Исследование влияния частоты и формы тока в растворе на распад Н2О2 при минерализации органических отходов в замкнутых истемах жизнеобеспечения

Полный текст

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.

Об авторах

Егор Андреевич Морозов

Институт биофизики Сибирского отделения Российская академия наук

Email: transserfer89@gmail.com
лаборант, магистрант, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решет-нева

Сергей Викторович Трифонов

Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук; Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: trifonovsergei@inbox.ru
кандидат биологических наук, младший научный сотрудник, Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук; магистрант, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева.

Юрий Абрамович Куденко

Институт биофизики Сибирского отделения Российская академия наук

Email: ykudenko@yandex.ru
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Александр Аполлинариевич Тихомиров

Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук; Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: alex-tikhomirov@yandex.ru
доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов, Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук; заведующий кафедрой замкнутых экологических систем, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Список литературы

Дополнительные файлы