8. Экологические аспекты использования ультразвуковых технологий

Проблема сохранения природы незаметно для всех нас переросла в проблему выживания. В настоящее время в неблагоприятной антропогенно- экологической обстановке живет около 50-70 миллионов человек. Площадь экологически неблагоприятных районов составляет 2 миллиона квадратных километров. В таких районах проявляется четко выраженные признаки деградации среды, продолжается устойчивый процесс загрязнения окружающей среды и снижения продуктивности природных ресурсов, растет заболеваемость людей, увеличивается смертность. Биологическая, экологическая, социальная, экономическая и технологическая задачи сохранения нетронутой природы и экологического баланса интегрируются в глобальную, общечеловеческую, охватывающую все сферы деятельности проблему. Проблема столь актуальна и широка в своей комплексности, что трудно определить ее научные границы и те средства, которые были бы общественно оправданными для ее решения. И хотя синдром безоглядной технизации все еще очень силен, но пришло осознание гибельности мышления только в рамках чисто технической парадигмы. Идеологически, или как чаще говорят, исходя из экологической морали, этики взаимоотношения человека с природой ситуация достаточно ясна. Или человечество сумеет вписаться в параметры существующей биосферы, сохранит ее, либо погибнет вместе с нею. Смысл нынешней гуманитарно-экологической парадигмы взаимоотношений человека с природой и перехода от антропоцентрических к экоцентрическим контактам с природой в том, чтобы предохранить себя от возвращающегося бумеранга антропо- деструкции природы. Стена экологических запретов, достигшая практически своих предельных возможностей, оказалась необходимым, но недостаточным условием охраны окружающей среды и рационального природопользования. На первый план стало выходить наукоемкое производство. Доминирующим становится производство информации, технического знания, реализуемого в виде новейшей техники.

Исходя из целевого предназначения ультразвуковых технологий переработки сельскохозяйственного сырья и масштабного применения УЗ приборов в домашенм хозяйстве и в условиях малых предприятий необходимо исследование проблем экологической безопасности и факторов, обеспечивающих рациональное использование сырья и качество получаемых продуктов.

Известно, что проникновение экологических новшеств в промышленность происходит по нескольким направлениям. Вся совокупность методов охраны окружающей среды, позволяющих свести к минимуму сбросы и выбросы в биосферу как материальных, так и энергетических загрязнений, в современной промышленной экологии делится на пассивные и активные.

Первые из них - это перемещение вредных начал в пространстве. Среди них наиболее распространенные пути: рациональное размещение источников загрязнений, локализация загрязнений (экранирование, глушение, изоляция, захоронение и др.) и очистка выбросов и сбросов от загрязнителей. Наиболее опасный из пассивных методов - складирование на полигонах и в хранилищах, а также дампинг ("утопление" в морях) твердых или отвержденных вредных химических и радиоактивных отходов в специальных емкостях или "навалом". Но и другие пассивные методы защиты окружающей природной среды от промышленных загрязнений не предполагают непосредственного воздействия на источник загрязнения, тем самым сохраняя опасность для природы.

Для наиболее полной и качественной защиты природы от воздействия любых загрязнений применяются активные методы охраны окружающей среды. Это совершенно иная сфера экологизации производства, предусматривающая совершенствование существующих и разработку новых технологий производства, обеспечивающих максимальное снижение материальных и энергетических загрязнений. Активные (технические и технологические) методы борьбы с загрязнениями окружающей природной среды могут осуществляться следующими путями:

1. Сведение к минимуму отходов путем улавливания выбросов, стоков и отходов не в форме загрязнителей, а в виде полезных материалов, вторичного сырья для промышленности;

2. Замена исходного сырья и совершенствование технологических режимов с целью получения побочных продуктов в неопасной, адаптируемой к природным состояниям форме;

3. Создание малоотходных, реутилизационных и ресурсосберегающих технологий.

Наиболее перспективным среди активных методов охраны окружающей среды и рационального природопользования экологи считают третье направление т.е. создание малоотходных, реутилизационных и ресурсосберегающих технологий, сочетание которых получило условное название безотходных технологий.

