Эффективность инактивационного воздействия барьерного и искрового импульсных высоковольтных разрядов на Escherichia coli Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 537.52:614.48

Р.В. Якушин, В.А. Бродский, В.А. Колесников, Е.С. Бабусенко, А.В. Чистолинов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Москва, Россия danchemist@y andex. ru

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНАКТИВАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ БАРЬЕРНОГО И ИСКРОВОГО ИМПУЛЬСНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАЗРЯДОВ НА ESCHERICHIA COLI

Развитие новых физико-химических и безреагентных технологий дезинфицирования воды является приоритетным направлением исследований современных методов водоподготовки. Исследовано влияние барьерного и искрового разрядов на воду, зараженную Escherichia coli. Показаны высокие результаты инактивации кишечной палочки искровым разрядом.

Ключевые слова: очистка воды, обеззараживание, барьерный разряд, искровой разряд, кишечная палочка

Централизованное снабжение городов и промышленных объектов водой, соответствующей санитарным и гигиеническим нормам, имеет большое значение в современной экологической ситуации.

По данным Всемирной организации здравоохранения, распространение наиболее часто встречающихся инфекционных заболеваний в мире связано с неудовлетворительным качеством воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водоснабжения [1]. Посредствам воды передается большая часть кишечных ротавирусных и бактериальных инфекций.

Увеличение мощностей водоподготовки для удовлетворения возрастающих потребностей населения и промышленности должно происходить за счет повышения эффективности работы действующих водоочистных сооружений и технического переоборудования на основе последних достижений научно-технического прогресса.

Современные методы обеззараживания воды подразумевают не только использование высокотоксичных окислителей, но и использование безреагентных технологий, в которых не предполагается введение в воду химических реактивов. К безреагентным относят методы обработки воды, в которых воздействие осуществляется при помощи физических факторов, таких как ультрафиолетовое излучение, ультразвук или воздействие импульсных разрядов

[2,3].

Таким образом, актуальной задачей представляется разработка высокоэффективных безреагентных технологий, направленных на поддержание уровня микробиологической безопасности водных ресурсов.

В работе проведены сравнительные исследования дезинфицирующего воздействия электроразрядной плазмы по отношению к бактериям кишечной палочки. Escherichia coli является распространенным микроорганизмом, переносимым водой и нарушающим нормальное функционирование пищеварительного тракта, мочевыделительной и половой систем у человека.

Сравнению были подвержены два типа организации разряда - искровой и барьерный.

Организация искрового типа разряда осуществлялась посредствам использования реактора электроразрядной плазмы,

обеспечивающего тангенциальную подачу среды и течение тонкого слоя жидкости по внутренней стенке корпуса (рис.1 а) [2]. Разряды возникали в пространстве между центральным стержневым электродом и корпусом реактора. Формирование электрического поля в реакторе обеспечивали за счет подведения напряжения от высоковольтного источника импульсного питания. Частота переменного напряжения на выходе источника питания составляла 45 кГц, амплитуда 6 кВ. Электрофизические характеристики источника питания контролировали осциллографом [4].

Организация барьерного типа разряда осуществлялась в реакторе аналогичной конструкции, отличающегося тем, что его центральный электрод был изолирован диэлектрическим стеклянным барьером и имел водяное охлаждение в виде проточного электролита (рис.1 б). Подобный тип организации разряда является эффективным способом генерации активных окислителей гидроксил-радикалов и озона в воздухе [5].

Рис. 1(а, б). Схема плазмохимического реактора электроразрядной обработки воды: 1 - электрод внешний; 2а - электрод внутренний металлический; 2 б - электрод внутренний стеклянный, заполненный электролитом; 3 - пленка жидкости; 4 - газоразрядная камера; 5 - формирователь пленочного потока жидкости; 6 - штуцер ввода жидкости; 7 а - штуцер ввода газа; 7 б - штуцера ввода и вывода электродного электролита.

Для организации барьерного типа разряда использовался тот же источник питания, что и для организации разряда искрового типа. Скорость потока жидкости через реакторы подбиралась таким образом, чтобы обеспечить одинаковый энерговклад на единицу массы проточной жидкости в единицу времени в обоих реакторах. Обработка осуществлялась циклически. Объём обрабатываемой жидкости подбирался так, чтобы один цикл обработки в обоих реакторах составлял 1 мин.

