Отложение оксидов железа, кремния, солей жесткости и пр. на теплообменных поверхностях при нагреве воды создают массу трудностей эксплуатационным службам – для восстановления теплотехнических показателей стандартного оборудования аппараты через 2-3 месяца приходится останавливать на чистку и ремонт, что часто бывает связано с демонтажем и монтажом порой многотонных теплообменников в ограниченных пространствах. В условиях активного отложения включений на ряде предприятий приходится иметь до 300 % запаса поверхности традиционных подогревателей, что резко увеличивает и без того высокие затраты на содержание традиционного теплообменного оборудования.

Известна простая и наглядная формула, описывающая интенсивность теплообмена в системе вода-стенка-вода:

где

– коэффициент теплоотдачи от воды 1 к стене,

– коэффициент теплоотдачи от воды 2 к стене,

– толщина металла стенки,м

• - коэффициент теплопроводности металла стенки,

– толщина слоя накипи на стенке,м

– коэффициент теплопроводности накипи и пр., на стенке,

Максимальные коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке при вынужденном турбулентном движении в каналах находятся на уровне коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке и достигают 15000 . Коэффициенты теплопроводности применяющихся металлов теплопередающей поверхности находятся в диапазоне 100-16 , где большая величина соответствует латуни, а меньшая – нержавеющей стали. Таким образом, максимальный коэффициент теплопередачи теплообменника на системе вода- металлическая стенка-вода может достигать (при толщине стенки канала =1 мм) =7000 в случае латунной стенки и =5100 для нержавеющей.

Приведенные результаты получены для системы без учета накипи на теплообменной поверхности. Коэффициент теплопроводности накипи на поверхности теплообменной поверхности не превышает 2 , таким образом при толщине накипи 0,1 мм с каждой стороны стенки, общий коэффициент теплопередачи составит для латуни = 4100 , а для нержавеющей стали = 3400 . Если толщина слоя накипи достигнет 0,5 мм с каждой стороны, коэффициенты теплопередачи будут выглядеть следующим образом: = 2500 , = 2250 . При дальнейшем возрастании слоя накипи “интенсивность” теплопередачи выравнивается для всех теплообменников с материалом стенки различной теплопроводности и зависит только от величины слоя накипи, например, для толщины накипи =1 мм, с каждой стороны стенки, коэффициенты теплопередачи аппаратов с латунными и нержавеющими стенками равны и не превышают К = 900 , т.е. ниже первоначальной интенсивности в 5-8 раз (1).

Методы борьбы с засорами труб

Одним из направлений в создании и усовершенствовании теплообменных аппаратов является проблема борьбы с коррозией, особенно актуальная в отношении кожухотрубных теплообменников, основным материалом для изготовления которых является углеродистая сталь. В настоящее время для борьбы с коррозией применяется газотермическое напыление трубных досок, труб пароперегревателей. Пластинчатые же теплообменники, изготовляемые, как правило, из нержавеющей стали, проблеме образования коррозии подвержены в меньшей степени.

Конструкции пластинчатых теплообменников продолжают совершенствоваться. Основной задачей при проектировании таких аппаратов, является максимально возможное уменьшение габаритов теплообменной системы (веса, размера) при одновременном увеличении ее эффективности. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы – интенсификация теплообмена. Для достижения подобных результатов используются различные способы комбинации пластин при фиксировании расстояний между ними, а также скоростей движения жидкостей-теплоносителей. Однако при любой конструкции теплообменника со временем происходит засорение отложениями солей, уменьшающих сечения труб и снижающих теплопроводность стенок. Особенно важен этот фактор для пластинчатых теплообменников, оборудованных каналами с очень малым сечением. Термодинамические параметры таких теплообменников снижаются даже при минимальных слоях накипи. Инновационные разработки не обошли стороной и эту проблему. Одними из вариантов борьбы с солевыми отложениями являются химические методы, где для растворения отложений в теплообменник подаются специальные составы. Но этот способ малоэффективен в отношении кремниевых отложений. Наиболее популярным в настоящее время инновационным способом защиты труб и каналов теплообменников от солевых отложений является ультразвуковой способ, уменьшающий скорость образования накипи. Впрочем, в пластинчатых теплообменниках, ввиду высокой турбулентности потоков теплоносителей, обеспечивающейся благодаря специальной обработке пластин теплообменника, их рифлением, отложение накипи и так происходит чрезвычайно медленно.

Одним из правил и норм эксплуатации теплообменников является проведение регулярной очистки теплообменников. Под очисткой теплообменников обычно подразумевается удаление с внутренних поверхностей накипи и налета, а также устранение скопившихся отложений(5).

