Тема: ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ДИАФРАГМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ

Проблема и актуальность. Наличие чистой и обеззараженной воды является проблемой, которой сопутствует постоянный рост населения планеты. Согласно третьему докладу ООН о водных ресурсах мира, 1,1 миллиард человек нуждается в очищенной и стерилизованной воде. По оценкам агентства «Охраны окружающей среды и управления водных ресурсов» США почти 35% смертей в развивающих странах связано с неэкологичной водой. По данным государственного доклада «О состоянии и охране окружающей среды Российской Федерации», количество подземных и поверхностных источников централизованного водоснабжения в России, не соответствующих гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, составляет 3,8% и 16,5% соответственно.
Существует множество способов дезинфекции воды, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Самыми известными и распространенными являются хлорирование и ультрафиолетовое излучение (УИ), завоевавшие рынок обеззараживающих технологий. Первый способ характеризуется длительным эффектом последействия и сравнительно невысокими затратами. Основным негативным последствием хлорирования является образование в обрабатываемой воде побочных хлорсодержащих веществ, обладающих мутагенностью, канцерогенностью и высокой токсичностью. Кроме того, хлорирование не обеспечивает стерилизацию спорообразующих микроорганизмов и большинства вирусов. Обеззараживание ультрафиолетовыми лучами требует определенные нормы к качеству воды, и после обработки УИ необходимо хлорирование, так как этот способ не обладает эффектом последействия.
Среди множества способов дезинфекции особую нишу занимают электроразрядные технологии, которые в большинстве случаев являются безреагентными и автоматизированными. К таким технологиям относится и способ стерилизации воды диафрагменным электрическим разрядом (ДЭР), который имеет низкие капитальные затраты, является безреагентным, а при реконструкции существующей технологии обеззараживания не требует дополнительных капитальных затрат на схему обработки воды. Способ универсален, может применяться для обработки питьевой воды, сточных вод и вод плавательных бассейнов.
Одним из приоритетных направлений совершенствования электроразрядных способов дезинфекции является снижение эксплуатационных затрат, в том числе снижение электропотребления технологий. Исследования в области снижения потребления энергии разрядами в жидких средах показывают, что наиболее экономичными являются высоковольтные импульсные источники питания (ВИИП), их применение и совершенствование в электроразрядной технике является перспективным способом снижения эксплуатационных затрат.
Существенный вклад в изучение воздействия электрических разрядов на воду внесли Fridman A., Laroussi M., Юткин Л.А., Суворов И.Ф., Пискарев И.М., Яворовский Н.А., Корнев Я.И., Коликов В. А., Крымский В.В., Stoffels E., Kelly- Wintenberg K., Rajasekaran P., Gupta S. B., Sato M., Юдин А.С., Лапшакова К.А., Никифоров А. Ю., Максимов А. И., Stara Z., Krcma F.
Во второй половине прошлого столетия в нашей стране начались проводиться исследования способа обеззараживания и доочистки воды с помощью ДЭР. Разряд изучается как источник образования перекиси водорода H2O2, ионов меди Cu2+ и серебра Ag+, атомарного кислорода О, озона O3, гидроксильных радикалов OH’ и супероксидов O2-. Доказана высокая эффективность этого электроразрядного метода в процессах доочистки и стерилизации воды. Настоящая работа направлена на увеличение эффективности обработки воды, ресурсосбережения, снижение электропотребления и улучшение эксплуатационных характеристик оборудования системы дезинфекции ДЭР.
Степень разработанности темы обеззараживания воды электрическими разрядами относительно высокая, но малое количество работ посвящено дезинфекции воды ДЭР. Недостаточно изучены сама природа и способности этого разряда. Все исследования ДЭР осуществлялись на реакторах с питанием преимущественно от источников постоянного или переменного промышленного напряжения, практически не рассматривались стерилизационные способности импульсного ДЭР. Не раскрыты вопросы образования ионов металлов при электроразрядной обработке воды, а олигодинамический эффект обеззараживания учтен лишь единицами авторов. Слабо исследованы реакторы ДЭР со способностью протекания через них воды, подавляющее число работ посвящено реакторам без какого-либо протока жидкостей через них. В редких исследованиях рассмотрено применение многоочагового ДЭР.
Цель работы: повышение эффективности дезинфекции воды за счет применения реактора с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны, с серебряными и медными электродами, с оптимальными параметрами ДЭР и использованием ВИИП с наиболее эффективными режимами работы.
