CC BY
421
УДК 533.92:57.083.3
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОМАТЕРИАЛОВ И СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОДЫ Н.А. Булычев, Е.С. Гриднева, Э.В. Кистерев, А. Золеззи
В настоящей работе показано, что возникающая в жидкости в интенсивном ультразвуковом поле выше порога кавитации новая форма плазменного разряда, характеризующаяся объемным свечением во всем пространстве между электродами и возрастающей вольт - амперной характеристикой, может быть эффективно использована для инициирования различных физических и химических процессов. Установлено, что инициирование плазменного разряда в жидкости способствует ее обеззараживанию. В плазменном разряде были синтезированы наночастицы оксидов различных металлов - алюминия, меди, олова, железа, титана, индия, цинка, молибдена и др. с контролируемой формой и размером частиц и узким распределением по размерам. Полученные наночастицы оксида цинка, обладающие бактерицидными свойствами были использованы для нанесения на поверхность текстильных материалов для придания им бактерицидных свойств
Ключевые слова: плазма, ультразвуковая кавитация, наночастицы, обеззараживание воды
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные ранее [1] эксперименты позволили установить, что в жидкости в интенсивном ультразвуковом поле выше порога кавитации может существовать новая форма электрического разряда, характеризующаяся объемным свечением во всем пространстве между электродами и возрастающей вольт - амперной характеристикой, присущей аномальному тлеющему разряду в газе. Такой разряд с развитой поверхностью микропузырьков может представлять интерес для создания новых соноплазмохимических процессов, т. к. развитая поверхность раздела плазма-жидкость приводит к увеличению диффузионных потоков химически активных частиц из плазмы в жидкость. В таком разряде потенциально возможно осуществить большое количество новых химических реакций [2,3]. Предварительные эксперименты показали, что в результате обработки в соноплазменном реакторе жидких углеводородов образуются твердофазные углеродсодержащие продукты, происходят химические превращения в жидкой фазе и образуется водородосодержащий чисто сжигаемый горючий газ, а при возникновении разряда в воде наблюдается гибель микроорганизмов.
При использовании металлических электродов для инициирования и поддержания плазменного разряда в жидкой фазе образуются наночастицы
Булычев Николай Алексеевич - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, д-р хим. наук, ст. науч. сотрудник, e-mail: nbulychev@mail.ru
Гриднева Екатерина Сергеевна - МГУИЭ, канд. техн. наук, ст. науч.сотрудник, e-mail: katenok_eg@mail.ru Кистерев Эдуард Васильевич - ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН, канд. техн. наук, ст. науч.сотрудник, e-mail: kist@bk.ru
Золеззи Альфредо - Чилийский инновационный центр (Chilean Advanced Innovation Center), генеральный директор CAIC, PhD, e-mail: alfredozolezzi@yahoo.com
оксида того металла, из которого изготовлены электроды [4].
Актуальность исследований в области стерилизации воды и создания бактерицидных текстильных материалов определяется тем, что внутрибольничные инфекции составляют серьезную проблему для здравоохранения: в среднем на 8 дней увеличивается пребывание пациентов в больницах, в среднем 1 пациент из 10 подвергается внутрибольничному инфицированию, 3 миллиона человек умирают ежегодно в больницах в результате внутрибольничных инфекционных заболеваний.
При производстве коммерчески доступных в настоящее время антибактериальных текстильных материалов в качестве антибактериального агента используется, главным образом, серебро. Однако, антибактериальные материалы, содержащие серебро и использующиеся при лечении открытых ран, окрашены из-за присутствия серебра в коричневый, серый, черный или синий цвет, что создает сложности для контроля процесса заживления раны. До сих пор все попытки создать ткань для лечения ран, которая обладала бы антибактериальными свойствами, не выделяла бы в окружающую среду антибактериальный агент и в то же время сохраняла бы свой первоначальный цвет (желательно белый) оказывались безуспешными.
ПЛАЗМЕННЫЙ РАЗРЯД В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОМАТЕРИАЛОВ
Предварительные эксперименты позволили установить, что применение плазменного метода позволяет синтезировать наночастицы оксидов никеля, титана, циркония, железа, алюминия, серебра и других металлов, пригодные для последующего импрегнирования в полимерные волокна из полистирола, полиметилметакрилата, нейлона, полиэфиров, что приводит к интенсивному внедрению наночастиц в полимерную матрицу, и
следовательно, к получению образцов полимеров с модифицированными свойствами.
