазмаи импулсии наносониявӣ ҳангоми ноқилияти камтар аз тақрибан 1,43 S/m миқдори ҷамъшудаи •OH дар сатҳи тақрибан 26,17 µM монда, дар 2,37 S/m якбора ба 4,21 µM коҳиш ёфтааст ва дар тақрибан зиёда аз 7 S/m разряди плазма ба вуҷуд наомадааст.

Аз ин рӯ, андешаи “ноқилияти баландтар ҷараёни барқиро осон мекунад ва ҳамеша тозакунии беҳтар медиҳад” барои ин системаҳо дуруст нест. Равзанаи оптималии барқӣ лозим аст.

Ионҳо ба монанди карбонат ва хлорид чӣ мекунанд?

Ионҳое ба монанди бикарбонат, карбонат ва хлорид, ки дар обҳои партови воқеӣ маъмуланд, метавонанд радикалҳои гидроксилро истеъмол кунанд ё хусусиятҳои разряди барқиро тағйир диҳанд. Азбаски потенсиали оксидшавии радикали карбонат аз •OH пасттар аст, аз ҷониби карбонат/бикарбонат гирифтани радикали гидроксил метавонад таҷзияи баъзе ифлоскунандаҳои органикиро суст кунад.

Дар шарҳ мисолҳое ҳастанд, ки ҳузури HCO₃⁻ veya Cl⁻ ҳангоми бартарафсозии метронидазол собити суръати реаксияро нисбат ба шароити оби тоза кам кардааст. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки чаро санҷиш бо оби партови воқеии саноатӣ аз таҷрибаҳои танҳо бо оби синтетикӣ муҳимтар аст.

Фишор ва дебит чӣ гуна таъсир мекунанд?

Дар реакторҳои HC зиёд кардани фишори воридшавӣ дар бисёр ҳолатҳо метавонад пастшавии фишор дар минтақаи тангшавӣ ва шиддати кавитатсияро зиёд кунад. Дар шарҳ барои тозакунии 5 L маҳлули 5 mg/L Rhodamine B бо HC/ED плазма дар реҷаи ҷараёнӣ бартарафсозӣ дар 10 bar %39, дар 15 bar %52 ва дар 20 bar %58 оварда шудааст.

Дар реҷаи гардишӣ ҳамон система ба бартарафсозии баландтар расид: дар 20 bar дар 5 дақиқа %97, дар 15 bar дар 10 дақиқа %98 ва дар 10 bar дар 10 дақиқа %94.

Ин фарқ нишон медиҳад, ки на танҳо фишор, балки шумораи гузаришҳо аз реактор ва реҷаи ҷараёни гидродинамикӣ низ самаранокии тозакуниро муайян мекунанд.

Чаро воридкунии газ баъзан фоидаовар ва баъзан зараровар аст?

Ворид кардани оксиген ё аргон метавонад сохтори ҳубобчаҳои кавитатсионӣ ва химияи плазмаро тағйир диҳад. Дар манбаъ системаи HC/плазма оварда шудааст, ки ҷараёни мувофиқи O₂ тавлиди •OH-ро тақрибан шаш маротиба зиёд карда, ба 119,8 nmol/J расондааст.

Дар таҳқиқоти UC/плазма мисолҳое ҳастанд, ки аргон аз ҳаво самараноктар будааст. Аргон метавонад ҳангоми кавитатсия ҳарорати баландтари маҳаллӣ фароҳам кунад, шиддати шикастро кам кунад ва тавлиди намудҳои реактивиро дастгирӣ намояд. Аммо ҷараёни аз ҳад зиёди газ метавонад ҳубобчаҳои калон ба вуҷуд оварда, паҳншавии ултрасадо ва интиқоли массаро халалдор кунад.

Аз ин рӯ, муносибати “газ бештар = бартарафсозӣ бештар” хаттӣ нест.

Микроорганизмҳо чӣ гуна ғайрифаъол карда мешаванд?

Системаи кавитатсия–плазма танҳо ифлоскунандаҳои химиявиро ҳадаф қарор намедиҳад. Мавҷҳои зарбаи механикӣ ва микроҷараёнҳо метавонанд ба мембранаҳои ҳуҷайра таъсир кунанд, дар ҳоле ки •OH, H₂O₂, ¹O₂, O₃, UV ва таъсирҳои барқӣ метавонанд ба сохтори биологии микроорганизмҳо осеб расонанд.

