Comment les appareils d'homogénéisation ultrasonique stérilisent-ils les eaux usées ?

Comment les homogénéiseurs à ultrasons stérilisent-ils les eaux usées?

The core sterilization mechanism of ultrasonic sonochemical devices in wastewater treatment is to utilize the sonochemical effect induced by ultrasound (especially the cavitation effect and its derived physical and chemical reactions) to disrupt microbial structures and inactivate their functions through multiple synergistic mechanismsComparés aux appareils d'homogénéisation par ultrasons classiques, les appareils sonochimiques mettent l'accent sur le couplage des procédés ultrasoniques et chimiques.résultant en une efficacité et une applicabilité supérieures de la stérilisationLes mécanismes spécifiques sont les suivants:

1Le rôle principal de l'effet de cavitation
Lorsque des ondes sonores à haute fréquence (généralement de 20 kHz à 1 MHz) émises par des dispositifs sonochimiques à ultrasons se propagent à travers l'eau,les vibrations périodiques du liquide génèrent d'innombrables minuscules " bulles de cavitation " (bulles contenant du gaz ou de la vapeur)Ces bulles s'élargissent rapidement sous des fluctuations de pression et s'effondrent ensuite violemment (cavitation), formant la base de la stérilisation.

Destruction mécanique: The intense shock waves (pressures reaching thousands of atmospheres) and high-speed microjets (speeds exceeding 100m/s) released instantly by the collapse of cavitation bubbles directly impact the cell membranesPar exemple, lorsque la paroi cellulaire peptidoglycane des bactéries est percée, les bactéries peuvent se décomposer en une couche de fibres, ou des capsides virales de micro-organismes (comme les bactéries, les virus et les algues), provoquant leur rupture.Les substances intracellulaires s'évaporent; lorsque la capside protéique d'un virus est déchirée, le matériel génétique (ADN/ARN) est exposé et inactivé.

Environnement local extrême: lorsqu'une bulle de cavitation s'effondre, elle crée instantanément des températures élevées (5000K, environ 4727°C) et des pressions élevées (des milliers d'atmosphères),suffisante pour "incinérer" directement les micro-organismes ou endommager leurs biomacromolécules (comme la dénaturation des protéines et la rupture de la chaîne des acides nucléiques)Les effets oxydatifs des espèces actives générés par les procédés sonochimiques

Les conditions extrêmes de l'effondrement de la bulle de cavitation déclenchent la fragmentation et la réaction des molécules dans l'eau, générant un grand nombre d'espèces actives hautement oxydantes.C'est le mécanisme chimique clé de la stérilisation sonochimique.:

Les radicaux hydroxy (OH): les molécules d'hydrogène sont décomposées sous haute température et pression pour produire de l'OH (avec un potentiel redox de 2,8 V, plus puissant que l'ozone et le chlore).:
Oxyder les lipides (tels que les acides gras insaturés) dans les membranes cellulaires microbiennes, perturbant la perméabilité et l'intégrité de la membrane;
Attaque les protéines (détruisant les structures des acides aminés) et les acides nucléiques (trompant les chaînes d'ADN/ARN) dans les cellules, inhibant l'activité enzymatique et la transmission d'informations génétiques.
Autres espèces actives: si de l'oxygène dissous ou des oxydants (tels que l'H2O2 ou l'ozone) sont présents dans l'eau, l'effet de cavitation favorise la production d'OH2− (anion superoxyde) et d'H2O2,amélioration synergique de l'effet de stérilisation oxydative.

3Effets synergiques sonochimiques renforcés
L'efficacité de stérilisation des dispositifs sonochimiques est souvent améliorée grâce à des effets synergiques, ce qui est leur principal avantage par rapport aux dispositifs à ultrasons conventionnels:

Synergie avec les agents chimiques: les ultrasons peuvent améliorer la décomposition des oxydants (tels que H2O2 et ClO2), favorisant la production d'espèces plus actives (par exemple,L'H2O2 est plus facilement décomposé en OH par ultrasons)En outre, l'action mécanique des ultrasons permet aux agents de pénétrer plus facilement les membranes microbiennes, améliorant ainsi l'efficacité d'oxydation.
Synergie avec les méthodes physiques: par exemple, lorsqu'il est combiné avec des rayonnements ultraviolets (UV), les ultrasons perturbent la structure microbienne,permettant au rayonnement UV de pénétrer plus facilement et d'endommager les acides nucléiquesLa combinaison avec des champs magnétiques peut améliorer l'effet de cavitation et augmenter la densité d'énergie locale.

4. Inactivation ciblée de différents micro-organismes
Les bactéries: la paroi cellulaire (couche peptidoglycane) et la membrane cellulaire sont endommagées par un impact mécanique, tandis que l'OH oxyde les protéines de la membrane,provoquant une fuite de substances intracellulaires et une perturbation du métabolisme.
Virus: la capside protéique est rompue et les acides nucléiques internes (ADN/ARN) sont détruits par des températures élevées ou OH, ce qui les rend incapables d'infection.Les parois cellulaires et les chloroplastes sont détruits., la chlorophylle se décompose et l'OH oxyde les enzymes métaboliques, inhibant la photosynthèse et la reproduction.
Micro-organismes résistants aux médicaments: micro-organismes résistants à la désinfection traditionnelle (par exemple, le chlore) (par exemple,Cryptosporidium) peut encore être inactivée efficacement en raison de la destruction physique non spécifique des ultrasons..
Résumé
L'équipement sonochimique à ultrasons permet une stérilisation efficace par destruction mécanique par cavitation, inactivation physique dans des environnements extrêmes localisés,et oxydation chimique des espèces activesLe principe de base est de convertir l'énergie ultrasonique en impact physique et oxydation chimique.Efficacité du spectre largeIl est particulièrement adapté pour des applications sensibles aux sous-produits de désinfection ou pour le traitement des eaux usées complexes (par exemple,les eaux usées contenant des bactéries résistantes aux médicaments ou une turbidité élevée).

IV. Avantages comparatifs par rapport aux technologies de stérilisation traditionnelles
Comparée aux méthodes traditionnelles telles que la désinfection au chlore et la désinfection aux UV, la stérilisation par homogénéisation par ultrasons présente les avantages suivants:

Aucune pollution secondaire: aucun agent chimique (tel que le chlore) n'est nécessaire et la production de sous-produits de désinfection (tel que le chloroforme et d'autres cancérogènes) est évitée.

Large spectre: efficace contre les bactéries, les virus, les champignons et les algues, avec une efficacité particulière contre les micro-organismes résistants au chlore (tels que Cryptosporidium et Giardia).

Synergie: peut être combiné avec d'autres technologies (comme l'ozone et l'H2O2) pour améliorer la cavitation et la génération de radicaux libres, améliorant ainsi l'efficacité de la stérilisation.

Résumé: L'homogénéisation par ultrasons utilise les trois effets de l'impact mécanique généré par la cavitation, la chaleur et la pression extrêmes,et l'oxydation des radicaux libres pour détruire physiquement et chimiquement la structure et la fonction des micro-organismesLe principe de base est de transformer l'énergie ultrasonique en une force destructrice contre les micro-organismes.Cela le rend particulièrement adapté aux applications de traitement des eaux usées impliquant des microorganismes sensibles aux sous-produits de désinfection ou difficiles à inactiver..