Бактерицидная активность пероксида водорода и влияние на нее гомогенных катализаторов разложения

электростанцию или существенно снижать её мощность экономически невыгодно. Тогда избыток этой электроэнергии целесообразно направлять на выработку водорода в электролизерах.

Термохимические способы заключаются в последовательном проведении нескольких химических реакций, одним из конечных продуктов которых является водород (табл. 1). Многостадийность процесса очень затрудняет его крупномасштабное промышленное воплощение. Достоинством является то, что не требуется подвода энергии и весь процесс идёт при относительно невысоких температурах.

Таблица 1

Термохимические способы получения водорода

Способ Примеры термохимических циклов Оптимальная температура проведения реакции, °С

I 3 FeCl3 = 3 FeCl2 + 3/2 Cl2 420

Fe^ + 3/2 Cl2 + 6 HCl = 3 FeCl3 + 3 H2O + 1/2 O2 120

3 FeCl2 + 4 H2O = =FeзО4 + 6 HCl + H2 650

II LiNO3 = LiNO2 + 1/2 O2 473

LiNO2 + J2 + H2O = =LiNO3 + 2 HJ 20

2 HJ = J2 + H2 423

Гибридные методы расщепления молекул воды основаны на последовательном проведении процессов разной физико-химической природы. Среди таких методов весьма привлекателен двухстадийный термоэлектрохимический сернокислотный цикл. На первом этапе осуществляется термолиз по формуле И2804 = Н20 + 802 + 1/2 02 при температуре 850 °С, затем проводится электролиз: 802 + 2 Н20 = И2804 + Н2.

Расход электроэнергии составляет здесь лишь 15 % от того количества, которое необходимо для электролиза воды обычным способом.

В последние годы в качестве перспективного бактерицидного препарата для обеззараживания питьевой воды, не изменяющего физико-химические характеристики последней (в отличие от хлора) и обладающего

Геотермальная энергия. Геотермальной энергией называют тепловую энергию земной коры. Геотермальная энергия вырабатывается за счёт радиоактивного распада изотопа калия и других элементов, таких как Ы, Mg, Са, рассеянных в земной коре. Величина минерализации термальной воды зависит от геологических и гидрологических условий месторождения и лежит в пределах от 1 до 6235 г/л. В термальных водах обычно растворены газы — СО2, И28, Н2, СН4, N и др. и подчас в весьма больших количествах [3]. Гидротермальные георесурсы являются не только источником тепловой энергии. Гидротермальное месторождение может быть также сырьевой базой горно-химических предприятий, производящих серу, бром, бор, редкоземельные элементы и другие вещества, содержащиеся в воде.

Подводя итоги, можно сказать следующее.

1. Нетрадиционная энергетика является экологически более чистой по сравнению с традиционной. Производство энергии либо совмещается с утилизацией отходов других производств, либо даёт меньше вредных выбросов, либо вообще не сопровождается химическими процессами.

2. Необходимо часть разведанных запасов органических топлив зарезервировать для будущих поколений, так как уголь, горючие сланцы, а особенно нефть и природный газ являются ценнейшим сырьем для химической промышленности. В то же время большинство нетрадиционных источников энергии являются возобновляемыми.

Литература

1. Берковский Б.М., Кузьминов В.А. Возобновляемые источники энергии на службе человека. М., 1987.

2. Кирилихин В.А. Энергетика. Главные проблемы (в вопросах и ответах). М., 1990.

3. Таран Ю.А. Геохимия геотермальных газов. М., 1988.

июня 2004 г.

к тому же относительно малой удельной стоимостью, выступает пероксид водорода.

Поскольку концентрация Н2О2 является важным технико-экономическим параметром, величина кото-

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 16

УДК 628. 162. 8

БАКТЕРИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА И ВЛИЯНИЕ НА НЕЕ ГОМОГЕННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ РАЗЛОЖЕНИЯ

© 2005 г. И.А. Денисова, В.В. Гутенев

рой должна, естественно, оказать заметное воздействие и на глубину обеззараживания, нами предварительно изучалось влияние содержания Н2О2 на этот показатель.

Исследования проводили при концентрации Н2О2 (мг/л): 50; 200; 700 и 1000; начальное число микроорганизмов составляло 104 кл/см3, температура 20 ± 1 °С. Микробиологический анализ (числа выживших бактерий) проводили в 4-кратной повторно-сти согласно рекомендациям [1, 2]. Результаты опытов приведены на рис. 1.