Дар шарҳ барои E. coli бо HC/плазма то %95 боздорӣ, барои бактериофаги MS2 бо суперкавитатсия/плазма дар чор дақиқа зиёда аз 5 log₁₀ коҳиш ва дар системаҳои сианобактериявӣ натиҷаҳои қавии ғайрифаъолсозӣ оварда шудаанд.

Бо вуҷуди ин, таҷзияи сианобактерияҳо метавонад мушкили алоҳидаи экологӣ эҷод кунад: шикастани мустақими ҳуҷайраҳо метавонад токсинҳои дохилиҳуҷайравиро ба об хориҷ кунад. Аз ҳамин сабаб, дар шарҳ махсусан иқтидори баъзе равишҳои HC/плазма барои нигоҳ доштани якпорчагии ҳуҷайра ва кам кардани хориҷшавии токсин таъкид мешавад.

Афзалиятҳои муҳимтарини экологии технология

• Имкони кори баъзе системаҳо бе оксидкунанда ё катализатори беруна.
• Имкони тавлиди оксидкунандаҳо ба монанди H₂O₂ дар дохили реактор.
• Бар хилофи равандҳое мисли коагулятсияи химиявӣ, лойи химиявии иловагӣ ҳосил намекунад.
• Иқтидори вақти кӯтоҳи коркард ба шарофати интиқоли баланди масса ва реаксияи зуд.
• Имкони мутобиқшавӣ ба татбиқҳои ҳаҷми калон дар реҷаи ҷараёнӣ.
• Имкони ҳадаф қарор додани микроорганизмҳо ва вирусҳо дар баробари ифлоскунандаҳои органикӣ.

Пас чаро технология ҳанӯз ҳалли стандартии тозакунӣ нест?

Шарҳ равшан таъкид мекунад, ки бо вуҷуди натиҷаҳои қавии лабораторӣ ва пилотӣ баъзе мушкилоти асосии муҳандисӣ ҳал нашудаанд.

• Самаранокии энергетикӣ: Масрафи умумии барқи системаҳои гибридӣ ҳанӯз ҳам монеаи ҷиддӣ мебошад.
• Тарҳи реактор: Нигоҳ доштани абри кавитатсия ва разряди плазма дар як минтақаи оптималӣ душвор аст.
• Умри электрод: Электродҳо ба фарсудашавии барқӣ, химиявӣ ва механикӣ дучор мешаванд.
• Эрозияи кавитатсионӣ: Дар унсурҳои тангшавӣ ба монанди Venturi, orifis ва дигар қисмҳо талафи мавод метавонад ба амал ояд.
• Матритсаи воқеии оби партов: Намак, моддаҳои органикӣ, зарраҳои сахти муаллақ ва фурӯбарандаҳои радикал метавонанд самаранокии лабораториро тағйир диҳанд.
• Маҳсулоти иловагӣ: Нопадид шудани ифлоскунанда худ аз худ аз байн рафтани заҳролудиро исбот намекунад; маҳсулоти оксидшавӣ бояд муайян карда шаванд.
• Стандартсозӣ: Фишор, дебит, геометрияи электрод, қувваи плазма ва геометрияи реактор ба ҳам вобастаанд.
• Васеъкунии миқёс: Ҳанӯз нишон дода нашудааст, ки муваффақияти лабораторӣ дар иншооти пурраҳаҷм бо ҳамон таносуби энергия/бартарафсозӣ ба даст меояд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• HC ва UC метавонанд ҳубобчаҳои мувофиқи газ/буғро ба вуҷуд оранд, ки барои пайдоиши плазма дар дохили моеъ мусоиданд.
• Плазма ва кавитатсия якҷоя метавонанд тавлиди •OH, H₂O₂, O₃ ва дигар намудҳои реактивиро зиёд кунанд.
• Дар бисёр таҷрибаҳо гузориш шудааст, ки системаҳои гибридӣ нисбат ба кавитатсия ё плазмаи алоҳида суръати баландтари реаксия нишон медиҳанд.
• Системаҳои гибридӣ дар ифлоскунандаҳои хеле гуногун, аз ҷумла доруҳо, антибиотикҳо, рангҳо ва микроорганизмҳо санҷида шудаанд.
• HC/плазма аз нигоҳи ҷараёни пайваста ва ҳаҷми калон нисбат ба UC/плазма осонтар миқёспазир менамояд.
• Ноқилият, pH, фишори воридшавӣ, дебит, воридкунии газ ва параметрҳои разряди барқӣ метавонанд самаранокиро ба таври ҷиддӣ тағйир диҳанд.
• Оби партови воқеӣ, самаранокии энергетикӣ ва маҳсулоти иловагии оксидшавӣ мавзӯъҳои асосии таҳқиқоти ояндаи васеъкунии миқёс мебошанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот исбот намекунад