Налет, оседающий на внутренних стенках теплообменника, может стать причиной ухудшения теплопроводности системы, что приведет к существенному снижению эффективности и увеличению расходов на поддержание заданных температурных параметров(2). Кроме этого, скапливающиеся в нижней части теплообменника отложения затрудняют циркуляцию теплоносителя, что опять же приводит к понижению эффективности и возможному выходу из строя системы. Регулярная очистка теплообменника является единственной достаточной мерой, способной исключить дополнительные расходы, капитальный ремонт или замену теплообменника.

Разборная механическая очистка и безразборная гидрохимическая очистка теплообменников

Сегодня разделяют два основных метода очистки теплообменников различных как по принципу действия так и по степени эффективности — разборная механическая очистка и безразборная гидрохимическая очистка теплообменников(3). Разборную очистку теплообменников относят к крайним мерам, необходимость в которых возникает только в самых запущенных случаях, в то время как безразборная гидрохимическая очистка теплообменников считается мерой, подходящей для регулярного сервисного обслуживания любых теплообменников.

Под разборной очисткой теплообменников обычно подразумевается механическая очистка, которой необходим разбор и извлечение из теплообменника загрязненных элементов. В этом случае очистка теплообменника предполагает промывку блоков или пластин теплообменника струей воды под высоким давлением. При необходимости может быть добавлена такая мера, как химическая очистка теплообменников, при которой загрязненные детали помещаются в емкость с чистящим средством на определенный промежуток времени.

После завершения химической промывки теплообменника извлеченные детали промываются водой и помещаются в систему. Преимуществом разборной химической очистки теплообменника является ее высокая эффективность — подобным методом возможно удалить практически все скопившиеся загрязнители любого характера. Основным же минусом этого метода очистки теплообменников является его большая стоимость в сравнении с безразборной химической очисткой теплообменников.

Альтернативой разборной промывки является безразборная химическая очистка теплообменников, которая не требует разбора системы и промывки ее по частям. В основе безразборной химической очистки теплообменников лежит работа специальных устройств — бустеров для промывки теплообменников. Очистка теплообменников при помощи специальных установок представляет собой введение в систему специальных чистящих средств, которые циркулируют в системе под определенным давлением и температурой.

Установки для очистки теплообменников представляют собой устройства, состоящие из нескольких основных блоков: насоса, напорного бака и нагревательного оборудования. В напорный бак заливается раствор для очистки теплообменников, который нагревается ТЭН — трубчатыми электронагревателями — до определенной температуры, после чего установка для очистки теплообменников подключается через сливные отверстия к теплообменнику. После подключения установка для очистки теплообменников к системе включается специальный насос, который перегоняет жидкость в теплообменник и создает необходимое для эффективной очистки теплообменника давления. В течении нескольких часов ( в зависимости от размеров теплообменника и степени ее загрязнения) чистящее средство циркулирует через пластины или трубы теплообменника, в результате чего с внутренних поверхностей удаляется накипь и другие загрязнители.

По истечении определенного времени насос для очистки теплообменников переключается в режим реверса потока и удаляет из системы чистящее средство вместе с содержащимися в нем загрязнителями. На этой стадии установка для очистки теплообменников переключается в режим промывки водой, и насос через сливные отверстия подает на пластины или в трубы теплообменника воду. Эта мера является необходимой, так как в состав большинства средств для очистки теплообменников входят различного рода агрессивные химические реагенты, длительный контакт с которыми может оказать на элементы системы негативное воздействие.

Разборная, как и безразборная промывки, подходят как для очистки пластин, так и для очистки труб теплообменников. Эффективность же любой химической очистки теплообменников зависит в первую очередь от правильного подбора оптимальных чистящих средств, то есть реагентов для промывки теплообменников.

Очистка труб теплообменников.

Для очистки трубчатых теплообменников могут быть использованы оба способа, то есть, безразборная и разборная химические очистки теплообменников, однако предпочтение отдается безразборной химической очистке труб теплообменников. Как и в случае с пластинчатыми теплообменниками, безразборная химическая очистка труб теплообменника проводится только с использованием специального оборудования, которое способно обеспечить необходимое для эффективности промывки давление и температуру.

На эффективности любой химической очистки теплообменника прежде всего сказывается выбор оптимальный средств для очистки теплообменников. В состав большинства чистящих средств входят те или иные сильные химические реагенты, которые способны разрушить или растворить накипь, налет и другие загрязнители. Наиболее распространенным средством для очистки труб теплообменника считаются различные кислоты, которые, вступая в реакцию с загрязнителями, разрушают их.

Для очистки труб теплообменников от различного рода накипи и налетов в основном используются сильные кислоты. Уровень pH подобных средств для очистки от накипи теплообменников зачастую находится на уровне 1-3. При выборе реагента для очистки труб теплообменника особое внимание уделяется возможности его использования в каждом конкретном случае, который зависит как от конструктивных особенностей системы, так и от материала, из которого выполнены подлежащие очистке трубы теплообменника.