Исходя из первого следствия закона экологии о развитии природных и искусственных экологических систем за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды, которое гласит: "Абсолютно безотходное производство невозможно (оно равнозначно созданию "вечного" двигателя)", предельной степени экологической безопасности отдельного технологического процесса можно достигнуть лишь комплексно используя малоотходные, реутилизирующие и ресурсосберегающие технологии. В программе Организации объединенных наций по окружающей среде (ЮНЕП ООН) и документах Европейской экономической комиссии Организации объединенных наций (ЕЭК ООН) в 1984 году введены определения таких технологий, в том числе:

Малоотходная технология - это технология, позволяющая получить минимум твердых, жидких, газообразных и тепловых отходов и выбросов, рассчитываемый как теоретически достижимый максимум безотходности для каждого конкретного технологического процесса.

Реутилизационная технология - это цепь технологических процессов, где отходы одного процесса становятся материальным или энергетическим сырьем для другого (предполагается использование этого сырья без остатка). Использование такой технологии может приблизить промышленное производство к теоретическому минимуму отходов, равному отходам в биосферных циклах (не более 2% от общего кругооборота веществ и энергии, участвующих в процессе), а главное получить отходы перерабатываемые природными системами самостоятельно т.е. направлять в природу отходы в виде трофических составляющих (участие в трофических цепях в качестве пищи), либо сырья (на пример - переработка в гумус редуцентами), а значит не несущие отрицательного антропогенного влияния на окружающую природную среду.

Ресурсосберегающая технология - это производство и реализация конечных продуктов с минимальным расходом вещества и энергии на всех этапах производственного цикла и с наименьшим воздействием на человека и природные системы. При этом должны учитываться все расходы на промежуточные этапы производства. Ресурсосберегающая технология включает требование минимизации используемых природных ресурсов и минимального нарушения природных (естественных) условий. Нижний предел такой минимизации зависит как от способов получения традиционной продукции, так и от возможностей перехода к выпуску сопутствующей на основе миниатюризации и технической дополнительности.

Исходя из сочетания трех названных технологий ЕЭК ООН дает обобщенное определение безотходных технологий. Безотходная технология - это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-промышленный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используется сырье и энергия в цикле: сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные сырьевые ресурсы и таким образом любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования. Расширенное определение сделано на семинаре по вопросам последствий применения малоотходных технологий в 1989 году в Гааге. Безотходная технология - как сочетание малоотходных, реутилизационных и ресурсосберегающих технологий - это эквивалент экологически чистых технологий, то есть технологий, построенных по типу процессов, характерных для природы. В наиболее общем виде развитие и расширение масштабов создания безотходных технологических процессов и производств может осуществляться по четырем магистральным направлениям:

1. Переход на новые технологические процессы, исключающие образование отходов;

2. Перевод в замкнутый цикл всех видов производства, использующих в технологических целях технологические компоненты многократного применения;

3. Создание производственных комплексов с замкнутой системой потоков сырья, энергии и отходов;

4. Возвращение временно не применяемых отходов в природную среду в состоянии пригодном для восстановления природными биодеструкторами до природных веществ.

На основе сделанных рекомендаций в промышленной экологии существует несколько путей создания безотходных технологий и производств, в основу которых положены инженерные принципы рационального природопользования:

1. Системный подход к проблемам природопользования и охраны окружающей среды;

2. Использование замкнутого кругооборота веществ и энергии в природе - как основы моделирования прогрессивной безотходной технологии;

3. Использование эталонных экологических моделей технологических процессов для создания и эксплуатации реальных;

4. Проведение анализа технических решений на основе принципов их эффективности с учетом требований охраны окружающей среды и основ рационального природопользования на стадиях проектирования и апробации.