Было исследовано влияние барьерного и искрового разрядов на модельные водные растворы, содержащие E. coli с концентрацией 7106 КОЕ/мл.

Исследования проводились на экспериментальном стенде электроразрядной обработки воды (рис.2).

На рисунке 3 приведены зависимости десятичного логарифма концентрации E. Coli от времени обработки барьерным и искровым разрядами. Показано, что барьерный разряд при данных условиях проведения эксперимента малоэффективен в отношении грамотрицательных бактерий. Искровой тип разряда продемонстрировал высокие результаты инактивации E. Coli. За минуту работы установки в плазмохимическом реакторе обрабатывался весь объем раствора. За первые 2 минуты обработки продемонстрировано снижение концентрации микроорганизмов более чем в 10 раз, что соответствует гибели 95% от исходной концентрации бактерий.

Обработка искровым разрядом позволила почти полностью инактивировать

микроорганизмы, содержащиеся в воде.

ч

№ О И

м -J

"с

и

№

2

Время воздействия, мин

1

Рис. 2. Лабораторная установка циклической электроразрядной обработки воды. Е1 - накопительная емкость; ПХ - прямой холодильник; ПР - плазмохимический реактор; ВИ - высоковольтный источник; О1 - осциллограф, Н1 - насос, К1 - запорный кран.

Рис. 3. Зависимость десятичного логарифма концентрации Escherichia coli от времени обработки различными типами разряда: 1 - барьерный разряд; 2 - искровой разряд.

Эксперимент показал эффективность метода искрового разряда по дезинфекции воды при экстремально высоких концентрациях штамма Е.соН. Наблюдалось снижение концентрации микроорганизмов на 7 порядков за 10 циклов обработки. Необходимо отметить, что

концентрация E. Coli в природных объектах (реки, озера) обычно не превышают 1103 КОЕ/мл.

Таким образом, очевидно, что низкотемпературная плазма открывает новые возможности в решении задач дезинфекции при водоочистке.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания на оказание услуг (выполнения работ) № 2014/171.

Якушин Роман Владимирович, аспирант кафедры композиционных материалов и технологий защиты от коррозии Российского Химико-Технологического Университета имени Д.И. Менделеева

Бродский Владимир Александрович,к.т.н., н.с. Российского Химико-Технологического Университета имени Д. И. Менделеева

Колесников Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, ректор Российского Химико-Технологического Университета имени Д.И. Менделеева

Бабусенко Елена Сергеевна, к.б.н., доцент кафедры Российского Химико-Технологического Университета имени Д.И. Менделеева

Чистолинов Андрей Владимирович, старший инженер лаборатории "Сорбент " Российского Химико-Технологического Университета имени Д.И. Менделеева

Литература

1. Евсеева Л.К. Качество воды, санитарное состояние водоемов /Л.К. Евсеева // ЖКХ .- 2003. - № 3. - С. 9-11.

2. Якушин Р.В., Бродский В.А., Колесников В.А., Чистолинов А.В., Певгов В.Г. Исследование влияния разрядов низкотемпературной плазмы на валентное состояние переходных металлов в водных растворах и перспективы применения метода в процессе водоподготовки //Вода: химия и экология. - 2014. - № 3 (69), с. 89 - 95.

3. Бродский В.А., Кондратьева Е.С., Якушин Р.В. и др. Анализ перспективных физико-химических методов обработки и обезвреживания воды, содержащей высокотоксичные химические вещества и микроорганизмы //Химическая промышленность сегодня. - 2013. - №2, с. 52 - 56.

4. Патент 2448768 РФ / Певгов В.Г. Способ плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения и устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения Заявлено 28.07.2010. Опубликовано 27.04.2012.

5. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с.

Yakushin Roman Vladimirovich*, Brodskyi Vladimir Aleksandrovich, Kolesnikov Vladimir Aleksandrovich, Babusenko Elena Sergeevna, Chistolinov Andrey Vladimirovich

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * E-mail: [email protected]

ESCHERICHIA COLI INACTIVATION BY BARRIER AND SPARK PULSED HIGHVOLTAGE DISCHARGES

Abstract

Development of new physical, chemical and reagent-free technologies disinfect water is a priority for research modern treatment methods. The influence of the barrier and spark discharges on water contaminated with Escherichia coli was investigated. Results of inactivation of E.coli by the spark discharge were received.

Keywords: water purification, barrier discharge, spark pulse discharge, Escherichia col