Левитирующие водяные капли и звуковые волны улучшат определение уровня загрязнения воды

3 мая 2018



В новом исследовании ученые продемонстрировали, как использование звуковых волн для левитации капель в воздухе может облегчить обнаружение в воде вредных примесей тяжелых металлов, таких как свинец и ртуть. Этот подход приводит к испарению воды, что концентрирует образец для спектроскопического обнаружения вредных примесей.

Исследователи используют звуковые волны для левитации капель воды. Этот метод позволяет выпаривать воду, с последующим проведением лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии, определяющей уровень вредных загрязнений воды тяжелыми металлами, такими как свинец и ртуть.

Обнаружение небольших количеств тяжелых металлов в воде важно, поскольку эти загрязнители вредны для здоровья человека и окружающей среды. Новая методика может в конечном итоге привести к созданию инструментов, которые помогут мониторировать уровень загрязняющих веществ в режиме «здесь и сейчас», что может помочь предотвратить будущие проблемы загрязнения свинцом, такие как водный кризис во Флинте, начавшийся в 2014 году и продолжавшийся до 2017. Кроме того, метод поможет обнаружить загрязнение сточных вод промышленных объектов.

«Имеется большое разнообразие датчиков воды, способных постоянно мониторировать уровень некоторых тяжелых металлов, растворенных в воде, но для такого исследования нужны пробоотборники и отправка образцов в лабораторию для специализированного анализа», — сказал руководитель исследовательской группы Виктор Контрерас из института de Ciencias Físicas UNAM, Мексика. «Наша новая методика — это шаг к разработке более простого подхода к анализу, который можно будет проводить на месте и в режиме реального времени. Этот тип анализа воды может быть использован сельскохозяйственными, фармацевтическими, водоочистительными и другими отраслями для мониторинга воды на предмет ее загрязнения».

В журнале Optics Letters американского общества оптиков исследователи подробно описывают свой новый подход, в котором для анализа на наличие тяжелых металлов присутствующих в левитирующих каплях воды используется чувствительный метод, известный как лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС). Левитация капель позволяет воде испаряться в контролируемом положении, что увеличивает массовую концентрацию загрязняющих веществ в образце и облегчает проведение анализа ЛИЭС. Исследователи показали, что их новая методика может надежно обнаруживать даже низкие уровни тяжелых металлов, таких как барий, кадмий и ртуть, причем на анализ уходит всего несколько минут.

Исследователи остановили свой выбор на ЛИЭС, потому что метод способен быстро идентифицировать несколько элементов одновременно. ЛИЭС работает путем фокусировки лазерного импульса высокой энергии на образец, который испаряет материал и генерирует плазму лазерного пробоя. Поскольку свет, излучаемый плазмой, содержит атомные отпечатки материала, можно идентифицировать химические компоненты образца путем анализа испускаемого света.
Достаточно просто использовать ЛИЭС-анализ на твердых образцах. Фактически для этого типа анализа доступно несколько имеющихся в продаже карманных устройств. Однако достаточно трудно применять этот метод для проведения непосредственного анализа жидкостей, поскольку плазма, образующаяся в жидкостях, быстрее остывает и доступна для анализа очень короткое время. Кроме того, при производстве плазмы на поверхности жидкости возникают брызги воды, которые искажают чтение спектрограммы.

Что же касается образцов жидкости, создание плазмы, которая обеспечивает хороший сигнал для химического обнаружения, требует в данном случае высоких уровней лазерной энергии, которые могут быть обеспечены только громоздкими, стационарными лазерами. Чтобы обойти эту проблему, жидкие образцы обычно анализируют, помещая каплю на субстрат и ждут ее высыхания, чтобы повысить концентрацию интересующих элементов в образце. Хотя осаждение образца на подложку технически достаточно легко провести, в результате него лазерный импульс возбуждает атомы не только из элементов в образце, но и из подложки. Кроме того, испарение воды может привести к неоднородному распределению примесей на подложке, что снижает вопроизводимость сигнала.
Вместо того чтобы осаждать капли на подложку, исследователи использовали интенсивные звуковые волны для левитации одиночных капелек воды. Звуковые волны создают силу, достаточную, чтобы противодействовать гравитации, позволяя капле свободно парить в воздухе.

«Акустическая левитация — это простой и недорогой метод предварительного концентрирования интересующих элементов, позволяющий избегать загрязнения поверхности подложки», — сказал Контрерас. «Более того, он не требует от образца, чтобы тот имел электрический или магнитный отклик, как это необходимо для некоторых других методов, используемых для достижения левитации».

В данной работе исследователи показали, что использование акустических волн для левитации одной капли воды позволило им обнаружить очень низкие концентрации тяжелых металлов. Например, они обнаружили 0,7 миллиграмма на литр кадмия и 0,2 миллиграмма на литр бария. Они также показали, что методика, используемая для акустической левитации, достаточно стабильна для воспроизводимого анализа ЛИЭС.

«Эта технология обладает высоким потенциалом для быстрого обнаружения тяжелых металлов и других элементов в воде экономичным и не затратным по времени способом», — сказал Контрерас. «Онлайн-анализатор, основанный на нашей технологии, сможет однажды помочь предотвратить экологическую катастрофу и внести свой вклад в улучшение контроля качества воды».

Сейчас исследователи совершенствуют изобретенный ими инструмент. Например, они хотят оптимизировать механическую конструкцию акустической ловушки для достижения более стабильных условий левитации, что улучшит воспроизводимость показаний ЛИЭС. Они также хотят повысить чувствительность, стабилизируя левитацию меньших капель, что даст возможность дополнительной концентрации загрязняющих веществ. Это ключевой шаг в направлении миниатюризации устройства, поскольку он позволит использовать чуть менее чувствительные, но зато более компактные детекторы.