МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

КОВАЛЬ ІРИНА ЗЕНОВІЇВНА

УДК 66.084+541.182; 628.1; 658.265

КАВІТАЦІЙНЕ ЗНЕЗАРАЖЕННЯ ВОДИ В ПРИСУТНОСТІ ГАЗІВ РІЗНОЇ ПРИРОДИ

05.17.21 Технологія водоочищення

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2014

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі загальної хімії Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Старчевський Володимир Людвікович, Національний університет “Львівська політехніка”,

завідувач кафедри загальної хімії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Саблій Лариса Андріївна, Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, професор кафедри екобіотехнології та біоенергетики

кандидат технічних наук

Гащин Ольга Романівна,

Тернопільський інститут соціальних та інформаційних технологій,

доцент кафедри економіки підприємств

Захист відбудеться “17” вересня 2014 р. о 14

30 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ 56, пр.

Перемоги, 37, корпус № 4, велика хімічна аудиторія

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий “5” серпня 2014 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Т.І. Мотронюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значне розширення масштабів виробництва в усіх галузях

народної діяльності супроводжується збільшенням промислових, сільсько-господарських та побутових відходів. Це зумовлює необхідність посилення заходів

охорони навколишнього середовища і, в першу чергу, водних ресурсів, куди після очищення потрапляють різні забруднювачі.

Поширеними методами знезараження води серед когорти хімічних є хлорування, озонування, дія пероксиду водню тощо. Проте недоліки цих методів

(утворення побічних продуктів дезінфекції, недостатня ефективність процесу, реактивація мікроорганізмів (МО), небезпека передозування тощо) суттєво

обмежують їх застосування в процесах водоочищення. Сучасні технології дозволяють знезаражувати воду, не застосовуючи хімічних реагентів. Тому дедалі

більшого значення набувають фізичні чинники впливу на водну систему – магнітні, електричні, ультрафіолетові, ультразвукові (УЗ). Серед них практичної значимості

набувають звукохімічні методи знезараження. Перспективним напрямком в цій галузі є застосування кавітації, яка позбавлена ряду недоліків, притаманних

хімічним методам та характеризується високою ефективністю процесу. Це й обумовлює актуальність подальшого дослідження впливу кавітаційного ефекту на життєздатність МО із врахуванням сучасних екологічних і технологічних вимог в

галузі очищення природних та стічних вод (СВ). Вагомий науковий інтерес являють собою й дослідження, спрямовані на

інтенсифікацію фізичних методів знезараження води. Тому представлена робота спрямована на дослідження процесу загибелі МО, основаного на спільній дії УЗ

кавітації та газів різної природи. Окрім того, на сьогоднішній день експериментальних даних недостатньо для створення наукових основ застосування

кавітації в процесах водоочищення від біологічних забруднень, що потребує більш детального і поглибленого вивчення. Практичне застосування результатів

досліджень сприятиме розширенню можливостей та вдосконаленню фізичних технологій знезараження води.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана згідно наукового напрямку кафедри загальної хімії Інституту хімії та хімічних технологій Національного університету “Львівська політехніка” :

“Дослідження кінетики і механізму процесів окиснення і співполімеризації органічних речовин з метою одержання нових речовин для обробки металів,

волокнистих матеріалів. Застосування енергії акустичної кавітації для інтенсифікації окиснювальних процесів” (№ держреєстрації 0110U004691) та в рамках виконання

держбюджетних тем ДБ/Аргон: “Комплексні адсорбційно-ультразвукові технології для процесів водоочищення та водопідготовки” (№ держреєстрації 0111U001231) та

ДБ/Кавітація: “Застосування віброкавітації для інтенсифікації хіміко-технологічних процесів” (№ держреєстрації 0113U001369), у яких дисертант була відповідальним

виконавцем.

1

Мета роботи – створення основ технології кавітаційного знезараження води

дослідженням закономірностей та особливостей процесу загибелі МО за умов

спільної дії кавітації та газів різної природи. Задачі досліджень:

дослідити процес загибелі конкретних монокультур бактерій та дріжджів

при барботуванні газів за умов кавітації;

визначити ефективність кавітаційного знезараження забруднених вод

різного походження (модельні, природні, стічні); встановити кінетичні закономірності процесів;

встановити відносні ряди ефективної загибелі МО за умов газ/УЗ-дії;

дослідити вплив кавітації на МО при короткотривалій експозиції;

дослідити зміну числа мікроорганізмів (ЧМ) від тривалості зберігання

водної системи після попередньої газ/УЗ-дії;

розробити концептуальні засади застосування кавітації для створення

технологічних процесів водоочищення. Об’єкт досліджень – технологічні процеси знезараження води від біологічних

забруднень. Предмет досліджень – водні системи (модельні, природні, стічні) з вмістом

мікробіологічних організмів для процесу їх загибелі. Методи досліджень – мікробіологічний аналіз кількісного та якісного складу

МО, мікроскопування зразків культур МО, фотозйомка, визначення рН. Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше встановлено, що незалежно від родової приналежності досліджених МО, їх форм та розмірів, вихідної кількості клітин в одиниці об’єму водної

системи, а також від природи барботованого газу процеси загибелі клітин при спільній дії газу та кавітації описуються кінетичним рівнянням реакції

першого порядку; Вперше експериментально виявлено, що величини ефективних констант

швидкості загибелі МО (kd) у водному середовищі за умов газ/УЗ-дії на порядок перевищують ефективні константи швидкості їх загибелі за умов дії

самих лише газів. При цьому, незалежно від морфологічних особливостей досліджуваних МО (форма, розміри), виявлено синергічний ефект спільної дії

УЗ кавітації та досліджуваних газів в процесах знезараження води, тобто kd (газ/УЗ) > kd (газ) + kd (УЗ);

Встановлено, що величини ефективних констант швидкості загибелі МО

визначаються природою барботованого газу і не залежать від їх початкового ЧМ (ЧМ0) у водній системі;

На прикладі загибелі бактерій роду Bacillus встановлено ряд ефективності застосування як безпосереднього барботування самих лише досліджуваних

газів (СО2>Ar>О2>Не), так і їх барботування в кавітаційних умовах (Ar/УЗ>О2/УЗ>Не/УЗ>СО2/УЗ);

Виявлено залежність ефективних констант швидкості загибелі досліджуваних МО від їх розмірів, що надає можливість розповсюдження результатів

дослідження газ/УЗ-дії й на інші різновиди МО;

2

Вперше встановлено і експериментально підтверджено найвищу ефективність Ar/УЗ-дії на загибель МО, яка не залежить від морфологічних особливостей

клітин, при цьому без повторного збільшення ЧМ впродовж тривалого збереження води (до 40 діб) як за, так і без доступу повітря.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі результатів

досліджень закономірностей кавітаційної загибелі МО у водному середовищі в присутності газів створено засади для розроблення і впровадження інноваційних

технологій водопідготовки. Виявлені інтенсифікуюча дія барботування газів у зону кавітаційного

оброблення води та супроводжувальний синергічний ефект забезпечують передумови широкому промисловому застосуванню кавітаційних водоочисних

технологій, наприклад, для підприємств харчової та переробної промисловості, фармакології тощо, для яких ступінь знезараження води становить 98÷99%.

