К.т.н. Дубовкина И.А., к.т.н. Целень Б.Я.

Институт технической теплофизики НАН Украины

Влияние механизмов дискретно-импульсного ввода энергии на свойства воды и водно-спиртовых смесей

Метод дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) заключается в создании условий, обеспечивающих при локальном вводе энергии в технологическую систему, ее дискретное распределение по пространству и импульсное воздействие по времени. В институте технической теплофизики НАН Украины было разработано оборудование, которое реализует основные механизмы ДИВЭ: эффекты, связанные с ускорением движения непрерывной фазы, действие напряжений сдвига, кавитационные механизмы, механизмы взрывного вскипания, коллективные эффекты в ансамбле пузырьков [1].

Все эти эффекты позволяют влиять на характер протекания тепломассообменных, гидродинамических и химических процессов на микро- и наноуровне [2].

Водно-спиртовые растворы и смеси представляют собой сложную систему, свойства которой нелинейно зависят от количественного соотношения компонентов. При получении водно-спиртовых смесей с применением метода ДИВЭ происходит улучшение их органолептических показателей. Водно-спиртовая смесь в процессе обработки поддается влиянию високочастотных гидродинамических колебаний, угловых скоростей и значительных напряжений сдвига, что позволяет получать смеси с высокой степенью гидратации. Суть процесса смешивания состоит в передаче протона от спирта к воде с образованием иона гидроксония . При смешивании спирта с водой выделяется теплота, обусловленная образованием водородных связей смешанных ассоциатов – водно-спиртовых растворов с образованием кристаллогидратов. Межмолекулярные связи в водно-спиртовых растворах носят сложный характер. Каждая молекула спирта может образовать две водородные связи, а каждая молекула воды – четыре.

В чистой воде и в разбавленных растворах существует непрерывная трехмерная сетка водородных связей. В бинарных системах водородной связью могут быть соединены молекулы воды между собой, молекулы спирта между собой с образованием линейных цепочных ассоциатов [3], а также молекулы спирта и воды рис. 1, 2.

а) б)

Рисунок 1 – Образование водородных связей: а) – между молекулами воды; б) - между молекулой спирта и воды

Рисунок 2 – Схема образования водородных связей

Ассоциация компонентов в водно-спиртовых смесях является предметом дискуссий в научной литературе на протяжении более 50 лет. Но и на сегодняшний день результаты, полученные различными методами, часто оказываются противоречивыми, так как направлены на получение информации о структуре водно-спиртовых смесей косвенными методами.

Достаточно распространенным инструментальным методом исследования структуры воды и водно-спиртовых смесей является спектроскопия, но, главная проблема, возникающая при этом – интерпретация спектров системы. Для решения поставленной задачи могут использоваться хемометрические подходы (например, метод независимых компонентов) и квантово-химические расчеты. Кроме этого широко используются методы квантовой химии, молекулярной механики, молекулярной динамики, компьютерной химии и компьютерного моделирования. Рентгено- и нейронографический анализ, а также ядерный магнитный резонанс (ЯМР) дают усредненную картину взаимного расположения молекул (атомов), что не позволяет однозначно дать ответ даже о строении ближнего окружения. Методы компьютерного моделирования достигли значительных результатов. Методы молекулярной динамики и Монте-Карло используются для создания моделей воды и простых жидкостей. Для анализа моделей используется метод Вороного-Делоне и теории перколяции. Локальная плотность молекул воды рассчитывается как обратный объем многогранников Вороного [4].

Учитывая вышеизложенные методы исследования структуры водных и водно-спиртовых систем следует отметить, что при изучении таких систем невозможно обойтись без методов компьютерного моделирования, хотя и они не дают возможности получения исчерпывающей и полностью достоверной информации.

Литература:

1. Долинский А.А. Дискретно-импульсный ввод энергии / Долинский А.А., Басок Б.И., Накорчевский А.И., Шуркова Ю.А. – К.: ИТТФ НАНУ, 1996. – 196 с.

2. Долинский А.А. Тепломассобмен и гидродинамика в паро-жидкостных дисперсних середах. Теплофизические основы дискретно-импульсного ввода энергии / Долинский А.А., Иваницкий Г.К., проект «Наукова книга», издательство наукова думка», г. Киев. 2008.–381 с.

3. Saiz L., Padro J.A., Guardia E. Structure and Dynamics of Liquid Ethanol // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. N 1. P. 78–86.

4. Ефимов Ю.Я. О влиянии геометрии водородного мостика на колебательные спектры воды: двухпараметрические потенциалы водородной связи // Журн. структ. химии, № 50(4), 2009, 736-745 с.