Окислительно-восстановительный потенциал воды: важность для флоры и фауны, увеличение и снижение, измерение

Обновлено: 05.10.2024

Нормативный документ. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши (Семенов, 1977).

Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) является одной из важных характеристик окислительно-восстановительного состояния природных вод. Он в значительной степени определяет геохимическую подвижность элементов с переменной валентностью и формы их миграции.

Факторы формирования Eh. Природные воды содержат в себе разновалентные ионы и нейтральные молекулы одного и того же элемента, которые и составляют отдельную окислительно-восстановительную (о.-в.) систему. Совместное существование ряда таких систем приводит к установлению некоторого подвижного равновесного состояния, определяющего окислительно-восстановительное состояние вод.

Вклад отдельных о.-в. систем в о.-в. состояние природных вод неодинаков. Окислительно-восстановительные системы, влияние которых на общий о.-в. потенциал среды преобладает, являются потенциалопределяющими. Таких систем несколько. Главные из них образуются за счет кислорода, соединений железа, серы различных валентностей и некоторых органических веществ.

Сера занимает особое положение. Она обладает способностью менять валентность от S 3- до S 6 +, образуя ряд промежуточных форм. Наличие сероводорода в водах в условиях, близких к равноважным, указывает на низкий (до -100 мВ и ниже) окислительно-восстановительный потенциал и восстановительную среду для большинства природных соединений.

Железо является одним из наиболее распространенных элементов в природных водах. Окисленная трехвалентная форма железа очень легко подвержена гидролизу, и при значениях рН, характерных для природных вод, возможное содержание иона Fe (III) в растворе обычно невелико и составляет десятые и сотые доли миллиграмма в литре, тогда как концентрация иона Fe (II) может достигать нескольких граммов в литре. Поэтому значение о.-в. потенциала системы железа (Fe 3+ + Fe 2+ ) в большой степени зависит от рН среды, резко снижаясь при повышении рН. Велика также роль органических веществ, окисление которых (главным образом биохимическое) может снизить Eh воды до весьма низких значений.

Окислительно-восстановительный потенциал поверхностных вод

Подземные воды, связанные с битуминозными породами или нефтяными залежами, имеют величину Eh значительно ниже нуля, местами до -500 мВ.

Окислительно-восстановительный потенциал является одним из важных показателей химико-биологического состояния водоема. Величины окислительно-восстановительного потенциала и рН удобны для установления состояния и формы, в которых находятся элементы. От о.-в. потенциала и рН зависит жизнедеятельность микроорганизмов, направление и способы трансформации органического вещества природных вод.

Потенциометрическое определение Eh

Отбор, хранение проб. Так как окислительно-восстановительный потенциал в природных водах в большой степени зависит от газового состава воды (О₂, H₂S, СН₄), его определение необходимо производить на месте отбора пробы. Чтобы исключить влияние кислорода воздуха на Eh воды, следует применять проточные ячейки, изолированные от воздуха. Это особенно касается пр.

Таким образом, существует связь между потенциалом электрода и адсорбцией О и Н. Электрод, являясь индикаторным о.-в. электродом, проявляет в то же время свойства газового (кисло-родного или водородного) электрода.

Величина Eh связана с активностями ионных форм элементов с переменной валентностью в растворе следующим уравнением:

Это объясняется тем, что каждый электрод имеет собственную емкость, которая зависит от его формы, размеров, материала, чистоты поверхности и от количества ранее адсорбированного на поверхности электрода вещества. Количество адсорбированных веществ и прочность их связи с поверхностью может отличаться у различных электродов. В процессе установления потенциала происходит как изменение потенциала электрода за счет о.-в. систем раствора, так и изменение о.-в. потенциала раствора в приэлектродном слое. Поэтому для получения надежных результатов необходимо, чтобы о.-в. емкость электрода была значительно меньше, чем емкость раствора. Этому требованию в значительной степени удовлетворяют тонкослойные платиновые электроды.

Большая активная поверхность электрода создает преимущества перед массивными платиновыми электродами, так как значительно сокращается время установления потенциала (особенно в слабых окислительно-восстановительных системах).

Относительное стандартное отклонение U для большинства поверхностных вод составляет 0,2-3,5 % (я = 9). Продолжительность определения единичной пробы 25 мин. Серия из 6 проб определяется в течение 2,5 ч.

Качество тонкослойных платиновых электродов зависит от срока их эксплуатации. Показания длительно использующихся электродов становятся неустойчивыми и плохо воспроизводятся. После месяца непрерывной эксплуатации слой платины на электроде частично разрушается. Это заметно при просмотре электрода на свет. На работу электродов мешающее влияние оказывают большие количества взвешенных веществ, детергентов и нефтепродуктов.

