CC BY
29УДК 544.77.03
Dodarbek S. Asimov1, Igor L. Skrypnyk2, Boris V. Pekarevsky3, Alexey V. Ivanov 4
physical-chemical properties and colloidal features of electrophysically modified water and acrylic hydrogels during using their fire extinguishing and wound-healing capabilities
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia
St-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM, Moskovsky Pr., 149, St Petersburg, 196105, Russia e-mail: [email protected]
The effect of a variable frequency modulated signal on the properties of water and an acryic hydrogel based on it is considered. As a result of the experiments, changes in the physicochemical properties and features of thhe supramo-lecular structure of water are observed. The use of hydrogel based on electrophysically modffied (EFM) water as a fire extinguishing agent has shown efficiency of more than 60% compared to ordinary water, and its wound heaiing effect during thermal lesions accelerated wound healing by 15 % compared to other means.
Key words: variable frequency modulated signal, distilled water, physicochemical properties, colloid chemical properties of EPM, hydrogel, carbopol, acrylic polymer.
Введение
Несмотря на многовековой интерес к свойствам воды, вопросы изменения ее характеристик и внутреннего состояния под влиянием внешних факто-
Д.С. Азимов1, И.Л. Скрипник2 , Б.В. Пекаревский 3 ,
А.В. Иванов 4
физико-химические
свойства и коллоидные
особенности электрофизически „ модифицированной воды и акрилового гидрогеля при использовании их огнетушащих и ранозаживляюших возможностей
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС России, Московский пр., 149, Санкт-Петербург, 196105, Россия e-mail: [email protected]
Рассмотрено воздействие переменного частотно-модулированного сигнала на свойства воды и акрилового гидрогеля на ее основе. В результате экспериментов наблюдаются изменения физико-химических свойств и особенности надмолекулярной структуры/ воды/. Использование гидрогеля на основе электрофизически модифицированной (ЭФМ) воды! как огнетуша-щего вещества, показало эффективность более чем на 60% по сравнению с обычной водой, а его ранозажив-ляющее действие при термических поражениях ускоряло заживление ран на 15 %, по сравнению с другими средствами.
Ключевые слова: переменный частотно-модулированный сигнал, дистиллированная вода, физико-химические свойства, коллоидно-химические свойства ЭФМ, гидрогель, карбопол, акриловый полимер.
ров остаются предметом многих теоретических и экспериментальных исследований.
В настоящее время увеличиваются области использования воды, предварительно обработанной электрическим полем, поэтому содержание данной статьи имеет актуальное значение.
1. Азимов Додарбек Садриддинович, аспирант, каф. инженерной защиты окружающей среды, e-mail: [email protected] Dodarbek S. Azimov, Post-graduate student, Department of engineering environment protection
2. Скрипник Игорь Леонидович, канд. техн. наук, профессор каф. пожарной безопасности технологических процессов и производств, СПб ун-т ГПС МЧС России
Igor L. Skrypnyk, Ph.D (Eng.), Professor Department of fire safety of technological processes and production, SPbUSFESE
3. Пекаревский Борис Владимирович, канд. хим. наук, доцент, каф. технологии нефтехимических и углехимических производств, СПбГТИ(ТУ)
Boris V. Pekarevsky Ph.D. (Chem.), Associate Professor, Department of Technology of Petrochemical and Coal Chemical Production, SPbSIT(TU)
4. Иванов Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, каф. пожарной безопасности технологических процессов и производств, СПб ун-т ГПС МЧС России
Alexey V. Ivanov, Ph.D (Eng.), Associate Professor Department of fire safety of technological processes and production, SPbUSFESE Дата поступления - 31 октября 2018 года
Проводимые исследования в медицине свидетельствуют, что воздействие электрических и магнитных полей на воду приводит к увеличению ее фармакологических параметров. Но пока еще в полной мере не изучены способы влияния переменно-частотно модулированного сигнала (ПЧМС) на воду, что привлекает интерес исследователей к этой проблеме [1].