Очистка труб теплообменника производится чаще всего при помощи специальных устройств, которые позволяют произвести безразборную химическую очистку теплообменника. В этих случаях бустер для очистки теплообменников подключается напрямую к сливным отверстиям теплообменника, после чего начинает подачу раствора для чистки труб теплообменников на загрязненные поверхности. Благодаря высокому давлению, под которым в систему подается чистящее средство, этот метод позволяет с высокой эффективности удалить практически все загрязнители любого вида. Для улучшения качества очистки труб теплообменника и ускорения процесса промывки необходимо подогревать чистящий раствор, так как высокие температуры способствуют ускорению большинства химических реакций.

Очистка труб теплообменников может быть произведена также и при помощи разборного метода промывки, однако подобный способ при очистке труб теплообменников менее эффективен, чем при очистке пластинчатых систем. В процессе разборной очистки трубы теплообменников замачиваются в чистящем растворе, а в последствии промываются проточной водой.

Несмотря на широкое распространение обоих методов очистки труб теплообменников , большей эффективностью при меньших затратах отличается метод безразборной химической очистки. Особую важность приобретает безразборный метод очистки труб теплообменников в тех системах, где не предусмотрена возможность извлечения внутренних деталей теплообменника из системы.

Очистка от накипи теплообменников.

Несмотря на некоторые различия в процессах очистки пластинчатых и трубчатых теплообменников, для устранения одних и тех же загрязнителей в теплообменниках обоих типов чаще всего используются одинаковые химические реагенты. Наиболее распространенной проблемой любых теплообменников считается возникновение накипи на внутренних поверхностях теплообменников. Для очистки от накипи теплообменников чаще всего применяется метод безразборной химической очистки, однако в некоторых особо запущенных случаях рекомендуется разборная механическая прочистка.

Безразборная химическая очистка от накипи теплообменников производится тем же способом, что и любая другая очистка теплообменников, а именно путем подключения к системе специального устройства и промывки пластин или труб теплообменника тем или иным моющим средством(4). Для очистки от накипи теплообменников сегодня чаще всего используются различные кислоты. Так, например, широкое распространение получили средства для очистки теплообменников на основе азотной кислоты. При выборе средства для очистки от накипи теплообменников необходимо определить тип накипи, покрывающей пластины или внутренние поверхности труб теплообменника. Накипь может представлять собой осевший карбонат кальция, продукты коррозии, силикаты и другие типы веществ, поэтому для очистки от различных типов накипи теплообменников используются различные чистящие средства.

Для очистки от накипи теплообменников, в состав которой входит карбонат кальция зачастую используется азотная кислота. Азотная кислота, входящая в состав средства для очистки от накипи теплообменников, при контакте с карбонатом кальция образуется пузырьки водорода и углекислоты, которые и разрушают накипь.

Еще одним типом накипи являются осевшие на внутренних поверхностях теплообменника оксиды металлов. Для очистки от накипи теплообменников подобного типа может быть использована сульфаминовая кислота, принцип действия которой во многом схож с азотной кислотой.

Силикатные отложения обычно устраняются при очистки от накипи теплообменников жирные кислоты. Также для очистки от накипи теплообменников может быть использована фосфорная кислота, которая не менее действенно удаляет с внутренних поверхностей теплообменника налет.

Выводы

Проблема засорения трубопроводов теплообменных аппаратов стоит максимально остро. Периодическая чистка трубопроводов от отложений в ряде случаев необходима каждые 2-3 месяца и связана с большими затратами по времени, деньгам, а так же трудовым ресурсам.

Наиболее распространенный вид борьбы с засорами – химическая чистка, разборная и безразборная. Так же в борьбе с одразованием отложений на трубопроводах помогают водоводяные и пароводяные (ПВВВ и ППВВ) подогреватели.

Подогреватели с винтовым движением нагревающей среды в межтрубном пространстве состоят из корпуса, трубных досок, трубчатки с поперечными и винтовыми перегородками, благодаря которым и обеспечивается движение среды по винтовой траектории (рис. 1).

Устойчивая работа ПВВВ и ППВВ на воде низкого качества объясняется реализацией в данной конструкции наиболее простого и дешевого способа водоподготовки, позволяющего добиваться сокращения и исключения отложений на теплообменной поверхности и заключающегося в создании автоматического пульсационно-вихревого режима движения теплообменивающихся потоков, как в межтрубном, так и в трубном пространстве подогревателей.