• Кавитатсия–плазма ҳамаи ифлоскунандаҳоро %100 бартараф намекунад.
• Ҳар як комбинатсияи HC/плазма ё UC/плазма синергӣ нест.
• Фоизҳои бартарафсозӣ аз таҳқиқоти гуногунро мустақиман бо ҳам муқоиса кардан мумкин нест.
• Коҳиши консентратсияи ифлоскунанда худ аз худ маънои минерализатсияи пурраро надорад.
• Бартарафсозии баланд маънои онро надорад, ки маҳсулоти иловагии ҳосилшуда заҳролуд нестанд.
• Самаранокии баланди лабораторӣ ва пилотӣ ҳамон натиҷаро дар иншооти пурраҳаҷми саноатӣ кафолат намедиҳад.
• Нишон дода нашудааст, ки технология дар ҳама ҳолат аз озонкунӣ, UV, Fenton ё тозакунии биологӣ иқтисодитар аст.
• Барои системаҳои HC/плазма ва UC/плазма ҳанӯз як тарҳи стандартии оптималӣ вуҷуд надорад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Ин чӣ гуна таҳқиқот аст?

Ин таҳқиқот кори аслии лабораторӣ нест, ки дар реактори нави кавитатсия–плазма таҷриба гузаронда бошад. Муаллифон таҳқиқоти қаблан нашршудаи HC/плазма ва UC/плазмаро аз ҷиҳати механизмҳо, таъсирҳои мутақобила, синергияҳо, татбиқҳо, нишондиҳандаҳои энергетикӣ, параметрҳои муҳими корӣ ва таъсирҳои экологӣ ҷамъ оварда, шарҳи васеъ таҳия кардаанд.

Мақола протоколи мушаххаси шарҳи систематикӣ, стратегияи ҷустуҷӯи пойгоҳи додаҳо, ҷараёни PRISMA, меъёрҳои дохил/хориҷкунӣ ё мета-таҳлили миқдориро пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, хусусияти методологии таҳқиқотро ҳамчун “шарҳи техникии фарогир/нарративӣ” арзёбӣ кардан дуруст аст.

Ду технологияи асосие, ки шарҳ муқоиса мекунад

Мисолҳои синергияи HC/плазма дар шарҳ

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки ҳатто ҷой ва тарзи ҳамгиро кардани плазма ба минтақаи кавитатсия метавонад кинетикаи реаксияро тағйир диҳад.

Оё синергия барои UC/плазма маҳдудтар аст?

Дар шарҳ гуфта мешавад, ки таҳқиқоти UC/плазма нисбат ба HC/плазма камтаранд. Гарчанде дар Rhodamine B ва баъзе таҳқиқоти микроорганизмҳо синергия мушоҳида шудааст, яке аз баландтарин мисолҳои аз рӯйи собити суръат гузоришшуда тақрибан 1,69 мебошад. Дар баъзе шароити PAW–ултрасадо коэффисиент аз 1 камтар мондааст.

Ҳамин тавр, гарчанде иқтидори илмии UC/плазма равшан аст, заминаи далелҳои мавҷуда ба андозаи HC/плазма васеъ нест.

Таъсири консентратсия ва ҳаҷм

Тибқи тамоюли умумии шарҳ, консентратсияи ибтидоии пасти ифлоскунанда ва ҳаҷми хурдтари реаксия бартарафсозиро осон мекунанд. Масалан, дар системаи HC/PAW-и асосёфта ба Venturi, пас аз 15 дақиқа барои 2 L, 2 mg/L метилен кабуд %75,4 бартарафсозӣ ба даст омадааст; ҳангоми зиёд кардани ҳаҷм ба 10 L ва 20 L, бартарафсозӣ мутаносибан %50,76 ва %33,77 буд.

