CC BY
16
Проф. А. И. БУРШТЕЙН, пнж. И. П. ПЫШКИН (Одесса)
Электрохимическое обезвреживание воды в судовых условиях1
Из научно-исследовательской лаборатории гигиены и санитарии Черноморского водздравотдела (дир. лаборатории—проф. А. И. Бурштейн)
Вопрос о снабжении судов доброкачественной питьевой водой еще не решен.
Из соображений экономического характера на судах обычно устанавливаются две отдельные системы водоснабжения: одна дает воду для питья и приготовления пищи, другая — для хозяйственных и некоторых санитарных целей (прачечные, бани, души, умывальники и пр.). Кроме того, имеется отдельный водопровод, подающий забортную (соленую) воду для промывки палубы, уборных и т. п., а также в бани, души и умывальники, если пресная вода израсходована; в этих случаях требуется, чтобы забортная вода была достаточно чистой.
В первых двух системах вода подается в запасные цистерны в нижней части судна, затем перекачивается насосами в расходные цистерны,, расположенные на более возвышенных частях судна, откуда самотеком-поступает в водопроводную магистраль.
Естественно, что наиболее строгие санитарно-гигиенические требования предъявляются к системе, подающей питьевую воду. Однако многократные исследования питьевой воды на судах показали, что во многих случаях она в санитарном отношении далеко не безупречна. Это объясняется, с одной стороны, тем, что сами источники забора воды (случайные береговые водоемы, забортная пресная вода в реках и т. п.) не всегда являются удовлетворительными; с другой стороны, вода часто загрязняется при приемке ее с берега и хранении на самом судне вследствие недостаточной автономности системы, просачивания грязной воды с палубы при неполной герметичности цистерн, плохой и несистематической очистки цистерн и т. п.
Поэтому приходится обезвреживать питьевую воду на самом судне (за исключением тех сравнительно редких случаев, когда для питья используется опресненная на судне вода, так как в процессе опреснения она и обезвреживается).
В судовых условиях обезвреживание воды обычно производится хлорированием ее. Но этот способ дает должный аффект лишь при правильной дозировке хлора и контроле за данной операцией, что далеко не всегда удается обеспечить на судне. Олигодинамическое действие некоторых металлов или их соединений для обезвреживания воды еще недостаточно изучено, в связи с чем этот метод пока нельзя рекомендовать для судовых условий. Обезвреживание воды кипячением хлопотливо и относительно дорого, ввиду чего применение кипятильников на судах ограничено.
Описываемый метод электрохимического обезвреживания воды, разработанный научно-исследовательской лабораторией гигиены и санитарии Черноморского водздравотдела, вполне пригоден для судовых условий. вследствие своей простоты и дешевизны.
Речь идет об электролизе воды — прохождении постоянного тока через электролитический проводник, каким! являются природные воды,, представляющие собой растворы электролитов. Дестиллированная вода обладает большим сопротивлением электрическому току, равным, по-Ко-льраушу, 26,4 а!2 на 1 см3. Дождевая вода дает на 1 см3 0,03
1 В работе принимали участие -сотрудницы Е. Я- Дондыш (отбор проб воды)
к Э. М. Френкман (микробиологический анализ воды).
колодезная—0,04 водопроводная — в среднем! от 0,002 до 0,005 \i-il в зависимости от содержания в ней минеральных или органических примесей. При электролизе воды в качестве продуктов электролиза на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. Выделение этих газов-на электродах в ряде случаев представляет собой первичный процесс,, например, при электролизе водного раствора H2S04. В других случаях (в частности, при электролизе природных вод) выделение водорода, и кислорода на электродах должно рассматриваться как вторичный, процесс.
Так, при прохождении постоянного тока через воду, в которой растворен сульфат натрия, последний подвергается диссоциации по уравнению:
Na,S04->2 Na'+SCV'.
При этом ионы Na' направляются к катоду, ионы J50/' — к аноду.
В результате взаимодействия ионов Na' с водой на катоде выделяется водород, согласно уравнению:
Na'+H,0--Na0H+H,
•на аноде же при взаимодействии ионов SO," с водой освобождается кислород:
S0,"+H,0-^H,S0,+0.
При перемешивании воды образовавшиеся на катоде NaOH и па-аноде H2.SÖ4 'вступают во взаимодействие,' причем вновь образуется исходная соль Na2S04:
2NaOH-f H2S04^ Na;S0.rj-2H,0.
