znanost 28.12.2017 9:09

Slovenski raziskovalci pokazali na novo možnost energetsko in okoljsko sprejemljivega čiščenja voda

Ljubljana, 28. decembra - Raziskovalci ljubljanske fakultete za strojništvo so prvi na svetu pokazali na novo možnost energetsko in okoljsko sprejemljivega čiščenja voda s pomočjo hidrodinamske kavitacije - hitrega uparjanja in rekondenzacije vode kot posledice nenadne lokalne spremembe tlaka. Raziskave kavitacije bodo nadaljevali tudi v projektu ERC, ki ga je decembra pridobil vodja raziskovalne skupine Matevž Dular.

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalec Matevž Dular v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalca Matevž Dular in Martin Praprotnik v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.
Raziskovalca Matevž Dular in Martin Praprotnik v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje Fakultete za Strojništvo UL.
Foto: Anže Malovrh/STA

Kot je pojasnil Dular, je bila kavitacija pred leti dojeta kot nekaj slabega. Slovenski raziskovalci v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani (UL) pa so pokazali, da je s hidrodinamsko kavitacijo mogoče čistiti vodo na okoljsko bolj sprejemljiv način.

V ta namen so razvili različne aplikacije ter za njih pridobili tudi patente. Glavna med njimi je rotacijski generator hidrodinamske kavitacije, s katero lahko iz vode odstranijo različne polutante.

Kaj je kavitacija?

Kavitacija označuje prehod iz kapljevine v plinasto fazo in nazaj v homogeno kapljevino. Vzrok za nastanek kavitacije je krajevno zmanjšanje tlaka, pri čemer temperatura ostane približno nespremenjena. Fizikalno soroden pojav kavitaciji je denimo vrenje.

Zaradi nizkega tlaka se voda upari, pri čemer nastajajo mehurčki. Ti potujejo v območje z višjim tlakom, kjer imoplodirajo oziroma se sesedejo sami vase. Pri kolapsu kavitacijskih struktur nastajajo zelo visoki tlaki in temperature, do nekaj 1000 bar in 10.000 stopinj, ki pa trajajo zelo kratek čas. Ti ekstremni pogoji lahko poškodujejo biološke celice.

Kavitacija v primerjavi z običajnimi postopki čiščenja cenejša ter energetsko in okoljsko bolj sprejemljiva

Običajni postopki čiščenja potekajo z dodajanjem zdravju škodljivih kemičnih snovi, medtem ko gre pri kavitaciji za izključno mehansko obremenitev vode, kjer lokalno ekstremni pogoji povzročijo razpad oziroma poškodbe bioloških struktur, kot so bakterije.

Odstranjevanje bioloških struktur pomeni veliko težavo za vodovodne napeljave, predvsem v zdravstvenih ustanovah. Še posebej veliko nevarnost pa pa predstavlja pojav bakterije legionele, ki je lahko za ljudi smrtno nevarna.

Med tipičnimi postopki odstranjevanja legionele so visokotemperaturni šoki, ki so dragi, za vodovodni sistem zelo obremenilni, hkrati pa so zaradi visoke temperature nevarni za uporabnike.

Kavitacija je v primerjavi s termičnimi šoki veliko bolj okoljsko in energetsko učinkovita ter 10-krat cenejša, hkrati pa omogoča kontinuirano zagotavljanje nizke ravni legionele v vodnih sistemih, je pojasnil Dular.

Raziskovalci so s hidrodinamsko kavitacijo poleg legionele uspešno odstranili tudi farmacevtike, cianobakterije in alge. Kot prvi pa so pokazali tudi na možnost inaktivacije virusov s pomočjo kavitacije.

Raziskave odstranjevanja bakterije legionele s pomočjo kavitacije so predstavili v reviji Ultrasonics Sonochemistry, o možnosti inaktivacije virusov s pomočjo kavitacije pa so spregovorili v v objavi v mednarodni reviji Water research.

V okviru ERC-projekta bodo odkrivali odgovore na doslej neznana vprašanja o kavitaciji

Na pozitivne učinke kavitacije je pokazalo že veliko študij, medtem ko je sam mehanizem, ki povzroči inaktivacijo virusa oziroma uniči bakterijo, še nepoznan. "Zato tudi ne vemo, kako dobro v resnici zadeva deluje. Rečemo lahko, da kavitacija deluje 10-krat boljše kot termični šoki pri legioneli, ne vemo pa, ali bi ta postopek lahko izboljšali, da bi delovala celo 100-krat bolje," je pojasnil Dular.

Odgovore na tovrstna vprašanja bodo iskali v okviru projekta z naslovom An investigation of the mechanisms at the interaction between cavitation bubbles and contaminants (CABUM), za katerega je Dular pred kratkim prejel sredstva na razpisu Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) za utrjevanje samostojne raziskovalne poti.

Za petletni projekt so prejeli slaba dva milijona sredstev. "ERC projekt nam bo pomagal, da bomo pet let delali samo na teh zelo osnovnih mehanizmih - kaj je tisto, kar se zares zgodi med bakterijo in enim kavitacijskim mehurčkom."

Dular se nadeja, da jim bo znanje, pridobljeno v petih letih, omogočilo izdelavo naprave, "ki bo učinkovita, okoljsko in energetsko sprejemljiva, ki bo varna in ki jo boš lahko brez zadržkov vgradil tudi v bazen, kjer se kopajo otroci".

V zadnjih letih so v laboratoriju vzpostavili dobre povezave z raziskovalci po svetu, kar jim bo omogočilo dostop do veliko različnih tehnologij, ki jih potrebujejo za iskanje odgovorov na zastavljena vprašanja. "To je bil tudi faktor, ki je komisijo prepričal, da so nam dali projekt, da smo sposobni vse te nove metodologije združiti v en res osredotočen cilj."

V okviru projekta bodo zaposlili sedem novih ljudi s področja fizike, biologije ter predvsem strojništva, skupno pa bo na projektu delalo približno 12 ljudi. Pridobljen projekt bo Dularju omogočil, da tri nekdanje sodelavce, ki jih je zaradi pomanjkanja sredstev moral poslati v tujino, kjer so se veliko naučili, pripelje nazaj. "To je ideja, da znanje prihaja nazaj v Slovenijo in da bomo s tem gradili naprej."

O dr. Matevžu Dularju

Matevž Dular je diplomiral leta 2002, doktoriral pa tri leta kasneje na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani. Letos je bil izvoljen v naziv rednega profesorja. Več kot štiri leta je delal na tujih univerzah, v Nemčiji, Franciji in ZDA, poleg tega je vodil več projektov za evropsko vesoljsko agencijo. Njegovo raziskovalno področje zajema tako bazične kot aplikativne raziskave kavitacije in širše dinamike tekočin. Zaposlen je na Fakulteti za strojništvo, v laboratoriju za vodne in turbinske stroje.