二周波超音波。水処理・消毒への長所と短所

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Water Res.2020 Sep;182:116016. S0043-1354(20)30553-4. doi: 10.1016/j.watres.2020.116016.Epub 2020-06-08.

二周波超音波。水処理・消毒への長所と短所

Dual-frequency ultrasound: Strengths and shortcomings to water treatment and disinfection.

Galina Matafonova
Valeriy Batoev

PMID: 32619682 DOI: 10.1016/j.watres.2020.116016.

抄録

2000年代初頭から、二周波超音波（DFUS）は水中の有機汚染物質や病原性微生物を相乗的に除去する効果があるとして注目されている。本レビューでは、水性媒体をDFUSに曝露した場合の相乗効果のメカニズムを明らかにするために、最近の音響物理学の発展を調査した。簡単に説明すると、DFUS曝露時のマイクロバブルの非線形ダイナミクスは、高調波,サブハーモニクス,超高調波,複合周波数などの付加的な周波数を生成する。これらは、気泡が崩壊する確率を高め、それによってキャビテーションを促進し、高度な酸化プロセス（AOPs）のためのより多くの活性酸素種（ROS）を発生させる。さらに、DFUS単独およびDFUSベースのAOP（酸化剤または触媒を含む）による水性媒体中での活性酸素の発生、化学的分解および微生物の不活性化に関する文献データが議論されている。この点では、最適な周波数の組み合わせ,ソノリアクターのタイプ及びトランスデューサーの配置が高い相乗効果を達成するための重要なパラメータであるように思われる。水処理や消毒に対するDFUSの長所と短所が明らかになり、今後の研究の方向性が提案された。ほとんどの研究は純粋な（マトリックスを含まない）水溶液で行われたが、これらのAOPは実際の水処理にも適用できる可能性がある。

Since the early 2000s, dual-frequency ultrasound (DFUS) has received much attention for synergistically enhanced elimination of organic pollutants and pathogenic microorganisms from water. In the present review, we have surveyed recent developments in acoustic physics to elucidate the mechanism of synergistic effect under exposure of aqueous media to DFUS. Briefly, the nonlinear dynamics of microbubbles upon DFUS exposure produces additional frequencies, such as harmonics, subharmonics, ultraharmonics and combination frequencies. These increase the probability of bubbles collapse, thereby enhancing cavitation and generating more reactive oxygen species (ROS) for advanced oxidation processes (AOPs). Further, literature data on ROS generation, chemical degradation and microbial inactivation in aqueous media through DFUS alone and DFUS-based AOPs (involving oxidants or catalysts) have been discussed. In this regard, optimal frequency combination, sonoreactor type and transducer arrangement appear to be key parameters for achieving a high synergistic effect. Strengths and shortcomings of DFUS to water treatment and disinfection have been identified and future research directions have been proposed. Though most studies were conducted on pure (matrix-free) aqueous solutions, these AOPs could be applicable for treating real waters.