Для очистки электродов от загрязнений применяют органические растворители (спирт, эфир и др.), 1 н. растворы НСl и NaOH.

При очень низких значениях Eh природных вод (-150 мВ и ниже) время установления потенциала электродов может колебаться от 45 мин. до 3 ч. Обычные платиновые электроды, обработанные щелочью, дают лучшие результаты.

Пробой воды для определения Eh наполняют проточную ячейку непосредственно из водоисточника, давая протечь воде через ячейку в течение 5 мин. Ток воды прекращают и измеряют величину о.-в. потенциала. Через 10 и 20 мин. делают еще два замера Eh. Эти два значения Eh не должны отличаться друг от друга более чем на 3-5 мВ.

Если разность >5 мВ, то измерения продолжают с интервалом в 10 мин. до установления потенциала.

Температуру воды измеряют термометром с точностью до 1°С.

Проверка платиновых электродов

Проточную ячейку наполняют стандартным раствором для проверки платиновых электродов и помещают в термостат (25°С). Через 15 мин. производят замер потенциала. Электроды, пригодные для работы, дают устойчивые показания, равные 233±5 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

Контроль показателей

Для поддержания баланса, при котором животные в аквариуме получают в достаточной мере жизненно необходимый кислород, а растения насыщаются нужными им микроэлементами, следует контролировать значения ОВП.

Измерение этого показателя производится ОВП-метром. Выражается он в милливольтах (мВ). Существует также биохимическая величина редокс-потенциала reduction Hydroqenii, которая выражается в условных единицах rH. В специальной литературе существуют таблицы, по которым значения в милливольтах можно перевести в условные единицы rH.

В природных пресных водоёмах значения ОВП колеблются между 25 и 35 rH. В условиях аквариума зона комфортного существования гидробионтов немного меньше — от 26 до 32 единиц rH. В некоторых источниках можно встретить значения редокс-потенциала, комфортные для тех или иных растений. Для одних из них максимальный уровень для комфортной жизнедеятельности — 27 единиц, при его превышении растение быстро гибнет. Другие могут существовать и при 32 единицах.

При заселении аквариума необходимо учитывать особенности каждого обитателя. Рыб, которым нужен высокий уровень кислорода, не стоит селить в аквариумы с растениями, не выдерживающими повышение ОВП.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Криволуцкий А. С., Кулагин В. А.

Доказано, что влияние кавитационной обработки поливной воды сказывается на увеличении урожайности тепличных культур: огурцов, помидоров и др.; влияет на ускорение всхожести семян моркови и т.п. В данной статье рассматривается влияние на окислительно-восстановительный потенциал воды с целью использования новых свойств в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Режимы обработки озонированием

Озон применяют непрерывно, сериями, одиночно. В большинстве случаев, выбор режима обусловлен стратегиями кормления в системе культивирования. От трех до четырех часов после кормления рыбы концентрация аммония, растворенных органических веществ достигает максимума. Если рыбу кормят несколько раз в день, после каждого кормления запускают озонирование. Если кормление ведется непрерывно, качество воды ухудшается непрерывно, и озон необходимо вводить непрерывно. Одиночное озонирование применяется для планового снижения загрязнений в системе, связанных с умеренным кормлением, либо для обработки вносимой в систему свежей воды.

Непрерывное введение озона предпочтительно, потому что качество воды остается стабильным.

Концентрация необходимого озона рассчитывается на основе норм кормления. Обычно с целью снижения органических загрязнений рекомендуют вносить 10-15 г газа на 1 кг корма.

Оптимальные дозы O3 для дезинфекции изменчивы и представляют совокупность его затрат на окисление органических веществ, коллоидных частиц, нитратов и саму дезинфекцию. Как правило, в условиях УЗВ стоимость озонирования для полной дезинфекции слишком высока. Тем не менее, некоторое снижение нагрузки патогенных организмов и улучшения качества воды достигают умеренным использованием озона.

Дезинфекция вносимой воды и стоков более целесообразна, чем обработка всей системы. Озонирование источника воды в совокупности с карантинными мероприятиями поступающего посадочного материала, существенно снижают риск возникновения инфекции.

Важность ОВП для аквариума

Значение окислительно-восстановительного потенциала воды знать очень полезно. По показаниям ОВП можно понять, в каких формах находятся в воде те или иные вещества. От этого напрямую зависит их усвояемость обитателями аквариумной флоры.

Высокие положительные показатели ОВП означают, что многие микроэлементы, окислившись, перейдут в недоступную для растений форму. Без возможности получать жизненно важные элементы растительные культуры значительно замедлят рост или совсем перестанут расти.

