Современная технология физической очистки воды рентгеновским излучением



В статье раскрыт массовый способ физической очистки воды рентгеновским излучением. Рассмотрен уровень эффективности обеззараживания рентгеновским облучением.

Ключевые слова: физическая очистка, рентгеновское излучение.

The article reveals a mass method of physical purification of water by X-ray radiation. The level of efficiency of disinfection by X-ray irradiation is considered.

Keywords: physical purification; X-ray radiation.

Введение

Рациональными способами фильтрования можно настолько освободить воду от микроорганизмов, что во многих случаях ее можно практически считать обезвреженною. Однако, уже давно стремились уничтожать бактерий, находящихся в питьевой воде, вместо простого механического задержания их, имеющего место при фильтровании воды. Эти попытки привели к ряду способов дезинфекции воды, как в малых количествах, так и в больших; однако, лишь в последнее время достигнуты способы дешевой массовой дезинфекции воды, применимые в центральных водоснабжениях.

Действие рентгеновских лучей при обеззараживании

Все способы дезинфекции воды стараются воздействовать на бактерий, как на живые организмы, умерщвляя их. Дезинфекция уничтожает одни лишь болезнетворные бактерии, которые обладают меньшею стойкостью и способностью сопротивляться средствам, чем многие виды безразличных бактерий.

Уничтожение бактерий в настоящее время достигается физическим или химическим путём.

К физическим способам очистки воды относят кипячение, дистилляция, дезинфекция ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами. Для очистки большого объема воды без чрезмерных издержек пригоден только последний способ.

Различные лучи спектра характеризуются длиною световых волн. Лучи с длиной волны от 0,005 до 100 нанометров называются рентгеновскими лучами и не видны человеческому глазу [1].

Спектральный состав рентгеновского излучения имеет сложную форму, зависит от вещества анода и энергии электронов. При взаимодействии ускоренных электронов и электронов внутренней К -оболочки возникают компоненты линий и .

Непрерывный спектр называют широким «континуумом». Всплески — рентгеновскими линиями испускания. Энергия бомбардирующих электронов создают непрерывный спектр. При резком торможении электроны около атомных ядер примесей, содержащих в воде, излучают коротковолновые импульсы. Максимальной интенсивностью обладают линии. Данная линия состоит из и линий. Это обусловлено тем, что существуют два перехода .

Энергия электрона после прохождения электродов:

Энергия кванта при торможении:

Тогда по закону сохранения энергии:

Тем самым получаем границу тормозного излучения — которое воздействуют на молекулы воды.

Таблица 1

Длины волн линий

Элемент анода	Элемент фильтра
железо	марганец
кобальт	железо
медь	никелин
молибден	ниобий

Способ обеззараживания жидкости при помощи рентгеновских лучей в массовое применение вошел лишь в 21 веке. Метод обеззараживания заключается в том, что вода поступает в специальные емкости, где подвергается воздействию рентгеновских лучей, которые совмещаются с рентгеновским аппаратом. Время облучения каждого объема обеззараженной жидкости составляет не менее 15 минут.

Рентгеновские лучи воздействуют на молекулы воды и активизируют их. При этом происходит образование свободных гидроксилов и водородных атомов : [2]

Некоторая часть рекомбинируется и образует молекулы воды:

Другая часть прореагирует по реакции:

Результатом двух последних реакций молекулы водорода и перекиси водорода разрушаются и снова образуют воду. Длительные экспозиции выделяют атомы кислорода. В результате превращений появляется вода неизменного состава. Растворенные вещества в воде окисляются или восстанавливаются. Органические вещества разлагаются и выделяют водород и углекислый газ. Концентрация перекиси водорода и водорода повышается.

В качестве рентгеновского аппарата часто используют переносно-импульсные наносекундные рентгеновские аппараты.

Опытами было установлено, что бактерицидное действие рентгеновских лучей уменьшается с удалением от источника их быстрее, чем увеличивается квадрат расстояния [3].

Для быстрого и полного уничтожения патогенных микроорганизмов, дезинфицируемая вода (а равно и другая дезинфицируемая жидкость) должна быть свободна от мути, мало окрашена (по возможности бесцветна) и не должна содержать много коллоидальных примесей.

Присутствие, в воде мути, т. е. твёрдых непрозрачных взвешенных частиц, нежелательно, так как каждая частица составляет как бы экран, не пропускающих рентгеновских лучей в часть пространства позади этой частицы. Коллоидальные частицы, прозрачные для обыкновенных световых лучей, непроницаемы для рентгеновских лучей [4]. Окраска жидкости поглощает часть рентгеновских лучей, преобразовывая их в лучи с длинными волнами (голубые, зеленые, красные и др.), не обладающие бактерицидными свойствами.

