Физика/ 8. Молекулярная физика

Д.т.н. Юферов В.Б., м.н.с. Пономарев А.Н., м.н.с. Озеров А.Н.,

м.н.с. Буравилов И.В., м.н.с. Винников Д.В.

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,

Украина

Исследование процессов динамики роста и распада водо-газосолевых зародышей в растворе под действием акустических импульсов

Используя метод релеевского рассеяния света и теорию рассеивания Ми, исследовались процессы динамики роста и распада водо-газосолевых зародышей в растворе под действием акустических импульсов.

Ранее в [1] были описаны эксперименты по дегазации воды с помощью акустических импульсов. Высказана гипотеза об образовании смешанных газосолевых зародышей, которые растут и всплывают, когда архимедова сила положительна, или существуют в воде, не всплывая, удерживая на себе газ. Эксперименты продолжены с дистиллированной, водопроводной водой и 3 % раствором NaCl. В качестве рабочего газа для получения акустических импульсов использовался азот. Получены зависимости прозрачности прошедшего и отраженного сигналов для l= 470 нм (рис. 1). Приведены 1,5,10,20 импульсы. Для солевого раствора количество импульсов было 50.

1	5
10	20

Рис. 1. Прозрачности прошедшего сигнала для водопроводной воды

При исследовании процесса дегазации жидкостей и растворов было обнаружено различие в характере протекания процессов. В чистых жидкостях и при малом количестве примесей рост газовых пузырьков, активированный акустическим импульсом, монотонный: предположительно от размеров в несколько десятков ангстрем с количеством молекул в пузырьке 0…100 до размеров d ≤l/15 (300…400 А) и количеством молекул ~10⁶ и далее до размеров ~0,1 см с числом молекул газа 10¹⁵…10¹⁶, выходящих на границу жидкость-газ. В растворе, таких пузырьков, было уже меньше, зато большая часть их совсем не всплывала, а, просуществовав несколько секунд, растворялась.

Для исследования динамики этих зародышей была использована релеевская методика ослабления интенсивности пучка света, которая связана с частицами, имеющими размер d≤l/15, и рассеяние Ми с частицами d>l/15, проходящих через «мутные среды». Это позволяет одновременно следить за двумя фракциями с различным размером частиц и более широким их распределением по размерам.

Можно сделать вывод, что частиц в растворе в начальный момент с размерами, близкими к максимальным, достаточно много, и их рост до фиксируемых размеров происходит относительно быстро. В растворах растворенные соли связывают растворенный газ и, очевидно, снижают его подвижность, создавая потенциальные ловушки.

На основании полученных данных, временные зависимости скорости роста и распада зародышей с числом частиц N= 10⁶ и 10⁹ в жидкости при импульсном акустическом воздействии представим на рис. 2. Пунктиром сделана экстраполяция. N – число частиц в зародыше.

Рис. 2. Зависимость скорости роста и распада зародышей с N1-10^6 и N2-10^9	Рис. 3. Схематический вид структуры водо-газосолевых образований

Для описания процесса коагуляции (роста размера) частиц в средах в нашем случае необходимы силы, приводящие к росту газовых пузырьков при их синфазных колебаниях. Такого рода силами притяжения могут являться силы Бьеркнеса. Однако формула Бьеркнеса имеет отношение только к сферическим пузырькам воздуха. В солевом же растворе существуют смешанные пузырьки, состоящие из большого количества соли, воды и малого количества газа, поэтому рост этих зародышей в какой-то мере тоже может определяться зависимостями, аналогичными формуле Бьеркнеса, хотя этот трехкомпонентный зародыш с числом атомов N ~ 10⁶…10⁹ существенно отличается от чисто газового пузырька. Т. е. для комбинированных водо-газосолевых зародышей формулы Бьеркнеса могут быть несколько иными, должны учитывать структуру и форму самого зародыша. Схематический вид водо-газосолевого зародыша и окружающего раствора представлен на рис. 3.

Под воздействием мощных акустических импульсов в воде эти вакансии быстро перемещаются и, сливаясь, образуют пузырьки, которые устойчивы при значительных размерах. Эти пузырьки могут втягивать в себя и ионы, и атомы соли. При этом ионы соли могут рекомбинировать, но уже внутри воздушного пузырька, образуя длительно существующие водо-газосолевые зародыши. В процессе роста газовых пузырьков и их всплытия одна молекула газа может уносить до пяти молекул соли, таким образом, транспортируя их на внешнюю макроскопическую поверхность раздела «жидкость-газ».

Установлено влияние солей на процесс дегазации воды при акустическом воздействии. Установлено длительное существование крупных зародышей в растворах с размерами d ~ 0,1 мкм и количеством молекул N ~ 10⁹.

ЛИТЕРАТУРА:

1. В.Б. Юферов, А.Н. Пономарев, А.Н. Озеров, И.В. Буравилов, Д.В. Винников. Влияние импульсов давления на динамику водо-газосолевых зародышей в водных растворах // ВАНТ, Сер.:”Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники”, 2011, №6, с. 112-115.