Подобную ситуацию обычно пытаются решить с помощью корректировки светового дня и подкормки растений. Часто это не даёт положительного результата именно из-за нарушенного баланса окислителей и восстановителей в аквариуме. Вносимые удобрения не усваиваются.

Озон как средство дезинфекции

Свойства кислорода и озона. Сравнительная таблица

Озон в воде реагирует с загрязнением и микроорганизмами, либо переходит обратно в кислород. Если озон встречает микроорганизм прежде, чем окисляет загрязнение, он убивает патоген и, соответственно, выступает дезинфектором. С другими химическими веществами, например, хлором, ситуация сложнее и менее предсказуема. Эти химикаты реагируют с микроорганизмами гораздо медленнее озона и чаще окисляют загрязнения. Кроме того, на эффективность многих окисляющих агентов влияет pH среды.

Свойства хлора и озона. Сравнение в области дезинфекции

Использование хлора для дезинфекции зависит от pH среды. Традиционные системы мониторинга измеряют потенциал в частях на миллион с использованием титрования или тест-полосок. Однако эти методы нужно совмещать с измерением pH и концентрации хлорноватистой кислоты (HClO). Значение pH важная переменная, потому что тестовые полоски в равной степени определяют кислоту HClO и ионы (OCl-). При pH 7.5 соотношение недиссоциированной кислоты HClO и ионов (OCl-) эквивалентно (50:50). Снижение pH приводит к возрастанию HClO и редокс потенциала, что свидетельствует об окислительном потенциале. Недавние исследования в коммерческих и модельных водных системах «после сбора урожая» показал, что если необходимо, ORP критерий может использоваться для определения потенциала уничтожения бактерий. Иными словами, среда ORP 700 мВ при pH 6.5 имеет такой же потенциал дезинфекции, что и среда ORP 700 мВ при pH 8.5. Хотя для достижения такого же значения ORP при pH 8.5 требуется гораздо больше гипохлорита. Это связано с тем, что доля хлорноватистой кислоты (HClO) составляет всего 15% от общего свободного хлора. Измерения свободного хлора (частей на миллион) при двух данных значениях pH (при постоянной концентрации гипохлорита) покажут одинаковые результаты, что дает ошибочное представление о высоком потенциале дезинфекции при pH 8.5.

Когда в воде присутствуют окисляющие агенты (ORP положительный), при достаточном времени и области контакта, они реагируют с какими-либо веществами или распадаются. Конечно, более высокая концентрация этих агентов приводит к более активному окислению и эффективной дезинфекции. Прогнозирование результата дезинфекции зависит от равномерного перемешивания воды и температуры, потому что в теплой среде молекулы взаимодействуют быстрее. Существуют и другие факторы, такие как тип окислителя, течение, световой режим и т.д..

Преимуществом озона является переход его в форму свободного радикала и кислород. Этот свободный радикал обладает потрясающим потенциалом дезинфекции. Распад озона на кислород и радикал ускоряется при посредничестве энергии УФ-излучения, либо добавлением перекиси водорода в раствор.

В муниципальных водах редокс потенциал составляет 200-300 мВ. Эта вода подверглась дезинфекции, но её потенциал дезинфекции невысок. Значение 650 мВ воды в очистных сооружениях свидетельствует о том, что любой окисляемый объект будет уничтожен. Задачей дезинфекции является достижение точки реакции, когда обработанная вода безопасна для потребления растениями, человеком и животными.

Риски озонирования воды

Озон очень эффективный окислитель. Именно это создает большие риски для систем УЗВ:

Рекомендуется устанавливать деозонаторы для удаления остаточного озона. Простейшая конструкция включает камеру, в которой задерживается вода и где улетучивается озон. В капельных фильтрах этот газ также активно улетучивается.

Для человека безопасна концентрация озона в воздухе 0.05-0.1 мг/л в течение 8 часов, 0.3 мг/л в течение 10 минут.

Текст научной работы на тему «Пути повышения эффективного использования активированной воды в животноводстве»

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Аннотация. Отсутствие разницы в окислительно-восстановительном потенциале (ОВП) питьевой воды и воды в живом организме стимулирует биохимические процессы, происходящие в нем, активирует привес животных, снижает риск заболеваний, что позволит разрабатывать и применять новые технологии в животноводстве. Нами установлена высокая (100%) эффективность обеззараживания в отношении E.coli в присутствии аналита при полном отсутствии признаков реактивации бактерий. По действующим нормативным документам может быть сделан вывод, что произошла полная инактивация тест-бактерий E.coli и, следовательно, вода по микробиологическим показателям безопасна в эпидемическом отношении. Известен и другой способ санитарной обработки наружных поверхностей - серебрение воды. Серебрение воды проводится в тех же активаторах по установленной заводом-изготовителем методике и давно используется как бактериостатический агент при длительном хранении питьевой воды на морских судах, во время космических полетов, в авиакомпаниях и т.д.