Результати дисертаційної роботи апробовані в лабораторії ПАТ “Завод тонкого органічного синтезу “Барва” (м.Івано-Франківськ) та впроваджені на ТзОВ “Інтер-

Синтез” (Борислав). Особистий внесок здобувача полягає в аналізі наукових і патентно-

інформаційних літературних джерел за темою дисертації, безпосередній участі у плануванні та здійсненні експериментів. Дисертантом визначено мету, задачі, предмет, методологію досліджень, здійснено обґрунтований вибір водних та

мікробіологічних об’єктів досліджень. Оброблення та аналіз результатів експериментальної частини дисертації, її узагальнення, формулювання основних

положень і висновків; пошук, перегляд та аналіз літературних посилань; написання та оформлення дисертації і автореферату; написання наукових статей виконано

дисертантом самостійно. Доповіді та презентації матеріалів експериментальної частини на всеукраїнських та міжнародних конференціях були підготовлені автором

самостійно. Вибір теми дисертації, планування та обговорення результатів досліджень,

підготовка до друку наукових статей здійснено за участю наукового керівника дисертаційної роботи проф., д.т.н. Старчевського В.Л. та доц., к.т.н. Шевчук Л.І.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідались та

обговорювались на 64-й студентській науково-технічній конференції (Львів, 2006), V, VІ, VIІ, VIІІ, ІХ та Х науково-технічних конференціях Інституту прикладної

математики та фундаментальних наук – (Львів, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2012), ІІ всеукраїнській конференції студентів, аспірантів та молодих вчених

Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” – (Київ, 2007), ХІ науковій конференції Тернопiльського національного

технiчного унiверситету iменi Iвана Пулюя – (Тернопіль, 2007), ХІ, ХІІ та ХІІІ наукових конференціях “Львівські хімічні читання – 2007, 2009, 2011” – (Львів,

2007, 2009, 2011), IV, V та VІ науково-технічних конференціях “Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості” – (Львів, 2007, 2009, 2012), X,

XII та XIII конгресах європейської ассоціації звукохімії – (La Grande-Motte, 2008; Crete, 2010; Lviv, 2012), XIІ всеукраїнській науково-практичній конференції

студентів, аспірантів та молодих вчених “Технологія-2009” з міжнародною участю Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля –

3

(Сєвєродонецьк, 2009), ІІ та ІІІ міжнародних конференціях молодих вчених “Хімія та хімічна технологія – 2011, 2013” – (Львів, 2011, 2013), Міжнародній конференції

ICHEAP-10 – (Florence, 2011), XIХ міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології: Наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” – (Харків, 2011), Міжнародному польсько-шведсько-українському семінарі – (Кrakow, 2011),

ІІІ міжнародній науково-методичній конференції “Безпека людини у сучасних умовах” – (Харків, 2011), XV міжнародному симпозіумі для молодих вчених та

інженерів – (Gdansk, 2012), ІІ міжнародному конгресі “Захист навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування” – (Львів,

2012), Міжнародній науковій конференції «Актуальні проблеми хімії та технології органічних речовин» – (Львів, 2012).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладений у 57 наукових

працях, серед яких 24 наукові статті у фахових виданнях (з них 5 статей

опубліковано в журналах, що входять до міжнародних науково-метричних баз даних) та 32 тези доповідей на науково-технічних конференціях в Україні та за

кордоном. Одержано 1 патент України на корисну модель. Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів,

висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріали роботи викладені на 191 сторінці, містять 56 рисунків, 28 таблиць, 11 додатків. Обсяг, який займають список використаних джерел з 235 найменувань та додатки становить 45 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету дисертаційної

роботи та задачі досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення роботи. Наведено відомості про апробацію роботи та публікації, а також

відзначено особистий внесок автора. У першому розділі на основі критичного огляду літературних джерел сучасного

стану водних ресурсів та порівняння різних методів знезараження води визначено основні напрямки досліджень. Розглянуто механізм хімічної дії УЗ коливань та роль газів в реакційному середовищі. Обґрунтовано переваги застосування УЗ кавітації

для очищення води від мікробіологічних та хімічних забруднень, порівняно з іншими сучасними методами.

У другому розділі наведено характеристику водних об’єктів досліджень,

реагенти та природу газів, барботованих через водну систему, обґрунтувано вибір

мікрооб’єктів дослідження, описано методики експериментів, лабораторну установку та додаткове обладнання, необхідне для здійснення експериментів.

Об’єктами дослідження процесу знезараження були води: модельні, створені на основі деаерованої дистильованої та озерної вод;

природні (озерні) – для визначення кількісного та якісного складу МО; СВ із заводу “Галичфарм” та приватної пивоварні “Кумпель”, м. Львів.

Озерну воду відбирали з різних населених пунктів Львівської області: м.Судова Вишня, м.Городок, с.Домажир, c.Миклашів та м.Львів (озеро Наварія).

4

Тест-мікроорганізмами слугували п’ять монокультур – представники різних родів (бактерії: Diplococcus, Bacillus, Sarcina, Pseudomonas та дріжджі

Saccharomyces). Для досліджень використовували гази: аргон, гелій, вуглекислий газ, кисень.

Газ барботували у воду впродовж всього процесу кавітаційного її оброблення зі

швидкістю 0,2 cм3/c. Витрата газу становила 0,7 дм

3/год.

Джерелом УЗ хвиль слугував генератор УЗДН-2Т з частотою коливань 22 кГц,

потужністю 91 Вт та інтенсивністю 1,65 Вт/см3. УЗ коливання передавали

магнітострикційним випромінювачем, зануреним в об’єм досліджуваної води (V =

75 см3). Умови здійснення експериментів: T=298±1K, P=0,1MРa, тривалість процесу

(t) – до 2 год.

Представлено результати аналізів кількісного та якісного складу водної мікрофлори в різних водах Львівської області із встановлення домінуючого

різновиду серед МО (табл.1), які здійснювали впродовж літнього періоду (червня-липня) та результати мікробіологічних досліджень: морфологічні, культуральні та

фізіологічні особливості досліджуваних МО. Таблиця 1

Переважаюча мікрофлора різних вод

№ Водні об’єкти Виявлені МО

1 озеро (Львівська обл., м. Судова Вишня); ЧМ0 = 820 ÷ 2090 КУО/см

3

Bacterium, Sarcina, Pseudomonas, Bacillus*(35%)

2 озеро (Львівська обл., м. Городок); ЧМ0 = 2200 ÷ 2340 КУО/см

3

Staphylococcus, Pseudomonas, Bacillus*(40%)

3 озеро (Львівська обл., с. Домажир);

ЧМ0 = 2100 ÷ 2600 КУО/см3

Bacterium, Bacillus, Sarcina,

Pseudomonas*(55%)

4 озеро (Львівська обл., с.Миклашів); ЧМ0 = 2450 КУО/см

3

Bacterium, Pseudomonas, Bacillus*(44%); Oscillatoria (99%)

5 озеро Наварія (м. Львів);

ЧМ0 = 1800 ÷ 2050 КУО/см3

Micrococcus, Sarcina, Bacterium*(29%),

Streptococcus, Bacillus*(32%)

6 СВ пивоварні “Кумпель” (м. Львів); ЧМ0 = 110000 КУО/см

3

Micrococcus, Sarcina, Bacterium, Pseudomonas, Bacillus*(25%);

дріжджі: Saccharomyces (99%)

7 СВ фармацевтичного заводу

“Галичфарм” (м. Львів); ЧМ0 = 38600 КУО/см

3

Micrococcus, Diplococcus,

Streptococcus, Sarcina, Bacterium, Bacillus*(22%)

Примітка: * в домінуючій кількості.

У третьому розділі розглянуто вплив УЗ кавітації в атмосфері різних газів на

загибель бактерій роду Вacillus. На основі виявленої синергічної дії одночасного

застосування газу і кавітації обґрунтовано інтенсифікацію процесу знезараження води.