Основу установки для синтеза наночастиц оксидов металлов составляют реакционная камера, в которую введены разрядные электроды и ультразвуковой излучатель, трансформаторный генератор высоковольтных импульсов для зажигания разряда, источник питания разряда в жидкости, ультразвуковой генератор, средства управления и контроля электрофизических и акустических характеристик. Камера снабжена диагностическими окнами для наблюдения динамических процессов в оптическом диапазоне видимого свечения разряда и фланцами для ввода контактных датчиков. Такая схема удобна для исследования вольтамперных характеристик разряда, определения тока обрыва и энергетики зажигания разряда, а также для спектроскопических исследований.
Рис.1. Схема и фотография установки для соноплазменного синтеза наноматериалов
Ультразвуковой генератор (УЗГ) с
магнитострикционным преобразователем
обеспечивает регулирование выходной
акустической мощности до 2 кВт в частотном диапазоне 15-27 кГц. Параметры акустического оборудования позволяют реализовать
интенсивность ультразвукового поля в рабочем объеме жидкости до 10 Вт/см2 и изменять режим кавитации в широких пределах.
Проведенные эксперименты показали, что в жидкости в интенсивном ультразвуковом поле выше порога кавитации может существовать новая форма электрического разряда, характеризующаяся объемным свечением во всем пространстве между электродами и возрастающей вольт - амперной характеристикой, присущей аномальному тлеющему разряду в газе.
Для более полного понимания этого явления необходимо провести элементарный анализ причин возникновения такого разряда. Ультразвуковое поле, генерируемое колеблющимся упругим волноводом в жидкости, приводит к появлению кавитации в этой жидкости. Кавитационная область характеризуется наличием большого количества пузырьков, возникших в результате разрыва жидкости. Внутри этих пузырьков находится пар и
газ при высокой температуре и давлении, когда идет процесс ионизации, сопровождающийся
возникновением электронов. Следует определить наименьшее значение напряжения, при котором возможно появление разряда, т. е. выполнение условий, когда в электрическом поле за время между столкновениями электрон успевает набрать энергию, превышающую соответствующее
значение, необходимое для ионизации атомов, образующих жидкость (в случае воды это энергия ионизации водорода или кислорода). Уравнение движения электрона в электрическом поле с напряженностью Е ° И/Ь, где и - разность потенциалов, имеет очень простой вид:
ёу а и
— ■= -■7° я (1)
ш т Ь
где q и т - масса и заряд электрона, а у - его скорость движения в электрическом поле. Считая, что в начальный момент времени электрон покоится в пузырьке, решение уравнения (1) можно записать в следующей форме:
у(0 = # (2)
Расстояние /(1), которое электрон проходит за время 1;, описывается формулой:
/ (1)
2
2
(3)
Следовательно, длину кавитационной области /сау электрон пролетит за время 1:сау, которое связано с /сау выражением:
1 =
сау -
21
(4)
Подставляя (4) в (2), получим выражение для скорости усау , которую электрон получит, пролетев всю кавитационную область длиной /сау. Если при этом его кинетическая энергия Г ° тусау2 /2 будет превосходить энергию ионизации атомов Г,оп, входящих в состав жидкости, то этот уровень разности потенциалов на электродах можно считать пороговым для зажигания высоковольтного разряда, т.е.:
2
2
■ >
(5)
является уравнением для определения порогового значения разности потенциалов И4Ь , при котором разряд зажигается. Из (2), (4) и (5) получаем:
Ьр™_ (6)
И,ъ =
q/cг
Пороговое значение растет с увеличением расстояния между электродами и падает с ростом размера области кавитации.
