CC BY
270
УДК 532.528 А.С. Криволуцкий, В.А. Кулагин
ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ В РЕЗУЛЬТАТЕ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Доказано, что влияние кавитационной обработки поливной воды сказывается на увеличении урожайности тепличных культур: огурцов, помидоров и др.; влияет на ускорение всхожести семян моркови и т.п. В данной статье рассматривается влияние на окислительно-восстановительный потенциал воды с целью использования новых свойств в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.
Вода является наиболее загадочным и не изученным до настоящего времени веществом. Она характеризуется многими параметрами. Основные из них: кислотно-щелочной показатель (рН), минерализация и ее состав, структура воды, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Окислительные процессы понижают показатель кислотно-щелочного равновесия (чем выше ОВП, тем ниже рН), восстановительные -способствуют повышению рН.
Окислительно-восстановительный потенциал характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов. Значение ОВП для каждой окислительно-восстановительной реакции выражается в милливольтах и может иметь как положительное, так и отрицательное значение. В природной воде значение ОВП колеблется от -400 до + 700 мВ, что определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов [1]. В условиях равновесия значение ОВП определенным образом характеризует водную среду и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды [2]. В зависимости от значения ОВП различают несколько основных сред, встречающихся в природных водах [3]:
- окислительная - характеризуется значениями ОВП > + 150 мВ, присутствием в воде свободного кислорода, а также ряда элементов. Такая среда наиболее часто встречается в поверхностных водах;
- окислительно-восстановительная - определяется величинами от 0 до + 100 мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях происходит как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов;
- восстановительная - характеризуется значениями ОВП < 0 мВ. Типична для подземных вод, где присутствуют металлы низких степеней валентности, а также сероводород. Окислительно-восстановительный потенциал зависит от температуры и взаимосвязан с рН.
Основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма, являются окислительно-восстановительные реакции. Для того чтобы все биохимические процессы в организме человека протекали в оптимальном режиме, ОВП питьевой воды должен соответствовать ОВП межклеточной жидкости. Он находится в диапазоне от +100 до -200 мВ. Тогда организму не надо тратить дополнительную энергию на выравнивание ОВП [1; 3-4]. ОВП питьевой воды практически всегда больше нуля, обычно находится в пределах от +100 до +400 мВ. Это справедливо практически для всей потребляемой питьевой воды.
Одним из путей решения проблемы обеспечения населения доброкачественной водой является внедрение новых методов водоподготовки, сочетающих надежную степень очистки и необходимую активацию. К настоящему времени известен ряд технологических подходов к биологической активации воды [5-10 и др.]. Большое место среди «активирующих» технологий занимают полевые воздействия [8; 10 и др.]. Известно большое количество работ, посвященных исследованиям воздействия физических полей разной природы и интенсивности на живые организмы и модельные системы.
Вода, как живая система, обладает необычным свойством, она взаимодействует с тем, с чем контактирует, и несет в себе информацию о том, с чем она взаимодействовала. Долговременная память воды хранится в стабильных ассоциатах молекул воды (кластерах, фракталах), кратковременная - в неустойчивых [11]. Наряду со структурной памятью [11-12 и др.], вода обладает свойством передачи информации другим системам [13]. Таким образом, питьевая вода должна быть, как минимум, химически, биологически и информационно очищенной, а затем ей должна быть передана положительная биологическая активность [11].
К новым разработкам в этой области относятся исследования гидродинамического кавитационного способа водоподготовки [14-17]. Физико-химические аспекты кавитационных явлений изучены ранее с использованием ультразвуковых генераторов кавитации [18-21]. Как показывают исследования, под действием кавитации в воде и водных растворах происходят сложные физико-химические процессы, классифицируемые следующим образом [20]:
- окислительно-восстановительные реакции, которые идут в воде между растворенными веществами и продуктами расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их захлопывания;
- реакции между растворенными газами внутри кавитационных пузырьков;
- цепные реакции в растворе, инициируемые продуктами расщепления в кавитационных пузырьках примесных веществ;
- деструкция макромолекул и инициированная ею полимеризация.