Таким: образом!, в конечном счете происходит только разложение-воды, потому что при условии расхода двух молей ее на катоде к одного моля на аноде после перемешивания католита и анолита образуются лишь два моля воды.
Восстановление солевого состава воды при электролизе ее является яоложительным фактором, если речь идет об обезвреживании питьевой воды с помощью электролиза.
Как же осуществляется само обезвреживание воды? Очевидно, все
Таблица 1
№ опыта Напряжение тока в V Сила тока в А Время прохождения тока (в минутах) Количе лоний контроль ство ко-ia 1 см8 опыт
1 100 0,38 10 Густо 20
пророс
2 100 0,39 10 То же 20
3 100 0,4 10 я 1 я 10
4 110 0,42 10 я Я 20
5 118 0; 16 10 я 400 '
6 118 0,46 10 » II 20
7 118 0 37 10 Я я 40
8 118 0,42 15 я „ 2D
9 1 0 0,45 5 » я 40
10 120 0,43 5 я я Сте-
рильно
11 120 0,45 15 я я „
12 110 0,98 15 я я „
13 120» 0 57 ¡0 . я я 20
14 Ü8 0 6 . я я со ;
■сводится к действию кислорода, который освобождается in statu rias-cendi на аноде и как энергичный окислитель ведет к уничтожению бактерий.
В процессе исследований нами было проведено около 800 опытов, причем во всех случаях вода загрязнялась 100 000 В. coli на 1 см3. Опишем вкратце их методику в ее постепенном развитии и приведем некоторые данные, характеризующие эффективность отдельных установок.
Первая серия. Стеклянный сосуд емкостью 1 л прямоугольного сечения наполнялся загрязненной водой. В воду вводились два угольных электрода 20 X 4 X 1 cmi (рис. 1), к которым! подводилось напряжение в 100—120 V. Сила тока равнялась 0,37—0,98 А.
Каждый опыт длился 10 минут. К концу его стерильно отбирались пробы и засевались на агар. Одновременно ставился контроль. Результаты этой серии опытов представлены в табл. 1 (стр. 15).
Неполное уничтожение всех бактерий, можно объяснить тем!, что кислород, выделявшийся на аноде, не пронизывал всей толщи воды,
я оставались «мертвые» зоны, где он не проявлял своего бактерицид-+ ~
ного действия. Возможно также, что количество выделяющегося при опытах кислорода или время действия его на воду недостаточны для получения полного бактерицидного эффекта.
Из этой серии опытов можно было сделать вывод, что необходимо
Т а б л и ц а 2
№ Напря- Время про- Количество колоний
Сила ня 1 смЗ
хождения Примечание
опы- жение тока в А тока (в ми-
та тока в V нутах) контроль опыт
1 60 0,8 10 Густо про- 16 Алюминиевый со-
рос Стерильно суд 0,35 л
2 60 0,8 10 То же
3 50 1,0 10 » » 14 Медный сосуд 1 л
4 50 1 0 10 п W 10
5 30 0,8 15 8 Медный сосуд 1,6 л
6 30 0,8 15 14
7 20 0,8 5 W » 12 То же
8 20 0,8 7 II II 12 и II
9 20 0 8 9 и „ 2
10 25 0,8 10 » 10
в первую очередь добиться лучшего и более равномерного распределения во всей массе воды атомарного кислорода.
Вторая серия. В качестве сосуда для воды взят металлический цилиндр, служащий катодом. Внутрь сосуда устанавливался угольный электрод, являвшийся анодом (рис. 2). Результаты приведены в табл. 2. И здесь, как видим, полного обеззараживающего эффекта не получено.
чС
гг>
Рис. 3
Рис. 4
Поверхность соприкосновения анода с водой оказывалась недостаточной, а сделать металлический сосуд анодом*, по понятным причинам, не представлялось возможным.
Таблица 3
■ № опы- Напряжение Сила Время прохождения Количество нии на 1 коло- СМ3
тока (в ми-
тока в V тока в А
та нутах) контроль опыт
1 30 1.1 10 Густо 6
0,9 пророс
2 30 15 То же 8
3 30 0,95 20 4
4 30 1,1 15 2
5 30 1.1 15 2
6 60 . 2,0 8 4
7 70 1,6 3 '' » , 4
8 50 1,7 6 1
9 80 1,5 1 1
10 48 1.75 5 ,, , ' 1
2 Гигиена и санитария, № 11
Третья серия. В качестве сосуда для воды взят графитовый тигель емкостью 2,5 л, к которому подведен плюс; внутренним электродом служил уголь, к которому подведен минус (рис. 3). В данном случае условия для образования кислорода и контакта его с водой оказались наиболее благоприятными: вся толща воды была пронизана множеством мельчайших пузырьков кислорода. В табл. 3 приведены результаты этой серии опытов.