Биосфере свойственна высокая организация, в которой осуществляется обмен информацией между отдельными подсистемами различного ранга посредством информационно - регуляторных механизмов. Можно предположить, что в процессе взаимодействия человека с природой каждому целевому воздействию человека соответствует тот или иной отклик природы, передаваемый субьекту действия по каналам обратной связи. Известно, что созидательная деятельностьчеловека независимо от сферы приложения труда состоит в выполнении целевых установок, формируемых у него, как потребностей в эффективных результатах в той или иной сфере деятельности. Реализация глобальной целевой функции и частных производственных задач осуществляется соответствующим технологическим процессом, под которым понимается: описание продукции, описание режимов работы оборудования, на котором эта продукция изготавливается, и, наконец, аппаратно - инструментальное и организационное обеспечение процессов, в результате которого и появляется описанный продукт [73].

При организации технологического процесса признается, что и оборудование, и режимы, и продукция отвечают требованиям рационального использования окружающей среды, которые регламентируется "нормативными знаниями" в рассматриваемом промышленном приложении. Однако опыт свидетельствует, что разработанные и на бумаге доказанные экологобезопасные технологии по множеству результатов фактической производственной деятельности далеки от обоснованного идеала и в большей или меньшей степени привносят новый вред окружающей среде. Поэтому исследуя влияние ультразвуковых технологий на состояние окружающей среды необходимо изучить, во-первых, процессы взаимодействия человека и природы при выполнении производственной функции, а во-вторых, исследовать влияние непосредственно ультразвука и сопутствующих факторов на человека и окружающую среду. Известно, что результаты анализа любой проблемы и выводы наиболее убедительны, если человек в интересующей его области знаний вместе с исследователем прослеживает всю логическую цепочку рассуждений от исходных посылок до выводов, поэтому для обьективности доказательств экологической безопасности ультразвуковых технологий предоставим читателю всю совокупность сведений в рассматриваемой промышленной сфере. Системный подход предусматривает комплексную оценку воздействия промышленно - технической деятельности, поэтому рассмотрим информационную модель взаимодействия человека, осуществляющего изменения в окружающей природной среде при выполнении им некоторой производственной функции (рис 8.1) [74].

Рис. 8.1. Двойной информационный цикл
взаимодействия человека и окружающей cреды Будем считать результатом технологического процесса всю совокупность технических, экономических, социальных, экологических и прочих эффектов, в том числе, не измеряемых в количественных шкалах или проявляющихся в более поздние временные периоды. При этом, результаты могут быть:

- по уровню обоснованноси: планируемые (предсказуемые) или случайные (непредсказуемые);

- по степени воздействия на природную среду: улучшающие или ухудшающие качество природной среды;

- по динамике процесса: эволюционные, в том числе, и накапливаемые, а также бифуркационные- стихийно антропогенные на уровне экологического стресса;

- по степени антропогенного воздействия на природу: нейтральные, восстанавливающие или разрушаюшие.

При анализе модели можно установить, что воздействие человека на окружающую среду осуществляется в два цикла. Внутренний цикл обеспечивает регулирование режимов работы технологического оборудования с целью получения заданных результатов и в соответствии с ограничениями из нормативной базы. Внешний цикл осуществляет коррекцию ограничений специалиста по выполнению заданий для изменяющихся условий окружающей среды. Технологический процесс и его воздействие на окружающую среду в результате деятельности технического специалиста непрерывно изменяются.

Функционирование реальных технологических процессов всегда сопряжено с множеством случайных факторов, часть которых приводит к непредсказуемым (в том числе и критическим) ситуациям.

Другой особенностью функционирования экологических систем, отражаемых моделью, является их сравнительно большая инерционность, состоящая в том, что некоторое воздействие человека на систему может привести к результату через промежуток времени, значительно превышающий возможности учета и нейтрализации этого воздействия. Отражением этой особенности является классификация закономерностей и тенденций, определяющих эффективность деятельности по охране природы, которая представлена схемой на рисунке 8.2.

Рис.8.2 Классификация закономерностей и тенденций, определяющих эффективность деятельности по охране природы

Рис. 8.3 Круговорот СОВ в народном хозяйстве Круговорот веществ и энергии между природой и искусственной экологической системой, созданной человеком, названный в прикладной экологии социальным обменом веществ и энергии (СОВ), также может быть изображен пирамидой (рис.8.3).

