Способ антибактериальной обработки потока жидкой среды и устройство для его осуществления
Изобретение относится к магнитогидродинамической обработке жидкостей и может использоваться для антибактериальной обработки движущихся по трубопроводу жидкостей. Способ включает воздействие на закрученный поток жидкости магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов. Электрическое поле индуцируют магнитным полем, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору скорости потока жидкости, при этом повышают концентрацию ионов гидроксония и клеток бактерий в локальном объеме жидкости. Устройство включает цилиндрическую и коническую части, тангенциальный входной патрубок, соединенный с цилиндрической частью, и магниты. Устройство снабжено кольцами, установленными с зазором друг к другу в конической части. Магниты прикреплены к кольцам. Магниты на рядом расположенных кольцах разнополярны и создают в жидкости, движущейся в зазорах, индуцируемое магнитное поле. В устройстве достигается увеличение концентрации ионов гидроксония (низкий рН) и бактериальных клеток в одном объеме (у наружной стенки), что приводит к уничтожению бактерий. Технический результат состоит в экономии химических реагентов - бактерицидов, улучшении экологии промышленного производства и гигиенических условия в быту. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Заявляемый способ относится к магнитогидродинамической обработке технологических жидкостей и может применяться, например, для подавления жизнедеятельности бактерий в технологических жидкостях и может быть использован в различных отраслях промышленности.
Известен способ химической борьбы с бактериями, заключающийся в подаче химических реагентов - бактерицидов в технологическую среду и метод оценки их эффективности [РД 39-3-973-83 «Методика контроля зараженности нефтепромысловых вод и оценка защитного и бактерицидного действия реагентов»].
Недостатком указанного способа является необходимость монтажа дозировочных устройств, подвода электроэнергии, больших затрат на приобретение бактерицидов, которые отрицательно влияют на безопасность и экологичность технологических сред и здоровье обслуживающего персонала.
Известен способ бактерицидной обработки среды ультрафиолетовыми лучами и ультразвуком [Герасименко А.А. Защита машин от биоповреждений. М.: Машиностроение, 1984, - 112 с.].
Недостатком указанного способа является ограниченность использования (только для прозрачных и/или однофазных сред), необходимость использования сложного и дорогостоящего оборудования для обработки всего объема среды, а также значительный расход электроэнергии.
Известны результаты обработки воды магнитным полем [Ибрагимов Н.Г., Хафизов А.Р., Шайдаков В.В. и др. Осложнения в нефтедобыче. Уфа. ООО Издательство научно-технической литературы «Монография», 2003, - 302 с.], где использовано устройство по патенту РФ на полезную модель №38469, технический результат которой состоит в некотором противобактериальном эффекте. Однако указанное там снижение количества клеток бактерий на единицу объема в магнитном поле недостаточно, процесс обработки и эффект случайный и нерегулируемый и данное устройство не может быть использовано для целей антибактериальной обработки технологических сред.
Прототипом заявляемого способа является способ и устройство для антибактериальной обработки жидкости [RU 2001117627 А1, кл. С02F 1/48, 27.05.2003], которое характеризуется использованием магнитного поля, электрического поля и центробежных сил.
Прототип заявляемого способа недостаточно эффективен и недостаточно технологичен из-за необходимости синхронизации векторов электрического и магнитного полей, необходимости подвода электроэнергии.
Недостатком данного способа является также низкая эффективность антибактериальной обработки среды.
Абсолютные скорости ионов в водных предельно разбавленных растворах имеют значение от 4·10-8 до 8·10-8 м2/В·с, кроме ионов Н3О+ и ОН- [Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Учеб. для хим. спец. вузов. Под редакцией А.Г.Стромберга. - 4-е изд. Испр. - М.: Высш. шк., 2001, - 527 с.]. Самыми высокими абсолютными скоростями обладают ионы гидроксония и гидроксила 
Это объясняется тем, что перемещение ионов Н3O+ и ОН- в растворе происходит по особому, так называемому эстафетному механизму, который состоит в том, что между ионами гидроксония H3O+ и молекулами воды, а также между молекулами воды и ионами ОН- непрерывно происходит обмен протонами по уравнениям
Причем эти процессы происходят с такой быстротой, что средняя продолжительность существования иона Н3O+ равна 10-11 с.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ обработки технологической жидкости, включающий воздействие на нее магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов, отличается тем, что воздействие магнитным полем и индуцируемым им электрическим полем осуществляют на закрученный поток технологической жидкости, причем создают градиент концентрации ионов гидроксония и клеток бактерий так, чтобы одновременно повысить их концентрацию в одном локальном объеме.