Ключевые слова: электроактивированная вода, животноводство, дезинфекция, серебрение.

Вода для животных, птиц и человека является определяющей в жизни, она - основа всех биохимических процессов, протекающих в организме. Проблема обеззараживания воды остается одной из актуальнейших в системе охраны окружающей среды от биологического загрязнения. Сегодня, по данным ООН, более 800 млн человек не имеет доступа к чистой питьевой воде, 2,5 млрд человек живет в антисанитарных условиях и около 68 млн человек ежегодно погибает от болезней, связанных с грязной водой.

Примеси в природной воде, в основном, представлены солями жесткости и железистыми соединениями. Для средней полосы России содержание солей жесткости может достигать до 1000 мг/л, а железа - до 0,5-0,8 мг/л. Кроме этого, в воде могут содержаться различные вредные примеси, образующиеся на современном производстве: свинец, ртуть, медь, цинк, мышьяк и т.д., плюс высокая бактериальная обсемененность.

В настоящее время в животноводстве существует много проблем, касающихся санитарной обработки используемого оборудования, дезинфекции животных и птиц, качества

воды для поения. Например, молочная промышленность имеет огромные потери в результате маститов, доходящие до $ 2 млрд в год только в Соединенных Штатах Америки.

Частота заболевания маститом, по данным исследованиям, составляет от 10 до 50%, а убытки - до 40% всех убытков от болезней крупного рогатого скота.

Известен способ (патент РФ № 2440769) регулирования численности микроорганизмов в молоке с помощью электромагнитных импульсов, который позволяет повысить качество молока за счет подавления нежелательных микроорганизмов, но этот способ не позволяет дезинфицировать оборудование, такое, как доильные установки, аппараты, молокопроводы.

Известен способ санитарной обработки доильного оборудования при помощи ополаскивания остатков молока водой с последующей очисткой и дезинфекцией загрязненных поверхностей моющим синтетическим средством (МСЖ) с последующим ополаскиванием водой при рабочей температуре в 70°С [1]. Однако этот способ имеет высокую себестоимость дезинфекции оборудова-

Journal of VNIIMZH №2(26)-2017

ния из-за высокой стоимости синтетического моющего средства и большого расхода очищенной воды с подогревом.

Также известны способы дезинфекции вымени КРС: моющими средствами (содержат активный хлор и молочную кислоту); средствами с активным биологическим и противовирусным эффектом (содержат четвертичное аммониевое основание); шоковыми средствами ДЭЗ ОХУ15 и ДЭЗ ОХУ5 (содержат надуксусную кислоту и перекись водорода); Clearan PRO с пенными стаканами или распылителем (содержит хлорбексидон). Недостатком всех способов является недешевое использование нестандартного оборудования, точная дозировка компонентов и наличие химически активных элементов.

При поении животных, птиц и человека чаще всего используют хлорирование воды, что защищает организм от холеры, дизентерии и т.д., но вызывает болезни печени, почек и т.д., содержит диоксид. Накапливаясь в организме, этот яд разрушает иммунитет, эндокринную систему, вызывает генетические изменения.

Известно, что процесс жизнедеятельности любого живого организма - это совокупность окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Все имеющие биологическое значение системы, отвечающие за накопление и потребление энергии в организме, содержат определенные молекулярные структуры с раздельными зарядами, между которыми образуется напряженность электрического поля, что и обуславливает осуществление биологических превращений. Концентрация свободных электронов, которую выражает ОВП и концентрация ионов водорода (рН), оказывает большое влияние на функциональные свойства электроактивных компонентов биологических систем.

С давних времен и по настоящее время разрабатывалось два направления активации воды - ионизация ее на живую и мертвую, а также серебрение. Последнее время появилось большое количество электролизеров, активаторов, ионизаторов воды, с помощью которых можно искусственно получить «живую» воду (католит) и мертвую (анолит), а

также воду, прошедшую серебрение. Нашему организму все труднее самостоятельно поддерживать щелочную среду, которая является необходимым условием работы многих ферментов организма. Например, отклонение рН крови на 0,1 в обе стороны опасно для организма и грозит тяжелыми заболеваниями. Поэтому важно, чтобы используемая для поения животных вода была близка по свойствам к внутренним водам организма, а именно - отрицательно заряженная и щелочная. Ниже в таблице 1 приведены некоторые данные водородного показателя человеческого организма в рН.