Рис. 1 Схема работы подогревателя с винтовым движением нагревающей среды

Известно, что с увеличением скорости потока воды, снижается скорость отложения накипи на теплообменной поверхности. Толщина накипи уменьшается не только от увеличения скорости движения среды, а от величины критерия Рейнольдса потока в целом (Rе = Wd/р, где W- скорость потока, d -эквивалентный диаметр прохода, р – вязкость среды). Таким образом, на величину вихрей смывающих частицы накипи с теплообменной поверхности, существенное влияние оказывает увеличение диаметра теплообменных трубок. Несмотря на некоторое снижение интенсивности теплоотдачи от увеличения диаметра трубок при работе с водой, образующей в рабочих условиях накипь на теплообменной поверхности, такое мероприятие оправдано, а чаще всего просто необходимо (1).

Таким образом, целью работы является внедрение наночастиц серебра в целлюлозную матрицу, которая может быть использована при изготовлении упаковок, предназначенных для продления сроков хранения пищевых продуктов.

Экспериментальная часть. Наночастицы серебра получали путем восстановления водного раствора нитрата серебра (квалификация «хч»). В качестве восстановителя использовали глюкозу (квалификация «хч»). Все растворы готовили на дистиллированной воде. Золь готовили смешением растворов нитрата серебра с глюкозой в соотношении объемов 1:1. Обработку смеси проводили раствором гидроксида аммония (10 %, квалификация «хч»), так как размеры наночастиц серебра зависят от рН среды [7]. Затем золь нагревали в течение 1,5 часов при температуре 70 °С.

Полученные наночастицы изучались методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) полуконтактным методом с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver P47 PRO на воздухе при комнатной температуре. Зондом служил кремниевый кантилевер с типичной резонансной частотой около 150 кГц. Для наблюдения наночастиц серебра каплю полученного золя наносили на поверхность чистого стекла размером 20 × 10 мм, давали ей высохнуть при комнатной температуре.

В работе использовались следующие методы закрепления наночастиц серебра/оксида серебра на поверхности полимеров и пленок:

1) метод, основанный на синтезе наночастиц оксида серебра с их одновременным закреплением в порах и на поверхности полимера;

2) метод, основанный на синтезе наночастиц серебра с их одновременным закреплением в порах и на поверхности полимера/пленки;

3) метод нанесения раствора наночастиц серебра на полимер/пленку с использованием ультразвука.

Метод, основанный на синтезе наночастиц оксида серебра с их одновременным закреплением в порах и на поверхности полимера. В пробирки, заполненные растворами нитрата серебра различных концентраций (0,00005 моль/л; 0,0001 моль/л; 0,0005 моль/л; 0,001 моль/л; 0,005 моль/л), помещаются образцы целлюлозы. После этого растворы нагреваются при температуре 70 °С в течение 1,5 часов. При этом происходят синтез наночастиц оксида серебра и их одновременное первичное закрепление в порах и на поверхности целлюлозы. Далее образцы промываются дистиллированной водой, с целью удаления слабо закрепленных наночастиц, и высушивают током горячего воздуха в течение 2 часов при температуре 160 °С.

Метод, основанный на синтезе наночастиц серебра с их одновременным закреплением в порах и на поверхности полимера/пленки. В пробирки, заполненные растворами нитрата серебра и глюкозы (концентрация нитрата серебра 0,0005 моль/л, концентрация глюкозы 0,05 моль/л, значение рН 8,5), помещаются образцы целлюлозы и целлофана. После этого растворы нагреваются при температуре 70 °С в течение 1,5 часов. При этом происходят синтез наночастиц серебра и их одновременное первичное закрепление в порах и на поверхности целлюлозы и целлофана. Далее образцы промываются дистиллированной водой и высушиваются током горячего воздуха в течение 2 часов при температуре 160 °С.

Метод нанесения наночастиц серебра на полимер/пленку с использованием ультразвука. Образцы целлюлозы и целлофана помещаются в пробирки с свежеприготовленным раствором наночастиц серебра (концентрация нитрата серебра 0,0005 моль/л, концентрация глюкозы 0,05 моль/л, значение рН 8,5, температура 70 °С, время нагревания 1,5 ч), установленные в емкость ультразвукового диспергатора       УЗДН-2т, который снабжен ультразвуковым излучателем с частотой звукового излучения 44 кГц. После этого включается генератор ультразвука, и пробирки с образцами находятся в емкости диспергатора определенное время (1 мин, 10 мин, 20 мин, 30 мин). При этом происходит первичное закрепление наночастиц серебра на поверхности целлюлозы и целлофана. Далее образцы промываются дистиллированной водой и высушиваются током горячего воздуха в течение 2 часов при температуре 160 °С.

Процедура определения острой токсичности водной вытяжки, содержащей наночастицы серебра/оксида серебра, методом биотестирования по смертности дафний [8]. Биотестирование проводится в химических стаканах, которые заполняются либо 100 см³ исследуемой водной вытяжки, либо 100 см³ разбавленной исследуемой водной вытяжки. В стаканы помещают по десять дафний в возрасте 6 – 24 часа. Учет смертности дафний в опыте проводят через 24 часа.