На базе первичного сырья работают предприятия ранга I, расположенные в основании пирамиды и предназначенные для добычи и переработки этого сырья. Продукция этих предприятий используется для производства средств производства (предприятия ранга II), которые в свою очередь, развивают предприятия ранга III (производство средств потребления). В вершине пирамиды располагаются люди как индивидуальные потребители хозяйственной продукции. Производственные и бытовые отходы частично утилизируются предприятиями по переработке, частично идут в виде выбросов в окружающую природную среду. Вторичное сырье, полученное из отходов, возвращается в сферу хозяйственной деятельности в виде полуфабрикатов или продукции на его основе. Энергия, используемая на всех ступенях пирамиды практически до 40% теряется в виде тепловых и физических отходов. Здесь без дополнительных мер защиты цикличность очень мала, как правило не превышает 2%, а остальное уходит из оборота.

Еще сложнее создать циклические замкнутые потоки СОВ в отдельном технологическом процессе (рис.8.4)

Рис.8.4. Круговорот СОВ и информации в технологическом процессе /Пирамида Элтона для искусственной экосистемы/ На входе в систему, находятся материально-энергетические ресурсы в виде сырья и энергии. В основании пирамиды находится аппаратурная реализация конкретного технологического процесса, в котором трасформация материально-энергетического потока позволяет превратить сырье и энергию в конечную продукцию. Следующая ступень пирамиды - продукция с определенным набором потребительских свойств. В вершине пирамиды - потребители продукции данного процесса как индивидуальные, так и коллективные. Для всех ступеней этой пирамиды характерен четко прослеживающийся разрыв цикличности:

на первой ступени техпроцесс может иметь и материальные и энергетические отходы;

на второй ступени при передаче продукции к потребителю возникает невостребованный продукт например в виде тары, упаковки и др.;

третья ступень, наиболее трудно регулируемая, сам продукт превращается, как правило, в материальные отходы и отбросы.

Частично проблему замкнутости процесса и приближения процессов трансформации в нем веществ и энергии к круговороту в биосфере можно введением специального информационного потока, собираюшего и трансформирующего весь объем информации необходимый системе. Только четко регламентируемый поток информации позволяет подготовить и эксплуатировать процессы, имеющие высокую степень замкнутости, для которых отходы сведены к минимуму, а материально-энергетический поток близок к круговороту веществ и энергии в природе (поток ----> на рис.8.3).

Условия приближения реальных технологических процессов к их экологически безопасным вариантам описаны в прикладной экологии рядом экологических моделей технологических процессов, которые учитывают основные законы экологии и инженерные принципы охраны природы. В этих моделях к экологическим относятся такие, которые не вызывают в окружающей среде никаких последствий, вызывающих возникновение и усиление антропоаномалий. Если же технологический процесс воздействует каким либо образом на биогеологическое и физико-химическое состояние окружающей среды, то такой процесс является неэкологическим. Любой технологический процесс или отдельную технологическую операцию можно представить в виде определенной системы с различной степенью замкнутости. Эти взаимосвязи и нашли отражение в модели взаимодействия человека и природы, приведенной на рисунке 8.1.

Пользуясь понятиями термодинамики можно выделить незамкнутый процесс. Незамкнутость технологической системы обусловлена ее органической связью с внешней средой, от которых она получает вещества и энергию и в которую она отдает готовую продукцию и всевозможные отходы (рис.8.5).