Решаемая предлагаемым изобретением задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности бактерицидной обработки потока технологической жидкости. Заявляемый способ технологичен, т.к. не требует создания сложного оборудования и подвода электроэнергии, прост в аппаратурном оформлении и безопасен при обработке потоков легковоспламеняющихся жидкостей. Нет необходимости синхронизации векторов электрического и магнитного полей, т.к. необходимое электрическое поле индуцируется постоянным магнитным полем.
В предлагаемом способе взаимное расположение вектора магнитной индукции и вектора скорости потока технологической жидкости таковы, чтобы индуцируемое электрическое поле перемещало ионы гидроксония в том же направлении, что и клетки бактерий, которые перемещаются под воздействием центробежной силы в закрученном потоке технологической жидкости.
Способ осуществляется следующей последовательностью операций:
1. Воздействие на поток технологической жидкости магнитным полем.
2. Воздействие на поток технологической жидкости индуцируемым электрическим полем.
3. Воздействие на поток технологической жидкости закручивающим приспособлением, так чтобы увеличивалась концентрация клеток бактерий у наружной стенки.
4. Формирование в потоке технологической жидкости градиента концентрации ионов гидроксония так, чтобы повысить их концентрацию у наружной стенки, для чего обеспечивают
взаимное расположение вектора магнитной индукции и вектора скорости потока технологической жидкости создается такое, чтобы индуцируемое электрическое поле перемещало ионы гидроксония по направлению к наружной стенке.
Осуществление заявляемого способа возможно при прохождении технологической жидкости со скоростью V>0 через магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору скорости потока технологической жидкости.
В каждой элементарной ячейке технологической жидкости, движущейся со скоростью V>0 в магнитном поле с индукцией В, индуцируется электрический ток.
Известно [Савельев И.В. Курс общей физики, том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1978, 480 с.], что при движении заряженных частиц и ионов на них будет действовать в магнитном поле сила Лоренца 
величина которой зависит от заряда (q), скорости его движения (V) и индукции магнитного поля (В). На положительно и отрицательно заряженные частицы будет действовать сила Лоренца в противоположных направлениях.
Если рассмотреть бесконечно малый - единичный объем жидкости, то при движении жидкости на содержащийся в ней единичный заряд действует электромагнитная сила Лоренца ƒ=uB, направленная перпендикулярно к вектору скорости потока технологической жидкости и к вектору магнитного поля. Под действием этой силы [Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1970, 380 с.] происходит разделение зарядов, возникает разность электрических потенциалов между соответствующими областями потока технологической жидкости; следовательно, создается электрическое поле с напряженностью Е, направленное параллельно силе ƒ, но в противоположную сторону.
Плотность токов, текущих в жидкости, легко вычислить по закону Ома j=σVB.
Здесь σ - электрическая проводимость жидкости.
Направление вектора индуцируемого электрического тока определяется по правилу левой руки [Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т.под редакцией Г.С.Ландсберга. Т.2 Электричество и магнетизм. - 10-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, - 480 с.], поэтому вектор Е будет направлен перпендикулярно векторам магнитной индукции и скорости потока технологической жидкости.
Известно, что культуры бактерий, в частности сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ), способны развиваться при рН 4,2-10,5. Применение разработанного авторами способа магнитогидродинамической обработки (МГДО) жидких сред позволяет изменять рН в локальных объемах. Закручивание потока среды с помощью гидроциклона, направляющих или других приспособлений позволит прижать бактерии с большей плотностью, чем жидкость к стенке, вблизи которой создается магнитное поле с таким направлением линий магнитной индукции, чтобы индуцировался электрический ток, переносящий ионы гидроксония к той же стенке.
