Выход перекиси водорода и ионов меди при обработке воды диафрагменным электрическим разрядом

Суворов И. Ф., Юдин А. С., Улейчик К. А., Читинский государственный университет, Чита, Россия

Большим количеством исследований показано наличие бактерицидных свойств и эффекта последействия растворов, обработанных диафрагменным электрическим разрядом (ДЭР) с применением медных электродов. Приобретенные особенности сохраняются в течение длительного времени (одна неделя и более). По мнению одних исследователей, основной фактор возникновения эффекта последействия — наличие в обработанной воде продуктов эрозии медных электродов. По мнению других, возможно влияние таких компонентов, как радикалы ОН•, перекись водорода, ионы меди. Во многих работах показано, что один из основных обеззараживающих компонентов — перекись водорода, образующаяся в достаточных количествах в зоне разряда. Ее появление обусловлено в первую очередь реакциями между озоном и радикалами OH•, а также димеризацией радикалов.

В настоящем исследовании дана оценка выхода ионов меди и перекиси водорода в обработанной ДЭР воде в зависимости от ее химического состава. Пробные эксперименты по получению H₂O₂ проводили на модельном растворе K₂SO₄ в статическом режиме (без движения жидкости через диафрагму).

Продолжительность разряда 2 мин. Более длительное воздействие приводило к сильному нагреву жидкости и ее вскипанию.

Характеристики диафрагмы: толщина 5 мм; количество отверстий 5; диаметр отверстий 3 мм. В экспериментах использовали угольные и медные электроды, напряжение на которых изменяли от 200 до 1 200 В.

При более низком напряжении разряд отсутствовал, а при более высоком обрабатываемая жидкость сильно нагревалась и вскипала, а разряд из квазиимпульсного режима переходил в дуговой, что вызывало разрушение диафрагмы.

Электропроводность дистиллированной воды доводили до 0,45 мСм/см. Контролировали ее с использованием измерителя параметров воды Hanna HI9813-6. Перекись водорода определяли титрованием с перманганатом калия. Результаты экспериментов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость концентрации перекиси водорода в модельном растворе K₂SO₄, обработанном ДЭР, от приложенного напряжения

Перегиб графика при 400 В и последующий быстрый рост концентрации перекиси водорода с повышением приложенного напряжения объясняется появлением устойчивого разряда по всем отверстиям и переходом его от апериодического режима к квазиимпульсному. Для последнего характерна почти линейная зависимость концентрации перекиси водорода от приложенного напряжения (в диапазоне от 400 до 1 200 В).

Для изучения влияния химических элементов, присутствующих в питьевой воде, на выход ионов меди и перекиси водорода, проведен ряд экспериментов по обработке ДЭР модельных растворов с электропроводностью 0,45 мСм/см при напряжении на электродах 1 200 В. Результаты представлены на рис. 2.

Рис. 2. Диаграммы выхода перекиси водорода (а) и ионов меди (б) в зависимости от химического состава модельных растворов

Анализ диаграмм показывает, что выход перекиси водорода и ионов меди в большей степени зависит от pH среды, чем от химического состава растворов: Na₃PO₄ и NaOH создают наиболее щелочную среду, в которой наблюдается наименьший выход продуктов разряда. Незначительное понижение выхода продуктов разряда, не зависящее от значений pH, наблюдается также в присутствии анионов Cl^-. Аналогичную картину можно ожидать при наличии других галогенид-анионов — фтора, брома, йода.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующий вывод. В наибольшей степени выход ионов меди и перекиси водорода уменьшают соединения, создающие в растворе щелочную среду, а в наименьшей — создающие кислую среду. Для проверки полученного результата проведен эксперимент по обработке модельных растворов с различным значением pH. В дистиллированную воду в различных пропорциях добавляли ацетатный буфер. Сульфатом калия электропроводность полученных модельных растворов доводили до необходимого уровня.

Результаты эксперимента представлены на рис. 3.

Полученные данные подтвердили вывод о характере влияния реакции среды на выход перекиси водорода и ионов меди. В диапазоне pH от 4,5 до 8,0 на обоих графиках наблюдается пологий участок, более выраженный для перекиси водорода.

Таким образом, для получения дезинфицирующего агента следует использовать воду с низким значением pH. При рН выше 8,0 процесс становится неэффективным.

Присутствие карбонат-ионов приводит к достаточно большому (~50 %) снижению выхода как ионов меди, так и перекиси водорода по сравнению с наибольшим значением в данной серии опытов для K₂SO₄ (см. рис. 2). Это может быть связано не только с повышением щелочности раствора, но и со склонностью ионов CO₃²⁻ к пассивации поверхности электродов, что вызывает снижение выхода ионов меди. Кроме того, карбонат-ионы могут связывать гидроксил-радикалы:

В результате уменьшается концентрация перекиси водорода. Хотя радикал •CO₃⁻ также является окислителем, его активность намного ниже, чем гидроксил-радикала. Подобную картину можно ожидать и в присутствии ионов PO₄²⁻.

Результаты настоящего исследования использованы при усовершенствовании системы обеззараживания сточных вод в п.г.т. Новоорловск Забайкальского края.