ВПЛИВ РІЗНИХ ЧИННИКІВ НА ХІМІКО-ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ

Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

Сілін Р.І., Гордєєв А.І., Сілін Р.С.

Хмельницький національний університет

ВПЛИВ РІЗНИХ ЧИННИКІВ НА ХІМІКО-ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ

Вода є найголовнішою основою будь-яких технологічних середовищ різних виробництв. Активована вода і водно-розчинне технологічне середовище мають здатність прискорювати плин масообмінних, теплових процесів, різних реакцій, знезаражування, збільшувати потенційні можливості середовища і зв'язані з цим технологічні показники процесів.

Сутність активації води, незалежно від способу активації, обумовлюється в порушенні кластерних структур для насичення води мономолекулами. Використання в промисловості різних методів активації води та водних розчинів становить значний інтерес і має істотне народногосподарське значення. Особливої ваги набувають питання вибору й оцінки методів активації, вивчення механізму фізичних процесів активації води.

В багатьох технологічних процесах, як робоче середовище, використовується вода і водні розчини різних речовин. З метою прискорення хімічних, фазових і інших перетворень доцільно застосувати методи активації рідкого середовища. Кавітаційно-кумулятивна обробка водних розчинів вапна підвищує її активність на 25-30%. В умовах цукробурякового виробництва кавітаційна активація вапняків призводить до скорочення витрати вапна у виробництві на 25%. Дослідження з активації води й водних розчинів в електричному й магнітному полі дозволили виявити значні можливості в області інтенсифікації технологічних процесів.

Активацію води та водних розчинів можна проводити різними способами: кавітаційно-кумулятивною дією й ударними хвилями, механічною дезінтеграцією, дією електричного або магнітного поля, дегазацією або вакуумуванням та інші.

Таблиця 1.1

Сутність впливу різних чинників на фізичний стан рідини

Спосіб	Обладнання	Фізична сутність
Електричне поле	Блок живлення, пластини	Дисоціація на ОН^-,Н⁺
Магнітне поле	Постійні магніти та електромагніти	Дисоціація на ОН^-,Н⁺
Кавітація	Статичні та динамічні кавітатори	Дисоціація на ОН^-,Н⁺ Кавітація
Дезінтеграція	Дезінтегратор	Дисоціація на ОН^-,Н⁺ Кавітація

Загальним, що виявляється при експериментальному дослідженні різних методів активації води, є збільшення концентрації водневих іонів рН, а отже, і електричної провідності . Відзначається, що у всіх випадках при кожному із перерахованих вище методів активації концентрація водневих іонів рН збільшувалась до кінця процесу обробки води від 7 одиниць у вихідній воді до 11,5 одиниць в активованій. При рН = 11,5 одиниць активована вода має найвищу активність. Однак у максимально активованому стані вода перебуває порівняно недовго. З плином часу рН води знижується до 8,5 одиниць. Тривалість часу, після закінченняякого, рівень рН залишається далі незмінним, визначає стійкість активованої води. Порівняння активованої води, отриманої різними методами, показало, що її стійкість суттєво залежить від способу активації. Найбільшою стійкістю володіє катодна вода, отримана в електричному полі, рН > 9,0 одиниць у цій воді зберігається до чотирьох діб. Стійкість води після впливу кавітації, магнітної обробки та дегазації практично однакова і триває від 66 хв. до 70 хв. Стійкість талої води при температурі 20°С доходить приблизно до чотирьох годин. Зміна рН води при всіх способах активації обумовлена розривом молекул води на іони Н⁺ і ОН^-. Причому іон Н⁺, який володіє високою рухомістю, виходить із води, ОН^- накопичується, що спричинює зростання рН.

Більш висока стійкість води, активованої електричним методом, обумовлена тим, що електричне поле створює найповніший просторово-часовий поділ іонів Н^- і ОН. При знятті електричного поля падіння рН відбувається завдяки дифузії іонів Н⁺ із атмосфери і наступної рекомбінації їх з іоном ОН у молекулу води. При інших методах впливу відбувається розрив молекул води і часткове видалення іонів водню з розчину шляхом їхньої дифузії. При цьому значна частина їх залишається в розчині.

При знятті впливу, спрямованого на активацію води, починається рекомбінація іонів гідроксилу й водню, не тільки тих, які дифундують з атмосфери, але і наявних в рідині, яка оброблюється. Цим пояснюється повільніше наростання рН і швидше його зменшення при різних методах активації, крім електричного.

