CC BY
10Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 27 (66). 2014. № 2. С. 165-171.
УДК 577.3:57.086.8
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ КОНТАМИНАЦИИ МИКРОФЛОРОЙ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ
ЖИДКОСТЕЙ
Хмель Н.В.
Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, Украина
E-mail: dreval@ire. kharkov. ua
Проведено исследование диэлектрической проницаемости и поверхностного натяжения смазочно-охлаждающих жидкостей при лазерной экспозиции свежеприготовленных и отработанных образцов. Применение частот акустического диапазона (f = 1000 ^ 2000 Гц) позволило регистрировать отличия в электромагнитном отклике микрофлоры контрольных и опытных образцов отработанной СОЖ. Увеличение количества свободной воды в системе СОЖ-микрофлора делает возможным применения лазерного излучения терагерцового диапазона в металлообрабатывающей промышленности для санации СОЖ в процессе её эксплуатации.
Ключевые слова: лазерное излучение терагерцового диапазона, диэлектрическая проницаемость, поверхностное натяжение, СОЖ, микрофлора.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема борьбы с биологическим заражением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) актуальна и связана со сроками их эксплуатации. В мировой металлообрабатывающей промышленности интенсивно проводятся мероприятия по минимизации затрат на СОЖ, увеличивая сроки её службы путем применения различных технологических приёмов, включающих регенерацию компонентов СОЖ, а также разработку современных установок санации.
Основной из многих эксплутационных проблем, непосредственно связанных с качеством СОЖ, является повышение эколого-токсикологической опасности, связанной с быстрым биопоражением жидкости, характеризующимся изменением в балансе физико-химических и биологических параметров жидкости. Это является одной из основных причин аллерго-дерматологического раздражения кожных покровов, при этом условия в рабочей зоне несовместимы с нормами безопасности персонала.
Среди многочисленных методов воздействия на микрофлору СОЖ выделяют гравитационно -флотационые, основанные на использовании установок, оснащенных озонаторными устройствами для выработки озоно-воздушной смеси из атмосферы окружающего воздуха для обеззараживания от бактерий. Магнитные методы основаны на разделении веществ по их магнитным свойствам. Одновременно в магнитном аппарате с импульсным магнитным полем низкочастотного диапазона (f = 2^ 30 Гц) производится очистка от бактериальной флоры, физический смысл которой связан с существованием так называемых
«частотно-амплитудных окон», внутри которых проявляются реакции биообъектов, а вне их - отсутствует. При этом бактерицидное действие магнитного поля зависит от частоты следования и формы импульсов, напряженности и градиента напряженности магнитного поля, времени обработки, а также резистентности микроорганизмов [1]. Метод аэрации обрабатывающей жидкости, основанный на насыщении СОЖ пузырьками воздуха, находит менее активное применение, так как с его помощью подавляется жизнедеятельность только анаэробных микроорганизмов, не затрагивая рост и развитие аэробных бактерий, грибов и микроводорослей. Показана возможность применения природной сине-зеленой глины, как активированной загрузки фильтров для очистки СОЖ, позволяющей продлить сроки эксплуатации СОЖ в технологических линиях металлообработки, но данный метод требует дополнительных исследований [2].
Неоднозначно также применение биоприсадок и биоцидных добавок, которые, с одной стороны, оказывают бактерицидное действие на микрофлору, а, с другой стороны, дезорганизуют структуру самой обрабатывающей жидкости, ухудшая при этом органические показатели СОЖ. Так, в аспекте оценки поверхностного натяжения СОЖ, являющегося одним из основных параметров, определяющих диспергируемость и стабильность эмульсионной металлообрабатывающей жидкости, рассмотрены композиции присадок с различными производными органических кислот [3]. Теоретические расчеты краевого угла смачивания, силы адгезии и др. параметров СОЖ показали возможность создания системы СОЖ обладающей высокой стабильностью при длительном хранении, антикоррозионными, бактерицидными, смачивающими и другими полезными свойствами; при этом многие практические вопросы остались открытыми.
Электромагнитное излучение КВЧ-диапазона радиоволн используется для оценки биологического заражения СОЖ по анализу диэлектрической проницаемости (е) металлообрабатывающих жидкостей [4]; при этом на частотах дисперсии диэлектрической проницаемости свободной воды (/ = 37,7 ГГц) наблюдались наиболее выраженные изменения е'в реакциях взаимодействия СОЖ-биообъект. Терагерцовое излучение дальнего инфракрасного диапазона может иметь свои преимущества в решении проблемы контаминации СОЖ, связанные с его энергетическими характеристиками. Так, энергия излучения, исходящая от газового ИСЫ-лазера (/ = 0,7 20 ТГц), приближается к энергии водородных связей рецепторных комплексов мембраны клетки. Известно, что энергия водородной связи в белковых комплексах находится в пределах Иу = 0,9 х 10-2 8,7 х 10-2 эВ, энергия кванта излучения ИСЫ-лазера на длине волны 1 = 0,3 ^ 0,03 мм составляет Иу = 0,39 х 10-2 ^ 3,9 х 10-2 эВ) [5].