Ин натиҷа ҳушдори муҳими миқёспазирӣ аст, ки нишон медиҳад фоизҳои баланди лабораторӣ ҳангоми калон шудани ҳаҷми реактор ба таври автоматӣ нигоҳ дошта намешаванд.

Таъсири ҳарорат

Таъсири ҳарорат вобаста ба модда ва система тағйир меёбад. Дар таҳқиқоте, ки даҳ микроифлоскунанда бо SupCaviPlasma дар 15–60 °C баррасӣ шуданд, барои аксари моддаҳо бо баланд шудани ҳарорат бартарафсозӣ коҳиш ёфтааст. Аз ин рӯ, дар кавитатсия ҳарорати баланд ҳамеша маънои реаксияи қавитарро надорад; фишори буғ, динамикаи ҳубобча ва хусусиятҳои физикӣ-химиявии ифлоскунанда якҷоя нақш доранд.

Натиҷаи шарҳ аз нигоҳи энергия ва васеъкунии миқёс

Таҷҳизоти HC, ки дар системаҳои HC/плазма истифода мешаванд, доираи васеи тарҳҳоро, аз ҷумла эмиттерҳои гидродинамикӣ, Venturi, orifis, соплоҳои ҳамгаро–дуршаванда, rotor–stator ва системаҳои ларзиши худбарангехтаро дар бар мегиранд. Дастгоҳҳои HC/плазма дар шарҳ дар системаҳои даврӣ тақрибан дар 0,43–20 L ва дар реҷаи ҷараёнӣ тақрибан дар 2–50 L/дақ кор кардаанд.

Дар қисми плазма шароити гуногуни барқӣ дар диапазонҳои тақрибан 0,8–50 kV, 1–70 kHz ва 24 W–5 kW гузориш шудаанд. Ин диапазони васеъ нишон медиҳад, ки ҳанӯз як меъмории стандартии реактор вуҷуд надорад.

Арзёбии умумии муаллифон ин аст, ки HC/плазма барои расидан ба миқёси саноатӣ номзади қавитар мебошад; аммо таносуби истифодаи энергия, оптимизатсияи реактор, умри электродҳо ва қисмҳои гидравликӣ, хароҷоти сармоягузории ибтидоӣ ва норасоии дониш дар бораи механизм бояд ҳал шаванд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Combined Cavitation and Plasma in Water and Wastewater Remediation—A Review

Муаллифон, бо тартиби аслӣ: Pengyun Liu; Subramaniam Chidambaranathapillai; Zhilin Wu; Giancarlo Cravotto.

Саҳми баробар/муаллифи якуми баробар: Дар манбаъ изҳороти муаллифи якуми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифони масъул: Zhilin Wu ва Giancarlo Cravotto.

Муассисаҳо: Pengyun Liu ва Subramaniam Chidambaranathapillai, Department of Drug Science and Technology, University of Turin, Turin, Italy; Zhilin Wu, College of Chemistry and Chemical Engineering, Shantou University ва Chemistry and Chemical Engineering Guangdong Laboratory, Shantou, China; Giancarlo Cravotto, Department of Drug Science and Technology, University of Turin, Turin, Italy.

Навъи манбаъ: Review — шарҳи техникии фарогир/нарративӣ. Озмоиши нави инфиродӣ ё мета-таҳлил нест.

Маҷалла: ACS Omega.

Ҷилд / саҳифаҳо: Ҷилд 11, 2384–2406.

DOI: 10.1021/acsomega.5c08760

Санаи ирсол: 27 августи 2025.

Санаи бознигарӣ: 25 декабри 2025.

Санаи қабул: 26 декабри 2025.

Санаи нашр: 8 январи 2026.

Ҳолати баррасии ҳамтоён: Мақолаи Review аст, ки дар маҷаллаи аз баррасии ҳамтоён гузаштаи ACS Omega нашр шудааст.

Ношир: American Chemical Society.

