Электрофизический метод уменьшения поверхностного натяжения воды

Электрофизический метод уменьшения поверхностного натяжения воды
Игорь Коновальчик
Автор статьи

Фадеева Кристина Максимовна 

студентка, кафедра метрологии, приборостроения и управления
качеством, механико-машиностроительный факультет
Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Требования к воде, используемой в различных отраслях промышленности и в конкретных производствах, существенно различаются. Разброс требований чрезвычайно высок. Именно поэтому необходимо достаточно просто получать воду с необходимыми характеристиками. Одной из таких характеристик, изменение которой может существенно улучшить производственные процессы, при которых используется жидкость, является поверхностное натяжение.

Актуальность проекта в разработке метода с улучшенными характеристиками, используя только физическое воздействие на жидкость, обусловлена возможностью изменения ее характеристик в ряде технологических процессов традиционного применения.

Для дистиллированной воды при температуре 209С величина коэффициента поверхностного натяжения σ в справочниках обозначена в пределах (71-73) * 10-3 Н/м. Известно, что изменение температуры существенно влияет на данный коэффициент: он уменьшается прямо пропорционально росту температуры, так, например, в диапазоне от 0 до 80 0С меняется от 75,5 * 10-3 до 62,3 * 10-3 Н/м. Данная яркая зависимость наводит на вопрос: могут ли иные физико-химические факторы существенно влиять на поверхностное натяжение воды?  Ведь изменение данного параметра приводит к девиации протекающих процессов с применением воды (например, в явлениях на поверхности, гидротранспорт и т.п.). Поэтому важно отслеживать окружающие факторы, которые могут изменить коэффициент σ. Проведём обзор экспериментальной работы [1], в которой изучалось влияние на поверхностное натяжение воды внешних факторов, таких как намагничивание, воздействие электрическим разрядом, воздействие СВЧ-излучения, насыщение воздухом и озоном, обогащение металлическими ионами.

Начнем с объяснения: почему же внешние воздействия влияют на такое вещество, как вода. В результате действия внешних факторов каждая единица объема воды получает такую энергию, которая приводит к разрушению, прежде всего водородных связей. Это способствует образованию свободных радикалов или изменению свойств и структуры агрегатов — кластеров-ассоциантов и клатратов, отвечающих за физико-химические свойства воды. При этом в процессе активации длинные молекулярные цепочки (Н2О)n (т. н. ассоцианты) разрушаются, что, и приводит к изменению величины коэффициента поверхностного натяжения σ.

Таблица 1

Значения коэффициента поверхностного натяжения питьевой водопроводной воды при различных физических воздействиях

Тип воды σ(10-3 Н/м) α (%)
Исходные показатели различных видов воды
1 Дистиллированная вода 72,21
2 Питьевая водопроводная вода через 2 часа после набора 61,85 9,9
3 То же – через 24 часа (контрольная вода) 67,91 0
4 Талая вода 60,43 12,3
Химические методы воздействия на поверхностное натяжение воды
5 Вода, насыщенная воздухом 62,27 9
6 Вода, насыщенная озоном

– через 10 мин

58,35 16,3
7                                 – через 1,5 часа 62,32 8,96
8 Серебряная вода при соотношении числа молекул N(H2O)/N(Ag) = 108 61,1 11,14
9 Серебряная вода N(H2O)/N(Ag) = 6*106 57,43 18,2
10 Серебряная вода N(H2O)/N(Ag) = 87000 56,65 19,87
11 Медная вода N(H2O)/N(Cu) = 108 43,7 55,4
12 Медная вода N(H2O)/N(Cu) = 6*106 41,3 64,4
13 3%-ный H2O2 66,81 1,6
14 30%-ный H2O2 49,06 38,4
15 3%-ный раствор NaCl (физраствор) 55,78 21,7
Приборные методы воздействия на поверхностное натяжение воды
16 Намагниченная вода в постоянном поле

(B = 3500 Гс, время воздействия поля 24 часа)

58,1 16,8
17 Воздействие переменным магнитным полем     –  B= 1000 Гс,   f = 1000 Гц 44,32 53,2
18 Воздействие электрическим разрядом 61,8 9,8
19 Воздействие СВЧ-электромагнитными волнами – время воздействия 10 мин 62,61 8,46
20                – время воздействия 20 мин 60,30 12,3
21                – время воздействия 30 мин 57,96 17,16
Показатели жидкостей в живом организме для сравнения
22 Сыворотка крови

Желчь

Молоко

Моча

60

48

50

66

Влияние химических методов на свойства воды безусловно значительное. Но и пагубное влияние химикатов на живые организмы известно. Использовав эти способы, получится достигнуть нужного эффекта, но, во-первых, он не продолжителен, во-вторых, методы дорогостоящие, в-третьих, вредны, в-четвертых, после применения химикатов остается много сложно утилизированных отходов.

