CC BY
113
УДК 577.352
Оптимизация геометрии электродов бытовых серебряных ионаторов питьевой воды
Владимир Васильевич Кокорин, зав. учебно-исследовательской лабораторией, e-mail:info@igupit.ru
Николай Андреевич Чарыков, к.т.н., проф., каф. «Информационные системы и инновационные технологии», e-mail:info@igupit.ru
Николай Алексеевич Феоктистов, д.т.н., проф., зав. каф. «Информационные системы и инновационные технологии», первый проректор, e-mail:info@igupit.ru
НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий», Москва
Проанализированы недостатки отечественных бытовых автономных серебряных ионаторов питьевой воды; рассмотрены вопросы оптимизации совокупности параметров, характеризующих потребительские качества этих изделий; представлены результаты микробиологических испытаний питьевой воды, полученной из различных источников водоснабжения; разработана оптимизированная электродная система автономного серебряного ионатора питьевой воды, для которой сопротивление растекания в 1,65 раза меньше, чем у приборов старого типа; приведена оценка количества серебра, растворяемого в воде; показано, что усовершенствование конструкции электродной системы серебряного ионатора и оптимизация выходной ВАХ электронной схемы управления прибором позволили в удовлетворительной степени компенсировать негативные последствия деградации серебряных анодов ионатора.
Authors analyze disadvantages of domestic household autonomous silver ionizers of drinking water; consider issues of optimization of the set of parameters that characterize the quality of consumer of these products; show results of microbiological testing of drinking water from various water sources; develop an optimized electrode system of autonomous silver ionizer of drinking water, for which the spreading resistance at 1.65 times smaller than old-type devices; give an estimate quantity of silver dissolved in water; show that the improvement of the silver ionizer electrode system design and optimization of output VAC of electronic control circuit device allow to satisfactorily compensate the negative effects of degradation of ionizer silver anodes.
Ключевые слова: автономный бытовой ионатор, питьевая вода, серебряный анод, деградация электродов. Keywords: autonomous household ionizer, drinking water, silver anode, degradation of electrodes.
В последнее время в розничной продаже появился ряд изделий, представляющих собой автономные портативные устройства для обеззараживания питьевой воды. К таким приборам относятся иона-торы типа «Сильва-93Эм1», «Сильва 936» и «Сильва-2», разработанные фирмой «ДиД» и изготавливавшиеся АО НПО «Радий» (Москва), а также «Невотон ИС-112», «Бис-1», «Ист-5 (ЛК-49)» и «Dr. Silver». Они предназначены для дезинфекции питьевой воды, взятой из различных источников:
• децентрализованного водоснабжения;
• водоемов в сельской местности;
• колодцев и скважин на приусадебных участках. Принцип действия ионатора основывается на
электролитическом введении ионов серебра, сообщающих воде бактерицидные свойства [1 - 6]. При этом должны соблюдаться требования ГОСТ и других нормативных документов по качеству питьевой воды [7, 8]. Прибор должен обеспечивать анодное растворение определенного количества металла в заданном объеме воды. Сама идея снабдить определенную категорию населения (туристов, охотников, рыбаков, садоводов-огородников, военнослужащих) автономным портативным сред-
ством обеззараживания питьевой воды была и остается, безусловно, привлекательной. Однако конкретная ее реализация в виде упомянутых выше ионаторов не имеет коммерческого успеха. Причинами, помимо плохой организации торговли и рекламы, явились серьезные технические и техно-экономические недостатки изделий. Эти недостатки и способы их устранения рассмотрены авторами в [9 - 12].
В результате этих научно-исследовательских работ, касающихся проблем электроники ионато-ров, были разработаны принципы и создана система автоматизации функционирования ионатора обеззараживания питьевой воды. В настоящей работе приводится анализ электродной системы бытовых серебряных ионаторов с целью оптимизация геометрии их электродов.
Ионатор «Сильва-93Эм1» и его аналоги имеет очень простую геометрическую конструкцию (рис. 1), разница между ними состоит только в количестве перерабатываемой воды. В пластмассовом цилиндрическом корпусе 1 находится электрическая часть прибора, внутренняя полость корпуса залита герметиком. Электроды прибора - катод 3 из не-
ржавеющей стали 12Х18Н9Е и анод 4 из чистого серебра (99,99%) массой 0,5 г - окружены защитным пластмассовым кожухом 2. Прибор поставляется в комплекте с контрольным устройством, состоящим из светодиода и средствами его контактирования с электродами ионатора.