При барботуванні Не, О2 та Ar (рис. 1, криві 1-3) через водну систему з вмістом Вacillus як домінуючого різновиду серед ідентифікованих МО в аналізованих

водних об’єктах (табл. 1), ступінь знезараження води (Dd) становить відповідно 47,7; 48,3 та 73,6%, тоді як при барботуванні самого СО2 – 90,0% (табл. 2). Високий

5

показник загибелі бацилярних клітин в результаті дії СО2,

очевидно, зумовлений збільшенням кислотності середовища (рН0=6,1;

рНкін=3,8±0,1) (табл.2). За умов одночасної СО2/УЗ-дії

значення рН зменшилось не суттєво (рН0 = 6,1; рНкін =

5,0±0,2), що можна пояснити проникненням СО2 в

кавітаційні бульбашки і подальшій його дегазації з

води. Однак, величина kd при дії СО2/УЗ майже вдвічі

більша, ніж у випадку насичення води самим лише

СО2 (табл.2), що засвідчує інтенсифікацію процесу в умовах кавітації.

Для вивчення впливу рН системи на життєздатність МО при барботуванні СО2, вуглекислий газ добували з системи [гідрокарбонат натрію – оцтова

кислота]. Систему підбирали таким чином, щоб значення рНкін водної системи було не менше 6. Збільшення концентрації гідрокарбонату натрію в системі до 16 г/дм

3 не

зумовило суттєвої загибелі МО впродовж 1год., тоді як внесення до системи оцтової кислоти і виділення бульбашок СО2 зумовило значне зменшення ЧМ.

Оскільки основним механізмом руйнівної дії УЗ кавітації на МО є утворення мікробульбашок газу, виділеного з розчину, важливо було дослідити вплив об’єму

виділеного з водного розчину вуглекислого газу на життєздатність мікробів . Встановлено, що ефективне відмирання мікробних клітин відбувається при

збільшенні об’єму газу в мікробульбашках ~ в 2 рази. Збільшення відношення кількості спорогенних бацилярних клітин до кількості аспорогенних зменшує вплив об’єму виділеного СО2 на їх життєдіяльність. Тобто, при наявності більше 95%

спорогенних Bacillus вуглекислий газ практично не впливає на їх життєздатність, навіть при його тиску 500 кПа, тоді як на ранній стадії розвитку (до спороутворення)

бацили практично повністю гинули при тиску СО2 над системою, рівному 50 кПа. У випадку дії самого УЗ (рис. 1, крива 4) ефективність знезараження води на

25÷50% вища, порівняно з дією самих лише газів (Не, О2 та Ar) (табл. 2). Поєднання цих двох чинників впливу – газу та УЗ в одному реакторі (рис. 1, криві 5-7)

дозволило досягнути ефективності загибелі бацилярних клітин > 99% при ЧМ0=10

4÷10

5 КУО/см

3 (табл.2). Це підтверджує вагомий вплив та значимість

барботовання газу на перебіг процесу знезараження води в кавітаційних умовах. Дослідженням кінетичних закономірностей загибелі МО у дистильованій воді

встановлено, що ці процеси за умов дії самих газів, самого УЗ та спільної їх дії описуються кінетичним рівнянням реакції першого порядку (рис. 2).

Рисунок 1. Залежності ЧМ/ЧМ0 (бактерії Bacillus) від тривалості процесу за різних

умов: О2 (1), Не (2), Ar (3); УЗ (4); СО2/УЗ (5), О2/УЗ (6), Ar/УЗ (7). Вихідні дані:

ЧМ0=104÷10

5 КУО/см

3.

6

Таблиця 2 Ефективність знезараження води від бактерій Bacillus

Умови процесу ЧМ0, КУО/см3 Rd kd·10

4, c

-1 Dd, % рН0 рНкін

УЗ 8·102 ÷ 2,8·10

4 0,993 4,33±0,01 95,6

6,1

5,9÷6,3

Ar 7·104

0,992 1,91±0,01 73,6

5,9 ± 0,1 Не 7·104

0,945 0,82±0,06 47,7

О2 7·10

4

0,997 1,21±0,04 48,3*

СО2 7·10

4

0,885 3,56±0,51 90,0 3,8 ± 0,1

СО2/УЗ 2,8·10

4

0,993 7,35±0,01 99,3 5,0 ± 0,2

О2/УЗ 7·10

5

0,993 9,76±0,01 99,8 5,8 ± 0,1

Ar/УЗ 7·105

0,997 10,1±0,01 99,9

Примітка: * – за вихідні дані приймали ЧМмах, отримане в результаті короткотривалої експозиції.

Величина kd при спільній дії газу (Ar, О2) та УЗ майже

вдвічі перевищує суму величин kd при дії кожного

чинника зокрема (табл. 2): kd(газ/УЗ) > kd(газ) + kd(УЗ). Тобто, спостерігається синергічний

ефект за умов одночасної дії газу та УЗ кавітації. Це можна

пояснити тим, що без барботування газу кавітація

зумовлює активну дегазацію рідини (за першу хвилину

оброблення води виділяється в атмосферу ~ 60% розчиненого

газу), позбавляючи рідину зародків кавітації. При

барботуванні газу спостері-гається лише часткова дегазація рідини, а при

підвищених тисках – навіть акустична аерація. При цьому розчинність газу, отриманого при підвищеному тиску,

вища, ніж у відповідності закону Генрі. Приймаючи до уваги результативність впливу газів Не, О2, СО2 та Ar (табл. 2),

можна відобразити відносний ряд ефективної загибелі бацилярних клітин дією самих лише газів: СО2>Ar>О2>Не. Даний ряд, за винятком обґрунтованої вище дії

СО2, зберігає свою послідовність і в кавітаційних умовах: Ar/УЗ>О2/УЗ>Не/УЗ>СО2/УЗ. Однак, в кавітаційних умовах загибель бактерій

перебігає значно ефективніше і за меншу його тривалість (табл. 3), ніж в атмосфері

Рисунок 2. Напівлогарифмічні залежності

ЧМ/ЧМ0 (бактерії Bacillus) від тривалості процесу за умови впливу: Не (1), О2 (2), Ar (3);

УЗ (4); СО2/УЗ (5), О2/УЗ (6) та Ar/УЗ (7).

7

самих газів. Величини kd при газ/УЗ-дії майже на порядок більші, порівняно з дією самих лише газів: kd(газ/УЗ) > kd(газ) (табл. 2).

Загибель Bacillus за умов Ar/УЗ-дії з Dd=99% досягнули через 83хв (табл. 3), тоді як за цей же час в присутності самого лише О2 або Не – лише 30%. 70%-ву ефективність при барботуванні самого Ar досягнули через 108 хв, тоді як за умов

Ar/УЗ-дії – уже за перші хвилини процесу (пришвидшення в 13 раз). Пояснення 70%-вої ефективності (а не очікуваних 98÷99%), досягнутої в результаті

короткотривалої експозиції (до 10 хв) (табл. 3), ґрунтується на виявлених процесах дезагрегації скупчень мікробних клітин з подальшим їх роз’єднанням до

відокремлених, що потребує більшої тривалості процесу для досягнення бажаного ступеня знезараження води. Ці результати підтверджено мікрофотографіями МО в

результаті мікроскопічних досліджень препаратів фіксованих клітин до та після газ/УЗ-дії.

Таблиця 3 Залежність ефективності загибелі Bacillus від тривалості процесу

Умови

процесу

ЧМ0,

КУО/см3

Тривалість знезараження води від бактерій Bacillus

для досягнення зазначених відсотків ефективності процесу, хв

Dd, %

tУЗ= 120 хв 30 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 99 %

УЗ 8·102 ÷ 2,8·104 – ~ 27 38 58 69 90 – 95,6

СО2/УЗ 2,8·104 – – ~ 13 27 41 55 105 99,3

Не 7·104 80 – – – – – – 47,7

О2 7·104 82 ~ 125 – – – – – 48,3*

О2/УЗ 7·105 – – – – ~ 18 42 84 99,8

Ar 7·104 32 56 78 108 – – – 73,6

Ar/УЗ 7·105 – – – ~ 8 ~ 27 46 83 99,9

В даному розділі узагальнено величини ефективних констант швидкості

загибелі досліджуваних МО, в залежності від умов експерименту (табл. 4). Дані МО вносили до озерної води (ЧМ = 820 КУО/см

3), створюючи, таким чином, модельні

води з ЧМ0 = 103÷10

5 КУО/см

3 з метою наближення до реального рівня мікробного

забруднення виробничих СВ та дослідження їх загибелі за умов газ/УЗ-дії.

