CC BY
38
Исследование дисперсной фазы шлама, выделяемой из природной воды при её электрохимической и электромагнитной активации
В.Т.Ерофеев, В.Т.Фомичёв, В.И.Калашников, Д.В.Емельянов, А.А.Матвиевский, А.И.Родин, Р.В.Жалнин, В.П.Мишкин, Е.Н.Лютова, А.А.Седова, Э.М.Балатханова, И.В.Ерофеева
В статье представлены результаты экспериментальных исследований дисперсной фазы шлама, выделенной при испарении воды до и после её активации, с целью определения факторов, влияющих на структурообразование минерального осадка на основе ионных составляющих природных вод. В результате исследования, проведённого с использованием атомно-силовой микроскопии осадка вод из источников Республики Мордовия и Чеченской Республики, получены показатели средней шероховатости и максимальных размеров кристаллов. Анализ данных позволил сделать вывод о несомненном влиянии параметров электрохимической и электромагнитной обработки воды на структурообразование минерального осадка и масштабные размерные уровни кристаллов.
Ключевые слова: бетон, вода затворения, природная вода, электрохимическая активация, центры кристаллизации, морфология осадка воды.
The Study of the Dispersed Phase of the Sludge
Produced from Water at its Natural Electrochemical and
Electromagnetic Activation.
By V.T. Erofeev, V.T. Fomichev, V.I. Kalashnikov, D.V.
Emelyanov, A.A. Matvievskij, R.V. Zhalnin, V.P. Mishkin,
E.N. Ljutova, A.A. Sedova, Je.M. Balathanova, I.V. Erofeeva
The article presents the results of experimental studies of the dispersed phase of the slurry, highlighted by evaporation of water before and after its activation to determine the factors influencing structure formation of mineral sediment on the basis of the ionic components of natural waters. The study carried out using atomic force microscopy draught of water from the source of Mordovia Republic and the Chechen Republic, the obtained values of the average roughness and the maximum size of crystals. The data analysis allowed to conclude that the undoubted influence of electrochemical parameters and electromagnetic water treatment on structure of mineral sediment andlarge-scale dimensional crystals levels. A role for this process renders the ionic composition of the water and, in particular, the level of total hardness of water.
Key words: concrete, water mixing, natural water, electrochemical activation, the centers of crystallization, morphology sediment water.
Ранее показано [1; 2; 3], что совместная электрохимическая и электромагнитная активация воды изменяет её
ионный состав. Использование такой воды в качестве воды затворения оказывает заметное влияние на механические характеристики изготовляемых бетонных изделий [4; 5; 6]. Чрезвычайно интересно исследование причин влияния параметров активации на характеристики воды, приводящие к наблюдаемым эффектам в ходе использования её в процессах приготовления бетонных смесей.
В данном сообщении представлены результаты экспериментальных исследований дисперсной фазы шлама, выделенной при испарении воды до и после её активации с целью определения факторов, влияющих на структурообразование минерального осадка на основе ионных составляющих природных вод. Для исключения временного фактора исследуемая вода отстаивалась в течение двух суток, что приводило к осаждению крупных дисперсных частиц в исходной воде.
Изучение морфологии поверхности осадков производилось с использованием атомносилового микроскопа SPM9600 SHIMADZU с широким диапазоном сканирования 125 мкм х 125 мкм * 7 мкм и радиусом закругления зонда, не превышающего 20 нм в режиме контактной атомносиловой микроскопии при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью на воздухе.
При проведении исследования использовалась вода из источников Республики Мордовия и Чеченской Республики: из термального источника Гойт-Кортинской скважины №29 с глубины 2900 м (источник «Серная»), из артезианской скважины с территории города Аргун глубиной 200 м и артезианская вода города Саранска.
Для приготовления электрохимически и электромагнитно активированной воды использовалась установка для электромагнитной и электрохимической обработки воды УПОВС 2-5,0 «Максмир». Обработка проводилась по трем режимам, шифр которых составлен из буквенно-цифровых обозначений. Буквенный шифр режима Э+М означает, что природная вода была подвержена совместной последовательной активации электрическим током (электрохимическая активация) и электромагнитным полем в рабочих зазорах аппарата. Цифровое обозначение соответствует выбранному режиму работы аппарата и характеризует в кодовых значениях силу тока в цепи электролизёра и обмотке намагничивающих катушек. Например, режим Э+М (1-1) - активированная вода обрабатывается электрическим током с плотностью j = 5,65 А/м2
1 J max '
в камере электрохимической активации и электромагнитным полем напряженностью Hmax = 24 кА/м в рабочем зазоре камеры электромагнитной активации; Э+М (3-3) - j = 22,58 А/м2,
Н = 75 кА/м; Э+М (6-6) - / = 43,55 А/м2, Н = 135 кА/м
шах ' \ / J шах ^ 7 тах
(табл. 1). При обработке воды в камере электрохимической активации использовали алюминиевый анод.
Влияние активационной обработки на общую и карбонатную жесткость, содержание свободной и агрессивной углекислоты, окисляемость и максимальные размеры кристаллов исследуемых вод представлены в таблице 1.