Рис. 8.5. Незамкнутый технологический процесс Исходя из определения экологических и неэкологических процессов незамкнутый технологический процесс будет экологичным, если все исходное сырье и энергия максимально перерабатываются в полезную продукцию, все материальные выбросы (твердые, жидкие и газообразные) очищаются от загрязнений, энергетические выбросы (поля, излучения, колебания) доводятся до естественного фонового содержания, полезная продукция не опасна для природных систем, то есть такой процесс не нарушает равновесия в природе, не загрязняет окружающую среду и рационально использует изъятые у природы ресурсы. Уравнения массообмена для незамкнутого экологобезопасного технологического процесса имеет вид:

Mc = Mк.пр.   + Mот где: Mc  - суммарная масса сырья и энергии, используемого на всех стадиях технологического процесса; Mк.пр.  - суммарная масса готового конечного продукта; Mот  - суммарная масса отходов (материальных и энергетических), причем она должна соответствовать балансу

Mот  = Mп.от  + Mу.от  + Mэ.от где: Mп.от  - перерабатываемые отходы; Mу.от  - утилизируемые отходы; Mэ.от  - поглощаемые и экранируемые отходы.

В термодинамике к замкнутым системам относятся такие, у которых отсутствует обмен веществом с внешней средой, но возможен обмен энергией. Технологическим аналогом замкнутой термодинамической системы служит замкнутый технологический процесс.

Рис.8.6. Замкнутый технологический процесс Это такой процесс (операция, производство), в котором отсутствуют все виды материальных выбросов, т.е. выбросы твердых, жидких и газообразных веществ. Обмен с внешней средой исходным сырьем и готовой продукцией при подобном процессе сопровождается энергетическими выбросами в виде полей, излучений, колебаний. Этот процесс экологичен если не является источником повышенного фона энергетических выбросов, а исходное сырье и энергия максимально преобразуются в готовую продукцию, которая не вызывает антропоаномалий в природе. Уравнение массообмена для замкнутого процесса имеет вид:

Mc  = Mк.пр.   + Mэ.от где: Mc  - суммарная масса сырья и энергии, используемого на всех стадиях технологического процесса; Mк.пр.  - суммарная масса готового конечного продукта; Mэ.от  - суммарная масса отходов энергетических.

В принципе возможны технологические процессы, которые не дают ни материальных, ни энергетических выбросов. Подобные технологические процессы получили название изолированных технологических процессов (рис.8.7). Изолированный процесс предполагает полное превращение исходного сырья при 100% расходе энергии в готовую полезную продукцию. Как правило, такие процессы практически безопасны для окружающей среды на стадии производства и обеспечивают максимальное ресурсосбережение, но экологически безопасными они будут только в том случае, если готовая продукция не опасна для природы и не превращается после эксплуатации и потребления в источник вторичного загрязнения среды. Уравнение массообмена изолированного процесса имеет вид:

Mc  - Mк.пр.  = 0

Рис.8.7. Изолированный технологический процесс Исследование ультразвуковых технологий с описанных выше позиций дает основание предположить, что негативные последствия от использоваия УЗ аппаратов могут быть выявлены по факторам материальных и энергетических выбросов. Однако если предположить, что технологические процессы переработки сельскохозяйственной продукции по используемым материальным потокам являются экологически чистыми, то интенсификация этих процессов ультразвуком не приведет к ухудшению экологической обстановки. Кроме того, как показывает опыт, ультразвуковые технологии переработки сельскохозяйственного сырья способствуют более полному выделению целевых продуктов, повышению их качества и прочих потребительских свойств. В конечном счете, все это обеспечивает более полное решение задачи рационального использования природных ресурсов и, следовательно, большей сохранности окружающей природной среды.

Исследование проблем экологической опасности сопутствующих энергетических выбросов приводит к выводу, что разработанные ранее мощные ультразвуковые приборы и системы с использованием электронных компонент низкой степени интеграции действительно были потенциально опасными для здоровья человека. Снижение возможных сопутствующих вредных излучений приборов может быть достигнуто, во-первых, снижением единичной мощности УЗ-приборов и выбором для конкретных технологий УЗ-параметров достаточных для реализации процесса. Во-вторых, при использовании современной элементной базы и соответствующих изменений схемных решений ультразвуковых генераторов, а также конструкций волноводов, применении современных схем автоматической стабилизации режимов и аварийной защиты, экспериментально доказано, что приборы разработанного многофункционального ряда не являются источниками вредных энергетических полей и излучений.