Пайванди расмии нашр:ACS Publications – саҳифаи расмии мақола

Пайванди DOI:https://doi.org/10.1021/acsomega.5c08760

Дастрасии кушода ва иҷозатнома: Таҳқиқот дастрасии кушода дорад ва зери иҷозатномаи Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0) нашр шудааст.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот бо CaviPro, HORIZON-MSCA-2022-DN-01-01 ва дастгириҳои 2023B1212120011 ва 2023CX10L037 дар доираи Guangdong-Hong Kong Joint Laboratory for Preparation and Application of Ordered Structural Materials of Guangdong Province алоқаманд аст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки манфиатҳои молиявии рақобаткунанда вуҷуд надоранд.

Маълумоти иловагӣ: Дар ACS барои мақола файли Supporting Information мавҷуд аст. Дар он схемаҳои иловагии механизм, натиҷаҳои бартарафсозии микроифлоскунандаҳо, таъсири қувваи плазма ва ноқилият, инчунин ҷадвалҳои иловагӣ бо параметрҳои системаҳои гуногуни HC/плазма ҷой доранд.

Маҳдудияти илмии усули шарҳ

Гарчанде манбаъ адабиёти васеъро муттаҳид мекунад, протоколи муфассали ҷустуҷӯи систематикӣ гузориш нашудааст. Пойгоҳҳои додаҳо, сатри ҷустуҷӯ, шумораи нашрияҳои аввалия, тозакунии сабтҳои такрорӣ, меъёрҳои дохил/хориҷкунӣ ва системаи баҳодиҳии сифати таҳқиқот пешниҳод нашудаанд. Аз ин рӯ, набояд фоизҳои баланди бартарафсозии дар манбаъ овардашударо миёнаи миқдории мета-таҳлилии ҳамаи таҳқиқоти адабиёт донист.

Ёддошт дар бораи сохтори рӯйхати адабиёт

Дар рӯйхати адабиёт баъзе таҳқиқоти яксон ё моҳиятан яксон бо рақамҳои гуногуни истинод такроран оварда шудаанд. Масалан, таҳқиқоти “Flow-Mode Water Treatment under Simultaneous Hydrodynamic Cavitation and Plasma” дар рӯйхати адабиёт таҳти рақамҳои 2 ва 95; таҳқиқоти Microcystis aeruginosa таҳти 7 ва 96; таҳқиқоти микроифлоскунандаи SupCaviPlasma таҳти 8 ва 101; ва таҳқиқоти плазма бо дастгирии кавитатсияи акустикӣ таҳти 35 ва 102 такрор мешаванд. Аз ин рӯ, ба 119 расидани рақами истинод маънои мавҷудияти 119 таҳқиқоти таҷрибавии беназирро надорад.

Маҳдудияти тафсири илмӣ

Арзёбии мақола, ки “системаҳои кавитатсия/плазма яке аз самараноктарин технологияҳои гибридии мавҷуда барои беҳсозии экологии об мебошанд”, хулосаи шарҳ аст. Таҳқиқот ҳамаи технологияҳои алтернативии тозакуниро дар як матритсаи об, бо як миқдори энергия, як ифлоскунанда ва як миқёси реактор ба таври таҷрибавӣ муқоиса намекунад.

Хусусан масрафи энергия ва нишондиҳандаҳои иқтисодӣ дар таҳқиқоти гуногун бо воҳидҳо, ҳудудҳои система ва шароити кории гуногун ҳисоб шудаанд. Аз ин рӯ, дар муҳтавои Verianla як хулосаи универсалӣ дар бораи бартарии хароҷот ё энергия бароварда нашудааст.

Аз нигоҳи татбиқи воқеии саноатӣ масъалаҳои муҳимтарини бозмонда инҳоянд: санҷиши обҳои партови воқеӣ, заҳролудии маҳсулоти иловагии оксидшавӣ, кори пайвастаи дарозмуддат, эрозияи кавитатсионӣ, умри электрод, самаранокии энергетикӣ, хароҷоти нигоҳдорӣ ва васеъкунии миқёси реактор.

Механизмҳо, арзишҳои ададӣ, мисолҳои самаранокӣ ва арзёбиҳои илмии ин муҳтавои Verianla танҳо ба таҳқиқоти шарҳии баррасишуда асос ёфтаанд. Санҷиши беруна танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографии нашр ва ҳолати баррасии ҳамтоён/дастрасии кушодаи маҷалла истифода шудааст.