Простая модель, рассмотренная выше, позволяет качественно объяснить наблюдаемое явление. Поскольку условием зажигания разряда в жидкости без кавитации является требование набора электроном энергии, достаточной для ионизации, на длине свободного пробега /с в жидкости, которая, как правило, намного меньше /сау, то явление разряда может возникать иногда только в области
кавитации и на ее краях. А в случае, когда дистанция между электродом и областью кавитации превосходит /с, то в этой области электрон не успевает разогнаться между столкновениями до энергии ионизации и разряда там не происходит. Что должно приводить к заметному уменьшению общего разрядного тока по сравнению со случаем разряда в отсутствие кавитации.
Из формулы (6) можно записать простое соотношение, связывающее пороговые значения разности потенциалов при наличии кавитации И^ и
в случае ее отсутствия и^ для зажигания разряда в
жидкости:
ис = и
■и!
(7)
Таким образом, наличие кавитации существенно снижает величину разности потенциалов, необходимую для разряда в жидкости.
Входящая в выражение (7) величина длины свободного пробега электрона в жидкости в момент начала лавинной ионизации /с может быть выражена через диэлектрическую постоянную жидкости е, линейный размер атома а, подвергающегося ионизации и другие параметры среды. Для этого воспользуемся граничным условием равенства электрической индукции на границе раздела электрода и жидкости:
єБг- = и/ / Ь
(8)
где - Бг- напряженность электрического поля внутри жидкости для значений, близких к пороговому потенциалу возникновения разряда. С другой стороны, значение и^ в отсутствие
кавитации определяется формулой (6), в которой вместо /сау надо использовать 1с. В результате для 1с получаем выражение через характеристики жидкости и поля:
Е
/ __ 10П
ЯБє
(9)
Входящую в выражение (9) напряжённость можно выразить через энергию ионизации атомов жидкости Егоп, если учесть, что в момент ионизации атом поглощает следующее количество энергии электрического поля:
Біоп = Ег • а3/48
(10)
С помощью (10) из (9) получаем окончательное выражение для /с:
/ =^Щ°± а (11)
4еУ3q2
Из выражения (11) видно, что пробег электрона вблизи порога зажигания разряда пропорционален атомному размеру, т.е. весьма мал.
Из формулы (6) можно получить некоторые оценки величины порогового значения разности потенциалов, при превышении которого начинается разряд в кавитирующей жидкости. Для воды, молекулы которой состоят из атомов водорода и
кислорода, имеющих одинаковую энергию ионизации 13 эВ, параметр ИЛ имеет значение ИЛ » 13 В в приближении, когда область кавитации занимает все пространство между электродами. Полученная величина хорошо согласуется с экспериментом. По порядку величины параметр /сау также оказывается близким к атомным размерам молекулы воды.
Для проверки этого предположения была исследована возможность направленного получения наночастиц различных материалов при разложении жидкости с помощью плазменного разряда. Эксперименты проводились в воде, органических и элементорганических жидкостях. Одним из исследованных путей получения наночастиц является использование электродов из соответствующего материала (вольфрам, медь, углерод), окисление которых под действием плазменного разряда приводит к образованию суспензии наночастиц в жидкой среде.
На рис. 2. представлены фотографии
наночастиц оксида вольфрама, полученные методом сканирующей электронной микроскопии. При изучении плазменного разряда методом оптической спектроскопии было установлено, что получаемые таким образом наночастицы оксида вольфрама имеют различную кристаллическую структуру, регулируемую параметрами разряда.
Рис. 2. Фотографии
вольфрама WOз.
наночастиц оксида
На рисунке 3 представлены результаты оптических исследований плазменного разряда в воде и показано, что инфракрасная область спектра свечения дает информацию о кристаллической структуре наночастиц WO3. Был также установлен факт адсорбции атомарного водорода частицами WO3, это схематически изображено на рис. 3.
Вторым вариантом использования плазменного разряда для получения наночастиц является разложение органических и элементорганических жидкостей. В частности, были проведены эксперименты по разложению тетраэтоксисилана и показано, что в жидкой фазе происходит отщепление двух спиртовых групп и последующая самопроизвольная полимеризация диэтоксисилана, в виде аэрозоля выделяются частицы диоксида кремния с размером 5 - 10 нм., а также происходит образование осадка наночастиц оксида кремния, которые могут быть восстановлены атомарным
с
водородом при реализации плазменного разряда в спиртах.