Встановили, що процеси знезараження такої води також описуються кінетичним рівнянням реакції першого порядку, незалежно від родової приналежності

досліджених МО, їх морфологічних властивостей, вихідної кількості клітин в одиниці об’єму водної системи, природи барботованого газу. Найбільшу

ефективність загибелі МО (приблизно вдвічі) виявлено за умов Ar/УЗ-дії, незалежно від їх кількісного та якісного складу у водній системі: kd(Ar/УЗ) > kd(Не/УЗ; О2/УЗ; СО2/УЗ).

Експериментально встановлені ряди ефективної спільної газ/УЗ-дії на загибель

досліджуваних МО наступні: – суміш бактерій Diplococcus та Sarcina Ar/УЗ > О2/УЗ > СО2/УЗ

– бактерії роду Bacillus Ar/УЗ > О2/УЗ > Не/УЗ > СО2/УЗ

8

– бактерії роду Pseudomonas Ar/УЗ > СО2/УЗ > О2/УЗ – дріжджі роду Saccharomyces Ar/УЗ > Не/УЗ > СО2/УЗ > О2/УЗ

На рис. 3 відображено залежності величин kd від розмірів МО (dкл), зростання яких спостерігається із збільшенням розмірів клітин. Така закономірність простежується для всіх досліджуваних газів з найбільш вираженим ефектом в

атмосфері аргону. Показано, що більші за розмірами клітини легше піддаються руйнуванню дією газ/УЗ, тобто стійкість клітин в кавітаційних умовах обернено

пропорційна їх розмірам. Саме це й пояснює практично повне очищення води від дріжджів за коротшу тривалість процесу, порівняно з бактеріями (розміри

дріжджових клітин ~ в 10 раз перевищують бактеріальні). Саме тому серед кулястих форм МО ефективніше руйнуються бактерії Sarcina, порівняно з Diplococcus

(сарцини ~ в 3,5 рази більші від диплококів). Аналогічна закономірність простежується і для паличкоподібних форм бактерій: Вacillus та Pseudomonas.

Таблиця 4 Ефективні константи швидкості загибелі досліджуваних МО

МО kd · 10

4, c

-1

Ar/УЗ Не/УЗ СО2/УЗ О2/УЗ

Diplococcus 3,25±0,06 1,72±0,03 – –

Pseudomonas 3,96±0,02 0,91±0,20 2,10±0,15 1,63±0,05

Вacillus 5,02±0,03 2,89±0,04 2,51±0,04 3,11±0,06

Sarcina 5,95±0,07 3,30±0,09 – –

Saccharomyces 7,94±0,09 5,73±0,08 5,36±0,03 4,52±0,01

Враховуючи розміри клітин, представлена

залежність kd=ƒ(dкл) (рис. 3) дозволяє орієнтовно передба-

чити ефективність загибелі й інших, не досліджуваних нами

МО за умов газ/УЗ-дії. У четвертому розділі

узагальнено кінетику збільшення та зменшення ЧМ при барботуванні газів різної

природи за/без кавітаційних умов. Представлені кінетичні

закономірності кавітаційного процесу загибелі бацилярних

клітин, на основі встановлених залежностей kd=ƒ(ЧМ0),

залежно від природи барбото-ваного газу в кавітаційних

умовах. Згідно результатів, для кожного газу чітко виділяється область близьких значень kd для відносно широкого діапазону ЧМ0. Навіть при збільшенні ЧМ0 майже

Рисунок 3. Залежності ефективних констант швидкості загибелі МО від розмірів їх клітин:

Ar/УЗ(х), Не/УЗ(□), О2/УЗ(∆), СО2/УЗ(○).

9

на чотири порядки (з 8·102 до 3·10

6 КУО/см

3 – для Ar/УЗ та О2/УЗ) та майже на два

порядки (з 2,2·103 до 8,5·10

4 КУО/см

3 – для СО2/УЗ), величини kd для кожного газу

коливаються в межах близьких значень, проте відрізняються за значенням, в залежності від його природи: kd(Ar/УЗ)=(9,46±0,64)·10

-4 с

-1; kd(О2/УЗ)=(8,54±1,22)·10

-4 с

-1;

kd(СО2/УЗ)=(7,84±0,85)·10-4

с-1

. Це вказує на те, що величина kd не залежить від ЧМ0,

проте визначається природою барботованого газу: kd(Ar/УЗ) > kd(О2/УЗ) > kd(СО2/УЗ), що пояснюється різним впливом природи газу на активність утворення та

заплескування каверн. В результаті дослідження зміни ЧМ від тривалості зберігання обробленої водної

системи з вмістом Вacillus за/без доступу повітря виявлено відсутність повторного збільшення ЧМ після попередньої Ar/УЗ-дії (рис. 4,5), навіть впродовж тривалого

часу (до 40 діб) (рис. 5), на відміну від попередньої О2/УЗ-дії (рис. 4, крива 1). В останньому випадку виявлено збільшення ЧМ при доступі повітря. Дані процеси

також описуються кінетичним рівнянням реакції першого порядку, на основі якого обчислені ефективні константи швидкості зменшення ЧМ (k) від тривалості

збереження системи в часі. Встановлено, що при збереженні системи після попередньої газ/УЗ-дії за умов доступу повітря k(Ar/УЗ) > k(О2/УЗ) практично на

порядок, а процес водоочищення перебігає втричі швидше.

Рисунок 4. Залежності зміни ЧМ

(бактерії Вacillus) після попередньої дії О2/УЗ (1) та Ar/УЗ (2) від тривалості

зберігання обробленої водної системи за умов доступу повітря при Т=303±1К.

Рисунок 5. Залежності зміни ЧМ

(бактерії Вacillus) після попередньої дії О2/УЗ (1) та Ar/УЗ (2) від тривалості

зберігання обробленої водної системи за відсутності повітря при Т=303±1К.

У п’ятому розділі відображено перспективу практичного застосування

кавітації та газів в процесах водоочищення, перевіривши одержані результати знезараження модельних вод на реальних водних об’єктах – озерній та СВ.

Процес знезараження озерної води досліджували при різному ЧМ0 (рис. 6): при

середньостатистичному вмісті МО та максимальному. Останнє було зумовлено підвищенням температури води з 13±2°С до 21±1°С впродовж червня-липня

(глибина відбирання проб – 100 мм від поверхні води). Знезараження озерної води здійснено в умовах кавітації без барботування газів для дослідження впливу даного

10

процесу на життєдіяльність природної асоціації МО. Процеси кавітаційного знезараження перебігають в дві стадії: на першій – переважає розбивання виявлених

у вихідній воді агрегатів до поодиноких клітин, зумовлюючи збільшення ЧМ (ЧМмах) та подальшим його зменшенням на другій стадії. Це підтверджено мікрофотографіями препаратів фіксованих клітин та “роздавлена крапля” до та після

кавітаційного впливу. В процесі знезараження СВ “Кумпель” (рис. 7) найбільшу ефективність

виявлено за умов Ar/УЗ-дії (Dd = 97,9%; kd = (5,48±0,03)·10-4

c-1

). Тому відносний ряд ефективної загибелі МО в СВ має наступний вигляд: Ar/УЗ > Не/УЗ > СО2/УЗ >

О2/УЗ. Напівлогарифмічна залежність ЧМ/ЧМ0 для СВ різних виробництв в кавітаційних умовах кисневої атмосфери описується однією величиною

kd = (3,51±0,02)·10-4

c-1

, хоча їх ЧМ0 відрізняються на порядок (СВ ”Кумпель” з ЧМ0 = 1,1·10

5 КУО/см

3 та СВ ”Галичфарм” з ЧМ0 = 3,86·10

4 КУО/см

3). Вибір О2

пов’язаний з дослідженням впливу останнього на процес знезараження різних вод з вмістом органічних речовин.

