УДК 574

Мониторинг обеззараживания воды пероксидом водорода

по параметрам акустической эмиссии

Кузнецов Д.М., Захарова М.С., Гапонов С.В., Гапонова Е.Ю.

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Россия, г. Ростов-на-Дону

E-mail: zaharova_mary@bk.ru

Аннотация: Одна из проблем современности – это микробиологическое загрязнение вод. Источники водоснабжения становятся непригодными для хозяйственно-питьевого и технического использования, так как не соответствуют необходимым требованиям. Для решения данной проблемы в настоящее время применяются различные способы обеззараживания вод с целью уничтожения всех последствий загрязнения. Для мониторинга способов очистки с целью повышения их эффективности используются определенные методы контроля процесса. В этой связи важно сделать выбор в пользу наиболее выгодного и действенного метода.

Ключевые слова: биологическое загрязнение, обеззараживание, пероксид водорода, переходные металлы, акустическая эмиссия, каталитический распад.

Annotation: One of the problems of the present is microbiological contamination of waters. Sources of water unfit for drinking and technical water supply because it does not meet the necessary requirements. To solve this problem at the present time various methods of water disinfection, to destroy all the effects of pollution. For the monitoring of chemical cleaning methods and to improve its effectiveness, uses specific methods for the monitoring of the disinfection process. In this regard, it is important to make a choice in favor of the most profitable and effective method of monitoring.

Keywords: biological pollution, disinfection, hydrogen peroxide, transition metals, acoustic emission, catalytic decomposition.

В настоящее время рост перерабатывающей промышленности неизбежно приводит к увеличению объемов потребления воды и, как следствие, антропогенного загрязнения водных объектов. В этой связи чрезвычайно актуальна проблема очистки сточных вод. Высокое содержание загрязнений биологического характера воды приводит к ухудшению ее качества в поверхностных водоемах, к неудовлетворительному состоянию зон санитарной охраны и интенсивному загрязнению открытых водоемов. Водные объекты становятся непригодными для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения, поскольку источники водоснабжения не соответствуют необходимым требованиям.

С целью уничтожения в воде вредоносных бактерий и вирусов, устранения запахов и привкусов применяют химические и/или физические методы обеззараживания сточных вод.

К физическим методам относится: термическая обработка, обработка ультрафиолетовым облучением, обработка ультразвуком и др. К химическим - очистка окислением, очистка с применением тяжелых металлов, очистка при помощи биоцидных препаратов [1].

Известно, что современным способом является один из химических методов очистки вод – очистка окислением при наличии различных катализаторов.

В качестве окислителя используется озон, пероксид водорода, диоксид хлора, чистый кислород, хлорат кальция и другие. Более рационально применение экологически чистых окислителей, содержащих только атомы кислорода и/или водорода (озон, пероксид водорода).

В целях повышения эффективности борьбы с микробиологическими загрязнениями вод химическим способом очистки – окислением применяются определенные методы мониторинга. Однако, у большинства данных методов контроля существует несколько значимых недостатков, таких как внушительные экономические затраты на реагенты, а также длительность исследований. Вследствие чего необходимо определить наиболее выгодный и действенный метод мониторинга.

В данной работе предлагается метод мониторинга обеззараживания воды по параметрам акустической эмиссии (далее – АЭ).

Теоретическая проработка возможности регистрации явления АЭ в жидкости показала возможность и перспективность использования данного явления для исследования разнообразных физико-химических процессов. Особое внимание уделяется выделению растворенных газов в жидкости, что и приводит к индуцированию акустических сигналов в ультразвуковом диапазоне частот [2, 3].

Экспериментальная часть

Экспериментальное изучение метода мониторинга обеззараживания воды проведено на процессе каталитической очистки сточных вод пероксидом водорода Н₂О₂.

Выбор каталитической очистки сточных вод пероксидом водорода обусловлен тем, что гидроски-радикал ОН* имеет высокий окислительный потенциал, поэтому он оказывается фактически универсальным окислителем для многих веществ. Кроме того, пероксид водорода неограниченно растворим в воде, и позволяет провести обработку сточных вод в широком диапазоне значений концентраций [3].

Указанные преимущества технологии обеззараживания сточных вод с помощью Н₂О₂ являются причиной постоянного увеличения масштабов его применения. До 25% производимого пероксида водорода идет на цели охраны окружающей среды, и эта цифра имеет устойчивый тренд к возрастанию. Н₂О₂ выпускается в виде водных растворов с разными значениями концентрации.