Исследованиями, проведенными в работе [14], показано существенное изменение некоторых важнейших физико-химических свойств воды. Причем если воду, прошедшую такую обработку, хранить в изоляции от атмосферного воздуха, изменение исследованных физико-химических показателей усиливается [15].
Таким образом, в связи с вышеизложенным, можно сделать вывод о необходимости проведения исследований на тему:
- изменение окислительно-восстановительного потенциала воды, прошедшей кавитационную обработку;
- определение наиболее эффективного режима обработки;
- релаксация окислительно-восстановительного потенциала воды, прошедшей кавитационную обработку.
С этой целью в политехническом институте СФУ был проведен ряд экспериментов по обработке дистиллированной, водопроводной отстоявшейся и неотстоявшейся воды гидродинамической кавитацией. В опытах использовался кавитационный реактор [22] с различными углами клина а: 10°, 20°, 30°, 40°, 60°, 70°, 80°, 90°. Обработка проводилась с постоянной длительностью t = 330 с при разной частоте вращения п: 1600 об/мин, 5000 об/мин, 10000 об/мин. Измерение ОВП проводили с помощью прибора Water Test фирмы Hanna Instruments. Измерения ОВП проводилось непосредственно для каждой пробы до и после обработки.
Вода для исследований подготавливалась следующим образом:
- дистиллят водопроводной воды хранился в течение трёх суток после перегонки в стерилизованной стеклянной колбе с ограниченным доступом атмосферного воздуха;
- отстоявшаяся водопроводная вода отбиралась из водопроводной сети, предварительно промытой в течение 30 мин. Далееона помещалась в стерилизованную стеклянную колбу и хранилась в затемнённом месте в условиях ограниченного доступа атмосферного воздуха в течение двадцати суток;
- анализируемая водопроводная вода отбиралась из сети, предварительно промытой в течение 30 мин. На протяжении периодического отбора проб водопровод не перекрывался.
Изменение окислительно-восстановительного потенциала. Так как опыты проводились в различное время, то значения ОВП до обработки (Енач) колебались в некоторых незначительных пределах. В связи с этим экспериментальные результаты приведены в виде зависимостей изменения АЕ = Енач - Еконеч от параметров обработки.
На рис. 1-3 представлены зависимости изменения АЕ от угла раскрытия клина для различных частот вращения ротора.
Рис. 1. Изменения ОВП дистиллированной воды от угла клина при различных частотах вращения ротора: а - 1600 об/мин; б - 5000; в - 10000 об/мин
Рис. 2. Изменения ОВП отстоявшейся водопроводной воды в зависимости от угла клина при различных частотах вращения ротора: а - 1600 об/мин; б - 5000; в - 10000 об/мин
Рис. 3. Изменения ОВП неотстоявшейся водопроводной воды от угла клина при различных частотах вращения ротора: а - 1600 об/мин; б - 5000; в - 10000 об/мин
Для удобства анализа на рис. 4-6 приведены экспериментальные результаты в виде безразмерных величин АЕ от числа кавитации х для всех используемых насадок.
Ен
Определение наиболее эффективного режима обработки. Для определения наиболее эффективного режима обработки из диаграмм, представленных на рис. 1-3, выявлены повторяемые углы клина насадок, при использовании которых наблюдается максимальный кавитационный эффект. Наиболее повторяемые виды насадок приведены в таблице.
Результаты определения наиболее эффективного кавиационного режима обработки для изменения ОВП воды в графическом виде изображены на рис. 7.