Отметим также, что ввод в технологический процесс ультразвукового излучения во многих технологиях переработки сырья является фактором существенно снижающим подвод к технологической операции других энергетических потоков и прежде всего -тепловой энергии. Экологическая выгода от этого не требует доказательств. И, наконец, интенсификация многих процессов, например, эстракции в поле ультразвука способствует снижению и полному исключению из реагирующей массы ряда экстрагентов, признаваемых вредными для окружающей среды. Например, при ультразвуковой экстракции облепихового масла из жома вывод фреонов из процесса становится реальным.

Таким образом, ультразвуковые технологии с аппаратным обеспечением на базе многофункциональных маломощных генераторов во многом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к реутилизационным, ресурсосберегающим, экологически безопасным процессам и обеспечивают более рациональное по сравнению с традиционными использование природных ресурсов.

Однако, окончательный вывод об экологической безопасности ультразвука может быть сделан, если будут рассмотрены факторы непосредственного его воздействия на живой организм, в том числе, показано, что ультразвуковые системы не нарушают потоки информации природных систем и не создают излучений опасных для существования, развития, воспроизводства и адаптации живых организмов. Поэтому анализ экологической безопасности следует продолжить изучением факторов, определяющих опасность использования ультразвука в прямых контактах с человеком. Эта задача является частью наиболее общей проблемы анализа эффективности технических решений с учетом требований охраны окружающей среды и рационального природопользования на стадиях проектирования и апробации потому, что в настоящее время наука превратилась в производительную силу, результатом чего является возникновение нового источника вредных воздействий на окружающую природную среду - научно - технической деятельности человека. Одной из проблем, которую надо решать при разработке технических решений, является проблема классификации возможных нежелательных последствий по степени опасности и необратимости, и, соответственно, принятие необходимых мер по их предотвращению. Факторы, определяющие эффективность охраны окружающей среды при разработке технических решений, приведены на рис.8.8

При этом, для каждого класса технических решений используется различная совокупность концепций. Основой подхода является нахождение таких объективных закономерностей, которые можно эффективно использовать для охраны окружающей cреды.

Анализ состояния природы, закономерностей и тенденций научно-технического прогресса и взаимосвязи объектов техники с окружающей средой позволяет сформулировать следующие принципы, которые должны учитываться при создании эффективных технических решений с учетом требований охраны окружающей среды:

1. Основным принципом должен быть принцип комплексности, состоящий в том, что создаваемое техническое решение должно быть социально оправдано, экологически безопасно и экономически рентабельно. Критерий экологической безопасности является более важным, чем критерий рентабельности.

2. Создание технических решений с непредсказуемыми нежелательными последствиями в их нормальном режиме функционирования, угрожающими или здоровью значительного числа людей, недопустимо.

3. Теоретическая или экспериментальная проверка технического решения до его использования проводится до тех пор, пока не будут выявлены все нежелательные экологические последствия его использования при существующей научной и измерительной базах.

4. Оценка нежелательных последствий изготовления и использования технических решений осуществляется не только для ныне живущих людей, но и для последующих поколений.

5. Принятие мер по экологической безопасности на более ранней стадии технологического процесса или для более раннего этапа жизненного цикла объекта техники более эффективно и рентабельно.

6. При оценке нежелательного действия вредных веществ, воздействий, излучений учитывается суммарное действие, т.к. некоторые нежелательные факторы взаимно усиливают действие друг друга. Оценка осуществляется с учетом предельных значений соответствующих параметров.

7. При оценке несовершенства технических решений учитываются не только недостатки, но и вероятные отрицательные эффекты, т.е. вероятные последствия последствий (в т.ч. последствия изготовления и функционирования технических решений). Особенно учитывается способность флоры, фауны и человека накапливать некоторые вредные вещества.

8. Оценка нежелательного действия техники и технологии осуществляется не относительно нулевого условного уровня вредных воздействий, а относительно реально существующего суммарного уровня в месте вероятного их использования.

9. Для технических решений с угрозой жизни и здоровью значительного числа людей в нештатных ситуациях реализуются меры по достижению 100% - ной гарантии практически безопасной работы.