Идея исследования заключается в применении импульсных электрических разрядов для образования перекиси водорода, ионов серебра и меди в реакторе с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны и подборе оптимальных параметров источника питания и реактора ДЭР.
Для достижения цели потребовалось решить ряд задач:
1. Провести анализ литературных данных о технологиях стерилизации воды электроразрядными способами.
2. Создать ВИИП, позволяющий снизить расход электроэнергии и повысить эффективность обеззараживания.
3. Создать новый реактор ДЭР для уменьшения эксплуатационных затрат и потребления электроэнергии.
4. Установить важнейшие факторы, которые оказывают наибольшее влияние на эффективность ДЭР.
5. Определить оптимальные рабочие параметры установки дезинфекции ДЭР для выхода бактерицидных агентов с минимальным электропотреблением.
Научная новизна заключается в том, что:
1. Впервые установлены зависимости выхода перекиси водорода, ионов меди и серебра в модельных растворах от амплитуды подводимого в зону ДЭР импульсного напряжения и длительности импульсов, проводимости модельного раствора и расхода электроэнергии.
2. Выявлены зависимости образования ионов меди и серебра от водородного показателя воды. Установлено, что вольт-амперная характеристика ДЭР имеет серпообразную форму, а мощность, потребляемая реактором, зависит от температуры обрабатываемой воды. Выявлены характеристики отмирания бактерий в зависимости от концентрации ионов меди и серебра.
3. Определено, что реактор с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны имеет более высокий выход обеззараживающих продуктов в сравнении с реактором с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране (патент РФ №137284 U1 от 19. 06. 2013).
4. Разработан алгоритм управления ВИИП как основа технологии обеззараживания воды.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:
1. Разработан ВИИП (патент РФ №151949 от 21.11.2013).
2. Разработан реактор ДЭР (патент РФ №137284 U1 от 19. 06. 2013).
3. Применение нового реактора ДЭР с серебряными и медными электродами совместно с ВИИП повышает обеззараживающую эффективность всей технологии более чем в 2 раза в сравнении с реактором ДЭР с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране с медными электродами, питающегося от источника переменного синусоидального напряжения.
4. Разработанный реактор ДЭР улучшает эксплуатационные характеристики обеззараживающей технологии (снижаются рабочие токи и напряжения, что увеличивает срок службы диафрагменной мембраны) (патент РФ №137284 U1 от 19. 06. 2013).
5. Разработаны рекомендации для проектирования установок обеззараживания воды на основе ДЭР.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Зависимости выхода перекиси водорода, ионов меди и серебра в модельных растворах от амплитуды импульсного напряжения, длительности импульсов, проводимости модельного раствора, расхода электроэнергии.
2. Выход бактерицидных агентов реактора с горизонтальным относительно диафрагменной мембраны протоком воды (патент РФ №137284 U1 от 19. 06. 2013) имеет большую интенсивность в сравнении с реактором с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране.
3. Вольт-амперная характеристика ДЭР; зависимости: а) мощности, потребляемой реактором, от температуры обрабатываемой воды; б) отмирания бактерий от концентрации ионов меди и серебра; в) образования ионов меди и серебра от водородного показателя воды.
4. Алгоритм управления ВИИП как основа технологии обеззараживания воды.
Личный вклад автора. Автор лично участвовал в планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, формулировании выводов, а также подготовке к публикации докладов и статей.
Достоверность теоретических положений подтверждена патентной чистотой разработанных технических решений. Для решения поставленных задач были использованы физико-химические и бактериологические методы исследования, проводившиеся в аккредитованных и сертифицированных лабораториях. Результаты экспериментальных данных обработаны при помощи методов математической статистики с использованием пакета прикладных программ Excel 2010.
Методы исследования: в работе применялись осциллографирование напряжения, перманганатометрический метод определения концентрации перекиси водорода, атомно-абсорбционная спектрофотометрия (ААС) для определения концентрации ионов меди и серебра, метод определения общих и термотолерантных колиформных бактерий путем мембранной фильтрации для определения концентрации культуры кишечной палочки E. coli.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на XI-ой и XII-ой Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, 2011, 2012 г.), XVII-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ- 2011 (Томск, 2011 г.), II-ой Международной научно-практической конференции «Чистая капля воды» (Чита, 2012 г.), Всероссийской ежегодной научнопрактической конференции «Общество, наука, инновации» (НПК-2013) (Киров, 2013 г.), Х! ой Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применение» (Томск, 2013 г.), Международной научной конференции «Современные технологии и развитие политехнического образования» (Владивосток, 2015 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в материалах XXIII-ой Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2013 г.), в выпусках периодического журнала «Электробезопасность» (Челябинск, 2012 и 2014 г.). По результатам выполненных исследований и разработок, связанных с темой диссертационной работы, опубликовано 17 научных работ, в том числе 2 патента РФ, 7 статей в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ, две из которых входит в перечень реферативной базы SCOPUS, 8 публикаций в материалах научнотехнических конференций, журналов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из содержания, введения, шести глав, основных выводов, списка сокращений, списка литературы (228 наименований), изложена на 110 страницах, содержит 49 рисунков, 2 таблицы, 1 приложение.

