Технічні науки / 3. галузеве машинобудування

Гордєєв А. І., Параска Г.Б., Урбанюк Є.А., Остроушко О.

Хмельницький національний університет

ПРИРОДА ОДНОЧАСНОЇ ДІЇ КАВІТЦІЙНО-МАГНІТНОГО ВПЛИВУ НА ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ

Унікальні можливості вібраційного поля дозволяють успішно здійснювати не тільки оздоблювально-зачисні та зміцнювальні операції, сепарацію, перемішування, вібротранспортування за важких експлуатаційних умов, гомогенізацію, фільтрування, сушіння, насичення середовища певними речовинами, руйнування поверхонь, а і створення умов для зміни властивостей води і ряд інших процесів у рідинах. Це обумовлює ефективність застосування вібраційних технологічних машин в багатьох галузях промислового виробництва.

Вода - хімічна речовина у виді прозорої рідини, що не має кольору (у малих об’ємах), запаху і смаку (при стандартних умовах). Хімічна формула^: Н₂0. У твердому стані називається льодом, снігом або інеєм, а в газоподібному - водяною парою. Близько 71 % поверхні Землі покрито водою у вигляді океанів, морів, озер, річок, льоду та містить 97,6% відомих запасів води [1]. Є гарним сильно полярним розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини у вигляді солей та газів. Вода має ключове значення у створенні і підтримці життя на Землі, у хімічній будівлі живих організмів, у формуванні клімату і погоди. Є найважливішою харчовою речовиною для всіх живих істот на планеті Земля. Сама молекула Н₂0 електронейтральна, але заряд усередині молекули розподілений нерівномірно: в області атомів водню невеликий позитивний, а в області, де розташований атом кисню, невеликий негативний заряд. Завдяки цьому молекули води можуть взаємодіяти одна з одною з утворенням так званих водневих зв'язків (рис.1). Атоми водню приєднані до атома кисню, утворюють кут 104,45⁰, і ця конфігурація строго зберігається (рис.1). Через велику різницю електричних відмінностей атомів водню і кисню електронні хмари сильно зміщені убік кисню.

Рис. 1 – Водневі зв’язки води та відносне розташування її молекул

З цієї причини молекула води є активним диполем, де киснева сторона негативна, а воднева позитивна. У результаті молекули води притягаються своїми протилежними полюсами, і утворять полярні зв'язки, на розрив яких потрібно багато енергії [1]. У складі кожної молекули іон водню (протон) не має внутрішніх електронних шарів і має малі розміри, у результаті чого він може проникати в електронну оболонку негативно поляризованого атома кисню сусідньої молекули, утворити водневий зв'язок з іншою молекулою. Кожна молекула зв'язана з чотирма іншими за допомогою водневих зв'язків - два з них утворить атом кисню і два атоми водню (рис.1). Комбінація цих зв'язків між молекулами води - полярну і водневу визначає дуже високу температуру її кипіння і питому теплоту пароутворення. У результаті цих зв'язків у водному середовищі виникає тиск у 1,5-2,0 тис. МПа, що і пояснює причину важкого стиснення води, так при збільшенні атмосферного тиску на 1 Бар, вода стискується на 0,00005 частки її початкового об’єму. Через високу полярність молекул вода є унікальним розчинником інших полярних з'єднань. Таким чином, кожна молекула води може утворити чотири водневих зв'язки за участю двох незв'язаних електронних пар атома кисню і двох поляризованих атомів водню [1].

Структури води і льоду між собою дуже схожі (рис.2). У воді, як і у льоді, молекули намагаються розташуватися у визначеному порядку - утворити структуру, однак тепловий рух цьому перешкоджає. При температурі переходу у твердий стан тепловий рух молекул більш не перешкоджає утворенню структури, і молекули води упорядковуються, у процесі цього обсяги порожнеч між молекулами збільшуються і загальна щільність води падає, що і пояснює причину меншої щільності води у фазі льоду. При випарі, навпроти, рвуться всі зв'язки. Розрив зв'язків вимагає багато енергії, отчого у води найбільша питома теплоємність серед інших рідин і твердих речовин. Завдяки цій властивості вода нерідко використовується як теплоносій. Однак питома теплоємність води, на відміну від інших речовин непостійна: при нагріванні від 0 до 35 градусів Цельсія її питома теплоємність падає, у той час як в інших речовинах вона постійна при зміні температури. Крім великої питомої теплоємності, вода також має великі значення питомої теплоти плавлення (0⁰С і 333,55 кДж/кг) і пароутворення (2250 кДж/кг) [1].