Четвертая серия опытов была проведена при помощи установки, сконструированной одним из авторов этой статьи—инж. И. П. Пышкиным (рис. 4).
Достоинства установки заключаются в том!, что она портативна, надежна в эксплоатадии, снабжена автоматической регулировкой, дает отличный эффект в отношении обеззараживания воды и не. требует больших затрат ни первоначальных, ни при эксплоатадии.
Установка состоит из бачка а, в который вводится обезвреживаемая вода. В дне бачка имеется отверстие Ь, закрываемое клапаном. Клапан может открываться с помощью электромагнита с. При выключении последнего клапан закрывает отверстие силой собственной тяжести.
Под бачком' а расположен графитный тигель й емкостью 2,5 л, в который попадает вода из верхнего бачка через трубку е, снабженную запорным краном!. Степень открывания крана устанавливается в зависимости от силы тока, пропускаемого через воду, с учетом получения необходимого количества кислорода. К тиглю подведен анод. Внутри тигля помещен угольный электрод, служащий катодом). Тигель при помощи слива соединен с бачком /, в который собирается обезвреженная вода.
На расстоянии 10 см от дна бачка / имеется фильтр на случай образования в воде осадка под действием кислорода (например, гидроокиси железа).
В бачке / установлен поплавок который при заполнении бачка размыкает через рубильник цепь, подающую ток для обезвреживания воды, и одновременно размыкает цепь, подающую ток к электромагниту, в силу чего прекращается подача воды в графитный тигель.
В данной установке вода поступала в графитный тигель непрерывно до заполнения (обезвреженной водой) запасного бачка. Заполнение тигля емкостью в 2,5 л длилось 5—8 минут. При напряжении до 90 V ток достигал 2—2,1 А. Пробы для анализа отбирались из запасного бач-. ка. Результаты анализа приведены в табл. 4.
Таблица 4
№ Коли- Напря- Сила Время про- Количество ний на 1 коло-см3
опы- чество жение хождения
в 1 см3 тока bV тока в А
та тока контроль опыт
1 100 000 60 2,0 Во время запол- Густо 4
1С0 000 нения тигля пророс
2 60 2,0 То же То же 4
3 ' 100 000 90 1,6 » „ 2
4 2С0 0С0 70 2,0 Во время слива 8
5 2000 0 65 2,1 То же . 8
6 1 С00 000 70 2,1 8
7 800 000 60 1,8 4
8 800 000 60 1,8 4
9 800 000 65 2,1 » ,, 10
За 1 час работы установка обезвреживала 30 л воды. При увеличении размеров установки и силы тока, применяемого для электролиза, выход обезвреженной воды соответственно возрастал.
Так как установка прекращает свою работу по заполнении запасного бака, то исключается расход электроэнергии при отсутствии потребления воды. Надо полагать, что максимальное потребление воды будет иметь место днем, т. е. тогда, когда электрогенераторы значительно меньше нагружены. Из этого следует, что установки для обезвреживания ' воды на судах не вызовут необходимости в дополнительных генераторах.
Из сказанного вытекает, что наибольший обеззараживающий эффект получается, если на 1 л воды приходится 40—50 мг кислорода. Это понятно, так как ток силой в 1 А разлагает в 1 минуту 5,58 мг воды, выделяя 0,62 мг водорода и 4,96 мг кислорода.
Сравнивая указанные количества кислорода с теми, которые освобождаются при хлорировании воды, мы видим, что первые значительно больше.
Если основные реакции хлорирования изобразить так:
С12+Н20->НСЦ-НС10 HCIO-^HCI+O,
то легко видеть, что 1 мг взятого хлора соответствует в среднем 0,23 мг кислорода. Следовательно, и в случаях суперхлорирования, когда на 1 л воды берут максимально 5—10 мг активного хлора, это соответствует лишь 1,15—2,30 мг кислорода, т. е. в предлагаемом способе обезвреживания воды кислорода приходится в 20—30 раз больше, нежели в случаях суперхлорирования, и в среднем в 150—200 раз больше,, чем при обычном хлорировании.