Купить

В диссертационной работе на основе выявленных зависимостей процесса получения дезинфицирующих агентов с применением ДЭР для обеззараживания воды дано новое решение актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности работы сооружений и устройств систем водного хозяйства путем совместного использования разработанных ВИИП и реактора c горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны с серебряными и медными электродами, что обеспечивает более высокую эффективность, низкую энергоемкость и улучшает эксплуатационные характеристики предлагаемой системы обеззараживания.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно отметить следующие основные результаты и сделать выводы:
1. Установлено, что выход обеззараживающих агентов пропорционально зависит от величины амплитуды приложенного импульсного напряжения и имеет максимум при значении 2,3 кВ, выше этого значения происходит снижение производительности из-за значительного увеличения тепловых потерь. Наиболее продуктивный диапазон импульсов напряжений находится в интервале от 2,0 до 2,3 кВ.
2. Определено, что выход ионов серебра увеличивается с повышением щелочности воды, а ионов меди с повышением кислотности воды.
3. Выявлено, что на выход ионов меди и серебра, а также перекиси водорода при обработке воды ДЭР влияет проводимость воды, наибольшая производительность наблюдается при значении 0,17 мСм/см, увеличение и снижение проводимости уменьшает величину генерации дезинфицирующих агентов.
4. Установлено, что вольт-амперная характеристика реактора ДЭР не линейная и имеет серпообразный характер, а потребление электрической энергии на процесс обеззараживания воды является постоянной величиной при ее температуре от 2 до 60 °C и резко падает с повышением температуры выше 60 °C.
5. Доказано, что наиболее эффективная длительность импульсов питающего напряжения лежит в диапазоне от 4 до 8 мкс.
6. Применение реактора ДЭР с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны (с использованием верхней камеры для улучшения образования паро-воздушных пузырей), с серебряными и медными электродами, с ВИИП повышает обеззараживающую эффективность технологии более чем в 2 раза в сравнении с реактором с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране с медными электродами, питающегося от источника переменного синусоидального напряжения.
7. Установлено, что реактор с горизонтальным протоком воды относительно
диафрагменной мембраны эффективней реактора с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране и обеспечивает дезинфекцию на 40% интенсивней, обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками (сниженным напряжением зажигания разряда более чем в 2 раза, сниженными рабочими напряжениями и токами более, чем в 2 раза, увеличенным сроком службы диафрагменной мембраны). Также
установлено, что диафрагменная мембрана реактора должна быть расположена горизонтально.
8. Определены зависимости отмираний кишечной палочки от концентраций ионов меди и серебра. Выявлено отсутствие возможности использования только серебряных электродов в реакторе ДЭР, потому что пороговая смертельная концентрация ионов серебра для кишечной палочки составляет 130 мкг/л, что в 2,6 раз выше ПДК этих ионов в воде. Установлено, что пороговая смертельная концентрация ионов меди для E. coli составляет 55 мкг/л, что более чем в 18 раз ниже их ПДК для воды.
9. Выявлены зависимости и формулы выхода ионов меди и серебра и молекул перекиси водорода в модельном растворе от энергетического вклада в ДЭР.
10. Разработан алгоритм управления процессом обеззараживания воды ДЭР. Результаты исследований используют в учебном процессе ТПУ и ЗабГУ при преподавании дисциплин «Теория автоматического управления», «Промышленная электроника», «Управление техническими системами», «Электротехнологические установки».
Перспективами дальнейшей разработки темы являются исследование обеззараживающих способностей ДЭР в диапазоне длительностей импульсов больше 16 мкс и меньше 1 мкс. Также перспективным направлением исследований является изучение режимов работы реактора ДЭР с применением воздушного барботирования и ВИИП с целью оценки их стерилизующих способностей. Остались не исследованными дезинфицирующие свойства разработанного оборудования от различных вирусов, в том числе и рото-вирусов, для которых на сегодняшний день не создано ни одной технологии стерилизации.

Купить