Researching the influence of current form and frequency in solution on H2O2 disassimilation during organic wastes mineralization in closed life support systems

Full Text

Для исследования и заселения других планет необходимы биолого-технические системы жизнеобеспечения (БТСЖО) [1; 2]. Основным параметром, определяющим время автономной работы БТСЖО, является степень замкнутости, обеспечиваемой за счет возвращения химических элементов в круговорот веществ в системе. Для решения этой проблемы в Институте биофизики СО РАН был разработан оригинальный метод минерализации органических отходов в водной среде пероксида водорода под действием переменного электрического тока с последующим вовлечением их в круговоротный процесс БТСЖО [3; 4]. Однако требуется оптимизация такого круговоротного процесса, в том числе по критериям минимальных затрат времени и энергии, которая не снизила бы качественных характеристик минерализованных удобрений. В связи с этим представляет интерес выяснить характер зависимости скорости окисления органических отходов от частоты и формы подаваемого переменного электрического тока. Описание метода измерений. Переменный ток инициирует распад перекиси водорода, что ускоряет образование таких радикалов, как O^ и OH% благодаря чему ускоряется процесс окисления органических отходов. О скорости разложения перекиси можно косвенно судить по скорости выделения газа из окисляемого раствора отходов. В процессе мокрого окисления выделяется в основном 1-29 % H2, 23-83 % О2 и 4-70 % СО2, а также микропримеси летучих органических соединений [4]. Для определения скорости выделения газа была разработана экспериментальная установка, изображенная на рис. 1. Измерительная установка представляет собой емкость с раствором, в который помещен перевернутый цилиндр, полностью заполненный раствором. В цилиндр помещена газовыводящая трубка. Благодаря устройству данной установки газ, выделяющийся при окислении, попадает в цилиндр и его объем можно замерить по шкале цилиндра. Температура раствора выдерживалась в районе 20-25 °С посредством водного охлаждения. Переменное напряжение 30 В подавали на электроды и таким образом инициировали реакцию. Данная установка позволила провести последовательное измерение скорости реакции в зависимости от нескольких частот: на каждую частоту приходилось по 10 мл выделяемого газа для урины и 5 мл для экзометаболитов и соломы. Реакция окисления про 165 Технологические процессы и материалы водилась в трех повторностях для каждой частоты. В качестве раствора использовали перекись водорода, смешанную с такими отходами, как урина (0,5 мл H2O2 (33 %) на 1 мл урины), экзометаболиты человека+ + рыбные отходы (4 мл H2O2 (33 %) на 1 г нативных плотных отходов человека, 0,5 мл H2O2 (33 %) на 1 мл урины и 4 мл H2O2 (33 %) на 1 г сухих рыбных отходов, соотношение плотных, жидких и рыбных отходов 1 г : 10 мл : 0,5 г соответственно), солома (16-18 мл H2O2 (33 %) на 1 г). Данные растворы органических отходов были выбраны для того, чтобы проверить влияние среды типичных для БТСЖО отходов на скорость распада перекиси водорода. Были проведены холостые эксперименты: при тех же частотах и напряжении пропускали электрический ток через Н2О2 (11 %) с добавлением KNO3 20 г/л для обеспечения электропроводности, из соображений, что данная соль не вызывает газовыделения или существенного осаждения на электродах, и чистый водный раствор KNO3 20 г/л. Для урины ток был в пределах 0,7-1 А, для смеси экзометаболитов с рыбными отходами - 0,5-0,6 А, для соломы - 0,15-0,25 А. Сила тока в холостых экспериментах составляла 0,4-0,6 А для раствора H2O2 и 1-1,5 А для водного раствора KNO3. Рис. 1. Установка по определению скорости выделения газа: 1 - цилиндр (100 мл); 2 - газовыводящая трубка; 3 - источник переменного тока (от генератора частоты); 4 - емкость с раствором (500 мл); 5 - воронка; 6 - угольные электроды Объем раствора составлял 750 мл, суммарный объем газа, выделяемого с такого объема раствора, составлял 35-50 л (в зависимости от вида отходов), соответственно, десятками миллилитров можно пренебречь, что позволяет последовательно менять частоту, не сменяя сам раствор. С помощью секундомера измерялось время, за которое наберется 10 мл газа, таким образом вычислялась скорость выделения газа в миллилитрах в минуту. Полученные результаты. До постановки вопроса о зависимости скорости окисления органических веществ от частоты и формы переменного тока эксперименты по минерализации проводились на частоте бытовой сети 50 Гц, с синусоидальной формой тока. Сначала частоту увеличивали и уменьшали с шагом 10 Гц для определения характера кривой, после проводили 3 повторности с шагом до 1 Гц в районе наибольшей интенсивности. Результаты выявленных