Процес загибелі МО озерної води (рис. 6, ІІ стадія) в кавітаційних умовах без барботування газів при різному ЧМмах (ЧМмах1=1580 КУО/см

3; ЧМмах2=2852 КУО/см

3)

також описується однією величиною kd = (4,06±0,03)·10-4

c-1

). Аналогічно і в процесах загибелі Вacillus в дистильованій воді з різним ЧМ0 (ЧМ01 = 8·10

2 КУО/см

3;

ЧМ02 = 2,8·104

КУО/см3), величина kd яких в кавітаційних умовах без барботування

газів становить (4,33±0,01)·10-4

c-1

. Це й підтверджує те, що kd не залежить від ЧМ0.

Рисунок 6. Залежності ЧМ озерної води (Львівська обл., м. Судова Вишня) від тривалості кавітаційного процесу.

Вихідні дані: ЧМ01 = 820 КУО/см3 (1) та

ЧМ02 = 2090 КУО/см3 (2).

Рисунок 7. Залежності ЧМ для СВ ”Кумпель” від тривалості процесу: О2/УЗ (1), СО2/УЗ (2), Не/УЗ (3) та Ar/УЗ (4).

Вихідні дані: ЧМ0 = 1,1·105 КУО/см

3.

Таким чином, встановлено та експериментально підтверджено перебігання

процесу знезараження води в кавітаційних умовах за кінетичним рівнянням реакції першого порядку, незалежно від різновиду забруднених вод (модельна, озерна та

СВ), якісного та кількісного складу МО в них, за/без барботування газів через водну систему.

11

Ефективність використання кавітаційного впливу на очищення природних вод від біологічних забруднень перевіряли на ціанобактеріях. Присутність останніх у

воді зумовлює “цвітіння” води, зумовлюючи масові замори риби, отруєння тварин і людей, порушення водопостачання та рибальства. Це відображає важливість дослідження процесу їх руйнування в кавітаційних умовах. Попередньо проведена

ідентифікація ціанобактерій, виявлених в озері Миклашівського риборозплідного господарства, надала підставу віднести їх до роду Oscillatoria (O. brevis) родини

Oscillatoriaceae (клас – Сyanophyceae). Загальна тривалість процесу кавітаційного оброблення такої води становила лише 60с. Однак, уже в результаті короткотривалої

експозиції (tУЗ = 2-3с) були виявлені механічні пошкодження зовнішніх оболонок, виділення внутрішньоклітинного наповнення, а через 60с – повністю зруйновані

клітини. В даному розділі приведена технологічна схема кавітаційного очищення води

(рис.8). Перший етап – механічне очищення води в апаратах 1-4. Другий етап – вода подається у адсорбери 5,6 на короткотривале оброблення (до 10хв) з метою

очищення води від агрегатів МО та запобігання дезагрегації. Для процесу пропонується природний дисперсний адсорбент бентоніт як найефективніший,

порівняно з цеолітом і глауконітом. Третій етап – вода піддається обробленню у кавітаторі 7, що передбачає можливість одночасного барботування газу з метою інтенсифікації процесу. Для процесу пропонується барботувати аргоном як

найефективнішим серед досліджуваних.

Рисунок 8. Технологічна схема кавітаційного очищення води: 1 – решітка,

2 – фільтр, 3 – відстійник, 4 – піскова площадка, 5,6 – адсорбери, 7 – кавітатор, 8 – насос, 9,10 – адсорбери, 11,12 – ємності для накопичення води.

12

Четвертий етап – вода знову подається на адсорбери 9,10 для вилучення з водної системи продуктів життєдіяльності МО, виділеного внутрішньоклітинного

вмісту зруйнованих дією кавітації клітин та залишкової кількості МО. Очищену воду можна зберігати в резервуарах накопичення навіть впродовж кількох десятків діб без повторного її забруднення МО. Це було експериментально доведено на

модельній дистильованій воді з вмістом бактерій Bacillus при попередньому барботуванні аргону в кавітаційних умовах за/без доступу повітря.

В додатках наведено акти проведення випробувань та впровадження результатів кавітаційного знезараження води, а також розрахунок економічного

ефекту даного процесу.

ВИСНОВКИ

1. Створено основи технології кавітаційного знезараження води за умов спільної

дії УЗ кавітації та газів різної природи, які в поєднанні з адсорбційними методами дозволяють досягнути ступеня знезараження води 98-99%.

2. Встановлено відносні ряди ефективної загибелі МО різного роду (бактерій - Diplococcus, Sarcina, Вacillus, Pseudomonas та дріжджів Saccharomyces) в залежності

від природи барботованого газу в УЗ полі. Досліджено найбільшу ефективність знезараження води за умов спільної Ar/УЗ-дії: Dd(Ar/УЗ) > Dd(Не/УЗ, О2/УЗ, СО2/УЗ). Доведено, що процеси загибелі МО описуються кінетичним рівнянням реакції

першого порядку, незалежно від родової приналежності МО, їх морфології (форма, розмір), вихідної кількості клітин в одиниці об’єму водної системи, природи

барботованого газу, різновиду забруднених вод (модельна, озерна, виробничі СВ). 3. Виявлено, що відносний ряд загибелі бактерій Bacillus зберігає свою

послідовність (за винятком обґрунтованої дії СО2) як при барботуванні самих лише газів (СО2 > Ar > О2 > Не), так і при їх дії за умов кавітації (Ar/УЗ > О2/УЗ > Не/УЗ

> СО2/УЗ). kd(газ/УЗ) > kd(газ) на порядок, що засвідчує інтенсифікацію процесу барботуванням газу в кавітаційних умовах. Встановлений синергічний ефект

загибелі МО за умов газ/УЗ-дії: kd(газ/УЗ) > kd(газ) + kd(УЗ). 4. Встановлено, що kd визначається розмірами клітин МО, природою

барботованого газу в умовах кавітації, однак не залежить від вихідної кількості МО. 5. Встановлений відносний ряд знезараження СВ: Ar/УЗ > Не/УЗ > СО2/УЗ >

О2/УЗ з ефективністю Ar/УЗ-дії ~ 98%, яка визначається кількісним та якісним

складом МО у воді та тривалістю кавітаційного її оброблення. 6. Показано, що незалежно від морфологічних особливостей досліджуваних МО,

кількісного та якісного складу МО у воді, різновиду забруднених МО вод, процеси знезараження води найефективніше перебігають в середовищі за умов Ar/УЗ-дії без

повторного збільшення ЧМ впродовж тривалого збереження води (до 40 діб) за/без доступу повітря (Dd(Ar/УЗ) = 99,9%).

7. Досягнуто 99%-го очищення озерної води від МО обростання після короткотривалої кавітаційної дії (tУЗ = 60с), яке проявилось не тільки у втраті

ціанобактеріями Oscillatoria здатності до фізіологічної саморегенерації клітин та подальшого їх розмноження, але й супроводжується повним їх руйнуванням.