Таким образом, в результате проведенных исследований показана возможность возникновения особого типа плазменного разряда в кавитирующей жидкости и установлено, что такой разряд может быть успешно использован для направленного
синтеза наноматериалов с контролируемыми свойствами.
Дальнейшие эксперименты были проведены с целью получения наночастиц оксида цинка, обладающего бактерицидными свойствами. Для этого плазменный разряд был инициирован на цинковых электродах. При этом были получены
Рис. 3. Оптические спектры соноплазменного разряда (А), варианты кристаллической структуры (моноклинная, триклинная и орторомбическая) WO3 (Б) и схема адсорбции атомарного водорода
наночастицами WO3 (В)
%
Ух Л"
СЕОКНІ ЭЕ1 20.0кУ Х110,000 ЮОпт WD4.5mm
агломераты частиц с широким распределением по размерам (Рис. 4). Исследование исходных частиц методом электронной микроскопии показало, что, во-первых, при плазменном синтезе получаются частицы палочковидной формы, а во-вторых, при агрегации они не укрупняются в размерах, а образуют составные агрегаты (Рис. 5). Это
позволило осуществить дальнейшую работу с ними после обработки суспензии в поле ультразвука.
Рис. 4. Распределение по размерам частиц оксида цинка, полученных в плазменном разряде.
Рис. 5. Фотографии агломератов частиц оксида цинка, полученные на сканирующем электронном микроскопе.
После ультразвуковой обработки в течение 2 минут агломераты частиц распадались на первичные частицы, и пик распределения по размерам значительно сужался, т.е. система становилась практически монодисперсной (Рис. 6).
Біге Оі$ІгіЬіЛіол Ьу Уоіите
20£ 15- I -| 10 5 1 \
\
\
\
\
0 .1 1 10 100 1000 10000 все (сі.пт)
Рис. 6. Распределение по размерам частиц оксида
цинка, полученных в плазменном разряде при последующей обработке ультразвуком в течение 2 мин.
Результаты исследований на сканирующем электронном микроскопе подтверждают факт получения стабильной монодисперсной системы наночастиц оксида цинка (Рис. 7).
воздействия жидкость входит в сужающиися участок трубопровода и собирается в накопителе, либо поступает в блок мембранной очистки для дальнейшей сепарации и обработки (Рис. 8).
SEI 20.0kV ХЗОО.ООО 10nm WD i
Рис. 7. Фотографии наночастиц оксида цинка, полученные на сканирующем электронном микроскопе.
Таким образом, в ходе данной работы были получены устойчивые к агрегации и седиментации монодисперсные наночастицы оксида цинка, устойчивые в течение достаточно длительного времени (до 2 месяцев) и со средним размером частиц менее 50 нм. Отработана методика получения таких наночастиц в плазменном разряде. Полученные водные дисперсные системы наночастиц оксида цинка смогут найти применение для получения текстильных материалов с антибактериальными свойствами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
Наряду с синтезом наноматериалов, плазменный разряд обладает также возможностью воздействовать на живые микроорганизмы, присутствующие в обрабатываемой жидкой среде.
Для решения задачи селективного воздействия плазмы на биологические объекты в водной фазе была предложена методика возбуждения плазменного разряда в потоке жидкой среды. Поток жидкости, который необходимо подвергнуть плазмохимической обработке, через трубопровод под избыточным давлением направляется в гидродинамический излучатель, расположенный на входе реактора, в котором в жидкости за счет перепада давления и понижения энтальпии потока формируется сверхзвуковое двухфазное
парожидкостное течение при пониженном давлении. В реакторе расположены электроды, между которыми с помощью внешнего источника питания создается электрическое поле, напряженность которого превышает порог пробоя этой двухфазной среды, приводящее к возбуждению низкотемпературного тлеющего квазистационарного плазменного разряда. После плазмохимического
Рис. 8. Схема установки для проведения
экспериментов.
При проведении предварительных
плазмохимических и биологических исследований в воде была изучена возможность направленного влияния плазменного разряда на биологические объекты, в частности, различные штаммы микроорганизмов для обеззараживания и стерилизации воды.