Таблица 1. Водородный показатель человеческого __организма, рН_ _

Нейтральная рН Артериальная кровь Венозная кровь Лимфа Межклеточная жидкость Суставная жидкость Родниковая вода

7 7,35-7,45 7,26-7,36 7,35-7,4 7,26-7,38 7,3 7,2-7,6

Очень важным параметром воды, с точки зрения современной биологии и медицины, является ее заряд - ОВП, который должен быть отрицательным, т.к. клетки животных и человека имеют отрицательный ОВП (от -70 до -200 шУ), эта вода легко усваивается организмом, снижая потери энергии организма на ее переработку и восстанавливает потерянные клетками отрицательные заряды и энергию.

Зная положительные и отрицательные стороны активированной воды, можно целенаправленно применять ее в животноводстве и птицеводстве. Например, можно применять активированную воду для дезинфекции помещений свинарников, скотников, птичников.

■ Исходная ■ Живая ■ Мертвая

Рис. 1. Основные показатели водных растворов до и после активации: а) вода из скважины; б) вода из пруда; в) колодезная вода

Полезно обмывать вымя коров анолитом, чтобы не было заболевания, не трескались соски. Есть опыт ликвидации поносов у свиней и коров поением анолитом.

Поение цыплят католитом от рождения до месячного возраста привело к снижению падежа более чем на треть. Промывка моло-копроводов доильных установок анолитом резко снижает ее себестоимость. Приготовление кукурузного силоса с анолитом из 1% раствора соли в воде повышает его до I класса, силос дольше хранится, животные охотнее его едят.

рН водородный показатель -11,8

Исходная ■ Живая ■ Мертвая

Лоигпа! оГ VNIIMZH №2(26)-2017

Однако результаты наших исследований при активации различных водных растворов показали нестабильность полученного водой заряда во времени (рис. 2). ОВП, шУ 1200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

---Вода из скважины (80м)

— ■ ■ Водопроводная из общежития

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Тсут

---Вода из скважины (80м) -----Прудовая вода

— • - Централизованное водоснабжение-Бутылированная вода

Рис. 2. Изменение окислительно-восстановительного потенциала растворов (ОВП) в зависимости от времени: а) живая вода; б) мертвая вода

набирает исходный потенциал. Поэтому при внедрении в животноводство технологий с использованием активированной воды этот фактор необходимо учитывать.

Микробиологические исследования неактивированной воды показали наличие в колодезной воде колиформных бактерий - 2,3х103 КОЕ/мл (не более по МУК 4.2.1018.01). В активированной воде при рН=2,0 общее количество колиформных бактерий снизилось до 0.

Нами установлена высокая (100%) эффективность обеззараживания в отношении Е.еоМ в присутствии аналита при полном отсутствии признаков реактивации бактерий. Иная ситуация имела место в электроактивированной щелочной воде. В данных условиях наблюдалась типичная картина реактивации бактерий. Сразу после освечивания в пробах воды были обнаружены единичные клетки бактерий Е.еоМ, что свидетельствует о том, что в результате обеззараживания часть бактерий погибла, однако несколько клеток смогли сохранить способность роста на дифференциальной питательной среде.

По действующим нормативным документам может быть сделан вывод, что произошла полная инактивация тест-

бактерий Е.еоН и, следовательно, вода по микробиологическим показателям безопасна в эпидемическом отношении. Известен также другой способ санитарной обработки наружных поверхностей - серебрение воды. Серебрение воды проводится в тех же активаторах (в нашем случае фирмы «Акуа^е») по установленной заводом-изготовителем методике и давно используется как бактериостатический агент при длительном хранении питьевой воды на морских судах, во время космических полетов, в авиакомпаниях и т.д. Однако при этом необходимо соблюдать некоторые условия: вода должна быть хорошего микробиологическо-

го качества, исключено поступление в воду новых бактерий, должна храниться в темноте (соединения серебра чувствительны к свету).

Серебро способно в малых концентрациях (начиная с 210-11 моль/л) оказывать бактерицидное действие. Однако бактерицидный эффект наблюдается при концентрации ионов серебра свыше 150 мкг/л. При концентрации 50-100 мкг/л ионы серебра только сдерживают рост и размножение бактерий. Кроме того, ионы серебра убивают не все бактерии. Например, спорообразующие бактерии устойчивы к их воздействию.