Заявляемый способ может быть осуществлен, например, по схеме, приведенной на Фиг.1.
На Фиг.1 изображена схема осуществления способа заявляемой антибактериальной обработки: где в виде цилиндрической поверхности изображена стенка, по которой происходит закручивание жидкости. Жидкость подается со скоростью и направлением вектора V в магнитном поле, создаваемом источниками магнитного поля (ИМП), которые показаны в виде темных горизонтальных плоскостей. Полярность ИМП обозначена буквами S и N. При прохождении жидкости через магнитное поле индуцируется ток I (движение положительно заряженных ионов) по направлению к цилиндрической поверхности. Одновременно в потоке технологической жидкости под действием центробежной силы F механические примеси и бактерии двигаются в том же направлении - к поверхности. При этом вблизи поверхности возникает резкое увеличение концентрации как положительных ионов, так и бактерий, то есть локально резко снижается рН жидкости и оказавшиеся в том же объеме бактерии уничтожаются.
Реализация способа антибактериальной обработки может быть осуществлена устройством, наиболее близким к которому является устройство по патенту РФ [№2293707]. Данный способ обработки коррозионной среды, включающий воздействие на нее магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов, отличается тем, что воздействие магнитным полем и индуцируемым им электрическим полем осуществляют на поток коррозионной среды, причем создают градиент концентрации ионов-деполяризаторов так, чтобы снизить их концентрацию у коррозирующей поверхности.
Недостатком данного изобретения является невозможность получения антибактериального эффекта.
Поставленная заявляемым способом задача антибактериальной обработки реализуется, например, устройством по Фиг.2.
Устройство по Фиг.2 состоит из следующих деталей:
1. Фланец для слива шлама;
2. Коническая часть для ускорения движения потока;
3. Уголок для крепления колец с магнитами;
4. Магнит постоянный;
5. Кольцо;
6. Фланцевое соединение частей;
7. Фланец для подачи среды;
8. Литая крышка;
9. Вставной патрубок для очищенной среды;
10. Колено-фланец для слива очищенной среды;
11. Прокладка резиновая уплотнительная;
12. Цилиндрическая часть.
Устройство работает следующим образом: жидкость поступает в патрубок 7, который присоединяется к цилиндрической части устройства 12. В связи с тангенциальным креплением патрубка 7 поток жидкости приобретает вращающееся движение вдоль стенок устройства. Затем поток переходит в коническую часть устройства 2, где приобретает еще большее ускорение. В конической части 2 расположены кольца 5 с постоянными магнитами 4. Кольца 5 крепятся на уголки 3 специальной формы. В конической части устройства поток обрабатывается магнитным полем и индуцируемым электрическим полем в зазоре между кольцами и проходит в низ устройства, где прошедшая антибактериальную обработку жидкость поднимается по вставному патрубку 9 в колено-патрубок 10 и проходит дальше по трубопроводу. В случае содержания в потоке жидкости механических примесей они в виде шлама могут быть выведены из устройства с помощью фланца 1.
Данное устройство обработки технологической жидкости, включающее воздействие на нее магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов, где воздействие магнитным полем и индуцируемым им электрическим полем осуществляют на поток технологической жидкости, причем создают градиент концентрации ионов так, чтобы изменить их концентрацию у поверхности, отличающееся тем, что одновременно происходит закручивание потока жидкости и центробежная сила прижимает к наружной стенке устройства клетки бактерий. В устройстве достигается увеличение концентрации ионов гидроксония (низкий рН) или гидроксил ионов (высокий рН) и бактериальных клеток в одном объеме (у наружной стенки), что приводит к уничтожению бактерий.
Корпус и перегородки устройства для осуществления способа могут быть изготовлены как из немагнитного (диамагнитного), так и магнитного (ферро- и парамагнитного) материала, в последнем случае между корпусом и перегородками должен быть зазор из немагнитного материала для исключения возможного снижения значений магнитной индукции при образовании корпусом магнитопровода.