Поэтому целью исследования является изучение воздействия терагерцового излучения на микрофлору СОЖ для увеличения периода рабочего цикла обрабатывающей жидкости.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве материала исследования использовались свежеприготовленные и отработанные образцы СОЖ типа «Тепол», физико-химические и биологические характеристики которой приведены в экспериментальной части работы [4].
Оценивались поверхностное натяжение и диэлектрическая проницаемость контаминирующую СОЖ микрофлоры в контрольных (необлученных) и опытных (облученных) образцах. Облучение образцов проводилось терагерцовым цианистоводородным ^СЖ-лазером, экспозиция длилась I = 60 мин., частота излучения составила /= 0,89 ТГц при мощности излучения Р = 8 мВт. При анализе поверхностного натяжения жидкости контрольных и опытных образцов использовалась акустическая модуляция в «8л№еер»-режиме открытой пьезо-кюветы (^кюветы = 308 мкл), расположенной на выходе волноводного 8-мм измерительного тракта (рис. 1); частота модуляции пьезо-кюветы задавалась в диапазоне / = 1000 ^ 2000 Гц. Калибровка при определении поверхностного натяжения осуществлялась с помощью водно-спиртовых растворов разных концентраций с учетом температурного коэффициента.
Рис. 1. Узел аппаратурно-регистрирующего комплекса с открытой пьезо-кюветой, расположенной на выходе 8-мм измерительного тракта.
Одновременно с воздействием акустических частот проводился анализ изменения гидратации живых компонентов СОЖ в контрольных и опытных образцах на частоте / = 37,7 ГГц по относительным изменениям количества свободной и связанной воды с помощью аппаратурно-регистрирующего комплекса [6]. Точность относительных измерений по ё составила А = ± 0,5 %; абсолютных ± 3,5 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе обработки экспериментальных данных были получены значения реальной части комплексной диэлектрической проницаемости СОЖ, а также поверхностного натяжения жидкости в контрольных и опытных образцах (табл. 1).
Таблица 1
Диэлектрическая проницаемость (е) и поверхностное натяжение (о) СОЖ в опытных и контрольных образцах (^ = 20°С)
Параметры Свежеприготовленная СОЖ Отработанная СОЖ
контроль опыт контроль опыт
21,2 19,5 17,0 18,5
о, дн/см 63,5 57,0 49,0 53,5
Диэлектрическая проницаемость на частотах дисперсии свободной воды (/= 7 ГГц ■ 50 ГГц) является параметром, который определяет интегральный уровень гидратации биологической системы. Биологическое загрязнение СОЖ, в основном, определяется аэробными и анаэробными бактериями, а также микроводорослями, вызывающими необратимое изменение физико-химических свойств металлообрабатывающей эмульсии [7]. Исходя из этого, регистрация изменения параметра е), в целом, является информативным параметром состояния гидратации микрофлоры, который может служить маркером биологического загрязнения системы СОЖ. Согласно данным таблицы 1, существенной разницы в параметрах гидратации контрольных и опытных образцов свежеприготовленной СОЖ не наблюдалось. Эффект чувствительности микрофлоры был отмечен при экспозиции отработанной СОЖ под источником терагерцового излучения. При этом по данным КВЧ-диэлектрометрии наблюдалось увеличение параметра е) что является следствием увеличения количества свободной воды в системе СОЖ-микрофлора.
Режим акустической модуляции пьезо-кюветы в «sweep»-режиме частот / = 1000 2000 Гц создает условия существования внутренних гидродинамических роторов капиллярной природы, позволяющих исследовать поверхностное натяжение именно СОЖ в рабочем состоянии, в отличие от статического режима, когда наблюдается расслоение раствора СОЖ. Поверхностное натяжение определяется, в нашем случае, интегралом в диапазоне акустических частот/= 900 2100 Гц при воздействии акустических волн на СОЖ. При сравнении контрольных и опытных образцов отработанной СОЖ отмечалось увеличение электромагнитного отклика (при частотном анализе быстрого Фурье-преобразования) в средней части акустического воздействия (/" = 1500 ^ 1700 Гц). Это обусловлено появлением в отработанной СОЖ среднеразмерных «кластеров», отвечающих, в конечном итоге, за интегральное увеличение значения е). Терагерцовое излучение, возможно, способствовало угнетению жизнедеятельности микрофлоры СОЖ и частичному восстановлению изначальных гидратационных параметров металлообрабатывающей жидкости.