Такой большой расход кислорода объясняется тем), что здесь само обезвреживание воды доведено почти до полной стерильности, чего не дает обычное хлорирование, где эффект равен в лучшем' случае 96— 98°/о. Помимо того, затрата времени на обезвреживание воды в нашем случае равна лишь 5—10 минутам, тогда как при обычном хлорировании требуется 1,5—2 чйса.
Возникают ли при нашем способе обезвреживания воды побочные явления, отрицательно влияющие на состав и органолептические свойства воды? Конечно, кислород, выделяясь in statu noscendi, не только" уничтожает бактерии, но и проявляет свои окислительные свойства в отношении различных ингредиентов, которые могут встречаться в воде: так, нитриты переводятся в нитраты, закисные соединения железа — в окисные и т. п. Но это лишь полезно. Что касается органолептиче-ских свойств воды, то, по нашим данным, они не изменялись в худшую сторону. Это позволяет применять относительно большие количества атомарного кислорода для обезвреживания воды данным методом!, чего нельзя делать при хлорировании воды, где всегда имеется угроза получения большого- избытка хлора, что приведет к порче вкуса воды и потребует дополнительной операции — дехлорирования.
Имеющиеся в литературе указания о возможности образования в некоторых случаях при электролизе воды ничтожных количеств озона не имеют существенного значения.
В заключение уместно поставить вопрос об экономических затратах при описанном! методе обезвреживания воды. Эти затраты зависят от расхода электроэнергии для получения кислорода в нужных количествах.
Нетрудно произвести простой расчет на основании опытов с лабораторной установкой.
1 л воды для обезвреживания требует 40—.50 мг кислорода. По 'закону Фарадея количество выделившегося кислорода будет зависеть тсугько от двух факторов — времени и силы тока. Если предположить, что необходимо обезвредить 20 л в течение 10 минут, то ток опреде-
лится из следующего расчета. Количество необходимого кислорода будет 40X20=800 Mir. В 1 минуту получаем при 1 А 5 мг кислорода, следовательно, за 10 минут — 50 мг. Для получения 800 мг кислорода необходимо пропустить ток в 16 А.
Но при определении стоимости электроэнергии играет роль также напряжение, которое может быть различным, в зависимости от сопротивления установки. И если теоретически можно вести процесс электролиза при напряжениях порядка 1,23—1,6 V1, то практически падение напряжения на электродах и в электролите требует более высокого напряжения. Опыты с лабораторной установкой показали, что при необходимости пропустить 2 А для нашей установки требовалось 14—16 V, а в первоначальных опытах при большем расстоянии между электродами даже 100—120 V.
Принимая напряжение не выше 15 V, мы будем' иметь расход электроэнергии в kWh равным
16.15.0,167 0,039 kWh.
Учитывая стоимость электроэнергии, мы можем судить об экономичности этого способа обезвреживания питьевой воды. При стоимости 1 kWh 20 копеек затраты на обезвреживание 20 л воды выразятся в 0,78 копейки, или стоимость обработки 1 л будет 0,039 копейки«¿0,04 •копейки. Дальнейшее снижение возможно за счет рационализации конструкций установки, с тем чтобы добиться уменьшения электросопротивления, а следовательно, и напряжения. Используя опыт построения ванн для получения чистых газов — водорода и кислорода, можно снизить напряжение до 2—2,5 V и соответственно уменьшить в 6—7 раз стоимость обработки.
В дальнейшем лаборатория ставит себе задачей построение системы обезвреживания, включаемой непосредственно в магистраль водоснабжения. Система тогда будет иметь электроизолированный от всей магистрали участок металлической трубы, который получит минус, а расположенный внутри трубы угольный электрод получит плюс. При соответствующем подборе сечения зазора между электродами возможна обработка воды непосредственно в магистрали.
Выводы
1. Применение постоянного тока для обезвреживания воды при определенных условиях дает надежный эффект.
2. Обезвреживание достигается электролизом! воды, при котором освобождается кислород.
3. Для полного обезвреживания сильно загрязненной воды на 1 л ее необходимо 40—50 мг кислорода.
4. Предлагаемый метод особенно ценен при обезвреживании относительно небольших количеств воды, например, на судне.
5. Сконструирована портативная установка, дающая возможность при малых затратах получать обезвреженную воду.
6. Описанный' метод позволит отказаться от двух водопроводов на ' судне и заменить их одним.
1 .Дг'р П ф л е й д е р е р, Электролиз воды.