Магниты на рядом расположенных перегородках разнополярны (фиг.2) для обеспечения пронизывающего объем технологической жидкости магнитного поля.
Устройство по Фиг.2 предназначено для осуществления способа антибактериальной обработки технологических жидкостей, загрязненных органической фазой и механическими примесями.
Для достижения максимального антибактериального эффекта можно использовать каскад из устройств с магнитными вставками.
Пример 1 - моделирование бактерицидной обработки внутренней среды водоводов, технологических трубопроводов, где закручивание потока жидкости происходит монтажом гидроциклона по Фиг.2.
Для количественной оценки бактерий, в частности сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) (далее бактерии) в анализируемых средах использовали широко известный метод предельных разведений [ОСТ 39-151-83].
Сущность метода заключается в определении количества бактерий в 1 мл пробы.
Определение количества бактерий методом предельного разведения включает последовательное десятикратное разведение анализируемой пробы в питательной среде, регистрацию наличия или отсутствия роста бактерий во флаконах после инкубации их в термостате и расчет наиболее вероятного числа клеток бактерий, содержащихся в 1 мл исходной пробы.
В таблице 1 приведены данные по результатам выращивания бактерий в пробах (флаконах).
После обработки технологической жидкости в устройстве по Фиг.2 были получены результаты - Таблица 2.
Пример 2 - моделирование бактерицидной обработки внутренней среды водоводов, технологических трубопроводов, где закручивание потока жидкости происходит монтажом кольцевого участка трубы.
Пример 2 осуществляется устройством по Фиг.1.
Результаты антибактериальной обработки данным устройством приведены в Таблице 3.
Способ и устройство для его осуществления эффективнее и технологичнее прототипов; промышленно применимы во всех отраслях промышленности, где необходима бактерицидная обработки технологических сред. Использование предлагаемых способа и устройств для антибактериальной обработки жидкостей позволит значительно сэкономить на химических реагентах - бактерицидах, улучшить экологию промышленного производства и гигиенические условия в быту.
| Таблица 1 | ||
| Номер флакона, в котором отмечен рост бактерий | Разведение | Наиболее вероятное количество бактерий в исходной пробе, клеток/мл |
| 1 | 1:10 | от 1 до 10 |
| 2 | 1:100 | свыше 10 и до 100 |
| 3 | 1:1000 | свыше 100 и до 1000 |
| 4 | 1:10000 | свыше 1000 и до 10000 |
| 5 | 1:100000 | свыше 10000 и до 100000 |
| 6 | 1:1000000 | свыше 100000 и до 1000000 |
| Таблица 2 | ||
| Номер флакона, в котором отмечен рост бактерий | Без МГДО | После МГДО |
| 1 | - | - |
| 2 | - | - |
| 3 | + | - |
| 4 | + | - |
| 5 | + | - |
| 6 | + | - |
| 7 | + | - |
| 8 | - | - |
| Таблица 3 | ||
| Номер флакона, в котором отмечен рост бактерий | Без МГДО | После МГДО |
| 1 | - | - |
| 2 | - | - |
| 3 | + | - |
| 4 | + | - |
| 5 | + | - |
| 6 | + | - |
| 7 | + | + |
| 8 | + | + |
1. Способ антибактериальной обработки жидкости, включающий воздействие магнитным и электрическим полями на закрученный поток жидкости и создание градиента концентрации ионов, отличающийся тем, что электрическое поле индуцируют магнитным полем, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору скорости закрученного потока жидкости, при этом повышают концентрацию ионов гидроксония и клеток бактерий в локальном объеме жидкости.
2. Устройство для антибактериальной обработки жидкости, включающее цилиндрическую и коническую части, тангенциальный входной патрубок, соединенный с цилиндрической частью, и магниты, отличающееся тем, что устройство снабжено кольцами, установленными с зазором друг к другу в конической части, магниты прикреплены к кольцам, при этом магниты на рядом расположенных кольцах разнополярны и создают в жидкости, движущейся в зазорах, индуцируемое электрическое поле.
