CC BY
81
УДК 628.16
Какауров Сергей Владимирович Sergey Kakaurov
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ МЕДИ И СЕРЕБРА ПРИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ ВОДЫ ДИАФРАГМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ
CHARACTERISTICS OF COPPER AND SILVER IONS FOR WATER DISINFECTION BY A DIAPHRAGM ELECTRIC DISCHARGE
Представлены характеристики образования ионов меди и серебра от рабочих условий технологии обеззараживания воды диафрагменным электрическим разрядом. Описаны зависимости генерации ионов меди и серебра от максимального мгновенного импульсного напряжения, определено наиболее эффективное по производительности бактерицидных агентов рабочее напряжение импульсного источника питания, дано объяснение негативного фактора чрезмерного увеличения энерговклада в разряд. Описаны характеристики выхода ионов антимикробных металлов от проводимости обрабатываемой воды, представлены математические зависимости образования ионов, даны объяснения полученным результатам
Ключевые слова: диафрагменный электрический разряд, ионы меди, ионы серебра, зависимость выхода ионов меди и серебра от напряжения и проводимости
The article presents the characteristics of copper and silver ions' formation from the working conditions of water disinfection technology diaphragm by an electric discharge. The author describes the dependence of copper and silver ions' generation from the maximum instantaneous pulse voltage, identifies the most effective performance of bactericidal agents operating voltage pulsed power source, gives an explanation to a negative factor excessive deposition of energy into the discharge. The output characteristics of metals' ions from the conductivity of treated water are described, mathematical dependence of ions' formation with an explanation of the results is presented
Key words: diaphragm electric discharge, copper ions, silver ions, dependence of copper and silver ions' generation from an electric voltage and conductivity
Согласно государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Российской Федерации» 2011 г., количество подземных, поверхностных источников централизованного, а также источников нецентрализованного водоснабжения в России, не соответствующих гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, составляет 3,8, 16,5 и 25,3 % соответственно. В сравнении с 2009 г. эти показатели растут. В связи с приведенными статистическими данными, ак-
туальным становится развитие обеззараживающих технологий, удовлетворяющих современным санитарным требованиям, с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами. Одной из таких технологий является система обеззараживания воды, основанная на диафрагменном электрическом разряде (ДЭР). Антимикробными факторами установки являются бактерицидные агенты перекиси водорода H2O2 [1], ионов меди ^2+ и серебра Ag+, атомарного кислорода О, озона O3 и гид-
роксид-ионов ОН- [2,3]. Продолжительной во времени антимикробной способностью обладают только ионы меди и серебра, которые являются одними из основных компонентов свойства последействия обработанной воды, т.е. устойчивости воды к бактериям после процесса обеззараживания.
С древних времен металлы использовались для микробиологической дезинфекции воды. Вода, отстоявшая небольшой промежуток времени в сосуде, сделанного из серебра или меди, не только обеззараживалась, но и становилась бактерицидной. В Древнем Риме для остановки развитий эпидемий в качестве водопровода применялись трубы из меди. В Средневековье на Руси и в Западной Европе было принято класть серебряную монету в сосуд хранения воды и в колодец. Впервые в научном мире антимикробные действия серебра и меди описал швейцарский ботаник Карл Негель. Он исследовал отмирание микроорганизмов в воде при миллионных долях концентраций ионов металлов. Проникая в клетки бактерий, ионы серебра и меди блокируют их жизнедеятельность, что приводит к гибели микроорганизмов [4, 5, 6]. В 2012 г. ученые из Хьюстона (США) доказали, что основой обеззараживания являются ионы металлов, а не их наночастицы [7]. Также известно, что совместное присутствие ионов серебра и меди усиливает антимикробный эффект, в отличие от раздельного воздействия [5,8].
Поэтому важной задачей совершенствования способа обеззараживания воды ДЭР является исследование и установление факторов образования дезинфицирующих ионов меди Си2+ и серебра А§+. Ранее А.С. Юдин (Россия) выявил характер образования ионов меди во время обработки воды ДЭР от изменения водородного показателя жидкостей, диаметра отверстий диафраг-менной мембраны, химического состава воды и скорости движения растворов через диафрагменную мембрану [2].