ВД / Л/0)

-1

-2

-3

0

Рис. 1. Индивидуальная активность пероксида водорода при различных концентрациях его в воде (мг/л): 1 - 50; 2 - 200; 3 - 700; 4 - 1000

Как следует из полученных данных, рост концентрации H2O2 сильно влияет на глубину обеззараживания воды пероксидом водорода. Так, за время экспозиции (выдержки) 40 мин глубина обеззараживания, определяемая параметром lg(Nt/N0), составляет: для концентрации 50 мг/л величину - 0,2 , а для концентрации 1000 мг/л уже - 2,95. Иначе говоря, степень дезактивации возрастает почти на 3 порядка.

В.И. Токарев [3, 4] исследовал удельную (в расчете на 1 г) бактерицидную активность ряда препаратов, которые были ранее предложены для дезинфекции воды. Обнаружено, что в ряду бактерицидной активности имеет место закономерность: KMnO4>Cl2>O3>J2>Cu2+>Br2>H2O2. Полученные результаты указывают тем самым на целесообразность применения пероксида водорода в установках с малой производительностью по обеззараживаемой воде, в противном случае потребуется использовать большое количество этого вещества. Действительно, в работах [5, 6] показано, что только при концентрации H2O2 2 г/дм можно снизить число клеток Е. coli (кишечная палочка) на два порядка за 10 мин, т. е. достигнуть уровня обеззараживания на 99 %.

Аналогичные данные относительно указанного санитарно-показательного микроорганизма приведены и в работе [6], а в [7] указано, что для надежного

обеззараживания воды необходимо проводить ее обработку 3 - 6 %-ным раствором Н2О2. Следовательно, в практических целях необходимо найти условия, позволяющие снизить дозы пероксида водорода, не уменьшая при этом его антимикробных свойств.

В работе [6] приведены доказательства того, что причиной антибактериального действия пероксида водорода является образование супероксидных и гид-роксильных радикалов, которые могут оказывать либо прямое цитотоксическое действие, либо опосредованное, приводящее к повреждению ДНК. Известно также [7, 8], что в присутствии различных веществ (катализаторов) пероксид водорода разлагается с образованием высокоактивных окислительных радикалов, что, по нашему мнению, может привести к повышению бактерицидного эффекта.

В силу вышеизложенного, целью нашего исследования явилось изучение влияния некоторых веществ -гомогенных катализаторов разложения пероксида водорода - на глубину обеззараживания воды. При этом исследовалось индивидуальное и сочетанное воздействие указанных препаратов. Подчеркнем, что концентрации вводимых ионов (Си2+, Ag+, 2п2+) выбирались из расчета непревышения значений соответствующих ПДК [9, 10].

На рис. 2 - 4 приведены результаты исследования как индивидуальной бактерицидной активности указанных ионов, так и их сочетанное (совместно с пе-роксидом водорода) влияние на глубину обеззараживания воды (условия экспериментов аналогичны вышеописанному).

ВД / Л„) --

-1

-2

-3 ___

0 20 40 т, мин

Рис. 2. Влияние ионов цинка на бактерицидную активность Н2О2: 1 - Н2О2

Как следует из полученных данных и предварительных расчетов, наибольшей удельной бактерицидной активностью (в расчете на 1мг) обладают ионы серебра. В целом указанный параметр по результатам выполненных исследований падает в ряду: Ag+>Cu2+>Zn2+.

х.3

lg

-1

-2

-3

0 20 40 т, мин

Рис. 3. Влияние ионов серебра на бактерицидную активность Н2О2: 1 - Н2О2

-1

-2

-3

Рис. 4. Влияние ионов меди на бактерицидную активность Н2О2при температуре 20 °С ± 1 °С и N0 = 104 кл/см3: 1 - Н2О2

Введение указанных ионов в воду сразу после обработки ее пероксидом водорода (200 мг/л) привело во всех случаях к резкому возрастанию уровня бактерицидного действия. При этом предварительная оценка дает возможность говорить о наличии синергетиче-ского эффекта.

Сочетание пероксида водорода с указанными ионами позволяет существенно снизить количество Н2О2 (в сравнении с индивидуальным его применением). Так, при сочетании 200 мг Н2О2/л с 0,005 мг Ag+/л (что на порядок ниже их ПДК) уже через 20 мин достигается глубина обеззараживания 99,9 % (^ (НЖ0) = = -3). Аналогичного эффекта можно достигнуть при индивидуальном использовании 1000 мг Н2О2/л, но при двукратном увеличении времени контакта. Тот же эффект, хотя и выраженный в меньшей степени, имеет место в случае применения других ионов металлов. На практике тем самым можно добиться существенного уменьшения размеров основной аппаратуры, прежде всего смесителя - реактора.

Полученный эффект можно объяснить, опираясь на выводы работ [8, 11, 12]. При каталитическом разложении пероксида водорода образуются в качестве промежуточного продукта радикалы ОН , окислительный потенциал которых (2,8 В) выше не только самого пероксида водорода (1,77 В), но даже озона (2,07 В) и хлора (1,49 В).

