Как определить, есть ли в воде вредные вещества? Пока что для этого нужно проводить дорогие и сложные исследования. Но в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН уверены: в ближайшем будущем даже неспециалист сможет сделать это за несколько минут.

На данный момент имеется несколько способов анализа содержания примесей в жидкости. Все они весьма эффективны, но, увы, не могут быть использованы за пределами лабораторных условий — скажем, в водоеме или в бассейне. Самые распространенные — пламенная фотометрия и спектральный анализ при помощи индуктивно связанной плазмы. В первом случае жидкость помещается в пламя газовой горелки, во втором — в аргоновую плазму, возбуждаемую высокочастотным магнитным полем. Перед процессом необходима подготовка пробы: жидкость требуется распылить до состояния аэрозоля. Кроме того, использование специальных сред (пламя, аргон), в которых происходит диссоциация и возбуждение атомов пробы, усложняет процесс и увеличивает стоимость установок. На сегодняшний день спектральный анализ является достаточно дорогостоящим методом, не позволяющим внедрять его на станциях контроля.

В лаборатории динамики гетерогенных систем ИГиЛ СО РАН предложили принципиально новый подход. Кандидат физико-математических наук Руслан Николаевич Медведев работает над этой проблемой уже несколько лет. Он обнаружил, что при электрическом разряде в жидкости образуется газовая полость, содержащая пары Н2О и растворенных в ней веществ. Таким образом, проба «сама себя подготавливает» к исследованию. Поэтому возникла идея использовать этот эффект для спектрального анализа.

Руслан Медведев

Руслан Медведев

— Мы решили поместить жидкость в специальную кювету с диафрагмой — пластинкой с небольшим круглым отверстием посередине. Именно в нем концентрируется ток, если последний пропустить через воду, — объясняет Руслан. — При протекании электричества Н2О нагревается, испаряется и образуется пузырь, который затем пробивается разрядом, и внутри полости загорается плазма. В пузыре присутствуют пары воды плюс растворенные вещества, и они излучают спектр, который далее можно анализировать. То есть, мы получаем тот же эффект, что и при использовании других методов, но гораздо легче и быстрее.

В итоге ученые планируют создать достаточно простой и малогабаритный прибор, который можно применять даже в полевых условиях. Алгоритм элементарен: приехали к водоему, взяли небольшую пробу воды — скажем, 50 миллилитров, опустили ее в устройство и через пять минут получили спектры растворенных в ней веществ. Руслан Медведев предлагает и стационарный вариант аппарата — например, его можно встроить прямо в водопроводную трубу и в реальном времени анализировать все проходящие внутри примеси.

Немаловажное достоинство этой технологии — низкая себестоимость, которая в несколько раз меньше, чем у других методов. Самое дорогое в будущем приборе — спектрометр. Изготавливаемые в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, они стоят от 100 000 рублей. Блок питания обойдется еще в 10 000 рублей, а кювета стоит копейки. В любом случае, цена аппарата не превысит 150 000 рублей. Для сравнения, пламенные анализаторы стоят от 10 000 долларов — то есть, более полумиллиона рублей по нынешнему курсу.

Впрочем, до создания прототипа прибора еще далеко. Пока ученые ведут лабораторные исследования и до того, как начинать производство, необходимо завершить все поисковые эксперименты, найти оптимальные параметры разрядной установки и блока питания.

— Вопрос в том, какое подавать напряжение — постоянное или переменное — и при каком из них будет большая эффективность, — говорит Руслан Медведев. — В прошлом году мы сделали источник постоянного тока напряжением до трех киловольт. А в этом — использовали 10 кВ и добились новых результатов по обнаружению меди. Сейчас я вместе с коллегами из других институтов пытаюсь рассчитать кинетические процессы в плазме при различных источниках напряжения и условиях ее возбуждения. Общаемся с коллегами из ИАиЭ, и с Институтом неорганической химии им. А.В. Николаева — там тоже есть специалисты в области плазмы. Наш метод вообще находится на стыке наук.

Работают ученые и над расширением числа распознаваемых веществ. За три года исследований они научились с хорошей точностью определять наличие в воде металлов — натрия, калия, кальция, магния и меди, которую могут фиксировать в количестве десяти миллиграммов на литр жидкости. Кроме того, метод может показывать присутствие углерода, кислорода, водорода и радикала ОН.

Сейчас Руслан и его коллеги активно развивают методы обнаружения тяжелых металлов, но для того, чтобы увидеть их спектры, нужна очень высокая температура плазмы — около десяти тысяч кельвинов. Для достижения таких величин необходимо значительно повысить напряжение, установить более мощный источник питания, усовершенствовать разрядную установку и даже кювету. Пока что в лаборатории работают с вдвое меньшей температурой — пять тысяч кельвинов.

Не решает всех проблем и спектрометр. Получая его результаты, ученые видят не проценты содержания конкретного металла в воде, а уровень светимости того или иного элемента. При этом здесь много сложностей — например, в сложных растворах щелочные и щелочноземельные металлы светятся очень сильно и «забивают» другие вещества. Готовый же прибор должен выдавать не малоинформативную для неспециалиста цифру, а показывать на дисплее конкретный элемент и данные о его концентрации в жидкости. Это — следующая цель исследователей ИГиЛ СО РАН.

Надежда на то, что устройство увидит свет, а не останется навсегда в чертежах, все же есть — на проект обратили внимание потенциальные инвесторы. Руслан Медведев победил в конкурсе научных работ молодых ученых и получил муниципальный грант города Новосибирска, а к разработке уже проявляют интерес коммерческие предприятия региона.

Материал подготовлен Павлом Красиным

Фото предоставлено Р.Медведевым