В Забайкальском государственном университете на основании лабораторных исследований установлены зависимости
образования концентраций Си2+ и А§+ от приложенного напряжения и проводимости водных растворов. Исследования проводились с использованием реактора, конструкция которого приведена в [9], а его электроды подключались к импульсному источнику питания (ИИП). Характеристика импульсов ИИП: длительность 8,5 мкс, фронт нарастания и длительность среза 0,4 мкс, скважность 1,05 (рис. 1). На каждую исследованную контрольную точку затрачено по 50 Втч электрической энергии (фиксировалась по счетчику ЦЭ 6807П, с классом точности 1,0). В качестве проводящей жидкости использован модельный раствор из дистиллированной воды и хлорида натрия ^аС1) проводимостью 0,45 мСм/см. Определение концентрации ионов меди проводилось по методике ПНД Ф 14.1:2:4.257-2010 [10], а ионов серебра — атомно-абсорбционной спектрофотомет-рией. Формы зависимостей выхода Си2+ и А§+ от величины мгновенного импульсного напряжения изображены на рис. 2.
Процесс образования ионов металлов в реакторе ДЭР отличен от процесса электролиза. Кривые прямолинейно нарастают от значения 1,7 кВ до 2,3 кВ, а при значениях менее 1,7 кВ разряд практически отсутствовал. При превышении напряжений выше 2,3 кВ генерация ионов уменьшается, что связано с увеличением тепловых потерь на обработку жидкости. Приведенные зависимости показывают, что увеличение напряжения и энерговклада в разряд имеет положительный эффект до определенного значения напряжения, после которого увеличение напряжения и энерговклада имеет отрицательный результат. Аналогичную закономерность обнаружил Я.И. Корнев, исследуя барьерный разряд для обеззараживания и очистки воды [11]. Кривые образования ионов меди и серебра имеют разные углы наклона, что свидетельствует о разных характерах выхода ионов при одинаковых условиях. При всех значениях напряжений генерация Си2+ интенсивней А§+ (в среднем на 40...50 мкг/л из-за меньшей окисляемости серебряных электродов в сравнении с медными).
а)
Рис. 1. Осциллограмма напряжения ИИП
б)
Рис. 2. Схема зависимости выхода ионов меди (а) и ионов серебра (б) от мгновенного импульсного напряжения
Вода из различных источников имеет разный химический состав и, следовательно, — проводимость. Поэтому была поставлена задача — выявить изменения проводимости воды на количественный выход бактерицидных агентов. Для определения концентрации ионов меди использовалась дистиллированная вода с исходной концентрацией Си2+ 24 мкг/л. Жидкость разделялась на две равные части. Во вторую часть для доведения проводимости до значения 2 мСм/см добавлялся хлорид натрия. Установление требуемой проводимости модельного раствора происходило путем смешивания в определенной пропорции вод из двух заготовленных емкостей. Проведенное мероприятие было необходимо для равномерного растворения в воде меди, содержащейся в соли, поскольку распределение Си2+ в кристаллах ^С1 неравномерно. На осно-
вании анализа проводимости питьевых и сточных вод выбран диапазон исследования проводимости — 0,17...1,2 мСм/см. При значениях менее 0,17 мСм/см происходило нестабильное образование ионов меди, а при значениях более 1,2 мСм/см — короткие замыкания в реакторе.
Зависимости образования ионов меди и серебра от проводимости раствора изображены на рис. 3. Прямая 1 иллюстрирует содержание Си2+ в дистиллированной воде, а возрастающая прямая 2 показывает концентрацию меди в модельном растворе (с ^С1) при различных проводимостях. Кривая 3 является результатом обработки раствора в реакторе, а кривая 4 — разность между зависимостями 3 и 2. Зависимость 4 отображает итоговый выход ионов меди в функции от проводимости обрабатываемого раствора и имеет убывающий харак-
тер на всем диапазоне исследования, что связано с увеличением тепловых потерь, с уменьшением сопротивления исследуемой жидкости. При проводимостях 0, 17... 1, 2 мСм/см кривую можно описать полиномиальным уравнением с величиной достоверной аппроксимации И2=0,98:
Си2+[0,17;1,2]= 41,102 - 110,70 + 90,66, (1)
где Си2+ — концентрация ионов меди, мкг/л;
0 — проводимость обрабатываемого раствора, мСм/см.
