Введение к работе
Актуальность: Ключевым условием возможности осуществления космических миссий с человеком на борту является наличие системы жизнеобеспечения (СЖО), обеспечивающей регенерацию среды обитания человека и делающей возможным его существование во внеземных условиях. Для длительных космических экспедиций необходимо создание такой СЖО, которая была бы способна воспроизводить необходимые вещества из уже отработанных продуктов, таким образом, осуществляя замкнутый круговорот вещества внутри системы, подобно биосфере Земли. По способу регенерации среды в общем случае СЖО подразделяются на физико-химические и биолого- технические (БТСЖО). Для БТСЖО принцип функционирования основан на том, что средообразующая роль отведена растительному звену, а утилизация отходов в значительной степени осуществляется физико-химическим методом.
В настоящее время одной из наиболее важных проблем в создании БТСЖО является разработка, наряду с основным биологическим методом, экологически безопасного дополнительного физико-химического метода переработки органических отходов, способного достаточно быстро и без больших энергозатрат преобразовать отработанный органический материал в форму приемлемую для дальнейшего поступления в звено высших растений. Работы в данном направлении идут в различных странах, развивающих космическую отрасль. Одним из успешных вариантов осуществления такого метода является реактор «мокрого» сжигания, разработанный в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН. Суть данного метода заключается в окислении органических отходов в среде перекиси водорода под действием переменного электрического поля.
В многочисленных экспериментах (Tikhomirov et al., 2003, 2008; Zolotukhin et al., 2005) было установлено, что используя минерализованные растворы органических отходов, полученные данным методом «мокрого» сжигания, можно выращивать приемлемые урожаи культурных растений. Однако не известен состав газообразных продуктов реакции «мокрого» сжигания и их влияние на высшие растения. Кроме того, реакция минерализации в лабораторных условиях протекала в небольшом объеме, и не было известно, будет ли процесс идти также успешно в больших объемах, необходимых для удовлетворения нужд реальных СЖО.
Данная диссертационная работа является продолжением многолетних исследований в области развития такого физико-химического метода, и ее тема является частью проблемы разработки физико-химического метода утилизации органических отходов для замкнутых систем жизнеобеспечения.
Цели и задачи исследования: Оценка возможности повышения степени замыкания БТСЖО путем минерализации органических отходов в среде перекиси водорода, активированной переменным электрическим полем.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Оценить процесс минерализации различных типов органических отходов, протекающий в объеме, соответствующем требованию БТСЖО с экипажем из двух человек, по таким параметрам, как: химический состав получаемых растворов, затраченные энергия и время.
-
Изучить химический состав газовой компоненты продуктов физико- химического окисления различных типов органических отходов и рассмотреть возможность его вовлечения в массообменные процессы БТСЖО.
-
Провести биотестирование жидких и газообразных продуктов физико- химического окисления, возникающих при минерализации органических отходов, используя растения редиса, как тест-объект.
Научная новизна работы: Были изучены основные параметры (энергопотребление, продолжительность, динамика силы тока) протекания реакции окисления органических отходов, характерных для БТСЖО, перекисью водорода под действием переменного электрического тока. Установлено, что процесс окисления протекает с повышением электропроводности растворов, кроме того наблюдается тенденция к снижению удельного энергопотребления (Вт-ч/л) и времени реакции при увеличении объема реакционной смеси.
Выяснен химический состав как газовых, так и жидких продуктов минерализации органических отходов растительного и животного происхождения в реакторе «мокрого» сжигания. В состав растворов входят преимущественно неорганические соли и основания, с небольшим содержанием органического вещества. Газообразные продукты состоят в основном из водорода, кислорода, углекислого газа и аммиака, имеются следовые количества органических соединений (преимущественно органические кислоты и ароматические соединения), молекулярный азот не обнаружен.
Изучено влияние жидких и газообразных продуктов реактора «мокрого» сжигания, возникающих при минерализации органических отходов, на структуру и формирование урожая редиса, как тест-объекта. Установлено, что никакого отрицательного воздействия на растения редиса продуктами реакции оказано не было.
Экспериментально доказана возможность полного включения в круговоротный процесс продуктов минерализации из реактора «мокрого» сжигания, без какого-либо существенного нарушения работы фототрофного звена (на примере редиса).
Практическая значимость: Выявлен ряд ключевых параметров (величины тока и напряжения, эффективность использования перекиси водорода и др.) кинетики протекания реакции минерализации органических отходов, которые необходимо учесть в случае проектирования для БТСЖО реактора «мокрого» сжигания рассматриваемого типа.
Формирование урожая редиса, при включении в массообменный процесс продуктов минерализации органических отходов практически не отличается от контрольного варианта, где в качестве питательных растворов используются классические химические
растворы для гидропоники. Это позволяет рекомендовать использование изучаемого метода утилизации органических отходов в будущих БТСЖО. Положения, выносимые на защиту:
-
-
Газ, выделяющийся в процессе минерализации органических отходов, после пропускания через кислотный раствор и каталитического доокисления может быть использован как компонент атмосферы при выращивании высших растений без какого- либо существенного влияния на формирование урожая.
-
Продукты процесса минерализации органических отходов в среде перекиси водорода под действием переменного электрического поля не оказывают токсического воздействия на растения и могут быть включены в массобмен замкнутой БТСЖО. Апробация работы и публикации Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на 38-й научной конференции COSPAR (Бремен, 2010,); на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. А.М. Горького «Биология будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2010); на VII Съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных технологий» (Нижний Новгород, 2011); на международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2012).
Результаты диссертационной работы изложены в 9-ти печатных работах, из которых 2 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК для кандидатской диссертации, одна - в иностранном рецензируемом журнале, 6 - в сборниках материалов конференций и тезисов.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта № 5 (блок № 4: «Компактное устройство для физико-химической утилизации отходов жизнедеятельности человека в замкнутых экосистемах») СО РАН.
Личный вклад автора Автором лично выполнены эксперименты по минерализации органических отходов, выращиванию растений редиса и анализу их физиологических характеристик, а также обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.
Благодарности Автор приносит искреннюю благодарность своему руководителю д.б.н., проф. А.А. Тихомирову за научное руководство, и коллегам по лаборатории за помощь на всех этапах работы, а именно: к.б.н. С.А. Ушаковой, Э.К. Волковой, О.В. Паршиной, к.б.н. Н.А. Тихомировой, к.б.н. Е.С. Шклавцовой, к.б.н. В.В, Величко и др. Особую признательность автор выражает коллегам по лаборатории к.ф.-м.н. Ю.А. Куденко и инженеру М.В. Мачкову. Кроме того, автор благодарен сотрудникам других лабораторий и организаций за помощь на разных этапах лабораторных исследований. Структура работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, заключения и списка литературы. Она содержит 135 страниц, включая 34 рисунка и 19 таблиц.
Список литературы включает 134 ссылки на работы отечественных и иностранных авторов.
Похожие диссертации на Минерализация органических отходов в среде перекиси водорода для повышения замкнутости биолого-технических систем жизнеобеспечения
-