На рисунке 2 показаны сдвиги хода электромагнитного отклика отработанной облученной СОЖ от такового необлученной.
Рис. 2. Электромагнитный отклик (и) контаминирующей СОЖ микрофлоры в зависимости от частоты модуляции акустических волн в контрольных и опытных образцах отработанной СОЖ
Из рисунка видно, что в минимумах стоячих волн, и в максимумах бегущих волн наблюдали изменение электромагнитного сигнала микрофлоры облученных образцов СОЖ, которое в некоторых точках достигало отличия в ~10 Гц со стабильным сдвигом в низкочастотную акустическую область. Регистрация таких повторяющихся изменений сигнала, в экспериментально определенном акустическом диапазоне частот, может служить информативным маркером качественной оценки биологического заражения на период рабочего цикла прокачки обрабатывающей жидкости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Лазерное излучение терагерцового диапазона электромагнитного спектра оказывает существенное воздействие на микрофлору смазочно-охлаждающих жидкостей, что регистрируется на частотах дисперсии диэлектрической проницаемости свободной воды. При этом физический смысл взаимодействия заключается в соизмеримости энергетических характеристик излучения с энергией водородных связей клеточной системы.
2. Увеличение значения интегрального параметра гидратации (е) в образцах отработанной СОЖ после лазерной экспозиции является следствием увеличения количества свободной воды в системе СОЖ-микрофлора, что связано с ингибированием процессов жизнедеятельности микрофлоры.
3. Применение акустических частот одновременно с воздействием терагерцового излучения позволило выявить сдвиги электромагнитного сигнала до 10 Гц, что может быть использовано, как качественная характеристика контроля уровня биологического заражения СОЖ.
Список литературы
1. Тыртыгин В.Н. Повышение эффективности процесса очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей магнитным методом: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. техн. наук: спец. 05.17.08 / В.Н. Тыртыгин.- Иваново, 2010.- 16 с.
2. Березуцька Н.Л. Зниження еколопчно! небезпеки МОР та продовження термшу И використання в технолопчних лтаях велико! протяжностi: автореф. Дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 21.06.01 / Н.Л. Березуцька.- Львiв, 2008.- 21 с.
3. Солоненко Л.А. Модификация поверхностного натяжения СОЖ присадками из полифункциональных производных органических кислот С3-С4 / Л.А. Солоненко, М.А. Тлехусеж, Л.Н. Сороцкая // Фундаментальные исследования.- 2008.- №7.- С. 63-64.
4. Колесников В.Г. Оценка биологического заражения смазочно-охлаждающей жидкости в миллиметровом диапазоне радиоволн / В.Г. Колесников, Н.В. Хмель, С.И. Хмель // Физика живого.- 2012.- Т. 20, № 2.- С. 38- 42.
5. Бецкий О.В. Миллиметровые волны в биологии / Бецкий О.В., Голант М.Б., Девятков Н.Д. -Москва: Знание, 1988.-64 с.
6. Колесников В. Применение комбинированного воздействия электромагнитных и акустических волн на микроводоросли для выявления резонансных частот / Владимир Колесников, Наталья Древаль // Физика живого.- 2010.- Т. 18., № 3.- С. 24-28.
7. Шулаев М.В. Научные основы обезвреживания жидких отходов гальванических и металлообрабатывающих производств с использованием анаэробной биосорбционной технологии: дис.... доктора техн. наук : 03.00.16 / Шулаев Максим Вячеславович.- Казань, 2009.- 292 с.
Хмшь Н.В. / Н.В. Хмшь // Вчеш записки Тавршського нацюнального ушверситету iм. В.1. Вернадського. Серiя „Бюлопя, хiмiя". - 2014. - Т. 27 (66), № 2. - С. 165-171.
Проведено дослщження дiелектричноl проникност! та поверхневого натягу мастильно-охолоджувальних рщин (МОР) тд час лазерно! експозицп свiжоотриманих та вщпрацьованих зразюв. Застосування частот акустичного дiапазону (/ = 1000 ^ 2000 Гц) дозволило рееструвати рiзницю в електромагштному вщгущ мкрофлори контрольних та експериментальних зразюв вщпрацьовано! МОР. Збшьшення юлькост! вшьно! води в системi МОР-мкрофлора робить можливим застосування лазерного випромшювання терагерцевого дiапазону в металооброблювальнiй промисловост для санаци МОР в процесс И експлуатацн. Ключовi слова: лазерне випромшювання терагерцевого дiапазону, дiелектрична проникшсть, поверхневий натяг, МОР, мiкрофлора.
