Эффективность очистки питьевой воды инновационным решением
Автор: Щербак К.В., Прилипко Ю.С.
Источник: Тези наукових доповідей на V Міжнародну наукову конференцію студентів і аспірантів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів», Донецьк, квітень,2008
Данные многочисленных исследований, проведенных на территории бывшего Советского Союза, свидетельствуют, что частота выделения вирусов из питьевой воды составляет от 3,1% до 83%. По прогнозу в городе с численностью населения 1 млн. людей ежесуточно может возникать 600 клинических и субклинических форм заболеваний энтеровирусной этиологии, связанных с использованием загрязненных объектов окружающей среды, в том числе и питьевой воды.
Очистка промышленных стоков – это комплекс различных методов. Последней стадией подготовки воды для питьевых нужд является ее обеззараживание – уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов с помощью окислителей (хлор и его соединения, озон, перманганат калия и т.д.), термическим способом, олигодинамиею (действие ионов благородных металлов, в частности Аргентума) и физическими способами (по помощью ультрафиолетового и ионизирующего излучения, ультразвука и фильтрации). Итак, все способы обеззараживания воды делятся на реагентные (с применением окислителей) и безреагентные (физические).
Наиболее эффективным, влияя на состояние здоровья, альтернативой настоящего времени способ обеззараживания воды ультразвуком. Ультразвук на 95% убивает дизентерийные палочки, сипнотифозний виpyc и другие через 1-2 минуты после обработки. Основная масса бактерий погибает под действием ультразвуковых колебаний частотой 20-30 кГц в течение 2-5 с.
Сердцевиной ультразвукового оборудования является преобразователь, в котором используются пьезокерамические элементы. Эффективность его работы связана с электрофизическими, акустическими и механическими характеристиками. Поэтому поиски оптимального состава для конкретного применения э актуальной проблемой. Наиболее перспективной пьезокерамикой для мощного ультразвука является пьезокерамика из материала ЦТССT–3 (цирконата-титаната свинца), который содержит в качестве модификаторов оксиды висмута, марганца и цинка. На этом материале изучали зависимость свойств от состава в области морфотропного фазового перехода.
Данные исследования заключались в определении наиболее высоких, а главное стабильных электрофизических, акустических свойств с большой воспроизводимостью. Это является одним из важных условий выбора пьезокерамики для устройств мощного ультразвука при изменении температурных и полевых режимов во время эксплуатации.
Исследования проводились на образцах изготовленных из смеси оксидов и карбонатов соответствующих металлов по традиционной керамической технологии с различным содержанием титана и циркония. Полноту синтеза контролировали рентгенофазовым анализом, удельную поверхность молотого порошка с помощью ПСХ-2. Готовые элементы металлизировали серебряной пастой и поляризовали в среде полиетилсилоксановои жидкости при 150 °С электрическим полем напряжением 4 кВ/мм и меряли методом резонанса-антирезонансу их пьезоэлектрические свойства.
По результатам эксперимента получили зависимости свойств от состава и обнаружили оптимальные характеристики, которые располагаются в морфотропний области.
Рисунок 1 – Факторы, влияющие на свойства пьезокерамических изделий.
На рисунке 1 пунктирными линиями замечена морфотропна область (Т-П переход), справа и слева от нее расположены тетрагональная и ромбоэдрическая области соответственно. Проведенные рентгеноструктурные исследования твердого раствора позволили установить следующее. Концентрационный переход через морфотропну границу (МГ) осуществляется с непрерывным изменением параметров решетки и спонтанной деформации каждой фазы с заметным уменьшением величины спонтанной деформации каждой фазы в МГ. Для твердых растворов Pb(Ti1-xZrx)O3 меняя их при постоянной температуре, пересекая морфотропную фазовую границу, наблюдается фазовой переход с тетрагональной фазы в ромбоэдрических. При введении PbTiO3 в PbZrO3 тетрагональная фаза уменьшается для PbTiO3 вблизи области морфотропного перехода.
В данной области, как видно из рисунка, диэлектрическая проницаемость, коэффициент электромеханической связи, механическая добротность, скорость звука, температура Кюри и пьезомодуль имеют экстремальный характер. Именно эти свойства материала характеризуют эффективность работы элемента. Однако, наибольший интерес для электроакустических излучателей имеют те из них, которые расположены в тетрагональной фазе вблизи МГ, так как в этой области они наиболее стабильны.
Анализ полученных результатов показывает, что такими свойствами обладает твердый раствор с составом PbTiO3 0,49 мольн. %. Это дает возможность говорить о взаимосвязи состава и свойств и как следствие выбирать необходимые соотношения компонентов при целенаправленном изготовлении материала для различной области применения.