Влияние электрического поля вызывает изменение водородных связей: длины О-Н или углов Н-О-Н. Это приводит к росту дипольного момента, его расширению и сдвигу в низкую область частотного диапазона полос поглощения в колебательных спектрах воды.
Водородная связь - это особый вид внутримолекулярного взаимодействия между реакционноспо-собными группами. Она отличается направленностью и насыщаемостью, но обладает низкой прочностью по сравнению с ван-дер-ваальсовыми силами других веществ. Ее энергия меньше энергии химической связи, вследствие этого водородные связи малоустойчивы и под воздействием различных внешних факторов могут разрушаться.
Увеличенное содержание водородных связей в структуре воды, ее метастабильность строения позволяет реагировать на частотно- модулированные электрические поля [2]. В этом случае происходит переориентация молекул воды, изменяется кластерная структура. Данный процесс можно наблюдать при исследовании материалов способом спектроскопии комбинированного рассеяния (КР-спектроскопии) [3, 4].
Обработка воды электрическим методом состоит в воздействии постоянных электрических полей на поток воды, проходящий перпендикулярно электрическим силовым линиям.
До настоящего времени механизм влияния переменных электрических полей на воду и ее примеси неясен. Но, высказан ряд гипотез, которые можно классифицировать на три группы:
1. Электрическое поле, воздействуя на воду, разрушает мелкие загрязнения, размером до 0,1 мкм, находящиеся в ней. Твердая фаза не оседает на стенках емкостей, а выводится в виде шлама.
2. Аномальные свойства воды, приобретенные в результате действия электрического поля, объясняются поляризацией и деформацией ионов солей, которые сближаются и образуют кристаллическую твердую фазу, поэтому вместо накипи появляется тонкодисперсный шлам.
3. Данная теория предполагает, что электрическое поле оказывает воздействие непосредственно на надмолекулярную структуру воды. Возможно изменение электрическим полем валентного угла воды и его уменьшение более, чем на 2°. Это вызывает повышение дипольного момента молекулы и изменению взаимодействия между ними с укрупнением их структуры.
Задачи и материалы исследования
В статье исследуется влияние ПЧМС на физико-химические свойства и коллоидно-химическое состояние надмолекулярной структуры воды, предназначенной для получения гидрогеля на основе редкосши-тых акриловых полимеров (карбопола «ЕДТ 2020»).
Основными задачами исследования является изучение влияния ПЧМС на:
- физико-химические свойства и коллоидно-химическое состояние надмолекулярной структура дистиллированной воды;
- свойства акриловых гидрогелей на основе электрофизической модифицированной воды как потенциальных огнетушащих и огнезащитных веществ, так и медикаментозных противоожоговых средств.
Для проведения экспериментальных исследований использовался прибор «ТР-1» со следующими параметрами: подключается к сети переменного тока напряжением равным 220 В; частотой 50 Гц; на выходе прибора сигнал подается через одиночный медный электрод с потенциалом 12 В.
Результаты и обсуждения
Как следует из работ [5, 6] воздействие электрического поля не только изменяет физико-химические свойства, надмолекулярную структуру воды, но и определенное время сохраняет эти изменения и передаёт их другим веществам, изготовленным на основе модифицированной воды.
Для исследования надмолекулярной структуры дистиллированной воды при воздействии ПЧМС использовался метод динамического рассеяния света. Измерения методом динамического рассеяния проводились с помощью спектрометра Photocor complex.
Результаты показывают кардинальное перераспределение пространственных характеристик кластеров воды (таблица 1).
Таблица 1. Размеры и концентрации кластеров электрофизически модифицированной дистиллированной воды/ в сравне-__нии с контрольным образцом
Параметры Длительность электрофизической модификации, мин
Контрольная 15 30 45 60
Размер структур, нм 3 2,9 2,5 2,3 2,3
Концентрация кластеров, % 51,8 52 53,2 53,7 53,7
Такое варьирование размеров структурных образований дистиллированной воды объясняется повышением подвижности молекул, происходящим с поглощением энергии переменного электрического сигнала, вызывающим ослабление водородных связей, влекущее перестройку надмолекулярных образований.
