CC BY
104Вестник Томского государственного университета. Химия. 2015. № 2. С. 20-29
УДК 541.139:666.9.015.7 DOI: 10.17223/24135542/2/3
Ю.С. Саркисов1, Н.П. Горленко1, В.Н. Сафронов1, С.А. Кугаевская1, М.А. Ковалева1, Т.А. Ермилова1, Д.А. Афанасьев2
1 Томский государственный архитектурно-строительный университет (г. Томск, Россия)
2 Научно-исследовательская организация «Сибур-Томскнефтехим» (г. Томск, Россия)
Температурные отклики воды и водных растворов на внешнее воздействие магнитным полем
В работе приведены исследования изменения свойств и структуры воды и водных растворов при внешнем воздействии циклическим магнитным полем. Методами рН-метрии, визуализации тепловых потоков на поверхности жидкости, УФ-спектроскопии показано, что активирование внешним низкоэнергетическим магнитным полем приводит к увеличению кислотности среды, к проявлению эбулиомагнитного эффекта, заключающегося в повышении температуры поверхностного слоя воды, и к повышению оптической плотности воды. Наблюдаемые эффекты объясняются образованием фрактальных ячеистых структур, диспергированием наиболее крупных кластеров воды на более мелкие фрагменты.
Ключевые слова: вода; водные растворы; кислотность среды; кластеры; магнитное поле.
Введение
Влияние магнитного поля на воду и водные среды различного состава и происхождения до сих пор остается слабо изученным и вызывает острые дискуссии среди ученых как в нашей стране, так и за рубежом [1—5]. Современные достижения физики конденсированного состояния вещества позволяют утверждать, что вода и водные растворы электролитов проявляют высокую чувствительность даже к слабым внешним воздействиям путем изменения своих свойств и структуры [6].
С использованием информационных технологий и инфракрасной техники для наблюдения водных поверхностей удалось надежно зафиксировать ячеистые макроструктуры, возникающие при конвекции воды. Тепловидение позволяет не только наблюдать неразличимые глазом структуры воды, но и регистрировать динамику их изменения [7]. Наибольшее распространение получили инфракрасные камеры с температурной чувствительностью 0,02°С, временным разрешением 100-200 кадров в секунду, и пространственным разрешением (3-5) *10-5 м, основанные на матричной регистрации сигналов [6].
Очевидно, что сопоставление при прочих равных условиях тепловизион-ных изображений контрольного и обработанного магнитным полем образцов воды представляет значительный теоретический и практический интерес.
В этой связи установление закономерностей изменения физикохимических свойств воды при понижении или повышении температуры 20
20
Температурные отклики воды и водных растворов
при атмосферном давлении приобретает особую актуальность. В работе [8] показано, что при понижении температуры кислотность воды возрастает, а при повышении наблюдается ее увеличение (табл. 1).
Т а б л и ц а 1
Зависимость показателя ионного произведения воды и кислотности растворов от температуры
Температура, °С Ионное произведение воды рН
0 1,139х10-16 7,97
18 5,702х10--15 7,11
25 1,008х10-14 7,00
50 5,474х10-14 6,63
100 5,900х10-13 6,12
Магнитная обработка воды, очевидно, также должна приводить к изменению температуры и рН среды.
Материалы и методы исследования
В работе исследовались дистиллированная, водопроводная и минеральные воды разного состава как в обычном, так и в газонаполненном состоянии. Составы водных сред и их свойства приведены в табл. 2.
Химический состав жидких сред
Т а б л и ц а 2 21
Тип воды Химический состав, мг/л Общая минера- лизация, мг/л
Анионы Катионы Приме- си, мг/л
Cl- HCO3- 1 ■'Т о Mg2+ Ca2+ Na+ +R+
Хлоридно- гидрокарбонатная натриевая (газированная) 300- 600 9001 100 150- 250 <50 <25 500- 800 - 2 0003 000
Г идрокарбонатная натриевая (газированная) 0-19 170- 300 0-19 0-6 1-10 90-140 м к 1 ££ о О 330-600
Хлоридно- карбонатная (газированная) 220- 600 440- 700 - 0,5-25 6-30 320- 410 H2SiO3 10-25 1 0001 800
Гидрокарбонатная хлоридная натриевая (газированная) 65-75 25-35 <10 <75 <50 8001 100 - 2,3-3,3
Гидрокарбонатно-хлоридная натриевая (среднегазированная) 1 0001 800 100- 900 <10 <10 <50 1 0001 400 - 2 7004 200
Гидрокарбонатносульфатная кальциево-натриевая (газированная) 300- 500 1 0002 000 9001 700 <100 300- 400 7001 200 H2SiO3 30-90 3 2005 800
21
Ю. С. Саркисов, Н.П. Горленко, В.Н. Сафронов и др.
Измерения значений рН проводили на микропроцессорном лабораторном рН-метре рН-211 производства HANNA Instruments.
Тепловизионные изображения получены на тепловизоре Flir B335 со следующими основными характеристиками (табл. 3).
Т а б л и ц а 3
Основные характеристики тепловизора Flir B335
Диапазон измерений температуры -20°С ... +120°С
Температурная чувствительность 50 мК
Частота кадров 9/30 Гц
Тип детектора Матрица в фокальной плоскости, неохлаждаемый микроболометр 320 х 240 пикселей
Цикловая магнитная обработка воды проводилась в устройстве с индукцией поля в центре канала перемещения жидкости, равной 40 мТл, согласно технологическому регламенту, описанному в [9].
Результаты эксперимента и их обсуждение
Результаты рН-метрических исследований приведены в табл. 4.
Т а б л и ц а 4
Изменение рН водных сред после различных циклов магнитной обработки 22
t, °С Тип воды Число циклов
0 5 10 15 20
23,5 Дистиллированная вода 6,31 6,38 6,28 6,23 6,33
23,7 Водопроводная вода 7,69 7,79 7,95 8,06 8,10
22,5 «Касмалинская» 5,98 6,36 6,56 6,82 7,10
22,6 «Каинская» (содержит природный йод) 6,62 6,62 7,05 7,27 7,50
22,5 Санаторий «Чажемто» 6,41 6,65 6,82 7,04 7,08
21,8 «Благая весть» 7,17 7,45 8,25 7,83 7,97
22,0 «Дальний ключ» (Ag) 8,16 8,34 7,82 8,27 8,26
21,1 Contrex 7,59 7,67 7,91 7,87 8,03
21,4 VitteL 7,77 7,84 9,51 7,97 8,02
34,0 «Омега» (негазированная) 9,55 9,51 - 9,50 9,49
11,0 «Омега» (негазированная) 9,63 - - 9,46 -
21,0 «Омега» (негазированная) 9,59 9,48 9,42 9,42 9,42
10,0 «Омега» (газированная) 5,34 5,32 5,45 5,59 5,78
22,1 «Омега» (газированная) 5,92 6,13 6,33 6,56 6,67
23,6 «Карачинская» 6,66 6,88 7,11 7,37 7,65
23,6 «Новотерская» 6,93 7,17 7,50 7,80 7,87
23,6 «Меркурий» 6,22 6,51 6,75 6,98 7,20
23,7 Чистая вода питьевая (г. Бердск) 7,57 7,61 7,60 7,72 7,67
23,4 BonAqua негазированная 6,68 6,80 6,82 6,78 6,77
23,4 BonAqua среднегазированная 5,29 5,39 5,94 5,96 5,95
23,4 BonAqua сильногазированная 4,92 5,16 5,39 5,60 5,65
22
Температурные отклики воды и водных растворов
О к о н ч а н и е т а б л. 4
t, °С Тип воды Число циклов
0 5 10 15 20
20,4 Standart O2 sport 8,62 8,59 8,63 8,65 8,66
10,0 Водопроводная вода 6,89 7,15 7,34 7,50 7,60
20,0 Водопроводная вода 7,48 7,57 7,73 7,89 7,96
46,0 Водопроводная вода 7,53 7,61 7,8 7,11 8,13
Тепловизионные изображения дистиллированной воды до и после магнитной обработки приведены на рис. 1.
а
б
в
г
Рис. 1. Вариации температур на поверхности дистиллированной воды в зависимости от количества циклов магнитной обработки: а - контрольная вода (0 циклов); б - 5 циклов; в - 15 циклов; г - 25 циклов
Результаты и их обсуждение
Хорошо известно, что в воде могут происходить процесс структурирования молекул с образованием кластеров и обратный процесс их разрушения на более мелкие фрагменты. При этом фазовый переход «вода-лед» сопровождается заметным приростом доли структурированной воды. При 23
23
Ю. С. Саркисов, Н.П. Горленко, В.Н. Сафронов и др.
повышении температуры происходит разрушение ассоциатов и, как следствие, доля раздробленных фрагментов возрастает [8].
Как видно из табл. 1, при охлаждении воды рН возрастает, а при нагревании, наоборот, снижается. Следовательно, можно предположить, что рост рН водной среды - признак структурирования, а повышение кислотности - показатель разрушения водородных связей. Как видно из табл. 3, для всех типов исследуемых вод цикловая магнитная обработка в подавляющем большинстве случаев приводит к росту рН, т.е. к процессу структурирования. Это означает, что цикловая магнитная обработка должна приводить к повышению плотности водородных связей или к повышению оптической плотности исследуемой жидкой среды. Этот вывод полностью подтверждается данными, полученными нами в работах [10, 11], методами УФ-спектроскопии исследуемых объектов до и после цикловой магнитной обработки, представленными на рис. 2.
Сопоставление данных табл. 1 и 3 позволяет выдвинуть гипотезу о неслучайном изменении температуры воды после воздействия магнитным полем по сравнению с контрольным объемом воды. Обнаруженный в настоящей работе эффект повышения температуры с увеличением числа циклов магнитной обработки предлагается назвать эбулиомагнитным эффектом. Прецизионные измерения подтвердили выдвинутые предположения для большинства типов исследуемых вод.
Рис. 2. УФ-спектры воды при циклической магнитной обработке воды
Известно, что магнитная обработка конденсированных сред приводит к диспергированию и разветвлению структур по фрактальному механизму [12, 13]. Особенно это характерно для твердых тел, как это показано, например, для кристаллов меди, оксида магния до и после магнитной обработки (рис. 3, 4). 24
24
Температурные отклики воды и водных растворов
б
Рис. 3. Кристаллы гидроксида меди, полученные без (а) и при воздействии (б) постоянного магнитного поля (увеличение *40)
■
/У*
‘.•i'.V
✓ riV'
* т
О» 4
«
■ ^
!Й*Л
К I .** ✓*.
#
А
fi О
^01
Л’ J
"-Jr
сг
б
а
Рис. 4. Кристаллы карбоната магния, полученные без (а) и при воздействии (б) постоянного магнитного поля (увеличение *40)
Очевидно, что и для жидких сред этот эффект должен также иметь место. Как видно из рис. 1, после цикловой магнитной обработки тепловизи-онная фотография поверхности слоя воды имеет более разветвленную структуру и повышенную температуру (на 1—2°С) по сравнению с контрольной.
Отсюда вытекает, что магнитное поле стимулирует процессы самоорганизации в воде, одним из следствий чего и является изменение температуры среды.
Заключение
Цикловая магнитная обработка воды и водных сред приводит к проявлению эбулиомагнитного эффекта, сопровождающегося повышением температуры воды. Эбулиомагнитный эффект, по мнению авторов, связан с тем, что после магнитной обработки происходит диспергирование гигантских и наиболее крупных кластеров на более мелкие фрагменты. Подвижность раздробленных ассоциатов в воде намного превышает таковую для 25
25
Ю. С. Саркисов, Н.П. Горленко, В.Н. Сафронов и др.
кластеров в исходном (до магнитной обработки) состоянии. Как следствие, наблюдается рост температуры.
Цикловая магнитная обработка приводит к образованию фрактальных структур в воде, формированию ячеистых структур в случае конвекции воды, повышению оптической плотности водной среды и стимулирует процессы уплотнения водородных связей.
Литература
1. Очков В.Ф. Вода и магнит // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2011.
№ 10. С. 36-48.
2. Горленко Н.П., Саркисов Ю.С. Низкоэнергетическая активация дисперсных систем.
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2011. 264 с.
3. Летников Ф.А., Кащеева Т.В., Минцис А.Ш. Активированная вода. Новосибирск :
Наука, 1976. 135 с.
4. Пасько О.А., Семенов А.В., Смирнов Г.В., Смирнов Д.Г. Активированные жидкости,
электромагнитные поля и фликер-шум. Их применение в медицине и сельском хозяйстве. Томск : Изд-во Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники,
2009. 410 с.
5. Мокроусов Г.М., Горленко Н.П. Физико-химические процессы в магнитном поле.
Томск : Изд-во Том. гос. ун-та, 1988. 128 с.
6. Воронов В.К., Подоплетов А.В. Современная физика: Конденсированное состояние :
учеб. пособие. М. : Изд-во ХИИ, 2008. 336 с.
7. Иваницкий Г.Р., Деев А.А., Хижняк Е.П. Структуры на поверхности воды,
наблюдаемые с помощью инфракрасной техники // Успехи физических наук. 2005. Т. 175. С. 1207-1216.
8. Равин-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия : учебник для мед.
ин-тов. М. : Высшая школа, 1975. 255 с.
9. Сафронов В.Н., Кугаевская С.А. Оптимизация свойств цементных композитов при
различных технологических приемах подготовки цикловой магнитной активации воды затворения // Вестник ТгАсУ. 2014. № 1. С. 85-99.
10. Горленко Н.П., Сафронов В.Н., Абзаев Ю.А., Саркисов Ю.С., Кугаевская С.А.,
Ермилова Т.А. Магнитное поле как фактор управления свойствами и структурой цементных систем. Ч. 1 : Теоретические предпосылки влияния магнитного поля на физико-химические процессы // Вестник ТГАСУ. 2015. № 3. С. 134-150.
11. Сафронов В.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Абзаев Ю.А., Кугаевская С.А., Ермилова Т.А. Роль цикловой магнитной обработки воды затворения в управлении свойствами и процессами гидратации и структурообразования цементных систем // Вестник ТГАСУ. 2014. № 4. С. 135-148.
12. Абзаев Ю.А., Сафронов В.Н., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П., Кугаевская С.А.,
Ковалева М.А., Ермилова Т.А. Магнитное поле как фактор управления свойствами и структурой цементных систем. Ч. 2 : Структурные характеристики минералов в ранние сроки твердения цементного камня при использовании магнитноактивированной воды затворения // Вестник ТГАСУ. 2015. № 4. С. 150-159.
13. Huchler L.A., Mar P.E. Non-Chemical Water Treatment System: Histories, Principles and Literature Review // International Water Conference. IwC-02-45. Pittsburgh, pA, 2002. P. 435-444.
Авторский коллектив:
Саркисов Юрий Сергеевич - профессор, д-р техн. наук, зав. кафедрой химии Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: sarkisov@tsuab.ru. 26
26
Температурные отклики воды и водных растворов
Горленко Николай Петрович - профессор, д-р техн. наук, профессор кафедры химии Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: gor-len52@mail.ru.
Сафронов Владимир Николаевич - профессор, канд. техн. наук, профессор кафедры строительных материалов и технологий Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: v.n.safronov@mail.ru.
Кугаевская Софья Александровна - аспирант кафедры строительных материалов и технологий Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: s оmanа@mai l.ru.
Ковалева Маргарита Алексеевна - доцент, канд. техн. наук, доцент кафедры строительных материалов и технологий Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: xomoch28@mail.ru.
Ермилова Татьяна Александровна - магистрант кафедры строительных материалов и технологий Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: ermilovatatyаna@icloud.com.
Афанасьев Дмитрий Александрович - снс Научно-исследовательской организации «Сибур-Томскнефтехим» (г. Томск, Россия). E-mail: a.dmitri.86@gmail.com.
Tomsk State University Journal of Chemistry, 2015, 2, 20-29. DOI: 10.17223/24135542/2/3
Yu.S. Sarkisov1, N.P. Gorlenko1, V.N. Safronov1, S.A Kugaevskaya1, M.A. Kovaleva1, T.A. Ermilova1, D.A Afanas'ev2
1 Tomsk State University of architecture and Building (Tomsk, Russia)
2 Research organization «SIBUR-Tomskneftekhim» (Tomsk, Russia)
Temperature responses of water and aqueous solutions to the external magnetic field effect
The long-term research conducted into the properties of different types of aqueous media both in common and gas-filled states, shows that the magnetic field water cycling leads to pH increase at 5, 10, 15 and 25 number of cycles and 0,04 Tfield intensity. It is shown that the temperature decrease promotes the increase of acidity, while its increase leads to the acidity reduction. Supposedly, pH increase in aqueous media characterizes its structuring and increase of acidity indicates the destruction of hydrogen bonds. These effects are stipulated by the structural properties of water such as clustering and their destruction into smaller fragments. Indirectly that can be proved by the formation of more finer crystalline structures of copper and magnesium salts obtained from aqueous solutions exposed to magnetic field cycling rather than from untreated solutions. It is obvious that the behavior of water as well as the solid phase should be similar to the magnetic field since they relate to the same condensed state of matter.
Ultraviolet spectroscopy of distilled water shows that the magnetic field cycling results in the increase of optical density of water that indicates to strengthening of hydrogen bonds and structural modification of water.
Thermal images of the aqueous surface layer demonstrate a non-uniform and non-equivalent temperature distribution before and after the magnetic field cycling. The increase in the number of cycles provides the temperature increase, the difference is several degrees as compared to the test objects. The temperature measurements with accuracy of up to 0,02°С allow detecting the new effect that is suggested to call the ebulio magnetic effect. In the authors ’ opinion, this effect can be explained by the dispersion of large water clusters after its magnetic field cycling. Small fragments formed as a result, possess a mobility higher than the original associates. Therefore, the dispersion of water clusters in magnetic field is also highly probable. As conse-
27
Ю. С. Саркисов, Н.П. Горленко, В.Н. Сафронов и др.
quence, the increase of the aqueous medium temperature is observed. The experimental results are supported by those described in the literature concerning the formation in water of different fractals, Bernard cells, Turing structures, and other structural types.
The experimental findings allow expanding the theoretical ideas on a mechanism of interaction between the magnetic field cycling and aqueous solutions. New regularities of the ebulio magnetic effect can be discovered only after further investigations.
Key words: water; aqueous solutions; pH measurements; clusters; magnetic field cycling.
References
1. Ochkov, V.F. (2011) Voda i magnit [Water and magnet], Vodoochistka. Vodopodgotovka.
Vodosnabzhenie. 10. pp. 36-48.
2. Gorlenko, N.P. & Sarkisov, Yu.S. (2011) Nizkoenergeticheskaya aktivatsiya dispersnykh
system [Low-energy activation of dispersion systems]. Tomsk: Tomsk State University of Architecture and Building.
3. Letnikov, F.A., Kashcheeva, T.V. & Mintsis, A.Sh. (1976) Aktivirovannaya voda [Activat-
ed water]. Novosibirsk: Nauka.
4. Pas'ko, O.A., Semenov, A.V., Smirnov, G.V. & Smirnov, D.G. (2009) Aktivirovannye zhidkosti, elektromagnitnye polya i fliker-shum. Ikh primenenie v meditsine i sel'skom khozyaystve [Activated liquids, electromagnetic fields and flicker noise. Their applications in medicine and agriculture]. Tomsk: Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics.
5. Mokrousov, G.M. & Gorlenko, N.P. (1988) Fiziko-khimicheskie protsessy v magnitnom pole [Physicochemical processes in magnetic field]. Tomsk: Tomsk State University.
6. Voronov, V.K. & Podopletov, A.V. (2008) Sovremennaya fizika: Kondensirovannoe sos-
toyanie [Modern physics: Condensed matter]. Moscow: XII.
7. Ivanitskiy, G.R., Deev, A.A. & Khizhnyak, E.P. (2005) Struktury na poverkhnosti vody,
nablyudaemye s pomoshch'yu infrakrasnoy tekhniki [Water surface structures detected by infra-red techniques]. Uspekhi fizicheskikh nauk - Advances in Physical Sciences. 175. pp. 1207-1216.
8. Ravin-Shcherbo, M.I. & Novikov, V.V. (1975) Fizicheskaya i kolloidnaya khimiya [Physi-
cal chemistry and colloidal chemistry]. Moscow: Vysshaya shkola.
9. Safronov, V.N. & Kugaevskaya, S.A. (2014) Optimizatsiya svoystv tsementnykh kompozitov pri razlichnykh tekhnologicheskikh priemakh podgotovki tsiklovoy magnit-noy aktivatsii vody zatvoreniya [Optimization of properties of cement composites at different magnetic activation techniques of mixing water]. Vestnik TGASU - Vestnik of TSUAB. 1. pp. 85-99.
10. Gorlenko, N.P., Safronov, V.N., Abzaev, Yu.A., Sarkisov, Yu.S., Kugaevskaya, S.A. & Ermilova, T.A. (2015) Magnitnoe pole kak faktor upravleniya svoystvami i strukturoy tsementnykh sistem. Ch. 1: Teoreticheskie predposylki vliyaniya magnitnogo polya na fiziko-khimicheskie protsessy [Magnetic field as factor of control for structure and properties of cement systems. Part 1. Theoretical prerequisites for magnetic effect on physicochemical processes]. Vestnik TGASU - Vestnik of TSUAB. 3. pp. 134-150.
11. Safronov, V.N., Gorlenko, N.P., Sarkisov, Yu.S., Abzaev, Yu.A., Kugaevskaya, S.A. & Ermilova, T.A. (2014) Rol' tsiklovoy magnitnoy obrabotki vody zatvoreniya v upravlenii svoystvami i protsessami gidratatsii i strukturoobrazovaniya tsementnykh system [Mixing water magnetic activation cycle effect on hydration and structure formation of cement systems]. Vestnik TGASU - Vestnik of TSUAB. 4. pp. 135-148.
12. Abzaev, Yu.A., Safronov, V.N., Sarkisov, Yu.S., Gorlenko, N.P., Kugaevskaya, S.A., Kovaleva, M.A. & Ermilova, T.A. (2015) Magnitnoe pole kak faktor upravleniya
28
Температурные отклики воды и водных растворов
svoystvami i strukturoy tsementnykh sistem. Ch. 2: Strukturnye kharakteristiki mineralov v rannie sroki tverdeniya tsementnogo kamnya pri ispol'zovanii magnitno-aktivirovannoy vody zatvoreniya [Magnetic field as control for structure and properties of cement systems. Part 2. Structural properties of minerals at cement brick early hardening using mixing water magnetic activation]. Vestnik TGASU- Vestnik of TSUAB. 4. pp. 150-159.
13. Huchler, L.A., Mar, P.E. (2002) Non-Chemical Water Treatment System: Histories, Principles and Literature Review. International Water Conference. IWC-02-45. Pittsburgh, PA. pp. 435-444.
Information about authors:
Sarkisov Yurii Sergeevich, DSc; Professor; Head of Chemistry Department, Tomsk State University of architecture and Building. E-mail: sarkisov@tsuab.ru.
Gorlenko Nikolai Petrovich, DSc; Professor; Chemistry Department, Tomsk State University of architecture and Building. E-mail: gorlen52@mail.ru.
Safronov Vladimir Nikolaevich, PhD; Professor; Construction Engineering Technology Department; Tomsk State University of architecture and Building. E-mail: v.n.safronov@mail.ru.
Kugaevskaya Sof'ya Aleksandrovna, Research Assistant; Construction Engineering Technology Department; Tomsk State University of architecture and Building. E-mail: somana@mail.ru.
Kovaleva Margarita Alekseevna, PhD; A/Professor; Construction Engineering Technology Department; Tomsk State University of architecture and Building. E-mail: xomoch28@mail.ru.
Ermilova Tat'yana Aleksandrovna, Undergraduate Student; Construction Engineering Technology Department; Tomsk State University of architecture and Building. E-mail: ermilovatatyana@icloud.com. Afanas’ev Dmitrii Aleksandrovich, Senior Research Fellow; research organization ‘SIBUR-tomskneftekhim’. E-mail: a.dmitri.86@gmail.com. 29
29
