УЛЬТРАЗВУКОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
ULTRASOUND PLANT FOR WATER CLEANING AND DECONTAMINATION

Использование: для решения задач по снабжению войск питьевой водой из природных источников и обеспечения химической и биологической безопасности военнослужащих и гражданского персонала ВС РФ в мирное время и на особый период.
Сущность изобретения заключается в возможности реализации концепции по разработке войскового индивидуального водоочистного средства, которое бы в полной мере удовлетворяло потребность в очищенной воде для обеспечения жизнедеятельности и сохранения боеспособности военнослужащих как в мирное, так и в военное время, соответствующего современному уровню научно-технического развития и способного интегрироваться в новый облик войсковой системы технических средств специальной обработки.
Технический результат: возможность проведения обеззараживания воды из открытых источников в полевых условиях с использованием ультразвуковой установки для очистки и обеззараживания воды, включающей совокупность технических решений и функциональных возможностей по бактерицидному воздействию на микроорганизмы, позволяющего решать поставленные задачи как в мирное время, так и на особый период.
Изобретение относится к области войсковой специальной обработки и обеспечения химической и биологической безопасности личного состава Вооруженных Сил Российской Федерации (ВС РФ).
Целью изобретения является получение в кратчайшие сроки питьевой воды улучшенного качества с использованием ультразвуковой установки для очистки и обеззараживания воды.
Изобретение относится к устройствам по очистке воды от химических и микробиологических загрязнений, может быть использовано в процессах водоподготовки при чрезвычайных ситуациях (ЧС) эпидемического характера, обеззараживания воды из открытых источников в полевых условиях как составная часть системы войскового водоочистного средства.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является устройство для обеззараживания жидкости от микробиологических загрязнений (RU №85469, C02F 1/34, оп. в 2009 г.), генерирующее ультразвуковые колебания.
Известное устройство для обеззараживания и активации жидкости, содержащее камеру для обработки жидкости с вмонтированными в неё электродами, генератор импульсов тока, формирующий разрядник, при этом камера выполнена в виде трубы Вентури, содержащей конфузор, горловину, диффузор, а внутри конфузора расположены электроды, выполненные в виде полусфер.
Данное устройство предназначено для очистки промышленных стоков, исходя из конструктивных особенностей, можно сделать заключение, что оно представляет собой сложную, громоздкую конструкцию, работающую только в стационарных условиях. Кроме того, требует повышенного расхода электроэнергии.
Предлагаемая нами установка позволяет обрабатывать воду при наличии любого источника электропитания (вплоть до автомобильного).
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи - создание малогабаритного универсального устройства по очистке воды от химических и микробиологических загрязнений, обеззараживания воды из открытых источников в полевых условиях, уменьшения энергозатрат на очистку загрязненных вод за счет использования ультразвукового излучения определенной частоты.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что генератор ультразвуковой установки подает сигнал переменного тока на преобразователь, который начинает совершать колебания с резонансной частотой. Колебания передаются в жидкую среду. Во время этого процесса возникает ультразвуковая кавитация. Резкая смена физического состояния жидкости, происходящая с частотой ультразвука, разрушает микроорганизмы, находящиеся в воде.
Ультразвуковая установка для очистки и обеззараживания воды состоит из автогенератора, выполненного на двух элементах логической микросхемы К176ЛА7, вырабатывающего на выходе необходимый диапазон частот, и времязадающей цепочки, включающей следующие элементы: R1 (22кОм), R2 (1кОм) и С1 (1000Пф). С помощью переменного резистора R1 задается частота ультразвуковых колебаний в диапазоне 25-55 кГц. Сигнал, снимаемый с выхода №4 DA 1.2, поступает на вход эмитерного повторителя, собранного на транзисторе КТ315Г, который одновременно является и усилителем сигнала. Резисторы R3 (1кОм) и R4 (2кОм) устанавливают необходимое смещение для нормальной работы транзистора Т1 (КТ315Г) (элементы управления транзистором).