а б

Рис. 2 – Побудова молекулярних структур: а - води; б - льоду

Багато властивостей води аномальні, що саме і викликано особливостями будівлі молекули води. Так, вода має найбільшу теплоємність серед рідин 4,1868 кДж/кг, що майже вдвічі перевищує таку рослинних олій, ацетону, фенолу, гліцерину, спирту, парафіну; і вона в 10 разів більше, ніж у заліза. У води від О⁰С до 37⁰С теплоємність знижується, а з 37⁰С і вище - росте. Виходить, що легше усього вона нагрівається і швидше усього прохолоджується при температурі 37⁰С .

Ця особливість поки не пояснена, як затверджує академік А. М. Черняєв, однак збіг з нормальною температурою здорової людини (36,6⁰С-37,0⁰С) мимоволі наводить на певні міркування. Припустимо, якби вода не володіла цією дивною якістю, щоби відбулося із станом людини, яка складається в більшому обсязі з води. Тоді б просто настільки високоорганізована система не була захищена від впливу високих температур. Навряд чи цілющі властивості лазні-сауни були б тут доречні. Вже при 42⁰С білок незворотне руйнується. Залишається тільки захоплюватися, що вода наділила людину найкращим режимом теплового саморегулювання.

Аномально змінюється і щільність води при нагріванні - охолодженні. При зниженні температури від 100⁰С до 3,98⁰С вода безупинно скорочується в об’ємі, та її щільність складає порядку 1 г/мл. Але після перетинання границі 3,98⁰С настає зворотне явище. При кристалізації щільність різко зменшується і для льоду складає 0,91 г/мл. Таким чином, одиниця об'єму води при 3,98⁰С важить більше, ніж при О⁰С. При охолодженні нижче чотирьох градусів утворюється лід, він спливає, але під ним завжди залишається вода. Створюється певний термос життєзабезпечення. Не май цю властивість вода, усі природні сховища води промерзнули б, і все живе зникло. На структуру води значний вплив має інфразвук. Водяні кластери легше всього змінюють свою структуру при інфразвукових частотах від 1 Гц до 15 Гц [1].

Власні коливання молекул води знаходяться саме в цій області, і їхню структуру легше розгойдати і розгорнути. Такими ж частотами володіють коливання земної кори, викликані рухом Місяця і частково зірок. На Землі у кожній місцевості створюється своя комбінація таких зовнішніх впливів. І вода в кожній такій місцевості здобуває первісну оригінальну кластерну структуру. Любі тварини і рослини, породжені там, теж мають такий первісний запис. Тому їм сприятливий не тільки дим Батьківщини, але і місцева вода. У той же час, у деяких місцях, існують геопатогенні зони які можуть істотно спотворити структуру води. Певний вплив частоти коливань води зазнає і біополе людини яке володіє також власною частотою. Виходить, будь-який емоційний стан людини теж записується на воду усередині неї або передається чистій воді в судині або воді в організмі іншої людини. Особливо шкідливі для структури води негативні емоції - злість, гнів, агресія, нерозумна діяльність. Позитивні емоції виправляють воду [2]. Відстань впливу залежить від біоенергетики самої людини. І як відомо, чим нижче частота коливань та більше їхня потужність - тим далі вони передаються. Мова йде про механічні коливання інфразвукової частоти у рідині.

Крім інфразвуків і біополів, перебудовувати структуру води можуть хімічні або біологічні (наприклад, віруси) домішки в ній. Як первісні в різних місцевостях, так і штучно розчинені або занесені ззовні. Цей механізм також порозумівається із властивостями іоноводневних зв'язків. Молекули в об’ємі води зближаються протилежними зарядами з зарядами розчиненої речовини або домішків. А протилежні кінці молекул води повторюють структуру обліпленої молекули. До них притягаються наступні молекули води і так ця структура поширюється. Іноді такі перекручування бувають і корисні, наприклад у гомеопатії, де малі кількості хімікатів перебудовують велику кількість води, а її структура лікує без впливу яких-небудь хімічних речовин.