С прекращением электрофизического воздействия на воду, в системе происходит постепенное восстановление нарушенных связей, снова появляются новые ассоциаты, характерные для нового равновесного состояния молекул воды.
При электрофизическом воздействии на воду изменяется их надмолекулярная структура, способствуя дальнейшим изменениям ряда физико-химических констант за счет перестройки их кластеров из трехмерных в двухмерные. При исследовании влияния ПЧМС на физико-химические свойства дистиллированной воды были выявлены их изменения, представленные в таблице 2. Предполагается, что они обусловлены ослаблением ряда водородных связей и происходящими при этом супромолекулярными перестроениями. Учитывается тот факт, что ПЧМС оказывает положительное воздействие на дистиллированную воду, повышая ее биологическую активность (осмотическое давление).
Таблица 2. Физико-химические свойства дистиллированной воды при электрофизической модификации
Изменяемые параметры Длительность обработки воды ПЧМС, мин
0 15 30 45 60
Поверхностное натяжение, (ДСТ1/СТ0 '100 %) 0 - 12,0 - 20,4 - 25,5 - 28,9
Масса испарившейся жидкости, (Дт1/ Дт0 100%) За 15 мин 0 + 13,2 + 20,4 + 31,7 + 40,0
За 30 мин 0 + 11,9 + 18,3 + 20,9 + 25,0
За 45 мин 0 + 4,2 + 9,8 + 12,0 + 16,6
За 60 мин 0 + 3,6 + 6,9 + 9,0 + 11,3
Динамическая вязкость, (Д|1/ Д|0'100 %) 0 - 0,8 - 1,8 - 2,2 - 2,7
Плотность, (Др1/ Др0 100 %) 0 - 0,1 - 0,1 - 0,1 - 0,1
Осмотическое давление, (Дп1/ Дп0 100 %) 0 + 8,6 + 14,3 + 28,6 + 37,2
Как следует из данных таблицы 2, в результате воздействия переменного частотно-модулированного сигнала на физико-химические свойства воды наблюдаются изменения физико-химических свойств, снижение плотности, поверхностного натяжения на 11^28 % в зависимости от длительности воздействия переменного электрического сигнала, времени истечения (на 2,9 %) и увеличение интенсивности испарения дистиллированной воды (на 1,57 %). Изменение поверхностного натяжения можно объяснить следующим - сила сцепления друг с другом молекул обработанной воды, вероятно, слаба (что может быть вызвано разрывом некоторых водородных связей). Для энергетически неуравновешенных молекул поверхностного слоя обработанной воды возникает возможность образовывать дополнительные, вероятно, более слабые водородные связи с атомами кислорода. Сила связи межмолекулярного сцепления (когезии) слабее, поэтому и значение поверхностного натяжения меньше.
Далее были исследованы гидрогели, полученные на основе взаимодействия модифицированной воды и карбопола ЕТД 2020 [8].
Данные исследования свидетельствуют о том, что концентрация полимера влияет на степень набухания карбопола. Проводился эксперимент влияния электрофизической модифицированной воды на степень набухания акрилового полимера (рисунок 1).
120
100
*
те 80
то
а
ю пз 60
X
л
■•-> [= 40
О)
б
20
1
50
100 150
Длительность набухания, мин
200
250
Рисунок 1. Зависимость степени набухания карбопола от длительности воздействия электрофизической модифицикации на воду (1-степень набухания карбопола в дистиллированной воде, 2-степень набухания карбопола в электрофизически модифицированной дистиллированной воде) при постоянной температуре
Доказано, что вода свои физико-химические характеристики, после обработки ПЧМС, передаёт в некоторые параметры гидрогелей. Эксперимент проводился при постоянной температуре Т = 25 °С.