воды за счет растворения в ней какого-либо вещества так, как это обычно делается в сложных электрохимических приборах. В связи с этим снижение влияния на параметры прибора падения напряжения на сопротивлении Rv является весьма актуальной проблемой при разработке ионаторов.
Рис. 1. Конструкция ионатора «Сильва-93Эм1»
Электрическая схема ионатора «Сильва-93Эм1» также предельно проста. Она включает в себя автономный источник питания и интегральную схему (ИС) генератора тока. Электрическая структурная схема ионатора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Электрическая структурная схема ионатора «Сильва-93Эм1»
В процессе функционирования автономного серебряного ионатора питьевой воды происходит деградация серебряного анода - неизбежное следствие работы прибора. Влияние деградации серебряного анода на переходные процессы, имеющие место при включении ионатора, подробно рассмотрено в [9, 10].
На рис. 3 изображен макет электродной системы ионатора. Уменьшение высоты электрода из-за истощения анода в процессе работы ведет к увеличению сопротивления объема воды между анодом и катодом ионатора. При работе ионатора не учитывается изменение удельной проводимости
Рис. З. Деградация электрода анода в результате работы ио-натора
На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) «свежей» электродной системы серебряного ионатора «Сильва-93Эм1», полученные при работе прибора в воде, взятой из различных источников водоснабжения. Параметры электродной системы указанного прибора приведены в [9, 10]. Ионатор «Сильва-93Эм1» должен обеспечивать значение стабильного тока /out, которое должно составлять 5 мА вне зависимости от качества питьевой воды.
0 2 4 6 8
- к> В
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики электродной системы ионатора «Сильва-93Эм1» в воде из различных источников: 1 - скважина в п. Алабушево; 2 - колодец в п. Алабушево; 3 - водопровод, завод «Компонент»; 4 - река, Измайловский парк; 5 - водопровод, Измайлово
На том же рисунке представлена зависимость выходного тока /оиц от выходного напряжения. При этом напряжение источника питания исс = +6,2 В. Из рисунка видно, что при большом удельном сопротивлении воды (кривые 4 и 5) большое падение напряжения на сопротивлении растекания Ду ведет к существенному снижению выходного тока иона-тора по сравнению с номинальным значением, оговоренном в технических условиях на прибор. Разрушение анода приводит к еще большему уменьшению тока /оиц, что дополнительно снижает выход ионов серебра в раствор.
Острота указанной проблемы может быть снижена двумя путями. Во-первых, необходимо усовершенствовать выходной генератор тока иона-тора. Следует уменьшить номинальное значение выходного тока прибора и максимально приблизить выходную ВАХ к характеристике идеального генератора тока (см. кривая /ои12 на рис. 4) (Эта проблема и пути ее решения рассмотрены авторами в [12].) Во-вторых, следует разработать конструкцию электродной системы с уменьшенным значением сопротивления Д^у. На рис. 5 схематично представлен один из предлагаемых вариантов оптимизированной конструкции электродной системы ионатора.
В этой конструкции четыре цилиндрических серебряных анода (1, 2, 3, 4) размещены в плане в центрах сторон квадрата, вершинами которого являются края крестообразного катода. Пластины катода выполнены из нержавеющей стали. Символ * на рис. 4 относится к ВАХ новой электродной системы, находящейся в воде из источника 5. Длина электродов при этом равна Н = 12 мм, размер катода в плане Ж = 10 мм. Сопротивление Ду для новой электродной системы ионатора приблизительно в 1,65 раза меньше, чем у прибора «Силь-ва-93Эм1».
Скорость деградации электрода анода при работе ионатора можно определить по закону Фарадея:
т =
4*<м
Б :
(1)
где т - масса растворенного серебра; /ои1 - выходной ток ионатора; ^ - время обработки воды; М =107,868 Г/моль - молярная масса серебра; Б = 96490 Кл/моль - число Фарадея.
Однако, поскольку помимо перехода в раствор ионов серебра Ag+ на аноде могут иметь место и другие электрохимические реакции, выражение (1) должно быть модифицировано. Количество серебра, переходящего в раствор, может быть рассчитано по формуле
т=
кіои№
Б :
(2)
где К - коэффициент выхода серебра по току.