Неясен вопрос воздействия ионов серебра на простейшие вирусы. Серебро - тяжелый металл и не безобидный. По данным Сан-ПиН 2.1.4.1074-01 серебру присвоен 2 класс опасности «высокоопасное вещество». Как и большинство тяжелых металлов, по мере накопления достаточно медленно выводится из организма.

Серебро успешно применяется в качестве обеззараживающего средства в комбинации с другими дезинфектантами - ионами меди и серебра в соотношении 10:1, дает хорошие

результаты обеззараживания воды, позволяет на 80% снизить степень хлорирования.

1. Дегтерев Г.П., Рекин А.М. Качество молока в зависимости от санитарного состояния доильного оборудования // Молочная промышленность. 2000. №5.

2. Мазаев Ю.В., Кравченко В.Н. Применение электроактивированной воды в животноводстве // Наука и хозяйство. 2015. №4(9).

3. Мазаев Ю.В., Кравченко В.Н. Основные направления применения активированной воды в животноводстве // Evolutio. Технические и прикладные науки. 2016. №1.

4. Мазаев Ю.В., Кравченко В.Н. Исследование активированной воды для применения в животноводстве // SCIENTIA. Химия. Биология. Медицина. 2016. №1.

Окислительно-восстановительный или редокс потенциал (ORP) отражает количество окислителя в воде. Отметим, что он не является мерой концентрации самого окислителя, однако используется как надежный и универсальный показатель окислительного потенциала воды в точке измерения. Окислителями выступают кислород, хлор, перекиси, озон и другие вещества.

Единицей измерения редокс потенциала являются милливольты. Полный диапазон измерений составляет от -2000 до +2000 мВ. Большинство ORP-метров работают в диапазоне от -1200 до +1200 мВ, и этого достаточно в области обработки воды. Значения выше 0 мВ свидетельствуют о доступной энергии для окисления молекулы или связывания её с атомом кислорода.

Окислительный потенциал ряда веществ

Озонирование воды в аквакультуре

Большинство коммерческих моделей генерируют озон под воздействием коронного разряда или ультрафиолета. В первом случае коронный разряд порождает высокоэнергетическое поле между двумя металлическими пластинами, через которое проходит сухой воздух, при этом образуется озон. Ультрафиолетовое излучение (140-190 нм) используется для распада молекул кислорода и образования озона. Излучение дешевле коронного разряда, но менее эффективный.

Генератор озона с коронным разрядом Генератор озона с УФ-излучателем

Конструкция реактора и контактной камеры озонатора очень важно для успеха дезинфекции. Тип реакторов разнообразен, например, распылитель пузырьков, турбинная контактная камера, инъектор, глубокие u-трубчатые реакторы, статические смесители камеры с распылителем.

Важны эффективность переноса озона, конструкция без утечки озона, стойкий к окислению материал озонатора.

Материалы должны инертны к этому газу. Долговременное использование некоторых пластиков, например, ПВХ и поликарбонатов, и гальванической стали не рекомендовано.

В качестве материала контактной камеры и труб подойдет нержавеющая сталь. Краны изготавливаются из нержавеющей стали с мембранами из тефлона.

Снижение значений

Низкие показатели означают, что в воде преобладает среда восстановителей. Этим термином обычно называют органические вещества, попадающие в воду в результате жизнедеятельности аквариумных обитателей, а также некоторые неорганические соединения, способные вступать в активное взаимодействие с окислителями.

Снижение редокс-потенциала происходит при значительном загрязнении аквариума органикой (отходами жизнедеятельности рыб, остатками пищи). Большинство подобных веществ скапливается в грунте. К ним относятся:

сероводород;
аммиак;
метан;
соединения серы;
соли аммония (нитраты и нитриты);
соединения магния;
соединения железа.

Все эти соединения накапливаются в толще грунта, приводя к снижению окислительно-восстановительного потенциала жидкости.

При наличии в воде большого количества восстановителей происходит поглощение кислорода, в результате чего ОВП снижается. Такая ситуация может быть благоприятна для растений, но опасна для представителей животного мира аквариума.

Текст научной работы на тему «Изменение окислительно-восстановительного потенциала воды в результате кавитационной обработки»

УДК 532.528 А.С. Криволуцкий, В.А. Кулагин

ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ В РЕЗУЛЬТАТЕ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Вода является наиболее загадочным и не изученным до настоящего времени веществом. Она характеризуется многими параметрами. Основные из них: кислотно-щелочной показатель (рН), минерализация и ее состав, структура воды, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Окислительные процессы понижают показатель кислотно-щелочного равновесия (чем выше ОВП, тем ниже рН), восстановительные -способствуют повышению рН.