в экспериментах зависимостей скорости выделения газа (мл/мин) от частоты (Гц) при синусоидальной форме тока представлены на рис. 2. Видно, что тип минерализуемых отходов не влияет на характер зависимости скорости окисления от частоты, а значит, данная зависимость определяется только взаимодействием перекиси с переменным электрическим током. Максимальная скорость процесса при этом наблюдается при 35 Гц. В холостом опыте с водным раствором KNO3 выделение газа практически не происходило (около 1 мл/ч), поэтому вклад электролиза воды в газообразование не стоит принимать в расчет. Холостой опыт с водным раствором Н2О2 (11 %) подтвердил, что ток влияет лишь на характер разложения перекиси. Из графиков видно, что скорость выделения газа в холостом эксперименте почти в 2 раза превосходит скорость выделения газа при окислении урины и в 5-6 раз скорость выделения газа при окислении экзометаболитов и соломы. Это скорее говорит о том, что в растворах с отходами происходит стабилизация перекиси водорода органическими соединениями [5]. Различие в скорости выделения газа может быть объяснено и разной силой тока: для меньших токов скорость газовыделения ниже. В отсутствие силы тока окисление органических отходов происходит крайне медленно. Так, например, отходы, смешанные с H2O2 в течение нескольких недель, теряют только пигментацию, но выделения газа почти не происходит. При минерализации экзометаболитов, предварительно стоявших 2 месяца смешанными с перекисью, не было заметно разницы во времени окисления и энергопотреблении по сравнению с теми же экзометаболитами, стоявшими смешанными с перекисью лишь сутки. Далее были проведены опыты по выявлению характера влияния формы тока на скорость реакции. Бытовая сеть выдает синусоидальную форму тока, генератор также позволял исследовать ток с формой меандр. Опыты были проведены только на урине, поскольку было показано, что частотная зависимость определяется только взаимодействием перекиси с полем. Результаты опыта представлены на рис. 3. Ускорение реакции при форме тока меандр может быть объяснено следующим образом. Молекула перекиси водорода имеет некоторое пороговое значение энергии активации [6], токи ниже которого не способны ее активировать. Соответственно, при синусоидальном токе энергия переменного электромагнитного поля вблизи нулевых значений не способна инициировать распад перекиси водорода. В случае меандра значение тока с положительного на отрицательный меняется ступенчато, и энергия электрического поля во все моменты времени превышает пороговое значение Еакт. В результате, в случае тока формы меандр в процессе окисления отсутствуют промежутки времени без активации перекиси. 166 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 Частота, Гц Рис. 2. Зависимость скорости выделения газа (мл/мин) от частоты (Гц): а - холостой ход; б - урина; в - экзометаболиты + рыбные отходы; г - солома Частота, Г ц Рис. 3. Мокрое сжигание урины: толстая кривая - синусоидальная форма тока; тонкая - меандр Таким образом, впервые была исследована зависимость скорости разложения перекиси водорода от частоты и формы подаваемого электрического тока в диапазоне сверхнизких частот. В ходе работы было выявлено, что имеется максимум интенсивности распада перекиси в точке 35 Гц, не зависящий от типа окисляемых органических отходов. Данные результаты важны для создания звена переработки отходов в минерализованные удобрения в космических ЗСЖО, а также для решения экологических проблем в земных приложениях.

About the authors

Yegor Andreevich Morozov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: transserfer89@gmail.com
laboratory technician, Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science, Master’s Degree student, Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev.

Sergei Viktorovich Trifonov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: trifonovsergei@inbox.ru
Candidate of Sciences (Biology), junior researcher, Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science, Master’s Degree student, Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev.

Yuri Abramovich Kudenko

Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: ykudenko@yandex.ru
Candidate of Phisical and Mathematical Sciences, scientific researcher

Alexander Apollinarievich Tikhomirov

Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science; Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: alex-tikhomirov@yandex.ru
Doctor of Sciences (Biology), Professor, Head of laboratory of Phototrophic Biosynthesis Control, Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science, Head of chair of Closed EcoSystems, Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

References

Supplementary files