Процедура определения острой токсичности водной вытяжки, содержащей наночастицы серебра/оксида серебра, методом биотестирования по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла [9]. Для биотестирования используют чистую культуру водорослей Chlorella vulgaris Beijer, находящуюся в экспоненциальной стадии роста. Для приготовления водных вытяжек используется дистиллированная вода. Приготовленная тест-культура водоросли вносится по 2 см³ в химические стаканы с 48 см³ контрольной и тестируемых проб водных вытяжек. Также во все стаканы вносятся по 0,4 см³ заранее приготовленных растворов микроэлементов. По окончании 6 см³ содержимого каждого стакана вносится во флакон-реактор. После этого флаконы с пробками устанавливаются в культиватор КВМ-05, где определяются ростовые характеристики культуры водоросли хлорелла. Через 22 часа культивирования проводится измерение оптической плотности суспензии водоросли во всех флаконах измерителем ИПС-03.

Результаты и их обсуждение. Важным условием применимости наночастиц серебра/оксида серебра для изготовления упаковочных материалов является их способность к закреплению на поверхности и в порах материала для упаковки. Данное условие может быть обеспечено использованием различных вариантов полимерной основы, а также различных технологий нанесения наночастиц на поверхность полимера.

В целом, методы, используемые в данной работе, состоят из двух основных этапов: первоначального нанесения наночастиц либо одновременного синтеза и нанесения наночастиц; их закрепления на поверхности полимеров и пленок. Помимо этапа нанесения наночастиц серебра/оксида серебра, важным является этап закрепления. Закрепление наночастиц может происходить еще на этапе нанесения. Прочность такого закрепления зависит от свойств наночастиц и метода нанесения. Прочное закрепление осуществляется при наличии физической связи между наночастицами и поверхностью полимера/пленки (в результате возникновения сил межмолекулярного притяжения). Основной задачей второго этапа – дополнительного закрепления наночастиц – является снижение их миграции в продукт в определенных пределах. Дополнительное закрепление осуществляется нагреванием материала с наночастицами серебра/оксида серебра. Нагрев материала с нанесенными на него наночастицами приводит к вплавлению нанокомпонента в структуру полимера/пленки. Данный метод прост, однако его применение может привести к изменению формы изделия и его свойств.

Оценка результатов синтеза наночастиц оксида серебра с их одновременным закреплением в порах и на поверхности полимера. В результате визуальной оценки полученных полимеров (целлюлозы) по данному методу было обнаружено, что их окраска изменяется от светло-желтой до бурой (исходная целлюлоза имела белый цвет), то есть полученные композиты окрашиваются в цвет раствора, который использовался при их изготовлении. Следовательно, прошли синтез наночастиц оксида серебра и закрепление их в порах и на поверхности целлюлозы.

По методу, основанному на синтезе наночастиц серебра с их одновременным закреплением в порах и на поверхности полимера/пленки, было обнаружено, что полученные полимеры и пленки имеют желтую окраску (в отличие от окрасок исходных материалов), то есть окрашивание произошло успешно. Следовательно, прошли синтез наночастиц серебра и закрепление их в порах и на поверхности целлюлозы и целлофана.

По методу нанесения раствора наночастиц серебра на полимер/пленку с использованием ультразвука, было обнаружено, что полученные полимеры имеют желтоватую окраску, то есть они окрашиваются в цвет раствора, который использовался при их изготовлении. В результате визуальной оценки полученных пленок (целлофана), было обнаружено, что окраска пленок (целлофана) изменяется от светло-желтого до желтого. Это указывает на то, что произошло расплавление целлюлозы и целлофана в местах нахождения наночастиц, а также прошло их закрепление.

Таким образом, все три метода являются эффективными при изготовлении упаковки с антимикробными свойствами. Полученные данными методами материалы могут использоваться при изготовлении упаковки различных как пищевых, так и непищевых продуктов и изделий, где актуальным является поддержание асептических условий продолжительное время.

Определение наночастиц на целлофане, пригодных для изготовления упаковок, производилось методом атомно-силовой микроскопии. Предварительная пробоподготовка образцов не производилась. Исследование образцов проходило в режиме фазового контраста. Данный режим позволяет селективно обнаруживать определенные виды наночастиц на поверхности полимера. Средний размер не должен сильно отклоняться от размера исходных наночастиц в растворе и не должен превышать 100 нм (рисунок 1).

а                                                                                                                в

Качество сточных вод не всегда соответствует требуемым и регламентируемым нормам допустимой загрязненности. Часто происходит сброс непригодной воды, отходов в сточные воды. В связи с этим требования, предъявляемые к воде, растут [1-3]. Но в последние годы активно модернизируются и исследуются методы, устройства для очистки и дезинфекции сточных вод. Одним из популярных и действенных способов обеззараживания воды является ультрафиолетовое облучение (УФО).

