Статья:

Характеристики обеззараживания воды импульсным диафрагменным электрическим разрядом

Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №17(153)

Рубрика: Технические науки

Выходные данные
Характеристики обеззараживания воды импульсным диафрагменным электрическим разрядом // Студенческий форум: электрон. научн. журн. Елин К.А. [и др.]. 2021. № 17(153). URL: https://nauchforum.ru/journal/stud/155/91830 (дата обращения: 30.11.2022).
Журнал опубликован
Мне нравится
на печатьскачать .pdfподелиться

Характеристики обеззараживания воды импульсным диафрагменным электрическим разрядом

Елин Кирилл Александрович
магистрант, ФГБОУ ВО Забайкальский государственный университет, РФ, г. Чита
Гуляев Роман Владимирович
магистрант, ФГБОУ ВО Забайкальский государственный университет, РФ, г. Чита
Какауров Сергей Владимирович
канд. техн. наук, доцент кафедры Энергетики, ФГБОУ ВО Забайкальский государственный университет, РФ, г. Чита
Суворов Иван Флегонтович
д-р. техн. наук, профессор кафедры Энергетики, ФГБОУ ВО Забайкальский государственный университет, РФ, г. Чита
Иванов Андрей Андреевич
аспирант кафедры Энергетики, ФГБОУ ВО Забайкальский государственный университет, РФ, г. Чита

 

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:

 Cu2+[0,17;1,2]= 41,1.G2 - 110,7.G + 90,66;                                                                                     (1)

где Cu2+  - концентрация ионов меди, мкг/л;

G - проводимость обрабатываемого раствора, мСм/см.

Генерация ионов серебра в реакторе ДЭР  имеет схожий характер с генерацией ионов меди (см. рис. 3), обе кривые вогнуто убывают. Так же, как и в зависимостях образования ионов от напряжения, при всех значениях проводимости образование Cu2+ выше Ag+ в среднем  на 10-15 мкг/л при одинаковых условиях эксперимента из-за большей окисляемости медных электродов в сравнении с серебряными. Кривую выхода Ag+ также можно описать полиномиальным уравнением с величиной достоверной аппроксимации R2=0,98:

Ag+[0,17;1,2]=45,3.G2 - 114,9.G + 77,56;                                                                                      (2)

где Ag+  - концентрация ионов серебра, мкг/л;

G - проводимость обрабатываемого раствора, мСм/см.

Проводимость питьевой воды из различных источников имеет значения близкие к 0,45 мСм/см, а проводимость сточных вод, как правило, выше этих значений и колеблется в пределах 0,45 до 0,8 мСм/см [2,3]. На основании полученных характеристик генерации ионов меди и серебра от проводимости воды и величины импульсного напряжения можно проводить мероприятия по регулированию параметров рабочих режимов технологии ДЭР для повышения эффективности обеззараживания.

Выводы

  1. Генерация ионов меди и серебра при обработке воды ДЭР не укладывается в законы классической электрохимии.
  2. Образование  Cu2+ и Ag+ от импульсного напряжения имеет линейный нарастающий характер при значениях от 1,7 до 2,3 кВ и диаметрах отверстий диафрагменной мембраны 1,2 мм, при одинаковом энергопотреблении на каждую исследованную точку, и линейный убывающий характер при значениях от 2,3 до 2,5 кВ.
  3. Повышение энерговклада в разряд имеет положительный эффект до определенного значения, после которого повышение энерговклада становиться не эффективным.
  4. Полученные зависимости образования ионов меди и серебра от проводимости воды имеют убывающий характер на всем интервале исследования – от 0,17 до 1,2 мСм/см. Они позволят создать автоматизированную систему управления эффективностью обеззараживания питьевых и сточный вод.

 

Список литературы:
1. Стройкова И.К. Обеззараживание растворов тлеющим и диафрагменным разрядами атмосферного давления / И.К. Стройкова, А.И. Максимов // Электронная обработка материалов. 2002. № 6. С. 43–49.
2. Юдин А.С. Разработка реактора и системы автоматического управления процессом обеззараживания сточных вод диафрагменным электрическим разрядом: дис. канд. техн. наук. Иркут. гос. техн. ун-т, Иркутск, 2010. 121 с.
3. Лапшакова К.А. Обеззараживание бытовых сточных вод малых населенных пунктов диафрагменным электрическим разрядом: дис. канд. техн. наук. Иркут. гос. техн. ун-т, Иркутск, 2009. 115 с.
4. Противомикробная медь. Часто задаваемые вопросы:  http://ru.scribd.com/doc/32255374.
5. Гончарук Е.И. Коммунальная гигиена / Е.И. Гончарук, В.Г Бардов, С.И Гаркавий, А.П Яворовский //  Под ред. Е.И. Гончарука. Киев, 2006. 792 с.
6. Кульский Л.А. Серебряная вода. Наукова Думка. Киев, 1968. 104 с.
7. Zong-ming Xiu. Negligible Particle-Specific Antibacterial Activity of Silver Nanoparticles / Zong-ming Xiu, Qing-bo Zhang,  Hema L. Puppala, Vicki L. Colvin //  Journal Nano letters, 2012.  4271-4275 p.
8. Комбинированный способ обеззараживания воды: пат. 2288191 Рос. Федерация / В.В. Гутенев, В.А. Грачев, В.И. Теличенко, А.И. Ажгиревич, И.А. Денисова. -№ 2005118033/15. заявл. 14.06.2005, опубл. 27.11.2006.
9. Какауров С.В. Обеззараживание воды диафрагменным электрическим разрядом / С.В. Какауров, А.С. Юдин, И.Ф. Суворов // Материалы  XVII-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ,  Т.1, 2011. – Томск. - С. 63-64.
10. ПНД Ф 14.1:2:4.257-2010. Методика измерения массовой концентрации меди в пробах природных, питьевых и сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02».
11. Корнев Я.И. Обработка воды импульсными разрядами в водо - воздушном потоке: дис. канд. техн. наук. Томск.  полит. ун-т, Томск, 2005. 162 с.