Рис.8.8. Факторы, определяющие эффективность охраны окружающей среды при разработке технического решения 10. При разработке технических решений, в процессе функционирования которых возможны нештатные ситуации с угрозой здоровью и жизни значительного числа людей, осуществляются мероприятия и разрабатываются соответствующее число средств защиты в нештатных ситуациях.

11. Экологические параметры создаваемой техники и технологии должны оцениваться по концепции "сопоставительной оценки технических параметров", в том числе, сравнение по экологическим параметрам осуществляется: на этапе проектирования - с лучшим мировым образцом; при промышленном производстве - с заменяемым объектом.

Рассмотрим с этих позиций факторы, определяющие экологическую безопасность современных направлений ультразвуковых технологий, соотносимых с использованием ультразвуковых колебаний различной интенсивности.

Технологии, основанные на использовании УЗ колебаний низкой интенсивности. Под УЗ колебаниями низкой интенсивности понимаются такие УЗ колебания, которые не оказывают влияния на физико - химические свойства веществ и материалов, через которые они распространяются.

Технологии, основанные на использовании УЗ колебаний высокой интенсивности, обеспечивающих изменение свойств веществ и материалов, через которые эти колебания распространяются.

Первое направление развития УЗ технологий можно условно разделить на:

а) Пассивные технологии, основанные на регистрации УЗ колебаний, возникающих в различных технологических процессах. Эти технологии используются для контроля за состоянием веществ и материалов, для получения информации о протекании технологического процесса и т.п. Пассивные технологии связаны с необходимостью регистрации низкочастотных колебаний малой интенсивности, т.к. высокочастотные колебания характеризуются высоким затуханием и, как правило, не выходят за пределы анализируемых веществ и объектов.

По способу регистрации низкочастотных УЗ колебаний малой интенсивности, несущих информации о контролируемом объекте могут быть контактные способы регистрации ; бесконтактные способы, т.е. распространение УЗ колебаний от контролируемого объекта до приемника осуществляется воздушным путем.

Воздушный путь распространения низкочастотных УЗ колебаний малой интенсивности имеет большие преимущества (например, при контроле агрессивных или раскаленных тел), но более сложен в практической реализации. Это обусловлено огромными потерями энергии УЗ колебаний при переходе из твердого или жидкого тела в воздух.

б) Активные технологии, связанные с излучением в исследуемые материалы и вещества УЗ колебаний малой интенсивности и приема их после прохождения через среды или после отражения от границ раздела или внутренних дефектов и т.п. типичными примерами подобных технологий являются неразрушающий контроль качества материалов и изделий и медицинская эхотомоскопия (исследование внутренний органов человека).

Активные технологии также связаны с применением низкочастотных и высокочастотных колебаний. Причем, в этих технологиях, наибольшее распространение получили технологии, связанные с использованием высокочастотных колебаний для неразрушаюшего контроля и исследований структуры металлов. В этом случае используются только контактные способы регистрации.

Низкочастотные УЗ колебания применяются для контроля полимерных материалов и многослойных изделий. Передача в исследуемое тело и регистрация УЗ колебаний в этом случае может осуществляться бесконтактным путем.

При использовании контактного способа регистрации, УЗ колебания не попадают в окружающую среду и могут оказывать влияние на человека только через корпус излучателя или приемника, находящегося в руке человека. Интенсивности УЗ колебаний, достигающих организма человека, не превышают 0,1 вт/см2. Ультразвуковые колебания такой интенсивности носят ярко выраженный положительный терапевтический эффект (используются в медицине для проведения массажа).

При использовании бесконтактных способов регистрации интенсивности УЗ колебаний в 100....100000 раз меньше, чем при использовании контактных способов. Их влияние на окружающую среду и человека столь мало, что на практике даже не рассматривается.

Направление, связанное с применением УЗ колебаний высокой интенсивности также подразделяется на:

а) Низкочастотные технологии, связанные с использованием высокоинтенсивных низкочастотных колебаний из разрешенного диапазона (18, 22, 44, 66 кГц) и предназначенные для направленного изменения свойств жидких и твердых веществ, механической обработки различных материалов и т.п.

В случае реализации подобных технологий вредное воздействие на окружающую среду и человека может заключаться в следующем:

возможном недопустимом изменении свойств обрабатываемых и вновь получаемых веществ. Эта проблема решается в каждом отдельном случае путем проверки полученных материалов;

излучении высокого уровня шума от технологических ультразвуковых установок. Уровень шума на рабочих местах на частоте 22 кГц не должен 100 дБ согласно ГОСТ 12.1.001-83 и СН N 2283-80, Допустимый уровень ультразвука в зоне контакта рук и других частей тела не должен превышать 110 дБ. Эта проблема легко решается применением акустических экранов, корпусов и оптимальным креплением и размещением излучателей.

б) Высокочастотные технологии, связанные с использованием высокочастотных колебаний высокой интенсивности (разрешенные частоты для этого случая 880, 1760, 2600 кГц) и предназначенные для медицинского применения. Основные применения связаны с терапевтическим воздействием и высокоэффективным мелкодисперсным распылением лекарственных препаратов в ультразвуковых ингаляторах. Опасность для окружающей среды и лечащегося человека трудно представить.

Таким образом, в результате анализа литературных источников и опыта использования ультразвука в предполагаемых областях контакта с живым организмом, можно утверждать, что при обоснованном выборе диапазона технологических параметров, соотнесенных с оъектом приложения излучения, его вредное влияние отсутствует или является минимальным. Поэтому есть все основания утверждать, что ультразвук, как достижение научно-технического прогресса, может быть экологически безопасным, если при проектировании его практических приложений выполняются необходимые ограничения по мощности,интенсивности и защиты. Всему этому в полной мере соответствуют многофункциональные маломощные ультразвуковые генераторы, описанные в настоящей монографии, и технологические процессы на их основе.

Известный американский ученый и публицист Барри Коммонер сформулировал следующие принципы общения человека и природной среды:

1. Все связано со всем;

2. Все должно куда-то деваться;

3. Природа знает лучше;

4. Ничто не дается даром.

Первый принцип обращает внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе и близок к закону внутреннего динамического равновесия: изменение одного из показателей системы вызывает функционально-структурное изменение количественные и качественные перемены, при этом сама система сохраняет общую сумму вешественно - энергетических качеств.

Второй принцип также близок к выше рассмотренному и к закону развития природной системы за счет окружающей ее природной среды, который формируется так "любая природная система может развиваться только за счет использования материально - энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды".

Исходя из этого закона абсолютно изолированное саморазвитие природных и технических систем невозможно. Из закона развития природной системы за счет окружающей ее природной среды и второго принципа Коммонера в экологии выведено имеющее важное теоретическое и практическое значение следствие "абсолютно безотходное производство не возможно (оно равнозначно созданию "вечного двигателя".

Третий принцип говорит о том, что пока нет абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы, подобно человеку незнакомому с устройством часов, но желающему починить их, легко вредим природным системам, пытаясь и их улучшить. Он призывает к предельной осторожности. Природа пока "знает" лучше нас.

Четвертый принцип вновь касается тех проблем, которые обобщает закон внутреннего динамического равновесия и закон развития природной системы за счет окружающей ее природной среды. Коммонер так разъясняет свой четвертый принцип:"...глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения: все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать: он может быть только отсрочен"[75].

Подведем итоги.

Ультразвук и ультразвуковые технологии с точки зрения охраны окружающей среды и рационального природопользования, в соответствии с вышеназванными теоретическими и эмпирическими законами, правилами, требованиями, а также с нормативными актами России при определенных обстоятельствах и в различных сферах использования могут рассматриваться, во-первых, как составляющая потоков информации в естественных природных системах. Во-вторых, как потенциальная опасность, связанная с возможностью разрушающих воздействий на живые организмы. В-третьих, ультразвук - может быть нейтральным к природным составляющим экосистем.

Степень "опасности" ультразвука определяется техническим приложением или качеством проектирования технологического процесса его использования.