Велике значення має зміна поверхневого натягу води. Водопровідна вода, сильно відрізняється від тієї води, що оточує тканини і клітини організму людини. Поверхневий натяг водопровідної води складає 73 дини. Гідрокавітація та дія магнітного поля здатна знижувати поверхневий натяг рідини [1] до значень, майже рівних поверхневому натягові людської крові. Це полегшує транспорт живильних речовин безпосередньо в клітини і сприяє виведенню з організму токсинів. При вживанні структурованої води збільшується електрична провідність організму, що веде до зменшення витрат енергії на проникнення молекул води крізь мембрану клітини, а також постачаються організмові електрони, що необхідні йому для обміну інформацією на клітинному рівні.

На даний час накопичено чисельний експериментальний матеріал про фізико-хімічні властивості чистої води та водних систем, надійно встановлені деякі деталі будови та властивостей води, однак багато питань поки що залишається без відповіді. Власне структура та властивості чистої води визначають комплекс специфічних властивостей її, як розчинника і цим відрізняють від неводних розчинників.

Одним зі способів поліпшення якості води є дія на неї постійним магнітним полем. У природі це відбувається природним шляхом при проходженні води через земні породи. У роботах [3, 4] показано, що під впливом магнітного поля відбувається ослаблення або розрив водневих зв'язків між молекулами води, внаслідок чого зростає їх рухливість. В той же час зміну фізико - хімічних властивостей води під впливом магнітного поля пов'язують з наявністю в ній домішок, особливо феромагнітних [5]. Доведено, що омагнічена вода має підвищену проникність крізь клітинні мембрани, бактерицидністю, очищає судини від чужорідних білків, знижує кількість холестерину в крові і печінці, підвищує обмін речовин, сприяє м'якому роздробленню каменів у жовчному міхурі і нирках, регулює артеріальний тиск і підвищує тонус організму, а також стимулює імунітет, регенерацію (відновлення кліток), а це особливо важливо при наявності слабо текучих запальних процесів, незагойних раней і переломів. Класичне підтвердження ефективності омагниченої води - прискорення росту рослин. Цілющі властивості омагниченої води зберігаються звичайно не більш доби, і це треба враховувати при лікуванні нею.

Одним із потужних впливів на властивості води є кавітація. У рідині вона виникає на одиничному зародку, за час у кілька десятків періодів коливань розвивається в стабільну область, що складається з безлічі кавітаційних пухирців. Процес розвитку кавітаційної області представляється у такий спосіб. При сплескуванні кавітаційний пухирець може втрачати стійкість і розпадатися на частини, а тому що тиск і температура в цей момент у пухирці максимальні, то тиск і температура парогазовій суміші в "уламках, що утворилися," теж підвищені. У фазі розтягання вони легко розширюються і стають новими зародками кавітації, менш міцними, чим постійно наявні в рідині. Кавітаційні порожнини, що виникли на цих зародках, породжують нові. Усередині кавітаційної області йде безперервний процес розмноження і коагуляції кавітаційних пухирців, причому кавітаційий поріг трохи зменшується, тому що в сталому режимі роль кавітаційних зародків починають виконувати рівноважні пухирці, обсяг і газовміст в яких більше, ніж у зародків [6]. Акустична кавітація в рідинах ініціює різні фізико-хімічні явища; сонолюмінесценцію (світіння рідин); хімічні ефекти (звукохімічні реакції); ерозію твердого тіла (руйнування поверхні); диспергування (здрібнювання твердих часток у рідині) і емульгування (змішування і гомогенізація рідин, що не змішуються,). Сонолюмінесценція і звукові хімічні реакції є зв'язаними процесами, але в принципі вони можуть здійснюватися незалежно один від іншого [7,8]. Ультразвукова люмінесценція і світіння, що виникає при гідродинамічній кавітації, є близькими по своїй природі процесами. При експериментальному дослідженні кавітації в низькочастотних звукових полях була виявлена аналогія по фізико-хімічних ефектах між низькочастотною й ультразвуковою кавітацією [9,8]. Модель фізико-хімічних процесів, що відбуваються в кавітаційному пухирці і прилеглому до нього обсязі рідини, представляють у наступному виді [8]. У кавітаційну порожнину можуть проникати пари води, розчинені гази, а також речовини з високою пружністю пари і не можуть проникати іони або молекули нелетучих розчинених речовин. У процесі сплескування пухирця енергії, що виділяється, досить для порушення, іонізації і дисоціації молекул води, газів і речовин з високою пружністю пари усередині кавітаційної порожнини. На цій стадії кожний з присутніх газів є активним компонентом, беручи участь у передачі енергії порушення, перезарядженню й іншим процесам.