Рис. 3. Зависимости образования ионов меди (а) и серебра (б) от проводимости водного раствора
Генерация ионов серебра в реакторе ДЭР имеет схожий характер с генерацией ионов меди (см. рис. 3), обе кривые вогнуто убывают. Как и в зависимостях образования ионов от напряжения, при всех значениях проводимости образование Си2+ выше Л§+ в среднем на 10...15 мкг/л при одинаковых условиях эксперимента из-за большей окисляемости медных электродов в сравнении с серебряными. Кривую выхода Л§+ также можно описать полиномиальным уравнением с величиной достоверной аппроксимации И2=0,98:
Лё+[0,17;1,2]=45,302 - 114,90 + 77,56, (2)
где Л§+ — концентрация ионов серебра, мкг/л;
0 — проводимость обрабатываемого раствора, мСм/см.
Проводимость питьевой воды из различных источников имеет значения, близкие к 0,45 мСм/см, а проводимость сточ-
ных вод, как правило, выше этих значений и колеблется в пределах 0,45.0,8 мСм/см [2, 3]. На основании полученных характеристик генерации ионов меди и серебра от проводимости воды и величины импульсного напряжения можно проводить мероприятия по регулированию параметров рабочих режимов технологии ДЭР для повышения эффективности обеззараживания.
Выводы
1. Генерация ионов меди и серебра при обработке воды ДЭР не укладывается в законы классической электрохимии.
2. Образование Си2+ и Л§+ от импульсного напряжения имеет линейный нарастающий характер при значениях 1,7.2,3 кВ и диаметрах отверстий диафрагменной мембраны 1,2 мм при одинаковом энергопотреблении на каждую исследованную точку и линейный убывающий характер при значениях 2,3.2,5 кВ.
3. Повышение энерговклада в разряд имеет положительный эффект до опреде-
ленного значения, после которого повышение энерговклада становится не эффективным.
4. Полученные зависимости образования ионов меди и серебра от проводимости
Литература_
1. Огройкова И.К., Максимов А.И. Обеззараживание растворов тлеющим и диафрагменным разрядами атмосферного давления // Электронная обработка материалов. 2002. № 6. C. 43-49.
2. Юдин A.C. Разработка реактора и системы автоматического управления процессом обеззараживания сточных вод диафрагменным электрическим разрядом: дис. канд. техн. наук. Иркут. гос. техн. ун-т, Иркутск, 2010. 121 с.
3. Лапшакова К.А. Обеззараживание бытовых сточных вод малых населенных пунктов диафраг-менным электрическим разрядом: дис. канд. техн. наук. Иркут. гос. техн. ун-т, Иркутск, 2009. 115 с.
4. Противомикробная медь. Часто задаваемые вопросы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.scribd.com/doc/32255374.
5. Гончарук Е.И., Бардов B.T., Гаркавий ^И., Яворовский А.П. Коммунальная гигиена. Киев, 2006. 792 с.
6. Кульский Л.А. Cеребряная вода. Киев: Нау-кова Думка, 1968. 104 с.
7. Zo^-mmg Xiu. Negligible Particle-Specific A^^cterial Activity of Silver NaMparticles / Zo^-mmg Xiu, Qmg-bo Zha^, Hema L. Puppala, Vicki L. Colvm // Journal Na™ letters, 2012. 4271-4275 p.
8. Комбинированный способ обеззараживания воды: пат. 2288191 Рос. Федерация / B.B. Гутенев, BA. Грачев, B.^ Теличенко, А.И. Ажгиревич, И.А. Денисова. № 2005118033/15. заявл. 14.06.2005, опубл. 27.11.2006.