Определение углов клина насадок с самым эффективным кавитационным воздействием (темные ячейки) при различных частотах вращения ротора для различных типов воды
Тип воды Частота вращения ротора, об/мин
1600 5000 10000
Дистиллят 40 80 90 40 80 90 40 80 90
Отстоявшаяся водопроводная 20 60 80 20 60 80 10 20 60
Нетстоявшаяся водопроводная 10 40 80 40 80 90 30 80 90
Релаксация окислительно-восстановительного потенциала. Подготовка и обработка воды проводилась согласно методике предыдущих исследований при частоте вращения ротора 10000 об/мин. ОВП воды до и после обработки составил следующие значения:
- дистиллированная вода: до обработки - 187 мВ;
после обработки - от 121 до 129 мВ в зависимости от угла клиновидного профиля;
АЕ
Рис. 4. Зависимость изменения дистиллированной воды после кавитационной обработки от числа кавитации при различных углах клина
АЕ
Рис. 5. Зависимость изменения отстоявшейся водопроводной воды после кавитационной обработки от числа кавитации при различных углах клина
ДЕ
Рис. 6. Зависимость изменения неотстоявшейся водопроводной воды после кавитационной обработки от числа кавитации при различных углах клина
ц, тыс. оБ/ммн О 5
О
-20
.40
.60
чи
^100
-120
-140
-160
-180
-200
10
и* тыс. об/мин
О 5
10
й„тые. об/мин 0 5
—• 0 ■ I 0 ■
-20 ■ ,4 -20 ■
-40 - -40 ■
■£ * « ' -100 ■
^-100 ■
И 20 ■ -120 ■
-140 - -0-20° -140 ■
—J^3^r —«-от -160 ■ -180 --200 - -■-Є0* —-г-00* -160 ■ -180 ■ -200 ■
10
Рис. 7. Изменения ДЕ воды, обработанной максимально эффективными насадками: а - дистиллированная вода; б - отстоявшаяся водопроводная вода; в - неотстоявшаяся водопроводная вода
- отстоявшаяся водопроводная вода: до обработки - 330 мВ;
после обработки - от 122 до 161 мВ в зависимости от угла клиновидного профиля;
- неотстоявшаяся водопроводная вода: до обработки - 500 мВ;
после обработки - от 196 до 315 мВ в зависимости от угла клиновидного профиля.
После обработки все пробы воды хранились и анализировались аналогично методик, описанной в [15]. Экспериментальные результаты в виде графических зависимостей ОВП (Е) от времени (1) изображены на рис. 8-10.
Рис. 8. Зависимость изменения во времени ОВП проб дистиллированной воды, обработанной кавитатором с различными углами раскрытия клина;
• - ОВП воды до обработки
Рис. 9. Зависимость изменения во времени ОВП проб отстоявшейся водопроводной воды, обработанной кавитатором с различными углами раскрытия клина; • - ОВП воды до обработки
Рис. 10. Зависимость изменения во времени ОВП проб неотстоявшейся водопроводной воды, обработанной кавитатором с различными углами раскрытия клина; • - ОВП воды до обработки
Анализируя вышеприведенные результаты экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:
- кавитационная обработка воды способствует снижению ОВП;
- снижение ОВП пропорционально уменьшению числа кавитации;
- наиболее сильное снижение ОВП наблюдается при обработке неотстоявшейся водопроводной воды;
- наиболее эффективная обработка наблюдается при использовании насадок с углами раскрытия клина 40 и 80е и частоте вращения ротора 10000 об/мин;
- в процессе хранения обработанной воды в изоляции от атмосферного воздуха ОВП значительно изменяется в зависимости от типа воды, но независимо от режима обработки (рис. 8-10).
В заключение следует отметить о необходимости проведения углубленных всесторонних исследований с целью применения кавитационной обработки для кондиционирования питьевой воды, воды сельскохозяйственного назначения и др.
Литература
1. http// www.tdsmeter.ru.
2. Ввозная, Н.Ф. Химия воды и микробиология / Н.Ф. Ввозная. - М.: Высш. шк., 1979. - 340 с.
3. http://www.waterforlife.ru.
4. http:// www.admmir.ru.
5. Зеленухин, И.Д. Ключ к живой воде / И.Д. Зеленухин, В.Д. Зеленухин. - Алма-Ата: Кайнар, 1980. - 103 с.
6. Руденко, М.Г. Некоторые аспекты оценки и повышения эффективности аппаратов для кавитационной обработки жидкостей / М.Г. Руденко // Гидродинамика больших скоростей. - Красноярск: Изд-во КПИ, 1986. - С. 43-46.
7. Сковронский, А.Ю. Гигиеническая оценка вод, обработанных новыми энергоиформационными свойствами, технологиями, с учётом воздействия на иммунную систему / А.Ю. Сковронский, Р.И. Михайлова, В.Д. Иванов [и др.] // Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 977-978.