Проводились тестовые эксперименты с водными растворами палочковидных клеток Escherichia coli и коковидных клеток в группах Micrococcus luteus. Увеличение тока разряда до нескольких ампер приводило к прекращению роста бактерий после прохождения среды через зону разряда. Параллельно произведенные посевы показали достоверное уменьшение КОЕ (колоний-образующих единиц) после 5 минут воздействия, что согласуется с прямыми микроскопическими наблюдениями. Через 10 минут воздействия в посевах не обнаруживалась Escherichia coli, а через 15 минут и Micrococcus luteus. Стерильность обработанного раствора в последнем случае сохранялась при последующем его хранении при комнатной температуре по меньшей мере в течение 10 суток.
Развитая поверхность раздела плазма -жидкость приводит к увеличению скорости диффузионных потоков химически активных частиц, что может стать основой принципиально нового подхода при решении широкого спектра проблем очистки загрязненных вод. Плазмохимические реакции удаляют
неорганические и органические примеси различного происхождения и концентрации.
В широком смысле стерилизация - это совокупность методов, применяемых для уничтожения всех форм жизни на поверхности и внутри стерилизуемых объектов. Существуют несколько методов стерилизации. Термические методы включают в себя нагревание (прокаливание, кипячение, стерилизация сухим жаром, паром под давлением, пастеризация и пр.),
эти методы применяют, главным образом, для стерилизации теплоустойчивого лабораторного оборудования и питательных сред [5].
К «холодным» методам относятся: стерилизация облучением (УФ, ИК,
рентгеновское облучение), применяемая для стерилизации помещений, оборудования для посевов микроорганизмов; фильтрование
(используется для стерилизации воздуха, растворов, не переносящих нагревание); химические методы (обработка химическими реагентами), применяемые для стерилизации некоторых питательных сред, чаще для дезинфекции помещений [6,7,8,9].
Все существующие в настоящее время способы стерилизации воды и жидких растворов различных органических и неорганических веществ обладают рядом существенных недостатков (каждый тип стерилизации - своим основным недостатком) [6,10].
Наиболее распространенная термическая стерилизация приводит к разрушению термолабильных компонентов питательных сред, нецелевым реакциям между компонентами сред, полимеризации углеводов и т.д. [7,10],
поэтому создание нового способа стерилизации без эффекта высокотемпературного воздействия является важной научно-технической задачей.
Для решения этой задачи необходимо изучение воздействия плазмы в жидкой фазе на клетки микроорганизмов. Метод подсчета КОЕ является практически единственным, гарантирующим определение жизнеспособных клеток
микроорганизмов в суспензии, содержащей как живые, так и мертвые клетки [10,11].
Целью экспериментальных исследований является определение эффекта от воздействия плазмы на суспензию чистой культуры микроорганизмов, выбранных на первом этапе исследований в качестве тест-культуры. Для первого этапа исследований в качестве тест-культуры была выбрана непатогенная, неспорообразующая, почвенная культура
СогупеЪаМеттт glutamicum, являющаяся
продуцентом незаменимой аминокислоты лейцина. СогупеЪаШгтт glutamicum - грамположительная, неспорообразующая, аэробная палочковидная почвенная бактерия, размер клеток: 1,5-2*3-4 мкм [7]. Эта культура выбрана для первого этапа исследований, т.к. обладает тонкой клеточной стенкой и не образует спор, что в случае отсутствия стерилизующего эффекта не приведет к инфицированию установки плазменного разряда.
Эксперименты по воздействию плазмы проводились на чистой культуре микроорганизмов для того, чтобы можно было вычленить воздействие сопровождающих возникновение плазменного разряда факторов (давления, ультразвукового воздействия) и иметь возможность определить попадание посторонней микрофлоры (контаминантов) в процессе проведения экспериментов через различные части установки плазменного разряда.
КОЕ определяли методом последовательных разведений и высевом на чашки Петри с агаризованной средой Хоттингера. После выдержки чашек с культурой в термостате при температуре 30 °С в течение 5 суток (при методе последовательных разведений скорость роста культуры микроорганизмов значительно дольше, чем при рассевах микробиологической петлей) производили подсчет колоний и визуальный контроль на стерильность (присутствие или отсутствие колоний контаминантов). В течение 5 суток каждые сутки проверяли чашки Петри с культурой для определения скорости прорастания колоний.