Дія звукового поля на речовини, що проникають у порожнину, є безпосередньою, прямою, причому дія активних газів О₂, Н₂ і N₂ у кавітаційній порожнини двоїста: по-перше, О₂ і Н₂ беруть участь у реакціях трансформування радикалів:, ,

а N₂ - у газових звукохімічних реакціях, кінцевим результатом яких є фіксація азоту: , ,

Розглянемо та проаналізуємо результати експериментальних досліджень гідрокавітаційного процесу, отриманому у пульсаційній камері вібраційного обладнання. Автор [8] припускає, що пухирці одержують додаткову енергію при відриві від великого деформованого пухирця (ВДП) або від вільної поверхні рідини. Можливо при цьому здійснюється розщеплення і локальна електризація пухирців. У [8] показано, що в низькочастотних акустичних полях при частотах від 7 Гц до 200 Гц виникають окислювально-відновні реакції, обумовлені утворенням радикальних продуктів розщеплення Н₂О (реакції I типу, що раніше виявлені й досліджені в ультразвукових полях).

Дослідження проводились на експериментальній установці [10] у якій є можливість змінювати частоту коливань рідини в межах від 4 Гц до 25 Гц та амплітуди від 1 мм до 3 мм. Виникнення гідрокавітації з утворенням ВДП було досягнуто при наступних параметрах коливань приводу: частоті 14 Гц та амплітуді 2 мм.

Експериментально (за допомогою швидкісної відеозйомки) досліджено, що в процесі коливального циклу у пульсаційній камері вібраційного обладнання [10] при зниженні тиску спостерігається злиття мілких кавітаційних пухирців до великого деформованого пухирця та його руйнування до мілких пухирців при збільшенні тиску.

В процесі руйнування ВДП до мілких пухирців, відбувається іонізація газу у пухирцях, а надлишкова енергія переходить у теплову. Отримані результати дозволяють з упевненістю вказати на протікання при низьких частотах різноманітних окислювально-відновних реакцій. Структура та параметри низькочастотного акустичного поля впливає на швидкість окислювально–відновних реакцій, газофазових процесів у кавітаційному пухирці та ланцюгових реакцій. Для підтвердження запропонованих положень були проведені експериментальні дослідження по визначенню властивостей, структури води в процесі обробки у пульсаційній камері вібраційного обладнання. Деякі результати досліджень наведені нижче. Отримано підтвердження утворення NH₃ в кавітаційній порожнини та зростання його кількості з часом оброблення при низькочастотних коливаннях (див. рис.3).

Рис.3 – Зміна вмісту NH3 у воді після гідрокавітаційної обробки за часом	Рис.4 – Нагрівання дистильованої води (1) та дистильованої води після гідрокавітаційної обробки(2)

Було проведено прямі термостатичні вимірювання нагрівання дистильованої води, проведені з точністю до 0,1°С. З’ясовано, що дистильована вода, оброблена гідрокавітацією на відміну від звичайної, не має строго певної температури кипіння. Відхилення від прямої лінії починаються вище 90⁰С (рис.4, крива 2). Це свідчить про нерівноцінність водневих зв’язків між молекулами води після гідрокавітаційної обробки.

В подальшому було проведено дослідження кінетики хімічних реакцій в середовищі води після 30-ти хвилинної обробки в кавітаційному пристрої.