Далее проводились исследования влияния ПЧМС на физико-химические свойства воды в структуре гидрогеля. Определяли смачивающую способность гидрогеля на основе модифицированной и не модифицированной воды при одинаковых концентрациях АП на каждый опыт (0,1; 0,2; 0,25 и 0,3 % мас) и одинаковой концентрации катализатора ^Н4ОН) 0,1 % мас. В качестве модели использовался брусок древесины хвойных пород длинной L = 0,60 м и шириной а = 0,12 м. Из сосуда на плоскость бруска под углом 90° подавали гелиевые составы с различной длительностью модификации. Фиксировалось время перемещения по бруску водногелевого состава под заданными углами. Результаты экспериментов приведены на рисунке 2.
Рисунок 2. Изменение динамической вязкости гидрогеля в зависимости от концентрации карбопола при влиянии ПЧМС
Результаты экспериментов (рисунок 2) показывают, что динамическая вязкость у акриловых гидрогелей на основе электрофизической модифицированной воды, в сравнении с контрольным образцом, меньше на 6^26 %, это говорит о том, что вода свои физико-химические свойства и коллоидно-химические характеристики после воздействия сохраняет и в виде гидрогеля.
Исследование огнетушащих и огнезащитных возможностей электрофизически модифицированного акрилового гидрогеля для пожаротушения. Результаты влияния ПЧМС на огнетушащие и огнезащитные свойства гидрогеля с различной концентрацией акрилового полимера и электрофизически модифицированной / немодифицированной воды приведены в таблице 3.
В качестве моделей очагов пожара использовали древесные опилки с влажностью от 15 до 20 % мас.
Таблица 3. Контрольны/в измерения в модельных очагах при тушении пожаров класса «А» __с помощью гидрогеля.
Интенсивность подачи, Массовая концентрация карбопола, %
л/(ом2) I=Q/n тт -60 0 0,10 0,20 0,25 0,30
Контрольная 0,026
Гидрогель 0,025 0,023 0,023 0,023 0,022
Гидрогель + ПЧМС 0,024 0,023 0,023 0,022
Объем (V), л Массовая концентрация карбопола, %
0 0,10 0,20 0,25 0,30
Контрольная 2,64±0,3
Гидрогель 2,71 ± 0,03 2,20 ± 0,04 1,52 ± 0,02 1,06 ± 0,03 0,71 ± 0,02
Гидрогель + ПЧМС 2,65 ± 0,03 2,06 ± 0,04 1,41± 0,02 0,96 ± 0,03
Длительность тушения очага, с Массовая концентрация карбопола, %
0 0,10 0,20 0,25 0,30
Контрольная 41,4±0,50
Гидрогель 44,3 ± 0,38 35,9 ± 0,25 25,0 ± 0,25 18,4 ± 0,30 13,7 ± 0,35
Гидрогель + ПЧМС 41,4 ± 0,38 34,1 ± 0,25 23,8 ± 0,25 16,7 ± 0,30
Удельный расход, Массовая концентрация карбопола, %
л/м2 дуд = Qc™ / п 0 0,10 0,20 0,25 0,30
Контрольная 1,12±0,3
Гидрогель 1,25 ± 0,01 0,90 ± 0,02 0,78 ± 0,02 0,50 ± 0,02 0,36 ± 0,05
Гидрогель + ПЧМС 1,15 ± 0,02 0,85 ± 0,02 0,72 ± 0,02 0,42 ± 0,02
Данные из таблицы 3 свидетельствуют, что при использовании электрофизически модифицированных гидрогелей интенсивность подачи и удельного расхода огнетушащих веществ при тушении пожара снижается до 64 % (при концентрации карбопола 0,25 %) и до 66 % сокращается время тушения пожара. Видно, что оптимальная концентрация полимера в гидрогеле при тушении пожара это 0,25 % карбопола от общей массы.
Доклинические исследования электрофизически модифицированного гидрогеля как ранозаживля-ющего средства при термических поражениях. Ожоговые раны были нанесены 25 беспородным лабораторным крысам массой 250^300 г. В ходе эксперимента соблюдались международные принципы европейской конвенции о гуманном обращении с лабораторными животными. Исследование проводили под общим эфирным наркозом по методике F.C. Regas, H.P. Ehrlich (1992). Методика выполнения эксперимента предусматривала нанесение контактного ожога II-III степени на кожу спины, освобожденную от шерсти. Ожог наносили на 10-15 % поверхности тела.
Все подопытные животные были разделены на 5 групп по 5 крыс в каждой: одну контрольную и четыре опытных.
В эксперименте были использованы 4 вида
средств:
1) гидрогель - карбопол (акриловый полимер), модифицированный частотно-модулированным потенциалом;
2) гидрогель - карбопол (акриловый полимер), немодифицированный
3) противоожоговая мазь с Левомеколем;
4) антимикробный гель с серебром.
У животных I группы после нанесения электрофизически модифицированного гидрогеля раны закрылись и стали заживать на 5-е сутки после травмы, на 15-е сутки зажили полностью. Группа II проходила лечение не модифицированным гидрогелем, вре
мя закрывания ран 6 суток, а время заживления ран более 17 суток. В группах III и IV улучшения появились лишь на 18-19 сутки (таблица 4).
Таблица 4. Срок заживления ожога II-III степени
Исследуемая группа Сутки закрытие ран Сутки полное закрытие ран
Контрольная группа 10 26
1) Гидрогель - карбопол (акриловый полимер) модифицированный частотно- 5 15
модулированным сигналом;
2) Гидрогель - карбопол (акриловый полимер) необработанный 6 17
3) Противоожоговая мазь с Левомеколь 6 18
4) Антимикробный гель с серебром 6 19
Применение гидрогеля на основе ПЧМС обработанной воды позволяет ускорить процесс раневой регенерации почти на 20 % (таблица 5), заживление и очищение ожоговой раны, создаёт влажную среду в зоне повреждения, что способствует раннему автоли-тическому очищению раны и приводит к уменьшению микробного загрязнения.
Таблица 5 - Влияние некоторых гидрогелей на ло-_кальное заживление ран после ожогов
Исследовательская Длительность Длительность
группа очистки, сут заживления, сут
Контрольная 20 25
1) 10 15
2) 12 18
3) 12 18
4) 12 19
Важным следует отметить относительную активность «контрольного» образца (гидрогель, сравниваемый с образцами 3 и 4), представляющий собой безреагентный субстрат, подвергнутый электрофизическому воздействию, используемый для приготовления образца. Применение образца 2 позволяет сократить время очистки раны, улучшает результаты исцеления, снижает возможность инфицирования раны, следовательно возможно даже применение образца «контрольный» для лечения травм кожи.
Выводы
Изучено изменение надмолекулярной структуры дистиллированной воды при воздействии ПЧМС и выявлено уменьшение размеров кластеров воды на 0,7 нм.
Экспериментально подтвержден факт изменения физико-химических свойств воды вследствие перестройки ее структуры под воздействием ПЧМС. Полученные результаты свидетельствуют о том, что под воздействием ПЧМС, уменьшается динамическая вязкость (|) на 2,68 %, плотность (р) на 0,11 %, поверхностное натяжение (а) на 11^28 %, а испаряемость электрофизически модифицированной дистиллированной воды увеличивается на 11^40 %, по сравнению с необработанной.
Обоснована и подтверждена гипотеза о возможности использования гелеобразователя - карбопо-ла ЕШ-2020 для фиксирования изменений надмолекулярной структуры воды в водногелевых составах на основе воды, модифицированной ПЧМС.
Определено, что обработка ПЧМС как воды, так и собственно гидрогелей обуславливает применение их в качестве огнетушащих веществ, позволяя сократить время тушения модельных очагов пожаров класса «А» по сравнению с традиционными огнетуша-щим веществом-водой (более, чем на 60%), заметно снижая интенсивность ее подачи (на 60%), и ее удельный расход (до 65%).
Осуществлено комплексное изучение гидрогелей на основе карбопола ЕТД-2020 и ЭФМ воды как комбустологического средства. Обнаружено, что гидрогель, приготовленной на их основе ускоряет эпите-лизацию кожи (более, на 15%) и способствует более быстрому заживлению ожоговых поражений по сравнению с известными фармпрепаратами.