EFFICIENCY OF TERAHERTZ LASER APPLICATION AT CONTAMINATION OF METAL-CUTTING COMPOUNDS BY MICROFLORA
Khmel N.V.
Usikov Institute of radiophisics and electronics of National Academy of sciences of Ukraine,
Kharkov, Ukraine
E.mail: [email protected]
The investigation of permittivity and surface tension of metal-cutting compounds (MCC) during laser exposition of freshly prepared and used samples is carried out. The application of frequencies of acoustic range (f = 1000 ^ 2000 Hz) has allowed to register differences in the electromagnetic response of microflora control and experimental samples of used MCC. It is shown that increase of free water quantity in system MCC-microflora enables the application of laser irradiation of terahertz range in metal-working industry for MCC sanitation. It is known that problem of biological pollution of MCC, intensively applied in metal-working industry, remains opened in connection with essential reduction of their working terms. The decision of this question, as a rule, sees in using of expensive bio-additives and biocide additives which, on the one hand, have bactericidal effect on microflora, and, on the other hand, it disorganises of emulsion structure, thus worsening organic indicators of
MCC. Because of labour-intensiveness of disinfecting of MCC, the gravity-flotational method, magnetic method, and the method of aeration are much less often are applied. In number of experiments we showed that terahertz irradiation of long infra-red range can have essential advantages in the solution of problem of MCC contamination by microflora including microalgae. It is known that energy of irradiation of the HCN-laser and its various modifications comes nearer to energy of hydrogen bonds of macromolecular proteins complexes intra- and extracellular system.
We registered the effect of interaction of terahertz irradiation with microalgae by means of an acoustic-dielectric method on frequencies of dispersion of free water permittivity f = 10 ■ 50 GHz under acoustic «sweep» - regime f = 1000 ^ 2000 Hz; thus the measuring cell with investigated sample on the piezo-element directly on exit of 8-mm waveguide was placed. The electromagnetic signal from the measuring line R1-39 was input to the computer for signal processing by specialised programs, including fast Fourier transformation. In our case, the surface tension is integral in a range of acoustic frequencies f = 900 ^ 2100 Hz at influence of acoustic waves on MCC at comparison control and experimental samples used MCC. The increase of electromagnetic response (at the frequency analysis of fast Fourier transformation) in an average part of acoustic influence f= 1500 ^ 1700 Hz) at comparison control and experimental samples of used MCC was observed. It was caused by occurrence in used MCC of average size «clusters», responding, finally, for integrated increase e'. The parameter of real part of complex permittivity (e' and surface tension (d) has been used as marker of microalgae vital functions at various periods of MCC working. The increase of quantity of free water in system MCC-microalgae on frequencies of modulation by acoustic waves f = 1000 ■ 2000 Hz in used samples MCC irradiated terahertz laser is observed. The received results testify to inhibition of microflora vital functions after influence terahertz laser, and about visible tendency to recovery of cutting emulsion properties which are typical for control samples.
Keywords: terahertz laser irradiation, permittivity, surface tension, metal-cutting compounds, microflora.
References
1. Tyrtygin V.N. The increase of cleaning process effectiveness of industrial raw material from paramagnetic additives by magnetic method, 16 p. (Povolzh.Gos.Univer., Ivanovo, 2010).
2. Berezutskaja N.L. The decrease of ecological danger MCC and prolongation of their term application for long process line, 21 p. (Lviv: Lviv.Polytech.Univer., 2008).
3. Solonenko L.A., Tlehusec M.A., Sorozkaja L.N., The modification of surface tension MCC by additions from multipurpose derivatives of organic acid C3-C4, Fundamental research, 7, 63 (2008).
4. Kolesnikov V.G, Khmel N.V., Khmel S.I., The estimate of biological infection of metal-cutting compound in millimetre range of radiowaves, Physics of alive, 20 (3), 38 (2012).
5. Bezkij O.V, Golant M.B., Devjatkov N.D. Millimetre waves in biology, 64 p. (Znanie, Moskow, 1988).
6. Kolesnikov V.G., Dreval N.V., The application of combine influence of electromagnetic and acoustic waves on microalgae for revelation of resonance frequencies, Physics of alive, 18 (3), 24 (2010).
7. Shulaev M.V. The scientific basis of liquid wasters neutralization of galvanic and metal-working industry with using of anaerobic biosorption technology, 292 p. (Kazan Gos.Tech.Univer., Kazan, 2009).
Поступила в редакцию 25.04.2014 г.
