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