Значение коэффициента К не является постоянной величиной и зависит от химического состава обрабатываемой воды, а также от плотности тока анода. По некоторым данным [1, 6], значение коэффициента К может меняться в очень широких пределах - от 0,1 до 0,9.
Для оценки количества серебра, растворяемого в воде при работе ионатора, проводились потенциометрические измерения концентрации ионов серебра. Использовалась электродная система с четырьмя анодами (см рис. 5), электрод ионоселективный ЭКОМ-Ag, эталонный хлорсеребряный электрод с электролитическим ключом (одномолярный водный раствор КК03). Чувствительность ионоселективного электрода составляет 1-10-5 Г-ион/л. Измерение разности потенциалов осуществлялось с помощью ио-номера универсального «ЭВ-74». На рис. 6 приведены номограммы, позволяющие определить количество серебра, перешедшего в раствор в результате работы макета ионатора.
Рис. 6. Номограммы, позволяющие определить количество серебра, перешедшего в раствор в результате работы ионатора
В качестве обрабатываемой жидкой среды использовался водный раствор №N03 с концентрацией 0,1 Моль/л. График А на рис. 6 представляет собой калибровочную потенциометрическую кривую в диапазоне концентраций ионов серебра Ag+ от 1-10-5 до 1-10-4 Г-ион/л. При построении данной кривой в качестве источника ионов серебра служил водный раствор AgN03. Макетом ионатора обрабатывался раствор объемом 25 мл. Выходной ток прибора был равен 2,5 мА. Обработка производилась последовательно сеансами длительностью 20 с. После каждого сеанса осуществлялось измерение потенциала ионоселективного электрода иР. Результаты этих измерений представлены на графике В. Используя калибровочную кривую А, с помощью графика С были получены значения концентрации ионов Ag+, соответствующие разной продолжительности обработки раствора. На графике В представлены зависимости количества выделившихся в раствор ионов серебра т от суммарного протекшего заряда Q: кривая 1 получена в результате потенциометрических измерений; кривая 2 -идеальная зависимость при К = 1.
Из графика В на рис. 6 можно определить удельное количество ионов серебра т', приходящееся на единицу протекшего заряда:
m' = G, 6g
мкГ • c мА
(3)
При этом коэффициент выхода серебра по току оказался равным К = 0,536. К сожалению, потенциометрический метод непригоден для определения количества ионов серебра, переходящих в раствор при обработке воды из различных источников. В составе этой воды даже при относительно малой минерализации (источники 4 и 5 на рис. 4)
имеется много анионов С1-, СО-2, Б042, количества которых достаточно для связывания практически всех катионов Ag+. Поэтому при проектировании
ионатора и оценке результатов его работы для приблизительного расчета количества серебра, выходящего в раствор, приходится пользоваться полученной выше величиной т' = 0,60 мкГ-с/мА или значением коэффициента К = 0,536.
Практическая невозможность определить количество ионов серебра в обработанной ионато-ром воде вызвала необходимость проведения прямых микробиологических исследований. Целью этих исследований явилось установление таких режимов обработки воды с помощью ионатора, после которой эта вода удовлетворяла бы в эпидемическом отношении требованиям ГОСТ [2]. Согласно указанному ГОСТ, безопасность воды в эпидемическом отношении определяется косвенными показателями: степенью общего бактериального заражения и содержанием бактерий группы кишечной палочки (БГКП). По бактериологическим показателям вода, поступающая к потребителю, должна соответствовать следующим нормам: общее количество бактерий - не более 100 в 1 мл воды; количество бактерий группы кишечной палочки, определяемой на плотной элективной среде с применением концентраций бактерий на мембранных фильтрах в 1 л воды (коли-индекс), -не более 3.