Тем не менее, в обычных условиях скорость разложения пероксида водорода невелика. В этой связи распад Н₂О₂ в водных растворах часто ускоряется использованием соединений переходных металлов: оксиды железа, меди, марганца, кобальта, серебра и другими. Исходя из выбора применяемого катализатора, наблюдается дифференциация распада пероксида водорода.

При взаимодействии пероксида водорода с соединениями переходных материалов образуются активные гидроксильные радикалы, которые инициируют радикальные цепные реакции, приводящие, в свою очередь, к полному окислению органических соединений [4 – 6].

В данной работе представлен анализ воздействия двух катализаторов - твердое серебро и диоксид марганца (MnO₂) на разложение пероксида водорода и, как следствие - на обеззараживание воды. Процесс разложения пероксида водорода регистрировался по параметрам акустической эмиссии.

Для достижения указанной цели был использован дефектоскопический акустико-эмиссионный комплекс A-Line 32D. Более подробное описание установки и методики регистрации акустических сигналов рассмотрено в ряде работ [7 – 15].

Каталитический распад пероксида водорода проводили в кварцевой емкости конической формы для усиления индуцируемого акустического сигнала. Катализатор располагался на дне емкости, поэтому регистрируемые акустические сигналы не были паразитными и являлись результатом исключительно физико-химического процесса разложения пероксида водорода.

В качестве изучаемых параметров АЭ выбраны следующие:

1. Активность АЭ [имп./с] – производная по времени суммарного счета АЭ. Диапазон изменения 0…10¹⁵ [имп./с].

2. Суммарный счет АЭ [имп.] – число зарегистрированных превышений импульсами АЭ установленного уровня дискриминации.

3. Выбросы АЭ [имп.] – количество осцилляций, превышающих установленный уровень дискриминации в период нахождения огибающего электрического импульса АЭ над порогом ограничения [2].

Анализ полученных данных

В гетерогенных каталитических процессах активные центры - ионы переходных металлов находятся на поверхности катализатора.

При разложении пероксида водорода с применением катализатора твердое серебро активность АЭ обусловлена выделением газообразного кислорода, схлопыванием и образованием газовых пузырьков и, как следствие, индуцированием волн напряжения в жидкости, что очевидно и при визуальной наблюдении процесса.

Количество регистрируемых импульсов свидетельствует о высокой потенциальной чувствительности метода АЭ (рис. 1).

Рис. 1 Акустограммы каталитического процесса разложения пероксида водорода с применением катализатора твердое серебро

Полученные данные свидетельствуют, что процесс разложения пероксида водорода в начальной стадии (до 15 минут) с применением катализатора твердое серебро на самом деле является не непрерывным, автоколебательным процессом, интервалы максимальных всплесков выбросов АЭ составляют от 10 до 15 секунд. После выхода процесса на установившийся режим интенсивность разложения пероксида водорода уже не изменяется.

Рис. 2. Акустограммы каталитического процесса разложения пероксида водорода с применением катализатора диоксид марганца

При разложении пероксида водорода с применением катализатора диоксид марганца активность АЭ также, связана с достаточно массовым образованием газообразного кислорода (рис. 2). Также регистрируется переходный процесс в течение 10 минут. В то же время заметно качественное отличие кривой активности АЭ в случае использования разных катализаторов.

Образование акустических сигналов обусловлено не только разрушением газовых пузырьков на поверхности жидкости, но и наличием источника акустических колебаний в жидкости – любого колеблющегося тела, выведенного из устойчивого состояния какой-либо внешней силой. Движение пузырьков газа к поверхности вовлекает в колебательный процесс частицы жидкости, которые смещаются около своего положения равновесия, переходя в состояние периодического уплотнения и разряжения. Очевидно, что метод АЭ оказался чрезвычайно эффективным для оценки активности гетерогенных катализаторов разложения пероксида водорода

Наиболее интересный результат по проведенной работе – возможность объективного мониторинга процесс разложения пероксида водорода с помощью различных катализаторов. Эффективность использования любого катализатора может быть оценена не только визуально (по обильному выделению газообразного кислорода), но и количественно – по сумме регистрированных актов акустической эмиссии. Появляется возможность оценки влияния на работу катализатора концентрации раствора, температуры и количества катализатора.

Заключение

Таким образом, результаты проведенных экспериментов показали, высокую информативность, чувствительность и эффективность мониторинга распада пероксида водорода методом акустической эмиссии. В этой связи также можно сделать вывод, об актуальности выбранного метода АЭ в решении проблемы мониторинга процесса очистки сточных вод с применением пероксида водорода.