8. Труханова, И.Г. Изучение влияния на организм человека негазированной минеральной воды «Кристальная», обработанной торсионным энергоинформационным полем с заданными лечебными свойствами, направленными на регуляцию активности иммунной системы / И.Г. Труханова, Т.Д. Гоиценко, Ю.В. Коп-нов // Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 981-984.
9. Овчинников, А.В. Изучение энергоиформационных свойств воды, кондиционированной воздействием импульсных электрических разрядов / А.В. Овчинников, Ю.А. Рахманин, В.К. Кондратов [и др.] // Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 984.
10. Солодилов, А.И. Обработка воды сверхслабыми импульсными магнитными полями (по технологии ТЕЛОС) для профилактических и медицинских целей / А.И. Солодилов, В.А. Борисов, В.Ю. Пичугин [и др.] // Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 990-992.
11. Прилипенко, В.Д. Улучшение биологических и информоэнергетических свойств воды / В.Д. Прилипенко, И.Н. Варнавский, Г.Д. Бердышев // Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 10061007.
12. Курик, М.В. Экология питьевой воды / М.В. Курик, А.М. Курик// Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 1009-1010.
13. Зенин, С.В. Анализ воды как пятого вещества / С.В. Зенин // Вода: экология и технология: мат-лы конгресса. - М., 2004. - С. 973.
14. Криволуцкий, А.С. Изменение физико-химических свойств воды под воздействием гидродинамической кавитации / А.С. Криволуцкий, В.А. Кулагин // Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения: мат-лы НПК. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - С. 61-74.
15. Криволуцкий, А.С. Релаксация физико-химических свойств воды, прошедшей обработку гидродинамической кавитацией / А.С. Криволуцкий, В.А. Кулагин // Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения: мат-лы НПК. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - С. 22-29.
16. Криволуцкий, А.С. Использование эффектов кавитации для кондиционирования вод различного назначения / А.С. Криволуцкий // Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения: мат-лы НПК. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - С. 97-103.
17. Криволуцкий, А.С. Применение кавитационной технологии в бытовом водоснабжении / А.С. Криволуцкий // Тр. КГТУ. - 2006. - № 2-3. - С. 148-155.
18. Зубрилов, С.П. Ультразвуковая обработка воды и водных систем / С.П. Зубрилов. - Л.: Транспорт, 1973.
- 98 с.
19. Маргулис, М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция / М.А. Маргулис. - М.: Химия, 1986. -288 с.
20. Маргулис, М.А. Сонолюминесценция и ультразвуковые химические реакции / М.А. Маргулис // Акустический журн. - 1969. - Т. 19. - Вып. 2. - С. 3-39.
21. Маргулис, М.А. Об оценке энергетического выхода химических реакций, инициированных ультразвуковыми волнами / М.А. Маргулис, А.Н. Мальцев // ЖФХ. - 1968. - Т. 42. - С. 1441-1447.
22. Кулагин, В.А. Суперкавитационный миксер / В.А. Кулагин // Гидродинамика больших скоростей. - Красноярск: Изд-во КрПИ, 1992. - С. 134-140.
----------♦-------------
УДК 504.03 О.Г. Дубровская, В.А. Кулагин
ПРОБЛЕМЫ ЕВТРОФИРОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ГИДРОЭКОСИСТЕМ
В статье рассматриваются проблемы экологической безопасности и устойчивости природно-технической системы (ПТС), которая должна обеспечить экологически безопасное взаимодействие гидроэкосистемы и технического объекта на примере открытых водозаборных сооружений.
В результате гидротехнического строительства в гидросфере сформировался весьма обширный класс экосистем, обладающих специфическими свойствами. Строительство крупных гидротехнических сооружений, в силу своей специфики и масштабов, оказывает существенное и разнообразное влияние, как на природные, так и на хозяйственные условия прилегающих территорий и акваторий. Так, в результате возведения плотин изменяются режимы зарегулирования рек: гидрологический, ледотермический, гидрохимический, гидробиологический. Климатические условия вблизи созданных водохранилищ делаются иными. Значительные площади земель уходит под воду или подтапливаются. Меняются и сложившиеся условия обитания, как