Действие УФ-излучения может быть как активирующим рост микроорганизма, так и инактивирующим, вплоть до полного подавления их жизнеспособности. Для инактивации чаще всего используются коротковолновое УФ-излучение, которое, как известно, максимально поглощается молекулами ДНК. Это ведёт к появлению различных дефектов ДНК (например, к гидратации оснований ДНК), что в свою очередь препятствует её репликации, замедляет и ограничивает рост микроорганизмов. Среди источников УФ-излучения широко известными являются ртутные лампы высокого и низкого давления в связи с тем, что спектр их излучения перекрывается со спектрами инактивирующего действия излучения на ДНК [4, 5].

Однако сегодня признано, что ртутные лампы перестали соответствовать экологическим стандартам [6]. Кроме того, утилизация ртутных ламп является дорогостоящей процедурой. Поэтому в странах ЕС происходит осознанный поиск альтернативных источников УФ-излучения, не содержащих ртути. Наши исследования 2003-2015 гг. показали, что в качестве таких источников можно использовать эксилампы. Слово «эксилампа» является обобщающим названием класса устройств, излучающих спонтанное ультрафиолетовое (УФ) и/или вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение эксимерных и эксиплексных молекул. Спектры длин волн ряда эксиламп лежат в т.н. бактерицидном диапазоне. В частности, типичные спектры XeBr- и KrCl-эксиламп барьерного разряда представляют собой интенсивные полосы излучения с максимумами на длинах волн 282 и 222 нм, соответственно, и имеют полуширину полосы порядка нескольких нм [7].

До сих пор объектом микробиологических исследований с применением эксиламп были загрязненные в лабораторных условиях поверхности, газы и жидкости. В настоящей работе указанные эксилампы были использованы для изучения влияния УФ-излучения на микроорганизмы при обеззараживании сточных вод, взятых со станции водоочистки. Кроме того, дополнительным фактором воздействия было ультразвуковая обработка (УЗО).

Материалы и методы

Важными микробиологическими показателями качества воды являются: общее количество колониеобразующих единиц (КОЕ), а конкретно – количество колиморфных бактерий (ОКБ) и количество термотолерантных колиморфных бактерий (ТКБ). Общие колиморфные бактерии – это разновидности кишечной палочки, грамотрицательные бактерии, не способные к спорообразованию, но способные воспроизводить альдегид на различных лактозных средах, ферментирующие лактозу с образованием кислоты и газа при температуре 37° С в течение 24-48 ч. Термотолерантным колиморфным бактериям присущи все признаки общих колиморфных бактерий, но кислоту и газ образуют при температуре 44° С в течение только 24 ч. Они же являются показателем наличия или попадания в воду фекального загрязнения [8].

При использовании для обеззараживания сточных вод ртутными лампами низкого давления проводились как лабораторные исследования, так и полевые, в т.ч. для выявления условий, в которых можно отказаться от всех прочих способов очистки воды (хлорирование, озонирование и т.д.) [9-14]. Но даже тщательное соблюдение санитарных, гигиенических и технологических норм регламента обработки ртутными лампами не дают гарантий того, что разработка сможет перейти в масштабное производство и функционировать длительное время в связи с тем, что многие страны Европейского Союза сейчас занимаются снятием с производства ламп, содержащих ртуть [15].

Использование УЗО также применяется сегодня, но данный фактор воздействия даёт неоднозначные результаты. Так, в литературе указывается, что несмотря на большие затраты энергии, длительное время воздействия, ультразвук не всегда оказывает инактивирующее воздействие на бактерии. А при определенных параметрах он даже стимулирует рост бактерий. Поэтому процесс УЗО воды в большинстве случае предполагает использование ультразвука в сочетании с другими методами и средствами для достижения наибольшего эффекта. В частности, корректируют частоты и мощность ультразвуковых волн, сочетают УЗО и/или УФО, и/или химические окислители органических веществ. Т.е. ультразвук является дополнением к методам обеззараживания воды, а не самодостаточным способом очистки сточных и питьевых вод [16-20].

Для проведения исследований по УФО и УЗО сточных вод, была использована экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1. С помощью насоса (1) установка обеспечивала циркуляцию исследуемой воды в системе: вода из контейнера (2) поступала в ультразвуковую ванну (3), затем подвергалась УФО коаксиальными KrCl (4) и XeBr (5) эксилампами барьерного разряда, и далее возвращалась в контейнер (2). Скорость прокачки жидкости через систему могла варьироваться от 0.5 до 2.5 л/мин.