- восстановительная - характеризуется значениями ОВП < 0 мВ. Типична для подземных вод, где присутствуют металлы низких степеней валентности, а также сероводород. Окислительно-восстановительный потенциал зависит от температуры и взаимосвязан с рН.

Одним из путей решения проблемы обеспечения населения доброкачественной водой является внедрение новых методов водоподготовки, сочетающих надежную степень очистки и необходимую активацию. К настоящему времени известен ряд технологических подходов к биологической активации воды [5-10 и др.]. Большое место среди «активирующих» технологий занимают полевые воздействия [8; 10 и др.]. Известно большое количество работ, посвященных исследованиям воздействия физических полей разной природы и интенсивности на живые организмы и модельные системы.

Вода, как живая система, обладает необычным свойством, она взаимодействует с тем, с чем контактирует, и несет в себе информацию о том, с чем она взаимодействовала. Долговременная память воды хранится в стабильных ассоциатах молекул воды (кластерах, фракталах), кратковременная - в неустойчивых [11]. Наряду со структурной памятью [11-12 и др.], вода обладает свойством передачи информации другим системам [13]. Таким образом, питьевая вода должна быть, как минимум, химически, биологически и информационно очищенной, а затем ей должна быть передана положительная биологическая активность [11].

- окислительно-восстановительные реакции, которые идут в воде между растворенными веществами и продуктами расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их захлопывания;

- реакции между растворенными газами внутри кавитационных пузырьков;

- цепные реакции в растворе, инициируемые продуктами расщепления в кавитационных пузырьках примесных веществ;

- деструкция макромолекул и инициированная ею полимеризация.

Исследованиями, проведенными в работе [14], показано существенное изменение некоторых важнейших физико-химических свойств воды. Причем если воду, прошедшую такую обработку, хранить в изоляции от атмосферного воздуха, изменение исследованных физико-химических показателей усиливается [15].

Таким образом, в связи с вышеизложенным, можно сделать вывод о необходимости проведения исследований на тему:

- изменение окислительно-восстановительного потенциала воды, прошедшей кавитационную обработку;

- определение наиболее эффективного режима обработки;

- релаксация окислительно-восстановительного потенциала воды, прошедшей кавитационную обработку.

С этой целью в политехническом институте СФУ был проведен ряд экспериментов по обработке дистиллированной, водопроводной отстоявшейся и неотстоявшейся воды гидродинамической кавитацией. В опытах использовался кавитационный реактор [22] с различными углами клина а: 10°, 20°, 30°, 40°, 60°, 70°, 80°, 90°. Обработка проводилась с постоянной длительностью t = 330 с при разной частоте вращения п: 1600 об/мин, 5000 об/мин, 10000 об/мин. Измерение ОВП проводили с помощью прибора Water Test фирмы Hanna Instruments. Измерения ОВП проводилось непосредственно для каждой пробы до и после обработки.

Вода для исследований подготавливалась следующим образом:

- дистиллят водопроводной воды хранился в течение трёх суток после перегонки в стерилизованной стеклянной колбе с ограниченным доступом атмосферного воздуха;

- отстоявшаяся водопроводная вода отбиралась из водопроводной сети, предварительно промытой в течение 30 мин. Далееона помещалась в стерилизованную стеклянную колбу и хранилась в затемнённом месте в условиях ограниченного доступа атмосферного воздуха в течение двадцати суток;

- анализируемая водопроводная вода отбиралась из сети, предварительно промытой в течение 30 мин. На протяжении периодического отбора проб водопровод не перекрывался.

Изменение окислительно-восстановительного потенциала. Так как опыты проводились в различное время, то значения ОВП до обработки (Енач) колебались в некоторых незначительных пределах. В связи с этим экспериментальные результаты приведены в виде зависимостей изменения АЕ = Енач - Еконеч от параметров обработки.

На рис. 1-3 представлены зависимости изменения АЕ от угла раскрытия клина для различных частот вращения ротора.

Рис. 1. Изменения ОВП дистиллированной воды от угла клина при различных частотах вращения ротора: а - 1600 об/мин; б - 5000; в - 10000 об/мин

Рис. 2. Изменения ОВП отстоявшейся водопроводной воды в зависимости от угла клина при различных частотах вращения ротора: а - 1600 об/мин; б - 5000; в - 10000 об/мин

Рис. 3. Изменения ОВП неотстоявшейся водопроводной воды от угла клина при различных частотах вращения ротора: а - 1600 об/мин; б - 5000; в - 10000 об/мин

Для удобства анализа на рис. 4-6 приведены экспериментальные результаты в виде безразмерных величин АЕ от числа кавитации х для всех используемых насадок.