9. Какауров C.B., Юдин А.^, Cуворов И.Ф. Обеззараживание воды диафрагменным электрическим разрядом // ^временные техника и технологии: матер. XVII Междунар. науч.-практ. конф. Т. 1, 2011. Томск. C. 63-64.
10. ПНД Ф 14.1:2:4.257-2010. Методика измерения массовой концентрации меди в пробах природных, питьевых и сточных вод флуориметри-ческим методом на анализаторе жидкости «Флюо-рат-02».
воды имеют убывающий характер на всем интервале исследования 0,17...1,2 мСм/см. Они позволят создать автоматизированную систему управления эффективностью обеззараживания питьевых и сточный вод.
_References
1. Stroykova I. Obezzarazhivanie rastvorov tley-ushhim i diafragmennym razryadami atmosfernogo davleniya [Disinfection of solutions by glow and diaphragm discharges of atmospheric pressure]. Electronic processing of materials. 2002. no 6. Р. 43-49.
2. Yudin A. Razrabotka reaktora i sistemy avto-maticheskogo upravleniya protsessom obezzarazhiv-aniya stochnyh vod diafragmennym elektricheskim razryadom [Development of reactor systems and automatic process control of wastewater disinfection by a diaphragm electric discharge]: Diss. Candidate of Technical Sciences, Irkutsk, 2010. 121 p.
3. Lapshakova K. Obezzarazhivanie bytovyh stochnyh vod malyh naselennyh punktov diafragmen-nym elektricheskim razryadom [Disinfection of household wastewater in small settlements by a diaphragm electric discharge]: Diss. Candidate of Technical Sciences, Irkutsk, 2009. 115 p.
4. Protivomikrobnaya med. Chasto zadavae-mye voprosy [Antimicrobial copper. Frequently asked questions:] Available at: http://ru.scribd.com/ doc/32255374.
5. Goncharuk Е. Kommunalnaya gigiena [Communal hygiene]. Kiev, 2006. 792 p.
6. Kulsky L. Serebryanaya voda [Silver water]. Kiev: Naukova Dumka, 1968. 104 p.
7. Zong-ming Xiu, Qing-bo Zhang, Hema L. Puppala, Vicki L. Journal Nano letters, 2012. 42714275 p.
8. Kombinirovanny sposob obezzarazhivaniya vody [Combined method of water disinfection]: patent 2288191 Russian Federation / V. Gutenev, V. Grachev, V. Telichenko, A. Azhgirevich, I. Denisova. № 2005118033/15. statement. 14.06.2005, publication. 27.11.2006.
9. Kakaurov S. Sovremennye tehnika i tehnologii [Modern techniques and technologies], Vol. 1, 2011. Tomsk, 63-64 p.
10. PND F 14.1:2:4.257-2010, metodika izme-reniya massovoy kontsentratsii medi v probah prirod-nyh, pitievyh i stochnyh vod fluorimetricheskim me-todom na analizatore zhidkosti «Flyuorat-02». [PND f 14.1:2:4.257-2010, methods of mass concentration measurement of copper in samples of natural, potable and wastewater fluorimetric method based on the analyzer of the liquid «Fluorat-02»].
11. Корнев Я.И. Обработка воды импульсными разрядами в водо-воздушном потоке: дис. канд. техн. наук. Томск: Томск. полит. ун-т, 2005. 162 с.
Коротко об авторе _
Какауров С.В., аспирант, каф. «Электроэнергетика и электротехника», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия Тел.: 89644623474
Научные интересы: новые технологии
11. Kornev N. Obrabotka vody impulsnymi razry-adami v vodo-vozdushnom potoke [Water treatment by impulse discharges in water — airy stream]: Diss. Candidate Technical Sciences, Tomsk, 2005. 162 p.
_ Briefly about the author
S. Kakaurov, postgraduate student, Power and Electrical Engineering department, Transbaikal State University, Chita, Russia
Scientific interests: new technologies