Проводились микробиологические испытания ионатора с четыреханодной электродной системой. При этом выходной ток был равен 2,6 мА, а длительность сеанса протекания этого тока составляла 24 с. Обработке подвергались пробы воды объемом 250 мл. В качестве объектов исследования использовали водопроводную воду, нативную воду и музейный штамм Е.соП-418. Высевы производили после времени экспозиции 4ксп на селективную среду ЭНДО и питательную среду МПА. Результаты экспериментов представлены в таблице, где приняты следующие обозначения: Е.соП-418 - музейный штамм; БГКП - бактерии
Результаты микробиологического испытания ионатора
№ Наименование объекта Культура Исходное количество, клеток/ мл Время экспозиции, мин
2G 3G 45 бО 120
i В.в. E.coli-4i8 2400000 + 54GG - МО О
2 Н.в. БГКП 250 + + - <1 -
3 Н.в. КМАФанМ 2000 35G 160 - 88 24
4 В.в. КМАФанМ 240000 + ioooo - 8GG О
5 Н.в. БГКП 250 + 7 0,5 <0,01 -
б В.в. E.coli-4i8 800 + + - <О,О2 -
7 Н.в. КМАФанМ 45000 + МО - 52 -
8 В.в. КМАФанМ 48000 + + - io -
группы кишечной палочки; КМАФанМ - общее количество мезофильных анаэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов; В.в - отстоянная водопроводная вода; Н.в. - нативная вода; + - рост.
Из рассмотрения результатов экспериментов, представленных в этой таблице, следует, что вода с очень сильным исходным уровнем заражения (№ 1, № 4, № 7, № 8) становится пригодной для питья после единичной обработки ионатором с последующей выдержкой в течение 1...2 ч. Концентрация серебра при этом по приблизительной оценке (К = 0,536) составляла КдЁ = 150 мкГ/л.
Усовершенствование конструкции электродной системы серебряного ионатора и оптимизация выходной ВАХ электронной схемы управления прибором позволили в удовлетворительной степени компенсировать негативные последствия деградации серебряного анода ионатора.
Ионы серебра, попадающие в раствор при обработке ионатором воды, взятой из различных источников, связываются анионами (Cl-, CO-2, SO-2, ) и не поддаются определению потенциометрическими методами. Несмотря на это, обработка ионатором воды имеет ярко выраженное бактерицидное действие при достаточно большом (1...2 ч) времени выдержки перед употреблением. Оптимизированная электродная система автономного серебряного ио-натора питьевой воды содержит четыре цилиндрических серебряных анода, размещенных в плане в центрах сторон квадрата, вершинами которого являются края крестообразного катода. Для новой электродной системы сопротивление растекания в
1,65 раза меньше, чем у приборов старого типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кульский Л. А. Основы физико-химических методов обработки воды. М.: Химия. 1962.
2. Таубе П. Р., Баранов А. Г. Химия и микробиология воды. М.: Высшая школа. 1983.
3. Кульский Л. А., Гребенюк В. Д., Савлук О. С. Электрохимия в процессах очистки воды. Киев: Техника. 1987.
4. Кульский Л. А. Серебряная вода. Киев: Наукова думка. 1987.
5. Кульский Л. А., Савлук О. С., Детега Е. Ю. Влияние электрического поля на процессы обеззараживания воды. Киев: Наукова думка. 1980.
6. Кульский Л. А. Основы химии и технологии воды. Киев: Наукова думка. 1991.
7. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.
8. СанПиН по устройству и содержанию колодцев и каптажей родников, используемых для децентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения (Ы 1226-75).
9. Кокорин В. В., Серебренников В. Н., Шумков И. Е., Горюнов Н. Н., Чарыков Н. А. Динамика установления режима в серебряном ионаторе питьевой воды // Мат. докл. Меж-дунар. научн.-техн. семинара «Шумовые и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 16-19 ноября. 1998г.). М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова. МЭИ. 1999. С. 419 - 424.
10. Кокорин В. В., Серебренников В. Н., Шумков И. Е., Кур-лапова Л. Д., Чарыков Н. А. Деградация электрода анода и бактерицидные свойства серебряного ионатора // Мат. докл. Междунар.. научн.-техн. семинара «Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 16-19 ноября. 1998 г.). М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова. МЭИ. 1999. С.425 - 431.
11. Кокорин В. В., Чарыков Н. А. Технические средства обеззараживания питьевой воды // Межвузовский сборник научных трудов «Инновационные технологии». Выпуск № 4. «Информационные системы и технологии». М.: НОУ ВПО «ИГУПИТ». 2011. С. 90 - 94.
12. Кокорин В. В., Чарыков Н. А., Феоктистов Н. А. Разработка системы автоматизации работы ионатора обеззараживания питьевой воды // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. Т. 7. № 3. С. 54-59.
Поступила 12.05.2011 г.