Определение наиболее эффективного режима обработки. Для определения наиболее эффективного режима обработки из диаграмм, представленных на рис. 1-3, выявлены повторяемые углы клина насадок, при использовании которых наблюдается максимальный кавитационный эффект. Наиболее повторяемые виды насадок приведены в таблице.

Результаты определения наиболее эффективного кавиационного режима обработки для изменения ОВП воды в графическом виде изображены на рис. 7.

Определение углов клина насадок с самым эффективным кавитационным воздействием (темные ячейки) при различных частотах вращения ротора для различных типов воды

Тип воды Частота вращения ротора, об/мин

1600 5000 10000

Дистиллят 40 80 90 40 80 90 40 80 90

Отстоявшаяся водопроводная 20 60 80 20 60 80 10 20 60

Нетстоявшаяся водопроводная 10 40 80 40 80 90 30 80 90

Релаксация окислительно-восстановительного потенциала. Подготовка и обработка воды проводилась согласно методике предыдущих исследований при частоте вращения ротора 10000 об/мин. ОВП воды до и после обработки составил следующие значения:

- дистиллированная вода: до обработки - 187 мВ;

после обработки - от 121 до 129 мВ в зависимости от угла клиновидного профиля;

Рис. 4. Зависимость изменения дистиллированной воды после кавитационной обработки от числа кавитации при различных углах клина

Рис. 5. Зависимость изменения отстоявшейся водопроводной воды после кавитационной обработки от числа кавитации при различных углах клина

Рис. 6. Зависимость изменения неотстоявшейся водопроводной воды после кавитационной обработки от числа кавитации при различных углах клина

Многие взаимодействия, происходящие в природе, относятся к окислительно-восстановительным. В воде всегда присутствуют вещества, выступающие окислителями или восстановителями. В зависимости от того, какой тип веществ преобладает, вода приобретает отрицательный либо положительный окислительно-восстановительный потенциал. Эта величина называется также redox потенциалом (от латинских слов «восстановление» — reductio и «окисление» — oxidado).

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Мазаев Ю.В., Кравченко В.Н., Челышев А.В.

Отсутствие разницы в окислительно-восстановительном потенциале (ОВП) питьевой воды и воды в живом организме стимулирует биохимические процессы, происходящие в нем, активирует при-вес животных, снижает риск заболеваний, что позволит разрабатывать и применять новые технологии в животноводстве . Нами установлена высокая (100%) эффективность обеззараживания в отношении Е.coli в присутствии аналита при полном отсутствии признаков реактивации бактерий. По действующим нормативным документам может быть сделан вывод, что произошла полная инактивация тест-бактерий Е.coli и, следовательно, вода по микробиологическим показателям безопасна в эпидемическом отношении. Известен и другой способ санитарной обработки наружных поверхностей серебрение воды. Серебрение воды проводится в тех же активаторах по установленной заводом-изготовителем методике и давно используется как бактериостатический агент при длительном хранении питьевой воды на морских судах, во время космических полетов, в авиакомпаниях и т.д.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Измерение концентрации озона в УЗВ

Обычно прямое измерение озона в воде проводят колориметрическим методом или спектрофотометрией. Однако эти методы слишком грубые для регистрации низких остаточных концентраций озона, летальных для рыб, и непригодны для непрерывного мониторинга. Традиционно для этих целей используют ORP-датчики. Они не измеряют напрямую уровень газа, а регистрируют общую способность раствора окислять электрод (мВ). Таким образом, можно контролировать уровень окислителей и, соответственно, косвенно контролировать уровень озона. Для пресноводной УЗВ безопасно значение редокс потенциала 300 мВ.

Многие озонаторы связаны с датчиками и автоматически прекращают подачу озона. Как только его уровень вышел за допустимые пределы. Стоит отметить, что ORP датчики делают измерения несколько минут, поэтому концентрацию озона можно контролировать приблизительно. Параллельно с измерением озона необходимо поводить мониторинг других параметров, особенно, нитрита.

Биологическое значение редокс потенциала воды

Окислительно-восстановительный потенциал природных водоемов, в значительной степени, зависит от концентрации растворенного в воде кислорода, а также количества других элементов, функционально схожих с кислородом. Говоря проще, кислород и другие элементы, повышающие ORP, помогают утилизировать нежелательные загрязнения и органику в воде. Когда окислительно-восстановительный потенциал низкий, концентрация кислорода низкая, возрастает токсичность определенных металлов и загрязнений, и большинство омертвевшей, гниющей материи нельзя переработать. Очевидно, загрязненная среда вредна для рыб и насекомых. В благополучной среде значение ORP находится в диапазоне 300-500 мВ.

Читайте также: