Технічні науки / 3. галузеве машинобудування

Гордєєв А. І., Третько В.В., Курской В.С., Мігаль В.Г.

Хмельницький національний університет

КРИСТАЛО-ОПТИЧНИЙ МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРНОГО СТАНУ ВОДИ

Унікальні можливості вібраційного поля дозволяють успішно здійснювати не тільки оздоблювально-зачисні та зміцнювальні операції, сепарацію, перемішування, вібротранспортування за важких експлуатаційних умов, гомогенізацію, фільтрування, сушіння, насичення середовища певними речовинами, руйнування поверхонь, а і створення умов для зміни властивостей води і ряд інших процесів у рідинах. Це обумовлює ефективність застосування вібраційних технологічних машин в багатьох галузях промислового виробництва.

У природних умовах вода завжди містить розчинені речовини у вигляді солей та газів. Сама молекула Н₂О електронейтральна, але заряд усередині молекули розподілений нерівномірно: в області атомів водню невеликий позитивний, а в області, де розташований атом кисню, невеликий негативний заряд. Завдяки цьому молекули води можуть взаємодіяти одна з одною з утворенням так званих водневих зв'язків (рис.1). Атоми водню приєднані до атома кисню, утворюють кут 104,45^°, і ця конфігурація строго зберігається (рис.1). Через велику різницю електричних відмінностей атомів водню і кисню електронні хмари сильно зміщені убік кисню.

Рис. 1 – Водневі зв’язки води та відносне розташування її молекул

З цієї причини молекула води є активним диполем, де киснева сторона негативна, а воднева позитивна. У результаті молекули води притягаються своїми протилежними полюсами, і утворять полярні зв'язки [1]. У складі кожної молекули іон водню (протон) не має внутрішніх електронних шарів і має малі розміри, у результаті чого він може проникати в електронну оболонку негативно поляризованого атома кисню сусідньої молекули, утворити водневий зв'язок з іншою молекулою. Кожна молекула зв'язана з чотирма іншими за допомогою водневих зв'язків – два з них утворить атом кисню і два атоми водню (рис.1). Через високу полярність молекул вода є унікальним розчинником інших полярних з'єднань. Таким чином, кожна молекула води може утворити чотири водневих зв'язки за участю двох незв'язаних електронних пар атома кисню і двох поляризованих атомів водню [1].

На структуру води значний вплив має інфразвук. Водяні кластери легше всього змінюють свою структуру при інфразвукових частотах від 1 до 15 Гц [1]. Власні коливання молекул води знаходяться саме в цій області, і їхню структуру легше розгойдати і розгорнути. Такими ж частотами володіють коливання земної кори, викликані рухом Місяця і частково зірок. На Землі у кожній місцевості створюється своя комбінація таких зовнішніх впливів. І вода в кожній такій місцевості здобуває первісну оригінальну кластерну структуру. Певний вплив частоти коливань води зазнає і біополе людини яке володіє також власною частотою. Виходить, будь-який емоційний стан людини теж записується на воду усередині неї або передається чистій воді в судині або воді в організмі іншої людини. Особливо шкідливі для структури води негативні емоції – злість, гнів, агресія, нерозумна діяльність. Позитивні емоції виправляють воду [2]. Відстань впливу залежить від біоенергетики самої людини. І як відомо, чим нижче частота коливань та більше їхня потужність – тим далі вони передаються. Мова йде про механічні коливання інфразвукової частоти у рідині.

Велике значення має зміна поверхневого натягу води. Водопровідна вода, сильно відрізняється від тієї води, що оточує тканини і клітини організму людини. Поверхневий натяг водопровідної води складає 73 дини. Гідрокавітація та дія магнітного поля здатна знижувати поверхневий натяг рідини [1] до значень, майже рівних поверхневому натягові людської крові. Це полегшує транспорт живильних речовин безпосередньо в клітини і сприяє виведенню з організму токсинів.

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.

Одним зі способів поліпшення якості води є дія на неї постійним магнітним полем. У природі це відбувається природним шляхом при проходженні води через земні породи. У роботах [3, 4] показано, що під впливом магнітного поля відбувається ослаблення або розрив водневих зв'язків між молекулами води, внаслідок чого зростає їх рухливість. В той же час зміну фізико - хімічних властивостей води під впливом магнітного поля пов'язують з наявністю в ній домішок, особливо феромагнітних [5].

Одним із потужних впливів на властивості води є кавітація. У рідині вона виникає на одиничному зародку, за час у кілька десятків періодів коливань розвивається в стабільну область, що складається з безлічі кавітаційних пухирців. Процес розвитку кавітаційної області представляється у такий спосіб. При сплескуванні кавітаційний пухирець може втрачати стійкість і розпадатися на частини, а тому що тиск і температура в цей момент у пухирці максимальні, то тиск і температура газопаровій суміші в "уламках, що утворилися," теж підвищені. У фазі розтягання вони легко розширюються і стають новими зародками кавітації, менш міцними, чим постійно наявні в рідині. Кавітаційні порожнини, що виникли на цих зародках, породжують нові. Усередині кавітаційної області йде безперервний процес розмноження і коагуляції кавітаційних пухирців, причому кавітаційий поріг трохи зменшується, тому що в сталому режимі роль кавітаційних зародків починають виконувати рівноважні пухирці, обсяг і газовміст у яких більше, ніж у зародків [6].

Було проведено експериментальні дослідження по визначенню періоду зберігання основних показників стану води після одночасного оброблення гідрокаітацією та постійним магнітним полем, взятої з річки Південний Буг, та проведено оцінку структурного стану рідини методм аналізу будови кристалічних структур осаду при випарюванні краплі рідини. Їх будова залежить від енергетичних умов кристалізації.

Однією з основних умов кристалізації є пересичений стан розчину. Надалі в результаті фазових перетворень утворюються центри кристалізації, на яких і відбувається виділення речовини, що кристалізує. Таким чином, кінетика кристалізації визначається наступними умовами: пересиченням, виникненням мікрозародків (первинних аморфних часток), їхнім ростом і, нарешті, утворенням центрів кристалізації. У результаті взаємодії 2-х молекул (іонів) виникають дрібні структурні утворення, які поєднуються із третьою молекулою (іоном) і т.д. Спочатку можуть утворюватися короткі ланцюги або плоскі мономолекулярні шари. У цих умовах сили відштовхування молекул (іонів) друг від друга виявляються менше сил їхнього взаємного притягання й рівнодіюча цих сил приводить до агломерації даних молекул (іонів), до утворення ними елементів кристалічної решітки, тобто до виникнення кристалічного зародка, що є елементарною часткою твердої фази.

Суть кристало-оптичного метода дослідження структурного стану води полягає у наступному. Краплі води, взятої з річки, а також після її одночасного оброблення кавітацією та постійним магнітним полем, наносились на скло та висушувались при кімнатній температурі. Потім за допомогою мікроскопів МИМ-10 та МБС-10 проводилось фотографування їх характерних дільниць.

Досліджено структурну будову кристалів осаду краплі води з річки, необробленої, які представлені на рис. 2. Форма кристалів осаду має дендритну структуру, особливо у крайовій зоні, це говорить про певну упорядковану кластерну структуру води із значним поверхневим натягом.

а	б

Рис. 2 – Фотографія структурної будови кристалів на різних дільницях осаду краплі води з річки, не обробленої : а – збільшення (1см = 25 мкм) ;

б – збільшення (1см = 15 мкм)

Проведено експериментальне дослідження одночасного пливу кавітації та постійного магнітного поля на показники води з річки: TDS, pH, ORP.

Дослідження проводились на експериментальній установці [7] у якій є можливість змінювати частоту коливань рідини в межах від 4 до 25 Гц та амплітуди від 1 до 3 мм. Виникнення гідрокавітації у вібраційному обладнанні було досягнуто при наступних параметрах коливань приводу: частоті 14 Гц та амплітуді 2 мм.

Результати досліджень представлені у вигляді графіків на рис. 3. З яких видно, що застосування при обробленні води одночасного впливу кавітації та магнітного поля збільшує рН до 9,0 од. Це говорить про розрив водневих зв’язків між молекулами рідини. Але показник ORP за період оброблення 20 хвилин знижується, але потім за першу годину збільшується та надалі з часом падає. Цю поведінку показника ORP також можливо пояснити вилученням впливу магнітного поля після закінчення 20 хвилинного оброблення. Зміна вмісту загальної мінералізації з часом (показник TDS) спостерігається у сторону зменшення від 600 мг/дм³ до 570 мг/дм³ , також на відміну від складу води з крану, у річковій воді залишається у зрівноваженому стані значна частка окислених органічних забруднень, яка на фотографіях (рис. 4, рис. 5) виглядає світлими вкрапленнями.

Рис. 3 – Зміна показників води з річки: TDS, pH, ORP з часом під впливом одночасної дії кавітації та постійного магнітного поля

а	б

Рис. 4 – Фотографія структурної будови кристалів на різних дільницях осаду краплі води з річки, обробленої протягом 20 хвилин кавітацією з одночасною дією магнітного поля: а – збільшення (1см = 15 мкм) ;

б – збільшення (1см = 15 мкм)

а	б

Рис. 5 – Фотографія структурної будови кристалів на різних дільницях осаду краплі води з річки, обробленої кавітацією з одночасною дією магнітного поля, через три доби: а – збільшення (1см =25 мкм); б – збільшення

(1см = 15 мкм)

Загальна структурна будова кристалів на різних дільницях осаду краплі води з річки, обробленої кавітацією з одночасною дією магнітного поля показує, що спостерігається рівномірний розподіл та округла форма кристалів осаду. Це пояснюється низьким поверхневим натягом, розривом водневих зв’язків, структуризацією води.

Провівши ряд досліджень зміни властивостей води та її структурного стану кристало - оптичним методом, встановлено, що найбільш значний влив на зміну властивостей води та її структуризацію призводить гідрокавітація з одночасним впливом магнітного поля. З проведених досліджень встановлено, що отриманий стан активації води зберігається до трьох суток, після чого відбувається стабілізація показників: рН, ORP, але на рівні значно більшим чим вихідний. Показник TDS зменшується з часом для води з річки та стабілізується на певному рівні (нижчому за вихідний) з причини наявності органічних часток. Проведені дослідження показали перспективність застосування запропонованих методів для очищення та активації води.

Кавітаційно-магнітний вплив на рідке середовище, за рахунок вище вказаних ефектів, дозволяє досягнути певної зміни властивостей води, суттєвої інтенсифікації структурних перетворень у водних потоках.

Джерела інформації:

1. Ларионов А.К. Занимательная гидрогеология /

А.К. Ларионов. – Москва: Недра, 1979. – 157 с.

2. Сілін Р.І. Властивості води та сучасні способи її очищення : монографія / Р.І. Сілін, Б.А. Баран, А.І. Гордєєв. – Хмельницький : ХНУ, 2009. – 254 с. : іл.

3. Баран Б.А. Вплив магнітного поля на фармакодинаміку деяких сполук / Б.А. Баран // Науковий вісник Ужгородського ун-ту. – 1999.– вип.4.– С.154-156.

4. Баран Б.А. Влияние магнитного поля на кинетику химических реакций / Б.А. Баран // Укр. хим. журнал. – 1998. – Т.64, №4. – С. 26-29.

5. Миненко В.И. Електромагнитная обработка воды в теплоэнергетике / В.И. Миненко. – X.: Изд-во при Харьков. гос. ун-те, 1981. – 96 с.

6. Розенберг Л.Д. Кавитационная область // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. – М.: Наука, 1968. – Ч. 6. – С. 221 - 266.

7. Силин Р.И. Применение гидропульсатора как модуля при проектировании вибрационных машин / Р.И. Силин, А.И. Гордеев // MECHANIKA Z. 59. Modulowe technologie i konstrukcie w budowej maszyn : materialy 3. Miedzynarodowej konferencji „Naukowo-Technicznei-MTK 2002”. – Rzeszow, 2002. – С. 29–33