Характеристики обеззараживания воды импульсным диафрагменным электрическим разрядом

В статье впервые представлены характеристики образования ионов меди и серебра от рабочих условий технологии обеззараживания воды импульсным диафрагменным электрическим разрядом. Описаны зависимости генерации ионов меди и серебра от максимального мгновенного импульсного напряжения, определено наиболее эффективное по производительности бактерицидных агентов рабочее напряжение импульсного источника питания, дано объяснение негативного фактора чрезмерного увеличения энерговклада в разряд. Описаны характеристики выхода ионов антимикробных металлов от проводимости обрабатываемой воды, представлены математические зависимости образования ионов, даны объяснения полученным результатам.

Ключевые слова: импульсный диафрагменный электрический разряд, ионы меди, ионы серебра, зависимость выхода ионов меди и серебра от напряжения и проводимости.

Согласно государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Российской Федерации» 2019 г., количество подземных, поверхностных  источников централизованного, а также источников нецентрализованного водоснабжения в России, не соответствующих гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, составляют 3,8%, 16,5% и 25,3% соответственно и в сравнении с 2018 годом эти показатели растут. В связи с приведенными статистическими данными актуальным становиться развитие обеззараживающих технологий, удовлетворяющих современным санитарным требованиям, с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами. Одной из таких технологий является система обеззараживания воды, основанная на диафрагменном электрическом разряде (ДЭР). Антимикробными факторами установки являются бактерицидные агенты перекиси водорода H₂O₂ [1], ионов меди Cu²⁺ и серебра Ag⁺, атомарного кислорода О, озона O₃ и гидроксид-ионов OH^- [2,3]. Продолжительной во времени антимикробной способностью обладают только ионы меди и серебра, которые являются одними из основных компонентов свойства последействия обработанной воды, т.е. устойчивости воды к бактериям после процесса обеззараживания.

С древних времен металлы использовались для микробиологической дезинфекции воды. Вода, отстоявшая небольшой промежуток времени в сосуде, сделанного из серебра или меди, не только обеззараживалась, но и становилась бактерицидной. В Древнем Риме для остановки развитий эпидемий применялись в качестве водопровода трубы из меди. В Средневековье на Руси и в Западной Европе было принято класть серебряную монету в сосуд хранения воды и в колодец.  Впервые в научном мире антимикробные действия серебра и меди описал швейцарский ботаник Карл Негель. Он исследовал отмирание микроорганизмов в воде при миллионных долях концентраций ионов металлов. Проникая в клетки бактерий, ионы серебра и меди блокируют их жизнедеятельность, что приводит к гибели микроорганизмов [4,5,6]. В 2012 году ученые из Хьюстона (США) доказали, что основой обеззараживания являются ионы металлов, а не их наночастицы [7]. Также известно, что совместное присутствие ионов серебра и меди усиливает антимикробный эффект, в отличие от раздельного воздействия [5,8].

Поэтому важной задачей совершенствования способа обеззараживания воды ДЭР является исследование и установление факторов образования дезинфицирующих ионов меди Cu²⁺ и серебра Ag⁺. Ранее, А.С. Юдин (Россия) выявил характер образования ионов меди во время обработки воды ДЭР от изменения водородного показателя жидкостей, диаметра отверстий диафрагменной мембраны, химического состава воды и скорости движения растворов через диафрагменную мембрану [2].

В Забайкальском государственном университете на основании лабораторных исследований были установлены зависимости образования концентраций Cu²⁺ и Ag⁺ от приложенного напряжения и проводимости водных растворов. Исследования проводились с использованием реактора, конструкция которого приведена в [9], а его электроды подключались к импульсному источнику питания (ИИП). Характеристика импульсов ИИП: длительность 8,5 мкс, фронт нарастания и длительность среза 0,4 мкс, скважность 1,05 о.е. (рис. 1).

Рисунок 1. Осциллограмма напряжения ИИП

На каждую исследованную контрольную точку было затрачено по 50 Вт^.ч электрической энергии (фиксировалась по счетчику ЦЭ 6807П, с классом точности 1,0). В качестве проводящей жидкости был использован модельный раствор из дистиллированной воды и хлорида натрия (NaCl) проводимостью 0,45 мСм/см. Определение концентрации ионов меди проводилось по методике ПНД Ф 14.1:2:4.257-2010 [10], а ионов серебра - атомно-абсорбционной спектрофотометрией. Формы зависимостей выхода Cu²⁺ и Ag⁺ от величины мгновенного импульсного напряжения изображены  на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимости выхода ионов меди (а) и ионов серебра (б) от мгновенного импульсного напряжения

Процесс образования ионов металлов в реакторе ДЭР отличен от процесса электролиза. Кривые прямолинейно нарастают от значения 1,7 кВ до 2,3 кВ, а при значениях менее 1,7 кВ разряд практически отсутствовал. При превышении напряжений выше 2,3 кВ генерация ионов уменьшается, что связано с увеличением тепловых потерь на обработку жидкости. Приведенные зависимости показывают, что увеличение напряжения и энерговклада в разряд имеет положительный эффект до определенного значения напряжения, после которого, увеличения напряжения и энерговклада имеет отрицательный результат. Аналогичную закономерность обнаружил Я.И. Корнев, исследуя барьерной разряд для обеззараживания и очистки воды [11]. Кривые образования ионов меди и серебра имеют разные углы наклона, что свидетельствует о разных характерах выхода ионов при одинаковых условиях. При всех значениях напряжений генерация Cu²⁺ интенсивней Ag⁺ (в среднем  на 40-50 мкг/л из-за меньшей окисляемости серебряных электродов в сравнении с медными).

Вода из различных источников имеет разный химический состав и, следовательно, - проводимость. Поэтому, была поставлена задача выявления изменения проводимости воды на количественный выход бактерицидных агентов. Для определения концентрации ионов меди использовалась дистиллированная вода с исходной концентрацией Cu²⁺ 24 мкг/л. Жидкость разделялась на две равные части, а во вторую часть для доведения проводимости до значения 2 мСм/см добавлялся хлорид натрия. Установление требуемой проводимости модельного раствора происходило путем смешивания в определенной пропорции вод из двух заготовленных емкостей. Проведенное мероприятие было необходимо для равномерного растворения в воде меди, содержащейся в соли, поскольку распределение Cu²⁺ в кристаллах NaCl неравномерно. На основании анализа проводимости питьевых и сточных вод был выбран диапазон исследования проводимости – от 0,17 до 1,2 мСм/см. При значениях менее 0,17 мСм/см  происходило нестабильное образование ионов меди, а при значениях более 1,2 мСм/см происходили короткие замыкания в реакторе.

Зависимости образования ионов меди и серебра от проводимости раствора изображены на рис. 3.

Рисунок 3. Зависимости образования ионов меди (а) и серебра (б) от проводимости водного раствора

Прямая 1 иллюстрирует содержание Cu²⁺ в дистиллированной воде, а возрастающая прямая 2 показывает концентрацию меди в модельном растворе (с NaCl) при различных проводимостях. Кривая 3 является результатом обработки раствора в реакторе, а кривая 4 - разность между зависимостями 3 и 2. Зависимость 4 отображает итоговый выход ионов меди в функции от проводимости обрабатываемого раствора и имеет убывающий характер на всем диапазоне исследования, что связано с увеличение тепловых потерь с уменьшением сопротивления исследуемой жидкости. При проводимостях от 0,17 до 1,2 мСм/см  кривую можно описать полиномиальным уравнением с величиной достоверной аппроксимации R²=0,98: