Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса обеззараживания сточных вод 11
1.1 Обзор существующих способов обеззараживания 11
1.1.1 Химические способы 14
1.1.2 Физические способы 19
1.1.3 Обеззараживание ионами благородных металлов 21
1.2 Перспективы использования электроразрядных способов обеззараживания 26
1.3 Обзор методов интенсификации существующих электроразрядных способов обработки воды 35
1.4 Выводы и задачи исследования 38
2 Программа и методика проведения иследований 41
2.1 Лабораторная установка для обработки воды ДЭР 42
2.2 Промышленная установка для обработки воды ДЭР 43
2.3 Объекты исследований 44
2.4 Методики проведения лабораторных исследований 46
3 Результаты лабораторных исследований по обеззараживнию сточных вод 52
3.1 Образование перекиси водорода при обработке воды диафрагменным электрическим разрядом 52
3.2 Влияние химического состава обрабатываемой ДЭР воды на выход перекиси водорода и ионов меди 54
3.3 Влияние диаметра отверстий диафрагмы на выход перекиси водорода и ионов меди 56
3.4 Определение оптимальной зоны изменения напряжения на электродах и скорости движения жидкости через диафрагму 58
3.5 Сравнительные данные выхода ионов меди и перекиси водорода в дистиллированной воде и воде питьевого качества 62
3.6 Бактерицидные свойства обработанного диафрагменным электрическим разрядом раствора 63
3.6.1 Бактерицидные свойства раствора перекиси водорода в отсутствии ионов меди 63
3.6.2 Бактерицидные свойства раствора перекиси водорода в присутствии ионов меди 64
3.7 Сравнение бактерицидных свойств обработанной диафрагменным электрическим разрядом водопроводной воды и модельных растворов 67
3.8 Зависимость разности электропроводности воды до и после обработки ДЭР от концентрации ионов меди 69
3.9 Выводы 70
4 Результаты промышленных испытаний и оценка технико-экономических показателей 72
4.1 Внедрение результатов проведенных исследований 72
4.2 Описание установки обеззараживания 74
4.3 Описание системы автоматического контроля 75
4.4 Сходимость результатов лабораторных и натурных исследований 79
4.5 Сравнительный химический анализ воды до и после обработки ДЭР...81
4.6 Результаты работы установки обеззараживания 82
4.7 Технико-экономическая оценка 84
4.7.1 Расчет стоимости установки ДЭР 84
4.7.2 Технико-экономическое сравнение традиционных методов обеззараживания сточных вод и технологии на основе ДЭР 86
4.8 Выводы 94
Заключение 95
Литература 98
Приложения 112
- Обеззараживание ионами благородных металлов
- Промышленная установка для обработки воды ДЭР
- Влияние диаметра отверстий диафрагмы на выход перекиси водорода и ионов меди
- Сравнение бактерицидных свойств обработанной диафрагменным электрическим разрядом водопроводной воды и модельных растворов
Введение к работе
Актуальность темы. С быстрым развитием современного общества постоянно возрастают потребности в воде во всех секторах хозяйствования. В связи с этим все большее значение приобретают вопросы комплексного и рационального использования водных ресурсов, усиления борьбы с загрязнением источников водоснабжения, а также повышения эффективности и качества очистки и обеззараживания сточных вод путем разработки и совершенствования передовых технологий.
Среди известных методов обеззараживания воды наибольшее распространение, несоизмеримое по масштабам с другими методами, получило хлорирование с использованием в основном жидкого хлора, а также хлорной извести и гипохлорита кальция. Однако хлорирование воды не обеспечивает уничтожения спорообразующих микроорганизмов и большинства вирусов. Кроме того, давно установлено, что хлорирование воды приводит к образованию в ней многих побочных хлорсодержащих веществ, обладающих высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью.
Альтернативой хлорированию в настоящее время выступают методы УФ-облучения и озонирования, которые также имеют ряд недостатков. Ввиду сложности технологии и больших затрат электроэнергии озонирование применяется в основном на небольших объемах воды. Чувствительность УФ-излучения к мутности обеззараживаемой воды и отсутствие эффекта последействия не позволяют использовать данную технологию как самостоятельную.
На протяжении последних 40 лет в России и за рубежом ведутся разработки электроимпульсных методов обеззараживания жидкостей, основанных на осуществлении в них высоковольтных разрядов, как наиболее перспективных с точки зрения непосредственного введения в обрабатываемую воду окислительных реагентов. Разновидностью импульсного разряда в жидкости является диафрагменный электрический разряд (ДЭР), в канале которого возникают эффекты кавитации, образуются активные радикалы, перекись водорода, озон, УФ-излучение, а также происходит диффузия ионов металла с поверхности электродов.
Комплексное воздействие перечисленных компонентов в настоящее время объединено термином «процессы глубокого окисления» (Advanced Oxidation Processes), что означает способность за счет синергизма отдельных компонентов очищать воду от различных примесей, в том числе и микроорганизмов, до очень низких концентраций.
Обработанная электрическим разрядом вода становится своего рода бактерицидным агентом, при добавлении которого в определенной пропорции в контаминированную микроорганизмами воду можно достичь ее полного обеззараживания.
Последние исследования процессов инактивации микроорганизмов диа-фрагменным электрическим разрядом показали его высокую эффективность. Существуют различные схемы обработки воды ДЭР. В одних обрабатывается весь поток жидкости, в других производится его разделение и обработка меньшего потока с последующим смешиванием. Тем не менее внедрение электро-
импульсных технологий обеззараживания жидкости сдерживается недостаточной изученностью процесса образования активных компонентов в канале разряда, а также факторов, влияющих на данный процесс. Вследствие этого отсутствует возможность оперативного контроля процесса обеззараживания воды при помощи ДЭР, что в свою очередь не позволяет осуществлять его с максимальной эффективностью. На основании вышеизложенного изучение процесса обработки жидкостей ДЭР с точки зрения его интенсификации является актуальной задачей.
Объект исследования. Процесс получения дезинфицирующего агента путем обработки воды диафрагменным электрическим разрядом.
Предмет исследования. Факторы, влияющие на эффективность процесса получения дезинфицирующего агента при обработке воды диафрагменным электрическим разрядом.
Цель исследования. Повышение эффективности обеззараживания сточных вод за счет получения дезинфицирующего агента с максимальным содержанием продуктов разряда (ионов меди и перекиси водорода) путем автоматического контроля и поддержания в заданных оптимальных пределах параметров диафрагменного электрического разряда.
Идея исследования заключается в установлении оптимальных режимов работы реактора ДЭР, при которых обеспечивается максимальный выход перекиси водорода и ионов меди, что позволяет обеззараживать сточные воды с максимальной эффективностью.
Для достижения вышеуказанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Провести литературный обзор современного состояния проблемы обеззараживания жидкости традиционными и альтернативными методами.
Установить факторы, влияющие на процесс получения дезинфицирующего агента диафрагменным электрическим разрядом, и определить наиболее значимые из них.
Определить оптимальные условия получения дезинфицирующего агента с максимальной эффективностью - минимальным электропотреблением и максимальным выходом продуктов разряда.
На основе полученных зависимостей и оптимальной зоны изменения технологических параметров диафрагменного электрического разряда разработать методику расчета диафрагмы реактора ДЭР.
Разработать алгоритм и систему автоматического контроля и поддержания оптимальных параметров процесса обеззараживания сточных вод диафрагменным электрическим разрядом.
Провести производственные испытания разработанного реактора и предлагаемой системы автоматического контроля и управления процессом обеззараживания с помощью диафрагменного электрического разряда.
Научная новизна. В результате проведенного исследования впервые: - установлены зависимости выхода перекиси водорода и ионов меди в модельных растворах от диаметра отверстий диафрагмы, подводимого в зону разряда напряжения, скорости движения жидкости через отверстия диафрагмы,
химического состава модельных растворов при проточном режиме работы установки;
определена оптимальная зона рабочего режима реактора ДЭР, обеспечивающего максимальный выход ионов меди и перекиси водорода, для которой выведена формула расчета количества отверстий диафрагмы;
установлена зависимость обеззараживающей способности растворов, обработанных ДЭР, от концентраций ионов меди, перекиси водорода и времени экспозиции;
разработан новый алгоритм управления технологическим процессом обеззараживания сточных вод диафрагменным электрическим разрядом, основанный на контроле выхода продуктов разряда, отличающийся от известных тем, что контроль производится по разности электропроводности жидкости до и после обработки (патент на полезную модель № 92002).
Достоверность теоретических положений основана на применении методов теоретического анализа и проведении необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и производственных условиях, а также патентной чистотой разработанного технического решения. Для решения конкретных задач использованы физико-химические и бактериологические методы исследований, проводившиеся в аккредитованных и сертифицированных лабораториях: атомно-адсорбционный анализ, фотометрия, колориметрия, методы титрования, посев на питательные среды. Результаты экспериментальных данных обработаны при помощи методов математической статистики с использованием пакета прикладных программ Excel 2007.
Практическая значимость. На основании установленных зависимостей:
- предложена методика расчета диафрагмы реактора при проектировании
очистных сооружений с применением технологии обеззараживания сточных
вод на основе ДЭР;
-разработаны и внедрены реактор (патент на изобретение №2381997), алгоритм и система автоматического управления технологическим процессом обеззараживания сточных вод на основе ДЭР;
- создана промышленная установка, реализующая разработанный и обос
нованный алгоритм управления процессом обеззараживания воды на основе
ДЭР.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Зависимости выхода перекиси водорода и ионов меди в обработанных ДЭР как модельных растворах, так и воде питьевого качества от скорости движения жидкости через диафрагму и напряжения на электродах; обеззараживающей способности растворов от концентраций ионов меди, перекиси водорода и времени экспозиции; разности электропроводности растворов до и после обработки ДЭР от концентрации ионов меди.
Оптимальные диаметр отверстий диафрагмы, диапазоны изменения напряжения на электродах и скорости движения жидкости через диафрагму реактора ДЭР, обеспечивающие максимальный выход ионов меди и перекиси во-
дорода, на основе которых разработана система автоматического контроля и управления технологическим процессом обеззараживания сточных вод.
3. Методика расчета диафрагмы реактора при проектировании очистных сооружений с применением технологии обеззараживания сточных вод на основе диафрагменного электрического разряда.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования заслушаны и одобрены на 1-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экология, экономика и практика применения» (г. Улан-Удэ, 2008), V Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов» (г. Харьков, Украина, 2008), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (г. Чита, 2008), 1-й региональной восточно-европейской конференции молодых ученых и специалистов водного сектора (г. Минск, Беларусь, 2009), IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (г. Чита, 2009), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009), IV Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (г. Челябинск, 2009), научно-практической конференции «Ученые Сибири - Забайкалью» (г. Чита, 2010), XVIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (г. Пенза, 2010).
Реализация результатов работы. Разработанные реактор ДЭР и система автоматического контроля и управления технологическим процессом обеззараживания сточных вод внедрены на очистных сооружения пгт. Новоорловск Забайкальского края.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Энергетического института ГОУ ВПО «Читинский государственный университет» при подготовке инженеров по специальностям 140211 - «Электроснабжение» и 280202 - «Инженерная защита окружающей среды», а также при проведении лабораторных работ.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, из которых три (включая два патента на изобретение) опубликованы в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки России.
Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в разработке и проведении экспериментов, анализе и обсуждении результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (128 наименований), трех приложений. Изложена на 121 странице, содержит 31 рисунок, 10 таблиц.
Обеззараживание ионами благородных металлов
Бактерицидная способность ионов таких металлов, как серебро, золото, медь известна давно, их очень небольшие концентрации вызывают гибель присутствующих в воде микроорганизмов, водорослей и гидробионтов [69]. В табл. 1.2 приведены данные о летальных концентрациях в воде серебра, меди и других металлов в отношении некоторых гидробионтов. Как видно из табличных данных, летальные концентрации указанных ионов металлов относительно некоторых гидробионтов ниже установленных значений их ГТДК. Кадмий и хром, являющиеся физиологически тяжелыми металлами для обеззараживания воды не рассматриваются. В трудах академика Л.А. Кульского, его учеников и последователей приведены данные обширных исследований бактерицидной активности ионов серебра [43, 44, 45]. Установлено, что наибольшей активностью обладают свежеприготовленные посредством электролиза ионы серебра. Дезинфицирующая способность последних проявляется в широком диапазоне значений рН, она существенно возрастает с ростом температуры, что выгодно от личает их от таких бактерицидных веществ, как хлор, озон, диоксид хлора и гипохлорит натрия. Однако к употреблению в качестве дезинфектанта ионов серебра имеются, в первую очередь экономические препятствия.
Согласно [39] ряд токсичности ионов металлов по отношению к микроорганизмам выглядит следующим образом: Учитывая ряд (1.1) и экономическую выгоду, использование ионов меди является перспективным направлением для обеззараживания воды. Что подтверждается рядом исследований в этой области [49, 73, 75, 113, 114]. G. Ping совместно с Z. Wen, Т. Hui и др. сравнивали бактерицидное действие меди и нержавеющей стали путем инкубирования в чашках из указанных материалов кишечной палочки [114]. Результаты сравнения представлены на рис. 1.1. После инкубации в медной чашке в течение 30 минут количество вы о п живших бактерий Е.соИ уменьшилось с 1,7x10 до 1.0x10 КОЕ/мл, тогда как в чашке из нержавеющей стали и стеклянной чашке их количество практически не изменилось. Данные факт авторы объясняют бактерицидным действием ионов меди. Согласно [113] бактерицидное действие ионов меди может выглядеть следующим образом. В результате действия электростатических сил ионы меди Си сорбируются на клетке, затем проникая через цитоплазматическую мембрану, разрушают биологический окислительный процесс клетки, нарушая тем самым ее метаболизм. С другой стороны ионы меди Си+, образующиеся в результате процесса (3) на рис. 1.2 могут реагировать с веществом цитоплазматической мембраны, образуя комплексы, в результате чего мембрана твердеет и клетка гибнет [106]. В.В. Гутенев с соавторами И.А. Денисовой, О.И. Монтвилла и др. [28] показали, что содержание в воде 0,01 мг/дм меди (II) придает воде бактериальную устойчивость, при 30 градусах Цельсия в течение 10 суток, препятствуя размножению содержащихся в воде или поступающих из вне бактерий. Данные представлены нарис. 1.3.
Также авторами было установлено, что антибактериальные свойства ионов меди (II) полученных электрохимическим растворением металлической меди выше, чем электролитически полученных ионов меди (II) рис. 1.4. Это различие наиболее выражено в первые минуты обеззараживания и в дальнейшем постепенно сглаживается. Концентрация ионов меди в обоих случаях была одинаковой и составляла 1 мг/дм . Температура опыта 20 градусов Цельсия. [28]. Некоторыми исследователями изучалось одновременное воздействие на микроорганизмы ионов меди и различных окислителей. В работе [57] Е.И. Мурашко с Н.Г. Потапченко, О.С Савлук и др. вывели, что совместное действие хлора (0,3 мг/дм ) и меди (0,5... 1 мг/дм ) в отношении тест-микроба E.coli 1257 в водопроводной воде из артезианской скважины имеет большую эффективность по сравнению с результатами, полученными при использовании данных реагентов по отдельности. На основании полученных данных авторы заключили о существовании синергетического взаимодействия данных дезинфицирующих веществ.
Проводимые исследования подтверждают, что ионы меди могут проявлять синергетические свойства и с другими окислителями. В [36] академик Л.А. Кульский на основе проведенных опытов по обеззараживанию воды перекисью водорода совместно с ионами серебра и меди показывает, что при комплексном применении указанных компонентов достигается высокий обеззараживающий эффект. В табл. 1.3 приведены данные совместного действия перекиси водорода с ионами серебра и меди. эффект перекиси водорода нежели ионы серебра. Из табл. 1.3 видно, что обеззараживание воды перекисью водорода (Змг/дм3) и медью (0,1...0,2 мг/дм ) наступало через 10 мин, тогда как для получения такого же эффекта с серебром необходим получасовой контакт [36]. Указанный факт подтверждается литературными данными о том, что ионы металлов переменной валентности (Fe , Си , Мп , Со , Cr , Ag ) к которым относится медь, являются катализаторами разложения перекиси водорода. Впервые каталитическое действие ионов двухвалентного железа на перекись водорода открыл Фентон, в основе которого лежит образование гидроксильных радикалов [89]: Позже было установлено, что все металлы переменной валентности в той или иной степени могут являться катализаторами разложения Н202 В случае с В результате которой так же образуются гидроксильные радикалы ОН» являющиеся сильнейшими окислителями. Как уже отмечалось ранее наиболее эффективными реагентами, с точки зрения окислительного потенциала, являются различные виды активных форм кислорода, в том числе и гидроксильные радикалы. Необходимость в энергетически эффективном способе их производства побуждает ученых всего мира изучать возможность обработки воды электрическими разрядами. Экспериментальные исследования, проведенные в данной области, указывают на перспективность данного направления. [7, 18, 32, 33, 39, 56, 81,
Промышленная установка для обработки воды ДЭР
Вода для обработки диафрагменным электрическим разрядом подавалась через вводной патрубок 5. Обработанная вода отбиралась через выводной патрубок 6. Расход через реактор регулировался при помощи стеклянных кранов 7 и 8, установленных на вводном и выводном патрубках. Определение концентрации меди в отобранных пробах производилось атомно-адсорбционной спектрофотомерией. Концентрация перекиси водорода определялась двумя методами: 1 - колориметрическим методом по свето-поглощаемости желто-оранжевого комплекса, образующегося при реакции Н2О2 с ионами титана; 2 — перманганатометрическим методом с использованием реакции перекиси водорода с перманганатом калия. Измерение тока производилась амперметром Д5090, напряжения - ки-ловольтметром С-511.
Мощность рассчитывалась по средним значениям показаний приборов снимаемых в ходе эксперимента. Внешний вид реактора промышленной установки изображен на рис. 2.3. Корпус выполнен из винипласта, верхний электрод в виде медных полос расположен между рядами отверстий непосредственно на диафрагме, установленных перпендикулярно ее поверхности, причем расстояние от Для определения влияния химического состава воды на процесс генерации перекиси водорода и ионов меди использовались модельные растворы различных химических элементов в дистиллированной воде. Выбор элементов производился с учетом [67]. Для изучения бактерицидных свойств растворов, обработанных ДЭР, в экспериментах использовали бактерии группы кишечной палочки Escherichia coli №25922 со стандартной плотностью до 107 КОЕ/100 мл из музейной коллекции Центра эпидемиологии и гигиены Госсанэпиднадзора по Забайкальскому краю. Указанные микроорганизмы являются санитарно-показательными, индикаторами загрязнения природной, питьевой и сточной вод (в т.ч. фекальных стоков), это определяется следующим: 1) качественный и количественный учет кишечных палочек выполняется относительно легко и быстро и не требует дефицитных, дорогостоящих материалов и оборудования; 2) интенсивность фекального загрязнения воды адекватно отображает количество обнаруженных в воде бактерий E.coli; 3) кишечные палочки отличаются высокой живучестью (толерантностью) по отношению к физическим и химическим бактерицидам: для их уничтожения требуются относительно большие дозы последних, поэтому зафиксированная в процессе опытов гибель E.coli означает и предварительно происшедшее отмирание многих других микроорганизмов, в т.ч, и многих болезнетворных [16, 41, 61, 87]. В качестве модельного раствора для микробиологических исследований эффективности ДЭР выступал раствор K2SO4 в дистиллированной воде с электропроводностью 0,45 мСм/см, а так же вода питьевого качества.
Свежеобработанный раствор или воду добавляли в различной пропорции к суспензии кишечной палочки к концентрацией 106... 107КОЕ/100 мл. По истечение времени экспозиции определяемом условиями эксперимента, согласно стандартной бактериологической методике, производилось по три посева на среды Эндо, Левина, МПА, МПБ, КА с оценкой морфологических, культуральных и биохимических свойств микроорганизмов [11, 15, 54, 55, 67]. Качество дезинфекции воды определялось стандартными бактериологическими анализами, по числу КОЕ (колоний образующих единиц) выросших на питательных средах через 24 ч инкубации при 37 С [54, 55]. Эффективность обеззараживания оценивали как логарифм отношения N /NQ, где Nk — число выживших бактерий, No - исходное число бактерий. Объектом производственных испытаний выступала питьевая и сточная вода поселка Новоорловск Забайкальского края. ААС - метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора, пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения квантов света атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Этим переходам в атомных спектрах соответствуют так называемые резонансные линии, характерные для данного элемента.
Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера мерой концентрации элемента служит оптическая плотность А = lg(/0//), где 10и I - интенсивности излучения от источника соответственно до и после прохождения через поглощающий слой. Из формулы следует, что зависимость между светопоглощением и концентрацией линейна, а температура атомизатора на поглощение не влияет [85]. Схема классического атомно-абсорбционного спектрофотометра с пламенным атомизатором представлена на рис. 2.4. Определения меди с помощью ААС характеризуется высокой чувствительностью и селективностью. Для резонансной линии 324,8 нм при спек
Влияние диаметра отверстий диафрагмы на выход перекиси водорода и ионов меди
Исследования эффективности генерации ионов меди и перекиси водорода в обработанном ДЭР модельном растворе в зависимости от скорости движения жидкости через диафрагму и напряжения на электродах производились с использованием диафрагмы с отверстиями диаметром 1,2 мм в количестве 24. Полученные данные представлены на рис. 3.5. Зависимость на рис. 3.5а носит убывающий характер, что объясняется увеличением объемного расхода воды через установку при сохранении прочих условий протекания разряда. Так же на графике при скорости движения жидкости через отверстия диафрагмы равной 0,05...0,13 м/с, наблюдается характерный перелом зависимости концентрации перекиси водорода в обработанном растворе от приложенного напряжения. Это объясняется переходом разряда от квазиимпульсного к апериодическому режиму, что, при высокой скорости движения жидкости, происходит из-за смыва из отверстия образующихся газовых пузырьков и ионов до образования разряда. Что в свою очередь приводит к нестабильному горению разряда по каждому отверстию диафрагмы [116]. При дальнейшем увеличении расхода через установку и соответственно скорости движения жидкости через диафрагму происходит полное погасание разряда (рис. 3.5а, точка 0,07 м/с для напряжения 900 В, 0,1 м/с - 1200 В; 0,13 м/с - 1500 В, 0,17 м/с - 1800 В соответственно).
Наличие перекиси водорода в данном режиме объясняется двумя механизмами: а) протеканием реакций электролиза с разложением воды на ионы с последующим образованием гидроксильных радикалов и в конечном итоге Н202 [119]; б) протеканием реакции катодного восстановления кислорода [64]: На рис. 3.56 представлена зависимость концентрации ионов меди от скорости движения жидкости через диафрагму при различных значениях напряжения на электродах. Данная зависимость носит линейный характер. Слабое отклонение от линейности в сторону увеличения концентрации меди при скорости движения жидкости 0,13...0,2 м/с (правая половина графика — рис. 3.56) объясняется незначительным увеличением тока, проходящего через реактор, вызванным погасанием разряда и как следствие понижением общего сопротивления системы [93]. Можно сделать вывод, что концентрация ионов меди в обработанном ДЭР растворе не зависит от наличия разряда в отверстиях диафрагмы, а главным образом зависит от протекающего в цепи тока. По полученным экспериментальным данным установлена оптимальная скорость движения обрабатываемой воды через диафрагму и соответствующее напряжение на электродах, при которых обеспечивается максимальное соотношение перекиси водорода к ионам меди. Область допустимых значений напряжения и расхода ограничена в пределах 900... 1800 В, и 0,03...0,13 м/с соответственно. На графиках указанная область выделена серым цветом.
С учетом полученных данных выведена формула для расчета количества отверстий диафрагмы в зависимости от расхода воды через реактор. В общем случае количество отверстий может быть определено из соотношения: 5общ - общая площадь эквивалентного отверстия диафрагмы; S0TB - площадь одного отверстия диафрагмы. Общая площадь эквивалентного отверстия определяется из следующего соотношения: Сравнение выхода ионов меди и перекиси водорода в воде питьевого качества по отношению к дистиллированной воде поводилось при напряжении на электродах 1500... 1800 В. Для обеспечения постоянного рабочего сопротивления реактора на протяжении всех экспериментов, электропроводность дистиллированной воды доводилась до значения питьевой сульфатом калия. Полученные результаты представлены на рис. 3.6. общая тенденция изменения выхода от скорости движения жидкости через диафрагму сохраняется. Данный факт, объясняется присутствием в питьевой воде различных анионов (СОз , Са , Mg , С Г, SO4 , Na , К ) [60], из которых, как уже было показано ранее (п. 3.2), наибольшее влияние оказывают карбонат и хлорид ионы, замедляющие выход ионов меди и перекиси водорода [6, 58, 64, 126]. Расхождение в выходе продуктов разряда также объясняется различным значением реакции среды модельного раствора K2SO4 (рН = 5,6...5,8) и питьевой воды (рН =7,0...7,6). (см. рис. 3.3). Для получения раствора с заданной концентрацией перекиси водорода использовалась зависимость, представленная на рис. 3.5. Для исключения влияния ионов меди на бактерицидные свойства получаемого раствора использовались угольные электроды. Перед отбором обработанного раствора так же выдерживалось время необходимое для достижения установившегося режима (пропускание через работающий реактор количества жидкости равного удвоенному объему реактора). Контроль концентрации перекиси водорода проводился перманганатометрическим методом. Обработанный раствор наливали в стерильную пробирку. В другую пробирку наливали чистой дистиллированной воды для контроля. Затем обе пробирки заражали санитарно-показательным микроорганизмом (E.coli штамм № 25922) из расчета начальной концентрации 107 КОЕ/100 мл.
Сразу после заражения и через 15, 30, 45, и 60 минут контакта производили высевы на питательные среды. Кинетика отмирания микроорганизмов под действием перекиси водорода представлена на рис. 3.7 из которого видно, что обеззараживающий через 60 минут при достаточно больших концентрациях (10 мг/дм ) пререкиси водорода. Это связано в первую очередь с тем, что скорость разложения перекиси очень мала и без применения катализаторов применение получаемого дезинфицирующего агента является экономически не целесообразным. Согласно данным различных ученых, усиление антимикробного действия электрических разрядов, возможно при использовании электродов из металлов с переменной валентностью, в том числе меди [33, 83, 101, 102]. В данном случае усиление бактерицидного действия связано с взаимодействием ионов меди и перекиси водорода, образующейся в канале разряда. Медь функционирует как гомогенный катализатор разложения перекиси. При этом наблюдается чередующееся образование двухвалентной и одновалентной меди. В этих отношениях она близка к железу, хотя и менее активна и значительно менее изучена. [88]
Сравнение бактерицидных свойств обработанной диафрагменным электрическим разрядом водопроводной воды и модельных растворов
Сравнительное определение бактерицидных свойств обработанных ДЭР модельных растворов K2SO4 в дистиллированной воде и чистой питьевой воды производилось при напряжении на электродах 1600... 1800 В и скорости движения жидкости через диафрагму 0,07 м/с. Обработанную ДЭР воду добавляли к суспензии санитарно-показательного микроорганизма (E.coli штамм № 25922) с концентрацией 106 КОЕ/100 мл в соотношении 1 часть обработанной воды и 10 частей суспензии. Предварительно в обработанной воде определялось содержание перекиси водорода и ионов меди и затем пере-считывалось в соответствии с полученным разведением. Зависимость обеззараживающей способности обработанной воды в отношении бактерий E.coli, определяемая как lg yN (где No — начальная концентрация бактерий в воде, iVk - конечная концентрация жизнеспособных бактерий) от времени экспозиции представлена на рис. 3.10. Снижение концентрации ионов меди и перекиси водорода в воде питьевого качества по сравнению с дистиллированной водой объясняется наличием в питьевой воде различных химических примесей, таких как СП, С032_, которые, как было показано ранее, ухудшают выход перекиси водорода и ионов меди. Из данных на рис. 3.10 видно, что максимальной обеззараживающей способностью обладает дистиллированная вода, обработанная диафрагмен-ным электрическим разрядом при напряжении на электродах 1800 В, а наихудшей - питьевая вода, обработанная диафрагменным разрядом при напряжении 1600
В. Тем не менее, после экспозиции в течение 30...40 минут удается достичь почти 100 % обеззараживающего эффекта. Из полученных данных в обработанных ДЭР модельных растворах и воде питьевого качества определена достаточная концентрация перекиси во-дорода - 1,4 мг/л и ионов меди - 0,04 мг/дм , при которой обеспечивается необходимый бактерицидный эффект с учетом начальной концентрации микроорганизмов 106 КОЕ/100 мл и времени экспозиции 30...40 мин. Поскольку производительность реактора по ионам меди и перекиси водорода в реальных условиях эксплуатации установки может отличаться от заданных при проектировании, необходимо отслеживать концентрацию продуктов разряда и при ее отклонении корректировать напряжение на электродах. Из выше приведенных зависимостей видно, что указанную задачу легче решить, контролируя выход меди. Раствор, обработанный диафрагменным электрическим разрядом в реакторе с применением медных электродов, может содержать как ультрадисперсные частицы меди, так и ее ионы в различном соотношении при этом повышение электропроводности раствора будет обусловлено только повышением концентрации ионов. Учитывая природу диафрагменного разряда, а именно то, что канал разряда развивается внутри отверстия диафрагмы и не достигает поверхности электродов, можно предположить, что диффузия меди в раствор осуществляется сугубо за счет реакции электролиза с переходом металлической меди в ионную форму [78]: Для проверки теоретических предположений, а так же определения соотношения содержания в обработанном растворе ионной и металлической меди был проведен замер содержания меди в полученной пробе двумя методами: а) атомно-адсорбционная спектрофотометрия (ААС), с помощью которой возможно определение, как ионной, так и ультрадисперсной меди (за счет атомизации при высокой температуре); б) йодометрия, с помощью, которой возможно определить медь, находящейся в ионной форме II [12]. Результат ААС составил 1,4 мг/дм , результат йодометрии - 1,3 мг/дм .
Расхождение результатов в данном случае составило 7,2 %, что может указывать либо на погрешность различных методов измерения, либо на присутст виє в растворе ультрадисперсной металлической меди, образующейся в результате распыления электродов. Тем не менее, исходя из результатов эксперимента, более 90 % меди в обработанном ДЭР растворе находится в ионной форме, что подтверждает выдвинутое предположение. Исходя из вышеизложенного, возможно организовать простой оперативный контроль содержания ионов меди путем измерения разности элек-тропроводностей воды до и после обработки диафрагменным электрическим разрядом. В результате проведенных экспериментов была получена эмпирическая зависимость разности электропроводности раствора до и после обработки ДЭР от концентрации ионов меди, представленная на рис. 3.11 [63]. По полученным данным было выведено уравнение (6), по которому определяется фактический выход ионов меди С в зависимости от разности электропроводности о":