8. Експериментальні результати (Dd(Ar/УЗ) ~ 98% для СВ) підтверджують можли-

13

вості ефективного застосування кавітаційної дії для створення новітніх технологій в процесах водоочищення. Результати дисертаційної роботи апробовані в лабораторії

ПАТ “Завод тонкого органічного синтезу “Барва” (м.Івано-Франківськ) та впроваджені на ТзОВ “Інтер-Синтез” (м.Борислав). Економічний ефект процесу становить 12,48 грн/м

3·добу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Шевчук Л.І. Дослідження впливу різних газів на процес знезараження води в

умовах ультразвукової кавітації / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль // Вопросы химии и химической технологии. – 2007. – № 1. – С. 194-198.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 2. Шевчук Л.І. Вплив природи газу на процес знезараження води від бактерій

роду Pseudomonas fluorescens в умовах кавітації / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль // Вопросы химии и химической технологии. – 2007. – № 2. – С. 233-236.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 3. Шевчук Л.І. Вплив природи газу на процес знезараження води від дріжджів

роду Saccharomyces в умовах кавітації / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль // Вопросы химии и химической технологии. – 2007. – № 3. – С. 212-215. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

4. Шевчук Л.І. Кавітаційне знезараження води від бактерій роду Sarcina в атмосфері різних газів / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль // Вісник національного

університету “Львівська політехніка”. Сер. Хімія, технологія речовин та їх застосування. – 2007. – № 590. – С. 291-295.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 5. Шевчук Л.І. Вплив ультразвуку на бактеріальне знезараження води в

залежності від присутнього газу / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль, В.Л. Старчевський, І.Є. Никулишин // Вісник національного університету “Львівська політехніка”. Сер.

Хімія, технологія речовин та їх застосування. – 2008. – № 609. – С. 264-267. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

6. Муль Г.І. Синергізм дії ультразвуку та газів на бактерії роду Diplococcus у водному середовищі / Г.І. Муль, І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський // Вопросы химии и химической технологии. – 2009. – № 1. – С. 132-134.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 7. Starchevskii V.L. Variation kinetics of chemical and bacterial contaminations of

water containing yeast cells / V.L. Starchevskii, V.M. Kislenko, N.L. Maksymiv, I.Z. Koval // Journal of Water Chemistry and Technology. – 2009. – Vol.31. – № 4. – P. 269-

273. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

8. Коваль І.З. Інактивація бактерій роду Bacillus в умовах акустичної кавітації / І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський // Вопросы химии и химической

технологии. – 2009. – № 6. – С. 133-135. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

9. Коваль І.З. Ультразвукова інтенсифікація знезаражування стічної води в атмосфері різних газів / І.З. Коваль, С.В. Перець, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський //

14

Науковий вісник Чернівецького національного університету. Сер. Хімія. – 2009. – Вип. 473. – С. 66-69.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 10. Коваль І.З. Ефективна дія ультразвуку на бактерії групи кишкової палички /

І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський // Вісник національного університету

“Львівська політехніка”. Сер. Хімія, технологія речовин та їх застосування. – 2010. – № 667. – С. 234-237.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 11. Koval I.Z. Ultrasonic intensification of the natural water and sewage disinfection /

I.Z. Koval, L.I. Shevchuk, V.L. Starchevskyy // Chemical Engineering Transactions. – 2011. – Vol. 24. – № 3. – P. 1315-1320.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 12. Коваль І.З. Дія ультразвуку на суміш бактерій Diplococcus та Sarcina lutea /

І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський // Вісник національного університету “Львівська політехніка”. Сер. Хімія, технологія речовин та їх застосування. – 2011. –

№ 700. – С. 238-240. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

13. Koval I. Kinetic regularities of the processes of accumulation and destruction of microorganisms in water at bubbling of the different gases / I. Koval, V. Kislenko, L. Shevchuk, V. Starchevskyy // Chemistry & Chemical Technology. – 2011. – № 4(5). – P.

463-467. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

14. Шевчук Л.І. Автономний вібраційний кавітатор для знезараження ціанобактерій та аерації води відкритих водойм / Л.І. Шевчук, І.С. Aфтаназів, О.І.

Строган, І.З. Коваль // Водне господарство України. – 2012. – № 1(97). – С. 30-36. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

15. Koval I.Z. The effect of carbon dioxide on the viability of bacteria of Bacillus and Diplococcus genera / I.Z. Koval, V.N. Kislenko, V.L. Starchevskii, L.I. Shevchuk //

Journal of Water Chemistry and Technology. – 2012. – Vol. 34. – № 2. – P. 112-116. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

16. Шевчук Л.І. Віброрезонансна кавітаційна обробка рідинних субстанцій / Л.І. Шевчук, І.С. Aфтаназів, І.З. Коваль, О.І. Строган // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – 2/6(56). – С. 17-23.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 17. Коваль І.З. Інтенсифікуюча дія барботованих газів у процесах

ультразвукового знезараження води / І.З. Коваль, В.Л. Старчевський // Наукові вісті національного технічного університету України “Київський політехнічний

інститут”. – 2012. – № 1. – С. 137-140. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

18. Shevchuk L. Equipment for magnetic-cavity water disinfection / L. Shevchuk, O. Strogan, I. Koval // Chemistry & Chemical Technology. – 2012. – № 2(6). – P.219-223.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 19. Koval I. Mechanical cells damage of Bacillus cereus and Oscillatoria brevis under

acoustic cavitation conditions / I. Koval, O. Kondratovych // Advances in chemical and mechanical engineering. – 2012. – № 15(1). – P. 285-289.

15

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 20. Шевчук Л.І. Сучасні технології водопідготовки аквапарків / Л.І. Шевчук, І.С.

Aфтаназів, І.З. Коваль, О.І. Строган // Водне господарство України. – 2012. – № 5(101). – С. 30-34. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

21. Шевчук Л.І. Інноваційні технології водопідготовки для інтенсифікації росту сільськогосподарських культур / Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський, І.С. Aфтаназів, І.З.

Коваль, О.І. Строган // Технологический аудит и резервы производства. – 2013. – № 1/2(9). – С. 3-8.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 22. Kondratovych O. Whey disinfection and its properties changed under ultrasonic

treatment / O. Kondratovych, I. Koval, V. Kyslenko, L. Shevchuk, L. Predzumirska and

N. Maksymiv // Chemistry & Chemical Technology. – 2013. – № 2(7). – P. 185-190. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

23. Шевчук Л.І. Електролізно-кавітаційне очищення та знезараження води

басейнів, аквапарків та водойм громадського використання / Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський, І.С. Aфтаназів, І.З. Коваль, О.І. Строган // Водне господарство

України. – 2013. – № 6(108). – С. 29-34. Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення.

24. Мальований М.С. Порівняльні дослідження перспективних методів очищення природних вод / М.С. Мальований, Н.Ю. Вронська, І.З. Коваль, Г.М. Сакалова //

Вісник національного університету “Львівська політехніка”. Сер. Хімія, технологія речовин та їх застосування. – 2013. – № 761. – С. 280-284.

Особистий внесок здобувача: експериментальна робота, її аналіз та узагальнення. 25. Пат. №75230, UА Україна МПК А61L 2/00 B01J 19/00 Спосіб кріоскопічної

кристалографії води для аналізу її структурної будови / В.Л. Старчевський, Л.І. Шевчук, І.С. Aфтаназів, І.З. Коваль, О.І. Строган; заявник і патентовласник Національний університет “Львівська політехніка” (Україна); №u201205681; заявл.

10.05.2012; опубл. 26.11.2012 – Б. №22. 26. Коваль І.З. Вплив природи газу на процес знезараження води в умовах

кавітації / І.З. Коваль // 64-та Студентська науково-технічна конференція. – Львів, 2006: тези доп. – С. 181-182.

27. Старчевський В.Л. Дія ультразвуку на процес знезараження води в атмосфері різних газів / В.Л. Старчевський, Л.І. Шевчук, І.З. Коваль, Н.Л. Максимів // V

відкрита наукова конференція професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук: тези доп. – Львів, 2006. – С. 110.

28. Шевчук Л.І. Ефективність використання кавітації для очищення забруднених водоймищ / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль // ІІ Всеукраїнська конференція студентів,

аспірантів та молодих вчених Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”: тези доп. – Київ, 2007. – С. 175.

29. Максимів Н.Л. Особливості впливу аргону на процес очищення води від хімічних і біологічних забруднень в умовах акустичної кавітації / Н.Л. Максимів, В.Л. Старчевський, І.З. Коваль, Т.С. Фалик // ХІ наукова конференція

Тернопiльського національного технiчного унiверситету iменi Iвана Пулюя: тези доп. – Тернопіль, 2007. – С. 174.

16

30. Шевчук Л.І. Встановлення ряду згубного впливу природи газів на дріжджові клітини в умовах кавітації / Л.І. Шевчук, І.З. Коваль //ХІ наукова конференція

“Львівські хімічні читання – 2007”: тези доп. – Львів, 2007. – С. Д10. 31. Старчевський В.Л., Шевчук Л.І., Коваль І.З. Технологічні аспекти

застосування акустичної кавітації для очищення стічних вод промислових

підприємств / В.Л. Старчевський, Л.І. Шевчук, І.З. Коваль // IV науково-технічна конференція “Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості”: тези

доп. – Львів, 2007. – С. 292. 32. Старчевський В.Л. Ефективність застосування аргону для знешкодження

хімічних і бактеріологічних забруднень води в умовах кавітації / В.Л. Старчевський, Н.Л. Максимів, І.З. Коваль, Т.С. Фалик // VІ відкрита наукова конференція

професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук: тези доп. – Львів, 2007. – С. 95.

33. Starchevskyy V. The effect of gas nature on the cavitation water disinfection from Sarcina and Pseudomonas fluorescens bacterium type / V. Starchevskyy, I. Koval, L.

Shevchuk, N. Maksymiv, I. Nykulyshyn //11th

meeting of the European society of sonochemistry. – La Grande-Motte, France, 2008. – P. 159-160.

34. Starchevskyy V. The influence of ultrasound on the processes of inactivation and oxidation of biological impurities of water / V. Starchevskyy, N. Maksymiv, A. Ludyn, I. Koval, Vol. Reutskyy // 11

th meeting of the European society of sonochemistry. – La

Grande-Motte, France, 2008. – P. 161-162. 35. Старчевський В.Л. Ультразвукова обробка дріжджової суспензії в атмосфері

інертних газів / В.Л. Старчевський, І.З. Коваль, Л.І. Шевчук // VIІ відкрита наукова конференція професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики

та фундаментальних наук: тези доп. – Львів, 2008. – С. 88. 36. Коваль І.З. Ультразвуковий метод обробки води від бактеріальних клітин / І.З.

Коваль, Л.І. Шевчук // XIІ всеукраїнська науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених “Технологія-2009” з міжнародною участю: тези доп. –

Сєвєродонецьк, 2009. – Ч.1. – С. 92-93. 37. Коваль І.З. Застосування ультразвукової кавітації при руйнуванні

мікробіологічний забруднень у воді / І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський, С.В. Перець // ХІІ наукова конференція “Львівські хімічні читання – 2009”: тези доп. – Львів, 2009. – С. Д12.

38. Коваль І.З. Закономірності дії ультразвуку та газів на процес водоочищення від мікроорганізмів / І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський // V науково-

технічна конференція “Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості”: тези доп. – Львів, 2009. – С. 149.

39. Коваль І.З. Вплив СО2/УЗ-обробки води на зменшення мікробного числа / І.З. Коваль, В.Л. Старчевський, Л.І. Шевчук // VIІІ відкрита наукової конференції

професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук: тези доп. – Львів, 2009. – С. 108.

40. Koval I.Z. Dependence of microbial cells disappearance rate of their conсentration / I.Z. Koval, V.L. Starchevskyy, L.I. Shevchuk // 12

th meeting of the European society of

sonochemistry. – Chania, Crete, Greece, 2010. – P. 106. 41. Starchevskyy V.L. Destruction of bacteria under ultrasound action and dissolved

17

gases / V.L. Starchevskyy, I.Z. Koval, L.I. Shevchuk, N.L. Maksymiv // 12th

meeting of the European society of sonochemistry. – Chania, Crete, Greece, 2010. – P. 88.

42. Shevchuk L.I. Sonochemical disinfection of wastewater from brewing production / L.I. Shevchuk, I.Z. Koval, I.E. Nykulyshyn, V.L. Starchevskyy // 12

th meeting of the

European society of sonochemistry. – Chania, Crete, Greece, 2010. – P. 86.

43. Starchevskyy V.L. Kinetics of desaggregation of microorganism colonies and microorganism destruction under acoustic cavitation / V.L. Starchevskyy, V.N. Kyslenko,

N.L. Maksymiv, I.Z. Koval // 12th

meeting of the European society of sonochemistry. – Chania, Crete, Greece, 2010. – P. 107.

44. Коваль І.З. Оптимізація методики визначення ХСК в забруднених рідинах / І.З. Коваль, О.З. Кондратович // ІХ відкрита наукова конференція професорсько-

викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук : тези доп. – Львів, 2010. – С. 110.

45. Коваль І.З. Дія вуглекислого газу в процесах кавітаційного знезараження води / І.З. Коваль, Л.І. Шевчук, В.Л. Старчевський // ХІІІ наукова конференція “Львівські

хімічні читання – 2011”: тези доп. – Львів, 2011. – С. Д11. 46. Коваль І.З. Особливості ультразвукової дії на мікробну суспензію / І.З. Коваль

// XIХ міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології: Наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я”: тези доп. – Харків, 2011. – Ч.ІІІ. – С. 221.

47. Malovanyy М. Integrated adsorption and ultrasonic technology for water treatment

processes / М. Malovanyy, V. Starchevskyy, N. Vronska, I. Koval // Future urban sanitation to meet new requirements for water quality in the Baltic Sea region. Proceedings

of Polish-Swedish-Ukrainien seminar. – Krakow, Poland, 2011. – С. 21. 48. Мальований М.С. Комплексні адсорбційно-ультразвукові технології для

процесів водоочищення харчових виробництв / М.С. Мальований, В.Л. Старчевський, Л.І. Шевчук, Н.Ю. Вронська, І.З. Коваль // Міжнародна науково-

технічна конференція “Сучасні технології та обладнання харчових виробництв”: тези доп. – Тернопіль, 2011. – С. 231.

49. Koval І. Cоmbined water disinfection under acoustic cavitation conditions / I. Koval, О. Коndratovych // 2

nd international conference of young scientists “Chemistry &

Chemical Technology 2011”. – Lviv, Ukraine, 2011. – P. 198-199. 50. Мальований М.С. Комплексна адсорбційно-ультразвукова технологія для

процесів водоочищення / М.С. Мальований, В.Л. Старчевський, Н.Ю. Вронська, І.З.

Коваль, Л.І. Шевчук, Г.В. Сакалова // ІІІ міжнародна науково-методична конференція “Безпека людини у сучасних умовах”: тези доп. – Харків, 2011. – С. 90-

91. 51. Коваль І.З. Деструкція мікроорганізмів обростання природної води дією

акустичної кавітації / І.З. Коваль, В.Л. Старчевський, О.З. Кондратович // VІІІ науково-технічна конференція “Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній

промисловості”: тези доп. – Львів, 2012. – С. 137. 52. Коваль І.З. Динаміка зміни мікробного числа в атмосфері газів / І.З. Коваль //

Х відкрита наукова конференція професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук: тези доп. – Львів, 2012. – С. F5.

53. Koval I. Ultrasonic exposure on the various cells type / I. Koval, V. Starchevskyy // 13

th meeting of the European society of sonochemistry. – Lviv, Ukraine, 2012. – P. 93.

18

54. Malovanyy M. Microbial pollutants removal from water with use of complex adsorption-ultrasound technology / M. Malovanyy, N. Vronska, I. Koval, H. Sakalova //

13th

meeting of the European society of sonochemistry. – Lviv, Ukraine, 2012. – P. 185. 55. Коваль І.З. Вплив об’єму виділеного газу на життєздатність бактерій / І.З.

Коваль, В.Л. Старчевський, Л.І. Шевчук // 2-й міжнародний конгрес “Захист

навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористу-вання”: тези доп. – Львів, 2012. – С. 26.

56. Шевчук Л.І. Кавітаційний вплив природи газу на реакції окиснення домішок у стічних водах / Л.І. Шевчук, Л.М. Предзимірська, І.З. Коваль // Міжнародна наукова

конференція “Актуальні проблеми хімії та технології органічних речовин”: тези доп. – Львів, 2012. – С. 20.

57. Koval I. The pH variation of microbial suspension after gas bubbling and sonication / I. Koval // 3

th international сonference of young scientists “Chemistry &

Chemical Technology 2013”. – Lviv, 2013. – P. 12-13.

АНОТАЦІЯ

Коваль І.З. Кавітаційне знезараження води в присутності газів різної природи. – На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за

спеціальністю 05.17.21 технологія водоочищення. – Національний технічний

університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2014. Дисертація присвячена створенню наукових основ новітніх технологій

водоочищення на основі досліджень закономірностей процесу загибелі мікроорганізмів (МО) в кавітаційних умовах.

Встановлена інтенсифікуюча дія спільного застосування газів різної природи і кавітації на загибель бактерій Diplococcus, Bacillus, Sarcina, Pseudomonas та

дріжджів Saccharomyces, незалежно від морфологічних особливостей клітин, та відносні ряди їх ефективного відмирання. В результаті короткотривалої кавітаційної дії (60 с) досягнуто повної загибелі МО обростання (Oscillatoria brevis) озерної води.

Виявлений синергічний ефект знезараження води за умов одночасного впливу газів та кавітації зумовлює доцільність їх промислового застосування в процесах

водоочищення. Найбільшу ефективність процесу знезараження різних вод (дистильована з вихідним числом мікроорганізмів (ЧМ0) 7·10

5 КУО/см

3 (99,9%),

виробничі стічні води з ЧМ0 = 1,1·105

КУО/см3

(~98%)) досліджено за умов барботування аргону в зону кавітаційного їх оброблення, порівняно з дією гелію,

кисню та вуглекислого газу. Виявлено і експериментально підтверджено, що величина ефективної константи швидкості загибелі МО визначається розмірами їх

клітин, природою барботованого газу в умовах кавітації, однак не залежить від вихідної їх кількості у водній системі.

Запропоновано технологічну схему кавітаційного знезараження води. Показано ефективність практичного застосування спільної дії газу та кавітації , яка

визначається кількісним та якісним складом МО у воді та тривалістю процесу. Ключові слова: знезараження води, Diplococcus, Bacillus, Sarcina, Pseudomonas,

Saccharomyces, ціанобактерії, аргон, гелій, кисень, вуглекислий газ, кавітація.

19

АННОТАЦИЯ Коваль И.З. Кавитационное обеззараживание воды в присутствии газов

различной природы. На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.21 технология водоочистки. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2014.

Диссертация посвящена созданию научных основ новейших технологий водоочистки на основании исследований закономерностей процесса гибели микроорганизмов (МО) в кавитационных условиях.

Установлено интенсифицирующее действие совместного применения газов различной природы и кавитации на гибель бактерий Diplococcus, Bacillus, Sarcina, Pseudomonas и дрожжей Saccharomyces, независимо от морфологических

особенностей клеток, а также определены относительные ряды их эффективного отмирания. В результате кратковременной кавитационной экспозиции (60с) достигнута полная гибель МО обрастания (Oscillatoria brevis) озерной воды.

Обнаруженный синергический эффект обеззараживания воды в присутствии газов в условиях кавитации обуславливает целесообразность их промышленного применения в процессах водоочистки. Наибольшая эффективность процесса

обеззараживания различных вод (дистиллированная с исходным числом микроорганизмов (ЧМ0) 7·10

5 КУЕ/см

3 (99,9%), производственные сточные воды с

ЧМ0 = 1,1·105 КУЕ/см

3 (~98%)) достигнута в условиях барботирования аргона в зону

кавитационной обработки, в сравнении с действием гелия, кислорода и углекислого газа. Установлено, что относительный ряд гибели бактерий Bacillus (за исключением обоснованного действия СО2) воспроизводится как под влиянием

газов (СО2 > Ar > О2 > Не), так и в результате совмесного действия газа и кавитации (Ar/УЗ > О2/УЗ > Не/УЗ > СО2/УЗ), причем эффективная константа гибели микробов совмесного действия газа и кавитации на порядок превышает эффективную

константу гибели микробов под действием только газов. Это подтверждает интенсифицирующее влияние кавитационных условий в процессах обеззараживания воды.

Выявлено и экспериментально подтверждено, что эффективная константа скорости гибели МО определяется размерами их клеток, природой барботированного газа в условиях кавитации, но не зависит от исходного их

количества в водной системе. Установлено и подтверджено, что увеличение ЧМ вследствие кратковременной кавитационной обработки связано с процессами дезагрегации МО, а не с их розмножением. На примере обеззараживания озерной

воды установлено, что процесс гибели клеток протекает быстрее процесса дезагрегации.

Предложена технологическая схема кавитационного обеззараживания воды.

Показана эффективность практического применения совместного действия газа и кавитации, которая определяется количественным и качественным составом МО в воде и длительностью процесса.

Ключевые слова: обеззараживание воды, Diplococcus, Bacillus, Sarcina, Pseudomonas, Saccharomyces, цианобактерии, аргон, гелий, кислород, углекислый газ, кавитация.

20

SUMMARY Koval I.Z. Cavitational water disinfection in the presence of different gases

nature. Manuscript.

The thesis for Ph. D. Award (technical sciences) on speciality 05.17.21 Water

Purification Technology. National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic

Institute”, Kyiv, 2014.

Dissertation is devoted to the development of scientific basis of advanced technologies in water purification research-based process patterns of microorganisms

(MO) destruction under cavitation conditions. Has been established an intensification effect under the simultaneous action of gases

of different nature and cavitation on the destruction of Diplococcus, Bacillus, Sarcina,

Pseudomonas bacteria types and Saccharomyces yeast, which is independent of the morphological cells features, and have been established the relative rows of their effective

extinction. As a result, short-term cavitation exposure (60s) was achieved complete destruction of fouling (Oscillatoria brevis) in lake water. The observed synergistic effect

of the MO dectruction in the presence of gases under cavitation conditions determines the feasibility of their industrial applications in the water treatment processes. The highest

efficiency of the various water disinfection (distilled water with the initial number of microorganisms (NM0) 7·10

5 CFU/сm

3 (99,9%), industrial wastewater with NM0 = 1.1·10

5

CFU/сm3

(~ 98%)) has been investigated under the argon bubbling conditions into the zone of cavitation treatment, compared with the effect of helium, oxygen and carbon

dioxide. Has been revealed and experimentally confirmed that the value of effective rate constant of MO destruction determined by their cells size, naturе of gas bubbling under

cavitation conditions, however, does not depend on their initial amount in the water system.

The technological scheme of cavitational water disinfection is proposed. The

efficiency of the practical application of simultaneous action of gas and cavitation, which is determine of qualitative and quantitative composition of MO in the water and process

duration has been shown. Keywords: water disinfection, Diplococcus, Bacillus, Sarcina, Pseudomonas,

Saccharomyces, cyanobacteria, argon, helium, oxygen, carbon dioxide, cavitation.

21