Ергешбаева С.Б., Иргибаева И.С., Сагиева А.М.

Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева

Электрохимическое бесхлорное обеззраживание воды,

загрязненной бактериями E.coli

Деионизированную (ДИ) воду, загрязненную бактериями E.coli, дезинфицировали при помощи переменного тока. В качестве электролита использовали сульфат натрия. Обработку осуществляли в циркуляционной системе, включающей электрохимическую ячейку с никелевыми электродами. Проведена оценка эффективности процесса и показана, что количество погибших бактерий напрямую зависит от количества подаваемого напряжения на электрохимическую ячейку и концентрации генерируемых в процессе электролиза гидроксильных радикалов.

Введение

Успешное развитие электролитической стерилизации загрязненных вод с заменой хлорид анионов анионами фосфатов, нитратов, сульфатов или карбонатов, не вызывающих коррозию, более выгодна с точки зрения стоимости эксплуатации оборудования и повышает рентабельность процесса электролитической стерилизации воды [1].

Установлено, что электрохимическая дезинфекция разрушает бактерии не при помощи электрического поля. По мнению авторов [2] главный вклад в дезинфицирующий эффект вносит генерирование гидроксильных радикалов. Показано, в частности, что общепринятые схемы анодного окисления и катодного восстановления в реакциях:

2Н₂О = 4Н⁺ + 4е + О₂,

4Н₂О + 4е = 2Н₂ + 4ОН^–

являются упрощенными. Одним из промежуточных этапов процесса образования молекулы водорода в реакции катодного восстановления является образование атомарного водорода (Н*). Часть атомарного водорода при этом инициирует следующую последовательность реакций:

Н* + О₂ = НО₂,

НО₂ + Н* = Н₂О₂

В тех случаях, когда электроды изготовлены из металла (М), перекись водорода участвует в реакции, которая приводит к образованию гидроксильных радикалов:

Н₂О₂ + М ²⁺ = М³⁺ + •OH + ОН^–.

В случае электролита на основе сульфатов помимо •ОН радикалов в процессе обеззараживания могут также участвовать промежуточные высокоактивные персульфатные и сульфатные радикалы [3].

Механизм электрохимической дезинфекции зависит от многих параметров, в том числе от количества подаваемого напряжения. В данной работе было подсчитано количество бактерий E.coli, подвергнутых электролизу при низком напряжении и малом токе. Было найдено, что значение эффективного напряжения, при котором образование гидроксильных радикалов наибольшее для никелевых электродов составляет 2В. Выше указанного значения напряжения наблюдается коррозия никелевых электродов в выбранной области концентраций электролита.

Методика эксперимента

Растворы ДИ воды содержали электролит Na₂SO₄ концентрацией 0.5%. Для получения раствора, содержащего около 10⁶ КОЕ/мл бактерий, 5 литров приготовленного раствора смешивались с 20 мл высококонцентрированной суспензии E.coli (приблизительно 10⁹ КОЕ/мл).

Схема экспериментального устройства по обеззараживанию воды показана на рисунке 1. Она содержит: 1 - насос, 2 - водомер, 3 - пластмассовая электрохимическая ячейка с никелевыми электродами в форме сетки диаметром 5,5 см, установленными параллельно друг другу на расстоянии 3 мм. Во избежание коррозии медные проволоки припаяны концами к крайним электродам.

Перед началом обработки воды, загрязненной бактериями E.coli, лабораторный аппарат был прoдезинфицирован путем прокачивания горячей воды (75-80⁰C, 20 минут). Загрязненная бактериями вода объемом 5000 мл была помещена в аппарат. Все эксперименты были выполнены при начальной температуре воды 20⁰C. Скорость прокачивания воды через электрохимическую ячейку составляло 28л/мин.

Рис. 1. Лабораторная установка для электрохимического обеззараживания воды.

Работа проводилась на разных количествах электродов: в установку с 2 никелевыми электродами подавалось напряжение 2В, с 10 никелевыми электродами подавалось напряжение 18В и 50В. Пробы по 10 мл отбирали через открытую крышку электролитической ячейки. Колонии E.coli подсчитывали после инкубации в течение 24 ч при 35°С.

Результаты и заключения

Электролиз показал дезинфицирующую эффективность применения двух и десяти электродов, близкую к озонированию. Установлено, что когда подается напряжение 18В на 10 никелевых электродов после 5 минут обработки концентрация живых бактерий E.coli уменьшается на один порядок, и при 20 минутах на 2 порядка. Тогда как с 2 электродами, когда подается напряжение 2В, уменьшение количества живых бактерий E.coli на один порядок наблюдается в течение 10 минут, а уменьшение на 2 порядка при 40минутах электрохимической обработки.

Таким образом, в ходе эксперимента установлено, что увеличение количества электродов уменьшает начальное время обеззараживания загрязненной воды, т.е. для 10 электродов время обеззараживания по сравнению с 2 электродами уменьшается в два раза. В ходе эксперимента в течение 40 минут обеззараживающее действие лучше идет для 10 электродов. После 40 минут эксперимента количество живых бактерий в экспериментальной установке приблизительно одинаково для обоих типов экспериментов.

Рис 2. Зависимость количества живых бактерий от времени обработки.

Также ранее проведены эксперименты при большем приложенном напряжении 5 В между электродами. Зависимость количества живых бактерий от времени приложения напряжения 50 В на 10 электродах в лабораторной установке показана на рис.2, кривая 3. которая проходит выше кривых 1 и 2. Сравнивая результаты, можно сказать, что при уменьшении напряжения до 2В обеззараживание воды происходит эффективнее.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sampson R.L., Sampson A.H. Pat. 6416645 (US), 2002.

2. Li X.Y., Diao H.F., Fan F.X.J., Gu J.D., Ding F., Tong A.S.F. // J. Env. Eng. 2004. V. 130. P. 1217.

3. Izat A.L., Griffis C. // Poultry Science. 1988. V. 67.P. 1568.