Вода з рН від 7 одиниць до 7,5 одиниць піддавалася кавітаційно-кумулятивному обробленню перед обробленням на дезінтеграторі. При цьому, як і очікувалось, активація води зростає. Можна припустити, що така обробка дійсно сприяє зростанню кількості мономолекул води. Водночас, якщо активовану за допомогою електричного поля воду піддати обробці на дезінтеграторі, то замість очікуваного збільшення числа мономолекул, яке повинно супроводжуватися підвищенням активності води, її активність знижується [1].

Після електричного ооброблення рН води складає 11,3 одиниць. При наступному її обробленні на дезінтеграторі протягом 20 хв. рН поступово знижується до 8,8 одиниць [1]. Спад рН активованої води при такий дезінтеграційній обробці пояснюється інтенсифікацією рекомбінаційних процесів іонів водню й гідроксилу через активну аерацію. Цим ще раз підтверджується, що активація води – це зміна її реакції за рахунок розриву самих молекул води.

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.

Праця Дж. Бернала і Р. Фаулера [2], в якій запропонована тетраедрична модель молекули води з двома позитивними та двома негативними полюсами, фактично започаткувала сучасний етап вивчення структури води і водних розчинів.

Специфічність фізико-хімічних властивостей води в значній мірі зумовлена наявністю водневих зв’язків між її молекулами. Незважаючи на велику кількість теоретичних та експериментальних досліджень, фізична природа цих зв’язків остаточно не з’ясована [3].

На даний час запропоновано багато моделей структури води: континуальна [4], каркасна О. Я. Самолова [5], кластерна Г. Франка – В. Вена [6], солітонна [7]. Розглянувши існуючі гіпотези про структуру води, варто керуватись твердженням Р. Хорна про те, що жодна з теорій не є цілком задовільною і жодна не позбавлена істини [8].

Багато робіт присвячено вивченню впливу магнітних полів на процеси адсорбції, флотації мідних сульфідних мінералів, на процеси іонного обміну, при корегуванні мінерального складу стічних вод, на величину пом’якшення води, на характер протікання хімічних процесів, на біохімічні процеси.

Розглянуті гіпотези стосовно впливу магнітного поля на водні системи так чи інакше пов’язують цей вплив із наявністю у воді різних домішок. Однак є дані про те, що внаслідок дії магнітного поля відбуваються певні зміни в самій воді. Вплив домішок, очевидно, носить допоміжний характер, підсилюючи ефект при вимірюванні тих чи інших фізико-хімічних параметрів водних розчинів.

Наведений огляд експериментальних даних демонструє можливість застосування магнітного поля для інтенсифікації очистки стічних вод промислових підприємств, що має велике значення для охорони довкілля та екологічної безпеки.

Що ж стосується механізму впливу магнітного поля на вказані процеси, то при розгляді робіт на цю тему важко знайти якісь закономірності. Авторами використовувалися різні магнітні пристрої, що зумовлювало різний режим магнітної обробки: напруженість магнітного поля, його градієнт, швидкість протікання розчинів тощо. Це ускладнює проведення системного аналізу літературних даних і вимагає накопичення додаткових відомостей з даного питання.

Наведений огляд літературних даних стосовно дії магнітного поля на водні системи показує, що такий вплив є багатогранним.

Це: антинакипіна дія магнітного поля в системах водної підготовки, вплив попередньої магнітної обробки водних розчинів на процеси сорбції при фарбуванні тканин та іонного обміну на мікропористих сорбентах, зміна кінетики хімічних реакцій та, що дуже важливо, біологічна активність магнітного поля, в основі якої лежать біохімічні процеси.

Література:

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

2. Бернал Дж. Структура воды и ионных растворов / Дж. Бернал, Р. Фаулер // Успехи физ. наук. – 1934. – Т. 14, № 5. – С. 586–644.

3. Бродский А. И. Роль водородных связей в процессах протонов / А. И. Бродский // Водородная связь. – М. : Наука, 1964. – C. 115–125.

4. Pople I. A. Molecular association in liquid II. A theory of the structure of water / I. A. Pople // Proc. Roy. Soc. – 1951. – Vol. A250, N 1081. – P. 163–178.

5. Самойлов О. Я. Координационное число в структуре некоторых жидкостей / О. Я. Самойлов // Журнал физической химии. – 1946. – Т. 20, № 12. – С. 1411–1414.

6. Frank H. S. Ion solvent interaction. Structural aspects of Ion-solvent interaction in aqueous solution: a suggested picture of water structure / H .S. Frank ; W.Y.III. Wen // Disc. Faraday Soc. – 1957. – N 24. – P. 133–140.

7. Антонченко В. Я. Микроскопическая теория воды в порах мембран / В. Я. Антонченко. – К. : Наукова думка, 1983. – C. 114–117.

8. Хорн Р. Морская химия : пер. с англ./ Р. Хорн. – М. : Мир, 1972. – 33с.