Введение к работе
Актуальность проблемы
По данным Всемирной организации здравоохранения, до 80 % всех заболеваний жителей планеты в той или иной мере связано с потреблением некачественной питьевой воды. На сегодня, улучшение потребительских качеств питьевой воды основывается на технологических приёмах, обеспечивающих снижение в водной среде концентрации растворённых солей и органических веществ, её обеззараживании и дополнительной минерализации. Параллельно развивается рынок предложений по дополнительной обработке питьевой воды c использованием технологий, целевой задачей которых является повышение её биологической активности. Одним из таких методов является термическое воздействие на водную среду - «талая» вода. Под термином «талая» вода понимается среда, последовательно претерпевшая фазовые превращения жидкость – твёрдое тело – жидкость (перекристаллизацию). Введению «талой» воды в номенклатуру питьевых вод массового использования с заявленными потребительскими свойствами препятствует ряд объективных обстоятельств. Это, прежде всего, отсутствие единства взглядов специалистов на физическую природу факторов (совокупности факторов), обуславливающих повышение её потребительской ценности и, как следствие, - неопределённость в регламентации соответствующих показателей качества готовой продукции. Современные трактовки объяснения проявления интегральной биологической активности водных сред, в частности, базирующиеся на представлениях теории «электрон – протонного» переноса применительно к «талой» воде, не апробированы. Остаётся не изученным вопрос влияния кинетики кристаллизации жидкости на масштаб и закономерность изменения совокупности вышеперечисленных параметров. Хотя очевидно, что в основе наблюдаемых явлений, скорее всего, лежат особенности тепломассообменных процессов на границе раздела фаз: лёд – жидкость. Не затронутой вниманием специалистов остаётся низкотемпературная (криогенная) область реализации процесса. В этом случае жидкость пограничного слоя подвергается интенсивному внешнему воздействию полизвуковых (ультразвуковых) и переменных электромагнитных полей, сопровождающих образование и рост массы льда. Подобные воздействия способны провоцировать образование в пограничном слое дополнительных соединений – активных форм кислорода, обычно фиксируемых в виде их наиболее стабильной формы – пероксида водорода (Н2О2) и их последующее перераспределение между фазами. В выполненных на сегодня исследованиях не нашли должного отражения вопросы оптимизации технологии производства «талой» воды как с точки зрения достижения значений максимальной потребительской ценности конечной продукции, так и минимизации энергетических затрат на её производство. С учетом последнего, крайне перспективной выглядит возможность использования для осуществления перекристаллизации энергосберегающих технологий, базирующихся на утилизации холода редуцирования сжатого газа магистральных газопроводов (патент РФ № 2309322) и холода регазификации сжиженного природного газа (патент РФ № 2315902) .
Цель настоящей работы – изучение влияния кинетики кристаллизации водной среды на тепломассообменные процессы на границе раздела фаз лёд – раствор и изменение потребительских качеств «талой» воды в обеспечение разработки научно обоснованной методики расчёта энергосберегающих криогенно – газовых установок производства высококачественной питьевой воды методом низкотемпературной перекристаллизации
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. В интервале температур от минус 2 до минус 150 0С изучить влияния кинетики кристаллизации водной среды на изменение физико-химических показателей «талой» воды, связываемых с проявлениями биологической активности: содержание поллютантов: органических (фенол, толуол, эозин), неорганических (Fe, Mn, Cu, Ni, V, Au, In) веществ и изотопных соединений (D2О); уровень газонасыщения (О2); концентрация активных форм кислорода (Н2О2); кислотно-основной баланс (рН).
2. Выполнить сравнительный анализ каталитической активности образцов «талой» воды, полученной изо льда различной кинетики формирования, в рамках представлений «электрон – протонной» теории переноса.
3. Обосновать, исходя из данных по изменению физико-химических параметров, оптимальные кинетические режимы производства льда для получения потенциально биологически активной «талой» воды.
4. Подтвердить оправданность выбора соответствующих кинетических параметров кристаллизации путём комплексного биотестирования проб «талой» воды с привлечением в качестве тест-систем одноклеточных, многоклеточных и высших организмов.
5. Разработать методику, провести расчёт и проектную разработку опытно – промышленного образца установки производства «талой» (активированной) воды, базирующейся на энергосберегающей технологии утилизации холода редуцирования давления сжатого природного газа.
Научная новизна
Экспериментально доказано, что в качестве критерия для оценки влияния кинетики кристаллизации водной среды на изменение широкого спектра физико-химических характеристик «талой» воды может быть использована величина линейной скорости движения границы раздела фаз: лёд – жидкость.
Установлено, что максимальный уровень биологической активности «талой» воды проявляется при её получении изо льда, формирующегося при скоростях намораживания, отвечающих криогенной области температур. Показано, что для данных условий значимыми изменениями в «талой» воде являются: смещение кислотно-основного баланса в зону повышенной щёлочности и рост содержания пероксида водорода в жидкости.
Практическая значимость работы
Результаты исследования использованы при расчёте и разработке проектно - конструкторской документации на головной образец опытно-промышленной установки массового производства биологически активной «талой» воды на типовой газораспределительной станции (ГРС) магистрального газопровода (ГРС «Московская Славянка» ООО «Газпром трансгаз Санкт – Петербург» ОАО «Газпром»).
На основе полученных экспериментальных данных подготовлены и введены в действие специализированные технические условия ТУ 0131- 001 - 35482840-10 «Вода питьевая бутилированная «Аква форте».
«Талая» вода по ТУ 0131 - 001- 35482840-10 рекомендована к использованию в качестве фонового питьевого режима в лечебно – оздоровительных практиках (болезньмодифицирующая терапия больных ревматоидным артритом).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В зависимости от технологии производства, определяемой кинетикой формирования льда, конечная продукция - «талая» вода может катализировать или, наоборот, подавлять активность внутриклеточных процессов в живых организмах.
2. Область криогенных температур является оптимальной для получения «талой» воды с наиболее благоприятными потребительскими свойствами.
3. Факторами, определяющими биологическую ценность «талой» воды, являются повышенная щёлочность и содержание в жидкости микродоз пероксида водорода.
4. Методика расчёта энергосберегающих установок производства «талой» воды на объектах криогенно – газовой отрасли.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях: III Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке» (Санкт-Петербург, 2007); 35-ая научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава докторантов, аспирантов и сотрудников университета (Санкт-Петербург, 2008); 36-ая научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава докторантов, аспирантов и сотрудников университета (Санкт-Петербург, 2009); IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009); 37-ая научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава докторантов, аспирантов и сотрудников университета (Санкт-Петербург, 2010); Международный конгресс «Ервомед-2010» (Ганновер, 2010); Международная научная конференция «Холодильная и криогенная техника, промышленные газы, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (Москва, 2010); I Международная научно-практическая конференция «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2010); 38-ая научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава докторантов, аспирантов и сотрудников университета (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, заключения, основных результатов и выводов, библиографического списка 149 источников, из них 129 на русском и 20 на иностранных языках и приложения.
Работа содержит 21 таблицу, 21 рисунок.