Приборные методы воздействия делятся на влияние переменным и постоянным магнитным полем, электрическими полями и СВЧ-электромагнитными волнами. Экспериментальные результаты работы по изучению влияния внешних факторов на значение коэффициента поверхностного натяжения воды, в целом, показывают, что чем большее количество энергии (тепловой, механической, электрической, магнитной, электромагнитной) передается воде, тем заметнее уменьшается её коэффициент поверхностного натяжения σ и тем больше коэффициент ее активности.

Представляется, что перспективным является электрофизический метод воздействия на воду для уменьшения коэффициента ее поверхностного натяжения с использованием источника переменного частотно-модулированного электрического потенциала (ПЧМЭП) для снижения величины поверхностного натяжения – управления данным коэффициентом.

В случае использования металлической емкости выход генератора подключается одним концом к емкости, а второй конец подключается к металлическому электроду (например, стержневому) из нержавеющей стали, который погружается в воду. (рис. 3, а).

Эквивалентная электрическая схема нагрузки для генератора представлена на рис. 3, б.

Сигнал, испускаемый ПЧМЭП, является нелинейно-искаженным с двумя интервалами однородности, которые можно описать математическими формулами.

Первая однородность аппроксимирована синусоидой главной частоты:

Вторая описывается затухающим экспоненциальным сигналом:

где  – период промышленной частоты,  – момент перехода с первого интервала на второй,  – номер полупериода,  – коэффициент затухания.

С помощью сигнала, в первую очередь, снижается энергия в барьерах поверхности воды, приводя к изменению физической и химической природы.

Выяснено, что длительность передачи потенциала должна составлять примерно 30 минут, а эффект понижения коэффициента сохраняется на протяжении 14 дней.

С помощью генератора и электродов обеспечивается воздействие на объект слабыми электрическими переменными полями, что вызывает изменение параметра поверхностного натяжения воды. Объясняется это тем, что поля вызывают разрыв водородных связей, меняя расположение молекул в пространстве, переходя из тетраэдрической конфигурации в плоскостную.

Таким образом, установлено, что воздействие переменным частотно-модулированным электрическим потенциалом существенно понижает коэффициент поверхностного натяжения воды. Устройство можно рассматривать как прибор для управления данным параметром жидкости.

Рекомендовано практическое применение воды и растворов на ее основе, обработанных источником переменного частотно-модулированного электрического потенциала в процессе транспортировки пульпы по углепроводу.

Вода с пониженным поверхностным давлением очень хорошо подходит для получения угольной пульпы, которая может транспортироваться в углепроводе на дальние расстояния.

Гидротранспорт полезных ископаемых является одним из видов трубопроводного транспорта, который используется для транспортировки угля или руды из шахт. Суть заключается в том, что перемещаемый материал смешивается с водой, затем подается в трубопровод и транспортируется.

Географические особенности нашей страны, значительные объемы добычи и переработки топливных и сырьевых ресурсов, отдаленность мест добычи сырья от районов их потребления создают благоприятные предпосылки для создания высокопроизводительных гидротранспортных систем большой длины.

Гидротранспорт имеет большие преимущества перед другими средствами передачи энергии, в том числе перед железнодорожным транспортом и линиями электропередачи, с точки зрения защиты окружающей среды от возможного загрязнения. Трубопроводы, уложенные в грунт, полностью скрыты, а земная поверхность над ними может использоваться, поскольку в течение длительного времени трубы не нуждаются в замене (при транспортировании угольной гидросмеси). Гидравлический трубопроводный транспорт является одним из самых надежных. Его надежность выше, чем у других видов транспорта. Эффективность гидротранспортирования угля будет обеспечена при правильных технологических параметрах применения. Производительность установки, дальность транспортирования, геодезия подъема, крупность транспортируемого угля, скорость движения, консистенция, КПД транспортирующих насосов – все это должно грамотно подбираться в соответствии с заданием и технико-экономическими расчетами для максимальной полезности функционирования при минимальных затратах.

В настоящее время данный параметр изменяют, используя химические методы обработки воды, а именно введение в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ). Добавление химических реагентов сказывается на экологической составляющей, полученной смеси. Из-за низкой скорости разложения ПАВ вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы непредсказуемы. Кроме того, почти все ПАВ, используемые в промышленности и домашнем хозяйстве, попадая на частички земли, песка, глины, при нормальных условиях могут высвобождать ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека. Также добавление поверхностно-активных веществ является экономически невыгодным способом. Поэтому практическое применение данного прибора для приготовления пульпы является эффективным.

Большое количество научных статей и экспериментов по улучшению свойств водоугольного топлива демонстрируют легкость в управление его физико-химическими свойствами. Использование новой технологии позволит открыть сферу экологически чистой перевозки угля.

 

Список литературы:

  1. Статья «Изменение поверхностного натяжения воды под действием различных физических факторов» — Н.А. Мамедов, Г.И. Гарибов, Ш.Ш. Алекберов, Э.А. Расулов, 2014 г.
  2. Жуков И.В., Диссертация «Технические средства и технология повышения экологической безопасности торфяно-болотных экосистем» // Санкт-Петербург, 2009 г.
*
*
Регистрация
*
*
*

Восстановление пароля