На рис. 2 дано поперечное сечение эксилампы. Облучаемая жидкость в этом случае протекает через кварцевую трубку, размещенную в полости 6. В ходе опытов KrCl- и XeBr- эксилампы обеспечивали энергетическую освещенность на внутренней поверхности кварцевой трубки E_вн = 23 и 31 мВт/см², соответственно. Рабочий диаметр трубки составлял d_раб. = 0.79 см. Длина рабочей области одной эксилампы, в которой происходит облучение, составляла l = 12.8 см. Соответственно, рабочий объем одной эксилампы V_раб = 6.27 см³, а общий объем системы составлял 2500 см³. На основе этих данных были рассчитаны основные параметры УФО эксиламп на воду (табл. 1).

Для обработки ультразвуковыми колебаниями применялась ванна Elmasonic S 10H, позволяющая оптимально распределять звуковое поле внутри объёма с жидкостью. Ванна имела глубину, ширину и длину 5.8, 8.5 и 19 см, соответственно, и объём V_уз ~ 932 см³. Пиковая мощность ультразвука в ней составляет 240 Вт, при частоте колебаний f = 37 кГц [21]. Толщина слоя жидкости для УЗО составляла 0.5 см.

Рисунок 1. Блок-схема установки для обеззараживания воды: 1 – насос; 2 – контейнер с исследуемой водой; 3 – ультразвуковая ванна; 4 – KrCl-эксилампа; 5 – XeBr-эксилампа; 6 – стеклянная трубка; 7 – тракты для циркуляции воды через установку

Рисунок 2. Поперечное сечение коаксиальной эксилампы барьерного разряда: 1, 2 – кварцевые трубки, образующие внешнюю и внутреннюю стенки эксилампы; 3 – внешний отражающий электрод; 4 – зона разряда между кварцевыми трубками; 5 – внутренний полупрозрачный электрод; 6 – внутренняя полость для облучения. Белыми стрелками обозначено направление, в котором концентрируется излучение

Таблица 1 – Параметры УФО эксиламп

Вода для исследований была взята на очистных сооружениях п. Аэропорт, Томская область, Томский район, Мирненское сельское поселение. Для первичных исследований было взято две меры воды по 1 л, а впоследствии – четыре меры воды по 15 л в каждой.

Взятые меры проходили обработку в трёх режимах: 1) УФО с помощью обоих эксиламп; 2) УЗО; 3) совмещение режима 2 и 1. Время обработки составляло во всех опытах 80 минут. В каждой серии опытов одна мера сточной воды оставалась контрольной, обработке не подвергалась и использовалась для сравнения.

Обработанную воду исследовали на соответствие СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» [22] при использовании метода исследования МУК 4.2.1884-04 «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов» [23] в Бактериологической лаборатории Центра гигиены и эпидемиологии в Томской области.

Результаты и обсуждение

Эксперименты по УФО и УЗО были проведены дважды. В первой серии экспериментов было проведено УФО воды, объемом 1 л. Во второй серии объемом был увеличен воды до 15 л, и дополнительно проводилось УЗО. Результаты обработки собраны в табл. 2.

Таблица 2 – Результаты экспериментов

По табл. 2 видно, что наибольший эффект обеззараживания достигается в режиме одновременной работы KrCl- и XeBr-эксиламп. В этом случае содержание как общих колиморфных бактерий, так и термотолерантных колиморфных бактерий уменьшается в среднем в 10 раз. Это происходит в виду того, что спектры излучения эксимерных ламп лежат в бактерицидном диапазоне длин волн.

При одновременной УФО и УЗО концентрация КОЕ ОКБ уменьшается незначительно. А применение только УЗО оказалось стимулирующим рост колиморфных бактерий. Данный эффект можно объяснить тем, что УЗО измельчает содержащиеся в воде крупные фракции органических веществ, обеспечивая лучший доступ к ним бактериальных культур и облегчая их питание. Вероятно, чтобы перейти к инактивации микроорганизмов, необходимо увеличивать дозу УЗО. Тем не менее сам найденный эффект интересен как фактор, который следует учитывать при проектировании маломощных установок по очистке воды и/или при обработке вод, содержащих крупные фракции органических веществ.

Дополнительно было исследовано влияние УФО и УЗО на бактерии рода Proteus. Протей (Proteus) – грамотрицательная бактерия, неспособная образовывать споры и окрашиваться по Граму, имеющая вид нитевидных палочек размером около 0.3 × 3 мкм. Данная разновидность кишечных бактерий характеризуется высокой активностью и подвижностью, а также способностью выделять токсины и высокой резистентностью к антибиотикам. Она является биоиндикатором фекального загрязнения и загрязнения органическими веществами [24]. Эта группа бактерий была обнаружена в контрольных мерах воды. Экспериментально выявлено, что УФО полностью уничтожает Proteus. После УЗО, напротив, эта разновидность бактерий сохранялась.