Литература
1. Мусиенко КС, Игнатова Т.М., Глазкова ВВ.В. Изучение влияния физических полей на физико- химические свойства воды // Биомедицинская инженерия и электроника. 2014. № 2. С. 84-90.
2. Стукалов П.С, Васильев Е.В. Магнитная обработка воды. Л. Судостроение, 1969. С. 192.
3. Иванов А.В, Кадочникова Е.Н., Плотникова А.С. Исследование спектров комбинационного рассеяния воды в условиях воздействия переменного частотно-модулированного потенциала // Известия СПбУГПС МЧСР. 2014. №4. С. 45-50.
4. Юдина Е.П. Влияние магнитного и электрического полей на свойства гелей оксигидрата иттрия: дис. ... канд. хим. наук. Челябинск, 2006. 130 с.
5. Иванов А.В., Торопов Д.П., Ивахнюк Г. К, Федоров А.В., Кузьмин А.А. Исследование огнетушащих свойств воды и гидрогелей с углеродными наноструктурами при ликвидации горения нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность. 2017. Т. 26. № 8. С. 3144.
6. Иванов А.В, Скрипник И.Л, Сорокин А.Ю, Савенкова А.Е. Научно-методические основы управления электростатическими свойствами жидких углеводородов для обеспечения пожарной безопасности предприятий нефтегазового комплекса // Техносфер-ная безопасность. 2018. № 2(19). С. 98-109. URL: http://uigps.ru/sites/defau lt/fi les/jyrnal/% D0%A2% D0%9 1%202%202018/13.pdf
7. ISO 2811-1: 2011. Краски и лаки. Определение плотности. Часть1. Метод пикнометра. М: Стан-дартинформ. 2013. С. 8.
8. Успенская М.В. Акриловые гидрогели в качестве полимерных связующих: автореф. дис. ... д-р техн. наук. СПб., 2009. 39 с.
References
1 Musienko K.S., Ignatova T.M, Glazkova V.V. Izuchenie vlijanija fizicheskih polej na fiziko- himicheskie svojstva vody // Biomedicinskaja inzhenerija i jelektronika. 2014. № 2. S. 84-90.
2. StukalovP.S, Vasll'evE.V. Magnitnaja obrabot-ka vody. L. Sudostroenie, 1969. S. 192.
3. Ivanov A.V., Kadochnikova E.N, Plotnikova A.S. Issledovanie spektrov kombinacionnogo rassejanija vody v uslovijah vozdejstvija peremennogo chastotno-modulirovannogo potenciala // Izvestija SPbUGPS MChSR. 2014. № 4. S. 45-50.
4. Judina E.P. Vlijanie magnitnogo i jelektrich-eskogo polej na svojstva gelej oksigidrata ittrija: dis. ... kand. him. nauk. Cheljabinsk, 2006. 130 s.
5. Ivanov A. V., Toropov D.P, Ivahnjuk G.K, Fe-dorov A. V., Kuz'min A.A. Issledovanie ognetushashhih svojstv vody i gidrogelej s uglerodnymi nanostrukturami pri likvidacii gorenija nefteproduktov // Pozharovzryvobe-zopasnost'. 2017. T. 26. № 8. S. 31-44.
6. Ivanov A. V., Skripnik I.L, Sorokin AJu, Sav-enkova A.E. Nauchno-metodicheskie osnovy upravlenija jelektrostaticheskimi svojstvami zhidkih uglevodorodov dlja obespechenija pozharnoj bezopasnosti predprijatij neftegazovogo kompleksa // Tehnosfernaja bezopasnost'. 2018. № 2(19). S. 98-109. URL: http://uigps.ru/sites/default/files/jyrnal/%D0%A2%D0%9 1%202%202018/13.pdf
7. ISO 2811-1: 2011. Kraski i laki. Opredelenie plotnosti. Chast'1. Metod piknometra. M: Standartinform. 2013. S. 8.
8. Uspenskaja M.V. Akrilovye gidrogeli v kachestve polimernyh svjazujushhih: avtoref. dis. ... d-r tehn. nauk. SPb., 2009. 39 s.