Ввиду сказанного, обеззараживание воды рентгеновскими лучами совершается легче, чем других жидкостей (молока и т. п.); но для успешного воздействия лучей на бактерии, вода должна быть предварительно вполне осветлена путём отстаивания, фильтрования и т. п.

Опыты показали, что после воздействия рентгеновских лучей физическая и химическая свойства воды не изменяются; под влиянием лучей происходить лишь образование перекиси водорода в воде, но при достаточной для стерилизации продолжительности действия лучей, количество образующейся перекиси водорода ничтожно и совершенно безвредно для потребителя (а равно не может оказать никакого влияния на развитие микроорганизмов, бактерии и т. д., попадающих в обработанную лучами воду) [5]. Уничтожение бактерии в воде вызывается непосредственно воздействием лучей, а не окислением, так как лучи оказывают такое же убивающее действе и на бактерии, находящихся вне воды, а также при отсутствии доступа кислорода к бактериям; кроме того, количества перекиси водорода, образующегося в воде при действии рентгеновских лучей, совершенно недостаточно для умерщвления бактерий.

Для лучшего обеззараживания воды желательно, чтобы она находилась в движении в том резервуар, где производится обеззараживание, так как при этом частицы не перемешиваются и боле равномерно попадают в сферу действия рентгеновских лучей.

Резервуары для дезинфекции воды устраивают так, чтобы вся вода проходила около аппарата, на расстоянии от неё, по возможности, не свыше 30 сантиметров, и чтобы каждая частица оставалась в сфере действия лучей в течение времени, необходимого для уничтожения патогенных бактерий (зависящего от силы аппарата) [6].

Рис. 1. Коэффициенты пропускания рентгеновских лучей в зависимости от источника воды

При стерилизации какой-либо жидкости желательно поместить рентгеновский аппарат по возможности в самой жидкости, для того, чтобы, во-первых, рентгеновские лучи не поглощались при прохождении через воздух, и, во-вторых, чтобы все лучи, исходящее из лампы в разные стороны, проникали в жидкость и были использованы для её стерилизации [7] [8]. Однако, при помещении аппарата в стерилизуемой воде возникают два затруднения: с одной стороны, боле высокая температура лампы вызывает отложения извести из воды на поверхности аппарата при непосредственном соприкосновении с нею воды; с другой стороны, для интенсивного выделения рентгеновских лучей, аппарата должен работать при нормальных условиях, и понижение температуры её при соприкосновении с водою вызывает ослабленное лучеиспускание.

Заключение

Так как такие традиционные методы очистки воды, как механическая, биологическая, химическая, термическая больше не соответствуют современным экологическим требованиям [9] [10], то необходимо обратиться к помощи радиационно-химических методов. Ионизирующее излучение создает высокоактивные продукты радиолиза в любой системе (электроны, свободные радикалы, ионы, возбужденные частицы), которые взаимодействуют с присутствующими в воде загрязнителями, инициируя их химические превращения, которые в конечном итоге приводят к полной очистке системы. Работа демонстрирует, что наиболее эффективным методом очистки сточных вод, которые в большинстве случаев представляют собой водные растворы фенолов, является комбинированное воздействие радиации и рентгеновское облучения.

Литература:

1. Jung Y. J., Oh B. S., Kang J. W. Synergistic effect of sequential or combined use of ozone and UV radiation for the disinfection of Bacillus subtilis spores // Water Research. March 2008. V. 42, Issues 6–7.
2. GwyAm Shin, Zuzana Bohrerova, Karl G. Linden, and Gaetan Faubert. (2015). DNA repair of UV-irradiated Giardia lamblia cysts detected by both infectivity and molecular biological assays.Third International Congress on ultraviolet Technologies, May
3. Henniker, J. C. The Depth of the Surface Zone of a Liquid / J. C. Henniker // Reviews of Modern Physics. — 1949. — V. 21, № 2. — P. 322–341.
4. Gleick, P. H. Water in Crisis: A Guide to the World’s Freshwater Resources / P. H. Gleick. — Oxford University Press, 1993.
5. Радиационная химия. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — С. 200.
6. Le Ca¨er S. Water Radiolysis: Influence of Oxide Surfaces on H2Production under Ionizing Radiation / S. Le Ca¨er // Water. — 2011. — V. 3. — P. 236.
7. Оценочное использование воды в Соединенных Штатах в 2015 году / Дитер, Шерил А. и др. — 2018.
8. Глейк, П. Х. Пиковая вода / П. Х. Глейк, М. Паланиаппан, // Труды Национальной академии наук. — 2010.
9. Пресс-релиз Организации Объединенных Наций POP/952 (13 марта 2007 года). Население мира увеличится на 2,5 миллиарда человек к 2050 году.
10. Betterton, C. Introduction to Structured Water with Clayton Nolte / C. Betterton. — Ultimate Destiny Network, 2011. — P. 5–7.