Список литературы

1. Рябчиков, Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б.Е. Рябчиков. – М.: ДеЛипринт, 2004. – 328 с.

2. Кузнецов, Д.М. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в водной среде / Д.М. Кузнецов, А.Н. Смирнов, А.В. Сыроешкин // Российский химический журнал. – 2008. – т.LII, №1. – С. 14 – 121.

3. Гапонов, В.Л. К вопросу о возможности исследования кинетики химических реакций в жидкой среде с помощью метода акустической эмиссии / В.Л. Гапонов, Д.М. Кузнецов, А.Н.Смирнов // Инженерная физика. – 2008 – №1 – С.16 – 20.

4. Гапонов, В.Л. Метрология параметров акустической эмиссии при мониторинге реакции разложения пероксида водорода / В.Л. Гапонов, Д.М. Кузнецов, М.С.Захарова // Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии (ИнЭРТ-2014): труды XI международного научно-технического форума. – Ростов н/Д: ДГТУ, 2014. – С. 16 – 22.

5. Гапонов, В.Л. Метрология параметров акустической эмиссии при мониторинге разложения пероксида водорода / В.Л. Гапонов, Д.М. Кузнецов, М.С. Захарова // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. – 2016. – № 1(84). – С. 160 – 166.

6. Гапонов, В.Л. Метод мониторинга процесса каталитической очистки сточных вод по параметрам акустической эмиссии / В.Л. Гапонов, Д.М. Кузнецов // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. – 2016. – № 2(85). – С. 160 – 167.

7. Builo S.I., Kuznetsov D.M. Acoustic_Emission Testing and Diagnostics of the Kinetics of Physicochemical Processes in Liquid Media. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2010, Vol. 46, No. 9, pp. 686 – 691.

8. D.M. Kuznetsov , S.I. Builo, J.A. Ibragimova Correlation Evaluation of the Acoustic Emission’s Method the Tool of Exo Solvation Kinetik’s Research /Chemical Technology, 2011, Vol. 6, Iss.2, pp. 112 – 113.

9. Гапонов, В.Л. Исследовании физико-химических процессов в жидкости акустико-эмиссионным методом / В.Л. Гапонов, Д.М. Кузнецов; Дон. гос. техн. ун–т. – Ростов на – Дону, 2011. – 88 с. – Деп. в ВИНИТИ 24.03.11, №139–В2011.

10. Builo S.I., Kuznetsov D.M., Gaponov V.L., Trepachev V.V. Acoustic-Emission Testing and Diagnostics of the Dissolution Kinetics of Crystalline Componet. Russian Journal of Nondestructiv Testing, 2012, vol. 48, no. 10, pp. 53 – 56.

11. Гапонов, В. Л. Теоретические и экспериментальные исследования процесса импрегнирования гибких пористых материалов в жидкофазной среде / В. Л. Гапонов, Д. М. Кузнецов, В. В. Трепачёв; Дон. гос. техн. ун–т. – Ростов на – Дону, 2012. – 55 с. – Деп в ВИНИТИ 23.3.2012, № 134-В2012.

12. Гапонов, В. Л. Акустическая эмиссия как инструмент изучения кинетики химических реакций в жидкой среде / В. Л. Гапонов, Д. М. Кузнецов; Дон. гос. техн. ун–т. – Ростов на – Дону, 2013. – 74 с. – Деп. в ВИНИТИ 27.09.13, №278–В2013.

13. S. I. Builo, D. M. Kuznetsovb, V. L. Gaponov Acoustic Emission Testing of Capillary Liquid Flows in Porous Media. Russian Journal of Nondestructiv Testing, 2014, vol. 50, no. 7, pp. 19 – 23.

14. Builo S.I., Kuznetsov D.M., Gaponov V.L. Chapter 13 (pp. 193 – 208). Acoustic Emission Diagnostics of the Kinetics of Physicochemical Processes in Liquid and Solid Media. In: Advanced Materials. Studies and Applications. Ivan A. Parinov, Shun-Hsyung Chang and Somnik Theerakulpisut (Eds.). New York: Nova Science Publishers, 2015, 527 p.

15. Кузнецов, Д. М. Исследование структурного состояния воды методом акустической эмиссии / Д. М. Кузнецов, А. Г. Сызранцев, В. Л. Гапонов, О.С. Филонова // Materials of the XII International scientific and practical conference, «Science without borders», - 2016. Volume 17. Ecology. Geography and geology. Chemistry and chemical technology. Agriculture. Veterinary medicine. Sheffield. Science and education LTD – С. 30 – 34.