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема принципиальная электрическая «ультразвуковой установки для очистки и обеззараживания воды». Основу составляет стандартная логическая микросхема (DA1.1; DA1.2; R1; С1). Номера выводов микросхемы на графическом изображении обозначены цифрами (1), (2), (3), (4), (5), (6). Выбор этой микросхемы логического элемента КМОП обоснован тем, что данные элементы менее энергозатратны и устойчивы к изменению питающего напряжения. Нами дополнительно введен резистор R2 (1кОм), который дает возможность настроить генератор на постоянную начальную частоту 25 кГц. Резистор R1 (22кОм) регулирует частоты генератора в ограниченном диапазоне от 25 до 55 кГц. Вторая часть схемы R3 (1кОм) и R4 (2кОм), введенная нами дополнительно к общей схеме, представляет собой согласующие элементы между генератором и пьезоэлементом Пз1. Он играет роль согласователя и усилителя сигнала.
В наших экспериментах с применением ультразвуковой установки для очистки и обеззараживания воды было установлено, что для эффективного бактерицидного воздействия на микроорганизмы наиболее оптимальный диапазон частот от 25 до 50 кГц. Имеющийся аналог - ультразвуковая ванна может задавать постоянную частоту, которая составляет 35 кГц.
Результаты исследований процесса дезинфекции с применением ультразвуковой установки для очистки и обеззараживания воды представлены в таблице 1.
Представленные результаты показывают, что наибольшая гибель микроорганизмов наблюдалась на частоте 50 кГц. Что свидетельствует о необходимости повышения эффективности обеззараживания за счет увеличения частоты ультразвуковых колебаний по сравнению с ванной.
Так как созданная нами ультразвуковая установка для очистки и обеззараживания воды обеспечивает эффективную дезинфекцию растворов, зараженных вегетативными и споровыми формами микроорганизмов, за короткий промежуток времени она может быть использована при возникновении чрезвычайных ситуаций (ЧС) эпидемического характера, вызванных спороцидными биологическими средствами (БС), в том числе возбудителями сибирской язвы. Ни одно из имеющихся в настоящее время в арсенале химических дезинфицирующих средств не может обеспечить спороцидный эффект за короткий промежуток времени.
Тот факт, что во всех живых организмах процент содержания воды очень высок - до 85% от общего количества, мы и определили направление поиска первичных механизмов ультразвукового излучения при его воздействии на биологические объекты. Влияние физических факторов на водные растворы микробной клетки осуществляется по двум направлениям: непосредственное воздействие негативного физического фактора (процесс кавитации) и химическое взаимодействие с активными формами кислорода (процесс сонолиза). Кроме того, необходимо заметить, что вода представляет собой не совсем обычный объект. Это ассоциированная жидкость с большой диэлектрической проницаемостью и большим дипольным моментом у молекул.
2
Целью проведенных исследований стало определение основных параметров обработки воды ультразвуком для эффективного бактерицидного воздействия на микроорганизмы. Для изучения процессов обеззараживания воды использовали метода количественного учета микроорганизмов на плотных питательных средах (метод Коха). Суспензию микроорганизмов готовили на физиологическом растворе. Готовую суспензию брали в равных объемах и подвергали воздействию ультразвукового излучения при помощи предлагаемой нами ультразвуковой установки для очистки и обеззараживания воды, обработанную суспензию наносили на твердую питательную среду при помощи пипеток и равномерно распределяли по поверхности стеклянным шпателем Дригальского. Обсемененные образцы оставляли в чашках Петри в термостате при температуре 37°С на сутки, с последующим подсчетом числа выросших колоний. Обработка результатов экспериментов при дезинфекции воды заключалась в выявлении среднего количества колониеобразующих единиц (КОЕ) в 1 мл и пересчете на поверхностное обсеменение КОЕ/см. Количество параллельных (повторных) измерений для подтверждения результатов - 42, количество измерений в одной точке - 6. В эксперименте получено 98% характерного эффекта из 100 повторов, это свидетельствует, что вероятность обнаружения (положительного срабатывания) предлагаемого теста заключена в границах доверительного интервала 0,95-0,99.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что ультразвуковая установка для очистки и обеззараживания воды, предлагаемая нами, обладает бактерицидной активностью в отношении микроорганизмов вегетативной формы как в отношении грамотрицательных, так и в отношении грамположительных бактерий. Бактерицидная активность излучения проявляется и при воздействии на споровые формы микроорганизмов.