Среднее время обработки плазменным разрядом выбрано 10 мин. Для определения динамики гибели клеток микроорганизмов в течение 10 мин через каждые 2 мин обработку прекращали и отбирали пробу суспензии для определения КОЕ.
Для возникновения плазменного разряда в потоке жидкой фазы необходимо создать перепад давления. Поскольку перепад давления в жидкости очень большой, велика вероятность того, что сам перепад давления может вызывать гибель клеток микроорганизмов.
На Рис. 9 показана зависимость концентрации КОЕ от времени прокачки жидкости через плазменную ячейку с перепадом давления (от 100 до 1 атм), воздействующего на жидкость с микроорганизмами.
Концентрация КОЕ, 10 миллионов кл/мл
0 2 4 6 9 13
Время воздействия, мин о Концентрация КОЕ кл/мл
Рис. 9. Изменение КОЕ в жидкости при разной длительности прокачки через реактор с перепадом давления порядка 100 атм.
Как видно из результатов эксперимента, циклы перепада давления в 100 атм при прокачке жидкости через реактор в течение 10 мин не приводят к полной гибели даже таких тонкостенных клеток, как клетки CoryneЪacterium glutamicum, поскольку воздействие осуществляется в жидкой фазе.
При рассмотрении воздействия перепада давления и суммарного воздействия перепада давления и ультразвука на клетки микроорганизмов, фактически имеет место три первоначальных воздействия - повышенная до 55°С температура суспензии, перепад давления и ультразвук. Однако начальные опыты показали отсутствие бактерицидного эффекта данных воздействий.
На Рис. 10 показана зависимость концентрации КОЕ от времени воздействия плазменного разряда.
Изменение концентрации КОЕ, кл/мл
□ Концентрация КОЕ, кп/мл
Рис. 10. Изменение концентрации КОЕ при плазменном разряде.
Обработка суспензии клеток микроорганизмов Corynebacterium glutamicum плазменным разрядом оказывает бактерицидное действие на клетки. После 10 мин обработки плазменным разрядом все клетки (25-107 клеток/мл) культуры погибли.
Таким образом, в результате проведенных исследований выявлены теоретические
закономерности возникновения и поддержания плазменного разряда в двухфазной газо-жидкостной среде. Экспериментально установлена
эффективность воздействия плазмы для стерилизации жидких сред. Показано, что исследуемые культуры микроорганизмов погибают в результате воздействия плазменного разряда, тогда как перепад давления в реакционной камере и ультразвуковое воздействие малой интенсивности не приводит к гибели микроорганизмов.
НАНЕСЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ НА ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
Предварительные исследования по внедрению в материалы субмикронных кварцевых сфер с наночастицами Ni с использованием сонохимического метода показали высокую эффективность для самых разнообразных материалов подложек, включая керамику, металлы (титан, цирконий, алюминий, нержавеющая сталь) и полимеры (PS, Nylon 6, PMMA, PC и полиэстер). Было выяснено, что эффективность этого одноэтапного звукохимического процесса зависит от числа генерируемых схлопывающихся пузырьков и достигает максимума вблизи твердых поверхностей. Причина этого эффекта заключается в асимметрии коллапса пузырька вблизи поверхности, вследствие которой наночастицы выбрасываются в сторону поверхности с очень большими скоростями (>100 м-сек-1). Было показано, что серебряная наночастица размером 20 нм может проникнуть на глубину до 1 мм в шарик из PMMA диаметром 2 мм. В другой серии экспериментов наночастицы ZnO и MgO наносились
на хлопчатобумажные бандажи с применением сонохимического метода. Результаты изучения эффективности (количество клеток на мл.) антибактериальных свойств образца по отношению к E.Coli приведены в таблице:
Таблица
Результаты исследований антибактериальных свойств образцов текстиля с нанесенными наночастицами оксидов цинка и магния.
ZnO
0 мин 60 мин Подавление %
Обработанный образец 8280000 200 99,9976
Контрольный образец 8200000 7000000 14,6341
MgO
Обработанный образец 11700000 7250 99,938
Контрольный образец 10100000 15800000 56,436
С использованием микроскопии и метода динамического рассеяния света была исследована также проблема выброса твердых наночастиц из текстиля в процесс механических нагрузок. Никаких свидетельств выброса наночастиц обнаружено не было.