Полученные данные подтверждают данных других экспериментов [25-26], в которых было показано, что к ультразвуковой обработке сточных вод следует относиться с осторожностью. Условия её оптимального применения требуют дополнительных исследований. С другой стороны, ультрафиолетовое излучение в условиях реальных сточных вод также не даёт необходимой (согласно нормам СанПиН) степени инактивации. Всё это свидетельствует о необходимости новых исследований, нацеленных на получение действенной методики инактивации сточных вод и определения пределов её применимости.

Выводы

Проведены сравнительные исследования инактивации микроорганизмов в сточных водах ультрафиолетовым излучением узкополосных эксиламп и ультразвуком. Показано, что излучение XeBr- и KrCl-эксиламп обладает наибольшим инактивирующим действием. Использование ультразвука, напротив, приводит к росту количества патогенных микроорганизмов. По отношению к бактериям рода Proteus выявлена эффективность ультрафиолетового облучения эксилампами и неэффективность ультразвуковой обработки.

Авторы благодарят бактериологическую лабораторию Центра гигиены и эпидемиологии Томской области за помощь в оценке результатов экспериментов и С.М. Авдеева за помощь в изготовлении эксиламп.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института сильноточной электроники СО РАН по теме №13.1.3, а также внутреннего гранта института. Авторы выражают свою благодарность администрации в лице директора института Н.А. Ратахина и зам. директора по научной работе И.Ю. Турчановского за идейную и организационную поддержку работы.

Рассматривая термин «шумовое загрязнение», ясно, что это превышение уровня шума по разным звуковым характеристикам, которое входит в тройку самых значительных экологических нарушений в мире. В наше время произошло увеличение шума, после чего, загрязнение городской среды приумножилось.

Проблема защиты от шума, является в первую очередь – сохранение здоровье человеческого организма. Данной проблемой, большей степенью страдают жители больших городов. Шумовое загрязнение приводит к повышенной утомляемости человека, понижению производительности труда, физическим и нервным заболеваниям [3].

При длительном воздействии шума, может привести к таким проблемам как: частичная или полная потеря слуха, вследствие чего возник такой термин как «шумовая болезнь» [2].

Рассмотрим негативные стороны шумовой болезни:

1) расстройства в эндокринной системе;

2) недостаточность в сердечно – сосудистой функции;

3) нарушение пищеварения;

4) снижение слуха.

Субъективные симптомы от воздействия шума:

1) боли в ушах;

2) головные боли или головокружения;

3) стресс, раздражение, агрессия;

4) постоянная усталость;

5) снижение аппетита;

6) ухудшение памяти [4].

Из этого следует, что звуковой диапазон шума, приводит к нарушению здоровья, а также ухудшается производительность труда, в случае рассмотрения данного аспекта на производстве. Работа сотрудника  и его реакция замедляется, что в свою очередь, способствует возникновению несчастных случаев.

Далее рассмотрим значение ультразвука, данный феномен определяет звуковые волны, которые имеют частоту, выше, чем может слышать человек.

Ультразвук классифицируют на:

1) низкочастотный – колебания  от 1,12·104 до 1,0·105 Гц;

2) высокочастотный – колебания от 1,0·105 до 1,0·109 Гц;

3) по способу распространения – на контактный и воздушный ультразвук.

При воздействии инфразвука на организм уровнем 110…150 дБ, могут возникать неприятные ощущения и изменения, такие как:

1)  нарушения в центральной нервной системе;

2) нарушения сердечно сосудистой и дыхательной системы;

3) нарушение в работе вестибулярного анализатора.

При этом возникают:

1) головные боли, головокружение, звон в ушах и голове, снижение внимания и работоспособности;

2) чувство страха, сонливость, затруднение речи;

3) нарушение равновесия [1].

Рассматривая инфразвук с уровнем в 105 дБ, происходят такие психофизиологические реакции как: повышения тревожности и эмоциональная неустойчивость.

Остановимся ближе на психоэмоциональном состояние человека, при резком шуме.   На нервную систему проявляется вровень звука от 40-70 дБ и не зависит от субъективного восприятия шума. Наиболее выраженными являются нарушения:

1) кровообращения и повышение давления;

2) воздействие на нервную систему;

3) увеличение скрытого периода зрительно-моторной реакции;

4) нарушение подвижности нервных процессов;

5) нарушения в работе головного мозга с проявлением общих функциональных изменений в организме.

Изменения в функциональном состоянии нервной системы наступают гораздо быстрее и при меньших уровнях шума, чем снижение слуховой чувствительности [5].

Таким образом, психические реакции организма появляются уже начиная с уровней шума 30 дБ(А) и по мере нарастания интенсивности шумового фактора становятся все более  и более выраженными: от раздражения и утомления до испуга и стресса. При этом решающую роль в психоэмоциональной оценке неприятного воздействия  шума играет личное отношение человека. Степень воздействия на психику возрастает с увеличением частоты звука и уменьшением ширины полосы частот шумового сигнала.