Як модельну реакцію було вибрано окиснення метанолу перманганатом калію в кислому середовищі. При концентрації СН₃ОН 0,5 М і КMnO₄ 4∙10^-3 М така реакція проходить із поміркованою швидкістю, яка дозволяє надійно слідкувати за її перебігом. Завдяки забарвленню перманганат-іона контроль за ходом реакції здійснювали фотометричним методом (фотоелектроколориметр КФК-2). Для цього в мірну колбу на 50 мл вносили 1 мл метанолу, 2 мл 2 М сульфатної кислоти і звичайною водою (контрольний дослід), або водою після гідрокавітації доводили реакційну суміш до мітки. Після внесення 0,2 мл перманганату калію та інтенсивного перемішування розчин фотометрували.

Результати дослідів показали (рис.5), що в середовищі води після її одночасного оброблення кавітацією та постійним магнітним полем швидкість реакції значно зростає.

Рис. 5 – Залежність логарифму оптичної щільності реакційної суміші СН3ОН – КМnО4 від часу реакції: ¨ - контроль; ■ – гідрокавітація; ▲– гідрокавітація та омагнічування	Рис. 6 – Залежність окислюванності воді від часу обробки гідрокавітацією

Окислюваність характеризує загальний вміст у воді органічних речовин та виражається кількістю кисню, яка витрачається на їх окислення. Тут слід зазначити, що зі зростанням окислюваності, збільшується кількість кисню, необхідного для окислення шкідливих домішок у даному об’ємі води. Був використаний перманганатний метод визначення окислюваності. Отримані результати (рис.6) вказують на значний вплив кавітаційних процесів на склад води. З графіку рис.10 бачимо зростання окислюваності для різних джерел води із збільшенням часу гідрокавітаційної обробки у вібраційному обладнанні.

Дослідження зміни властивостей води підтвердили існування звукохімічних реакцій при інфразвукових коливаннях та показали збільшення швидкості хімічних реакцій, зменшення енерговитрат при кип’ятінні води, підвищення окислювальної здатності води з різних джерел.

Кавітаційно-магнітний вплив на рідке середовище, за рахунок вище вказаних ефектів, дозволяє досягнути певної зміни властивостей води, суттєвої інтенсифікації хімічних перетворень у водних потоках. Таким чином, експериментальні дослідження показали доцільність використання магнітного впливу та гідродинамічної кавітації у вібраційному обладнанні.

Джерела інформації:

1. Ларионов. А. К. Занимательная гидрогеология /

А. К. Ларионов. – Москва: Недра, 1979. – 157 с.

2. Сілін Р. І. Властивості води та сучасні способи її очищення : монографія / Р. І. Сілін, Б. А. Баран, А. І. Гордєєв. – Хмельницький : ХНУ, 2009. – 254 с. : іл.

3. Баран Б. А. Вплив магнітного поля на фармакодинаміку деяких сполук / Б. А. Баран // Науковий вісник Ужгородського ун-ту. – 1999. – вип.4. – С. 154-156.

4. Баран Б. А. Влияние магнитного поля на кинетику химических реакций / Б. А. Баран // Укр. хим. журнал. – 1998. – Т.64, №4. – С. 26-29.

5. Миненко В И. Електромагнитная обработка воды в теплоэнергетике / В. И. Миненко. - X.: Изд-во при Харьков. гос. ун-те, 1981. - 96 с.

6. Розенберг Л. Д. Кавитационная область // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л. Д. Розенберга. - М.: Наука, 1968. - Ч. 6. - С. 221 - 266.

7. Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция / М. А. Маргулис. - М.: Химия, 1986. - 288 с.

8. Маргулис М. А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях) / М. А. Маргулис: Учеб. Пособие для хим. И хим.-технол. Спец. Вузов. – М.: Высш. шк., 1984. – 272 с.

9. Федоткин И.М. Кавитация. Кавитационные енергетические аппараты и установки / И. М. Федоткин, С .И. Гулый. – К.: Арктур-А, 1998.- 130 с.

10. Силин Р. И. Применение гидропульсатора как модуля при проектировании вибрационных машин / Р. И. Силин, А. И. Гордеев // MECHANIKA Z. 59. Modulowe technologie i konstrukcie w budowej maszyn : materialy 3. Miedzynarodowej konferencji „Naukowo-Technicznei-MTK 2002”. – Rzeszow, 2002. – С. 29–33