Помимо указанного явления, следует отметить еще одно преимущество сочетания пероксида водорода с указанными ионами.

Ионы серебра, даже в небольших количествах присутствующие в воде (начиная с 10-10 моль/л [4]), придают последней способность долго сопротивляться внешнему бактериальному загрязнению (несколько десятков суток). Тем самым обеспечивается длительная сохранность воды, что приобретает особую актуальность в районах с жарким климатом, отягощенных нехваткой природных источников пресной воды.

Аналогичным свойством, как показали наши исследования, обладают и ионы меди. Предварительно простерилизованная природная вода была инфицирована бактериями Е. coli из расчета 103 кл/л, далее в воду ввели рассчитанное количество CuSO4-5H2O, чтобы концентрация Cu2+ составила 0,1 мг/л. Опыты вели при температуре 30 °С. Через 4 суток вода вновь была инфицирована из расчета 102 кл/л. Результаты эксперимента представлены на рис. 5.

Рис. 5. Бактериальная устойчивость воды, обработанной ионами меди: 1 - ионы меди; 2 - коли-индекс < 3

Как следует из анализа полученных данных, введение в зараженную воду ионов меди с концентрацией их на порядок ниже ПДК для питьевой воды [9, 10], довольно быстро делает ее безопасной по бактериологическим показателям: коли-индекс, т.е. содержание бактерий в 1 л воды, меньше или равно 3. Даже дополнительное искусственное инфицирование было устранено на вторые сутки после него.

lgN .

Выводы

1. Индивидуальная бактерицидная активность пероксида водорода сильно зависит от концентрации препарата, что ограничивает применение последнего как единственного дезинфектанта в системах водо-подготовки и водоотведения средней и большой производительности.

2. Изучение индивидуальной активности ионов исследованных металлов позволяет выстроить этот показатель в ряд по мере его убывания:

Ag+ > Cu2+ > Zn2+

При этом ионы серебра (I) и меди (II) обеспечивают воде способность к длительному сопротивлению внешней бактериальной загрязненности.

3. Ионы Ag+, Cu2+, Zn2+, взятые в концентрациях ниже ПДК соответствующих металлов, катализируя процессы разложения пероксида водорода, одновременно способствуют резкому увеличению бактерицидной активности основного дезинфектанта, что позволяет тем самым существенно снизить потребное количество последних для достижения высокой степени обеззараживания природных и сточных вод.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 04-06-96802р 2004 юг-а).

Литература

1. Методы санитарно-микробиологического анализа питьевой воды. Методические указания. М., 1997.

2. Ашмарин И.П., Воробьева А.А. Статистические методы в

микробиологических исследованиях. Л., 1962.

3. Токарев В.И. Технология обеззараживания питьевой воды препаратами серебра: Дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 1997.

4. Токарев В.И., Денисов В.В., Нагнибеда Б.А. Оценка бактерицидной активности различных препаратов при обеззараживание воды // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1998. № 2. С. 73 - 77.

5. Потапченко Н.Г., Савлук О.С., Иллященко В.В. Сочетан-ное действие УФ-излучения (X = 254 нм) и ионов меди и серебра на выживаемость E.coli // Химия и технология воды. 1992. Т. 14. № 12. С. 935 - 939.

6. Потапченко Н.Г., Илляшенко В.В., Горячев В.Ф. и др. Синергетические эффекты окислителей - пероксида водорода и озона с УФ-излучением при исследовании выживаемости клеток E.coli // Химия и технология воды. 1993. Т 15. № 2. С. 146 - 151.

7. Molecular mechanisms of hydrogen peroxide cytotoxicity / O. Cantoni, G. Brandi, L. Salvaggio // Ann. Inst. Super Sanita. 1989. Vol. 25. № 1. P. 69 - 73.

8. Шамб У., Сеттерфилд Ч., Вентверс Р. Перекись водорода. M., 1958.

9. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством. М., 1984.

10. СанПиН 2.1.4.559-96. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Введены с 01.01.98 г.

11. Yamazaki Isao, Piette Lawrence. EPR sprintepping study on the oxidizing species formed in the reaction of the ferrous iron with hydrogen peroxide // J. Amer. Chem. Soc. 1991. Vol. 113. № 20. P. 7588 - 7593.

12. Петрановская М.Р., Семенова М.А., Медриш Г.Л. и др. Новое направление в обеззараживании воды ультрафиолетовыми методами // Санитария и гигиена. 1986. № 12. С. 54 - 56.

Новочеркасское высшее военное командное училище (институт) связи 20 декабря 2004 г.