1.3. Пролонгована мікробна стійкість води, обробленої імпульсними електричними розрядами.
Результати досліджень останніх десятиліть в області медицини вказують на те, що різкий ріст онкологічних і серцево-судинних захворювань є наслідком знезаражування води хлоруванням. Виявлено, що в питній воді, яка знезаражена хлоруванням, присутні стійкі частки (макрорадикали), які протягом тривалого часу підтримують протікання вільнорадикальних ланцюгових реакцій. Встановлено, що дані мікрорадикали являють собою той патогенний початок, що провокує виникнення й розвиток цих та інших важких захворювань. Ці обставини спонукають до пошуку альтернативних, більше безпечних для людини, методів знезараження води.
Імпульсний електричний розряд (ІЕР) у воді вже зараз може бути використаний для знезараження стоків лікарень і промислових підприємств, а при наявності експериментальних даних про відсутність їхнього негативного впливу на організм людини передбачається їхнє використання в медицині, фармацевтичної та харчової промисловості.
Загальна бактерицидність, створена ІЕР у воді, обумовлена двома видами факторів, що діють:
—у момент розряду: хвилі стиснення, ультрафіолетове випромінювання й гідратовані електрони;
— переважно після розрядного імпульсу: активні радикали типу OH, перекис водню й продукти ерозії матеріалу електродів.
Оскільки час існування гідратованих електронів становить ~ 0.5 мс, а радикалів і перекису водню не більше декількох діб, то розглядати їх як фактори, що викликають пролонговану мікробну стійкість води (ПМСВ), що, як було сказано, зберігається протягом декількох місяців, немає ніяких підстав. Отже, виключивши вищезгадані фактори, можна припустити, що причиною виникнення ПМСВ є продукти ерозії матеріалу електродів.
Типові осциллограмми напруги і струму розрядного імпульсу, одержаного за допомогою одного з генераторів імпульсів, представлені на рис. 1.4. Значення передпробійної напруги й спадання напруги на дузі становить в середньому як 100: 1, тому для виміру спадання напруги на дузі застосовувалася схема, що обмежує напругу на низьковольтному плечі дільника напруги. На рис. 1.4.а представлені осциллограмми струму й напруги, отримані без обмеження напруги (1 - 10 А/под., U – 10 кВ/под., час - 5 мкс/под.), а на рис. 1.4.б - з обмеженням напруги (1 - 10 А/под., U – 400 кВ/под., час - 5 мкс/под.).
Рис. 1.4. Осцилограми струму і напруги [4].
Перед пробоєм міжелектродного проміжку проходить передпробійна стадія, протягом якої відбувається ріст напруги на розрядному проміжку до значення, близького до напруги холостого ходу (65 кВ) і наступна за ним тимчасова затримка (1-5 мкс), величина якої визначається як фізико-хімічними властивостями води, що обробляється, так і структурою поверхні електродів. Протягом передпробійної стадії струм наростає до 4 A, що відповідає в цьому випадку опору проміжку води приблизно 16 кОм. З моменту пробою і початку формування каналу розряду за час - 10 мкс струм наростає до максимуму - 60 А, при цьому форма імпульсу струму близька до синусоїдального, а спад напруги на проміжку експоненціально зменшується з - 1 кВ до 80 В (при середній величині 300 В), що відповідає середньому за процес опору каналу розряду ~ 8 Ом. Електрична енергія, що виділилася за час імпульсу, становить 0.25 Дж, пікова потужність розряду — 104 Вт.
Одним з факторів вражаючої дії самого розряду на бактерії є хвилі стисненнгня, що виникають на стадії розширення каналу розряду. Вимір імпульсного тиску на стінці розрядної камери й тіньова фотореєстрація процесу розширення каналу розряду за допомогою високошвидкісної цифрової знімальної камери, виконані для розрядів з однаковою енергією в імпульсі (~ 0.4 Дж), але відрізняються тривалістю, тобто потужністю, показали, що зростання потужності розряду приводить до пропорційного збільшення амплітуди імпульсного тиску. Так, для розряду тривалістю τ = 20 мкс, dl/dt = 2 · 106 А/с амплітуда хвилі стиснення складає ~ 0.5 MПa (рис. 1.5.a), а при τ = 1 мкс, dl/ dt = 2 · 109 А/с — ~ 4 MПa (рис. 1.5.б).
Дослідження спектральних характеристик розряду у воді проводилося для визначення температури каналу розряду. Реєстрація спектрів здійснювалася за допомогою дифракційного цифрового спектрографа з використанням електроду із сплаву срібла з міддю, електротехнічної міді й низьковуглецевої сталі при амплітуді струму ~ 60 А, середнім спаданні напруги на дузі ~ 300 В, тривалості імпульсу ~ 20 мкс.
На рис. 1.6 представлений спектр випромінювання розряду між електродами, виготовленими з електротехнічної міді. У роботі [5] приведені спектри випромінювання електророзрядної плазми дугового і іскрового розряду в воді,повітрі і етанолі між мідними електродами.
Рис. 1.5. Амплітуда хвилі стиснення [4].
Рис. 1.6. Спектр випромінювання розряду у воді між мідними електродами [4].
Температура каналу розряду, певна на підставі отриманої спектрограми методом порівняння відносних інтенсивностей випромінювання в спектральних лініях, становить ~ 104 K. При цій температурі канал розряду є потужним джерелом ультрафіолетового випромінювання зі значною часткою випромінюваної енергії в діапазоні довжин хвиль 200-300 нм. Випромінювання в цій ділянці спектра ефективно вражає мікроби, а поглинене водою світло викликає реакцію фотолізу - генерацію у воді перекису водню, атомарного кисню, озону й активних радикалів OH, які також вражають бактерії.
Під час імпульсних електричних розрядів у воді під дією хвиль стиску, ультрафіолетового випромінювання, перекису водню, озону, атомарного кисню, активних радикалів OH і гідратованих електронів відбувається загибель бактерій, що перебувають у ній.
Імпульсні електричні розряди викликають ерозію матеріалу електродів, за рахунок якої у воді утворяться оксидні частки металу електродів. Максимум функції розподілу часток за розмірами доводиться на 10 нм (наночастинки). Наночастинки, розчиняючись у воді, емітуючи іони. Між наночастинками й іонами протягом тривалого часу підтримується концентраційна рівновага.
При однаковій концентрації іонів бактерицидність води, що містить іони й наночастинки вища, ніж у води, що містить лише іони. Найвищу бактерицидність має вода, оброблена за допомогою срібних електродів.