Рис. 11. Результат контакта микроорганизмов с поверхностью антибактериального текстиля. (а)
клетки Staph. Bacterium, (б) бактерии, разрушенные в результате воздействия ZnO.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в результате проведенных исследований показана возможность возникновения особого типа плазменного разряда в кавитирующей жидкости и установлено, что такой разряд может быть успешно использован для направленного синтеза наноматериалов с контролируемыми свойствами. В результате проведенных экспериментов синтезированы наночастицы оксида цинка, которые использованы для создания наноструктурных покрытий на поверхности текстильных материалов, придающие ему антибактериальные свойства.
о
Ш
Показано, что исследуемые культуры микроорганизмов погибают в результате воздействия плазменного разряда на поток жидкости и исследованы бактерицидные свойства текстильных материалов, полученные с использованием синтезированных наночастиц оксида цинка.
Литература
1. Абрамов О.В. Соноплазменный разряд в жидкой фазе / Абрамов В.О., Андриянов Ю.В., Градов О.М., Муллакаев М.С., Булычев Н.А. // Материаловедение .2009. - №2. - C. 25-30.
2. Ishigami M. Plasma in liquids / Ishigami M., Cumings J., Zettl A., Chen S., // Chem. Phys. Lett. - 2000 -Vol. 319. - p. 457.
3. Hsin Y.L. Nanoparticles obtained by plasma discharge. / Hsin Y.L., Hwang K.C., Chen F.R., Kai J.J. // Adv. Mater. - 2001. - Vol.13 - p. 830.
4. Абрамов О.В. Плазменный разряд в кавитирующей жидкости / Абрамов О.В., Андриянов Ю.В., Кистерев Э.В., Градов О.М., Шехтман А.В., Классен Н.В., Булычев Н.А. // Инженерная физика. - 2009. - №8. - С. 34-43.
5. Беркова М.Д. Плазменные технологии очистки сточных вод / М.Д. Беркова, А.А. Быков, В.Ю. Великодный // XXXV международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. - 2008.
6. Блинов Н.П. Основы биотехнологии. Издательская фирма "Наука" СПБ, 1995.
7. Хоулт Д. Краткий определитель бактерий Берги. Пер с англ. // Под ред. Хоулта Д.. - М.: Мир, 1980.
8. Кустова Н.А., Лабораторный практикум по микробиологии // Н.А. Кустова; Федер. Агенство по образованию, Моск. гос. ун-т инж. экологии, ф - т " Экология и промышленная биотехнология.".М.: МГУИЭ, 2006.
9. А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук и др.; Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений // Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр "Академия", 2005.
10. Пат. 2161505 Рос. Федерация. № 99114320/13;
Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ-излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа. заявл. 06.07.1999; опубл.
10.01.2001.
11. Perni S. Cold Atmospheric Plasma Decontamination of the Pericarps of Fruit / Perni S, Liu D. W., Shama G., Kong M.G. // Journal of Food Protection®, Volume 71, Number 2, February 2008, pp. 302-308.
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва Московский государственный университет инженерной экологии Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, г. Москва Чилийский инновационный центр
APPLICATION OF PLASMA DISCHARGE FOR SYNTHESIS OF NANOMATERIALS AND DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES FOR WATER SANITATION N.A. Bulychev, E.S. Gridneva, E.V. Kisterev, A. Zolezzi
In this paper, a new form of plasma discharge in a liquid under intensive ultrasonic treatment exceeding the cavitation threshold with volume luminescence in entire space between electrodes and raising volt-ampere characteristics has been explored in view of initiation of various physical and chemical processes. It has been demonstrated that plasma discharge allows for water sanitation. Furthermore, in this plasma discharge, nanoparticles of oxides of various metals (aluminium, copper, tin, iron, titanium, indium, zinc, molybdenum etc.) with controlled shape and size of particles and narrow particles size distribution have been synthesized. Nanopaticles of zinc oxide with bactericide properties were impregnated into textile for obtaining bactericide textile. It has been shown that textile with ZnO nanoparticles remains sterile for long period of time
Key words: Plasma, ultrasonic cavitation, nanoparticles, water sanitation