Из результатов анализа исходной артезианской воды Саранска, представленных в таблице 1, следует, что она характеризуется средней жёсткостью. Низкая окисляемость воды, установленная в пределах 1,56-2,03 мг О2/л, свидетельствует о малом содержании органических веществ и неорганических восстановителей в воде. Данные таблицы свидетельствуют об изменениях жёсткости воды. Показатель общей жёсткости для воды, обработанной по режиму Э+М (3-3), имеет наиболее низкое значение по сравнению с другими типами - 7,43 ммоль-экв/л. Наименьшее значение агрессивной углекислоты выявлено в воде, обработанной по режиму Э+М (6-6), - 11,05 мг/л. С повышением значений плотности тока и электромагнитного поля при всех режимах активации воды происходит снижение содержания агрессивной углекислоты. Природная вода термального источника «Серная» отличается высоким по-
Таблица 1. Результаты физико-химического анализа
образцов исследуемых вод
ы д 2 + Э м и, Жёсткость, ммоль-экв/л Углекислота, мг/л ь, т с о /л
о в п и Т жим ции еа Рв и 1- а общая карбонатная свободная агрессивная сля мг и ^ о
ТС а 0 8,21 4,65 — 15,65 1,56
кк 1 = 1-1 8,30 5,94 — 15,52 2,03
и ар ^ го ф и 3-3 7,43 5,21 — 13,31 1,58
р < 6-6 8,33 6,86 — 11,05 1,98
0 22,4 8,0 15,80 11,80 4,08
1-1 10,5 5,6 17,24 13,35 3,42
рр Ф <г и ^ 3-3 20,7 1,0 28,29 13,80 4,90
6-6 22,3 1,1 33,54 28,60 3,26
н 0 6,3 3,9 40,35 38,5 8,60
гу -Ар ун 1-1 6,4 5,7 51,10 49,6 10,20
т <С и т 3-3 5,3 3,7 28,72 25,3 13,70
р < 6-6 5,5 3,8 35,00 33,0 9,03
казателем общей жёсткости. По сравнению с водой источника «Артизан-Аргун» отмечено уменьшенное значение агрессивной углекислоты. Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что в воде, взятой из источника «Артизан-Аргун», до и после её активации содержание углекислоты в агрессивной форме близко по значению к свободной углекислоте.
Морфология поверхности и структура осадков солей, образующихся при испарении воды артезианского источника Саранска, термального источника «Серная» (Аргун) и артезианского источника «Артизан-Аргун» (Аргун) до и после её активации, приведены на рисунках 1-3.
Морфология осадка вод различных источников до и после активации характеризуется средней шероховатостью и максимальными размерами кристаллов (табл. 2).
Анализ вышеприведенных данных позволяет сделать вывод о несомненном влиянии параметров электрохимической и электромагнитной обработки воды на структурообразова-ние минерального осадка и масштабные размерные уровни кристаллов. Так, для воды источника «Серная» активационная обработка приводит к укрупнению кристаллической структуры осадка при переходе от режима активации Э+М (1-1) к режиму Э+М (6-6). В тоже время для артезианской воды из источника Саранска наблюдается снижение размеров частиц при переходе от режима активации Э+М (1-1) к режиму Э+М (6-6). Определённое влияние на этот процесс оказывает ионный состав воды, в частности уровень общей жёсткости воды. Например, в воде источника «Серная» в сравнении
Таблица 2. Шероховатость и максимальные размеры
кристаллов
Источник Режим активации Шероховатость, Ra, нм Максимальные размеры кристаллов, нм
«Артизан-Аргун» 0 29,194 355,01
Э+М (1-1) 1,247 30
Э+М (3-3) — —
Э+М (6-6) 0,985 20
«Серная» 0 50,29 739,07
Э+М (1-1) 31,881 256,72
Э+М (3-3) 38,948 614,98
Э+М (6-6) 109,793 1161,62
Артезианская (Республика Мордовия) 0 11,152 153,79
Э+М (1-1) 4,636 70,54
Э+М (3-3) 7,96 298,55
Э+М (6-6) 4,0 218,34
с водами других представленных источников избыточна общая жёсткость (22,4 ммоль-экв/л), что может быть объяснено действием токов индукции ионов, возникающих под действием изменяющейся во времени величины магнитного поля, приводящего к концентрации ионов в водном пространстве, что провоцирует протекание физико-химических
процессов, сопровождаемых образованием наноструктурных осадков при достижении концентраций взаимодействующих ионов, превышающих произведения их растворимости. В ходе изменения электрического и электромагнитного полей нарушается их пространственное равновесное состояние, что приводит или к укрупнению осадков и образованию
Рис. 1. Морфология осадка артезианской воды из источника Са- Рис. 3. Морфология осадка воды источника «Артизан-Аргун»: ранска: а - неактивированная вода; б - вода, активированная а - неактивированная вода; б - вода, активированная по по режиму Э+М (1-1); в - то же, Э+М (3-3); г - то же, Э+М (6-6) режиму Э+М (1-1); в - то же, Э+М (6-6)
Рис. 2. Морфология осадка воды термального источника «Серная»: а - неактивированная вода; б - вода, активированная по режиму Э+М (1-1); в - вода, активированная по режиму Э+М (3-3); г - то же, Э+М (6-6)
мелкодисперсных микрометрических систем, или к образованию нанодисперсных систем, обладающих избыточной поверхностной энергией. Образование нанодисперсных систем с размерами кристаллов 20-30 нм (источник «Ар-тизан-Аргун») может служить дополнительным источником нанометрических центров кристаллизации продуктов гидратации вяжущих веществ при их твердении. Это играет особенно важную роль в бетонах нового поколения, в которых при значительном количестве микрометрических частиц не хватает частиц нанометрического уровня.
Литература
1. Бояркин, Д.И. Моделирование процессов активации природной воды затворения бетонов в электромагнитном поле / Д.И. Бояркин, В.Т. Фомичев, В.Т. Ерофеев, Д.В. Емельянов, А.А. Матвиевский // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 2 (часть 6). - С. 1157-1165.
2. Фомичев, В.Т. Роль продуктов анодных процессов в ходе электромагнитной активации воды / В.Т. Фомичев, В.Т. Ерофеев, Д.В. Емельянов, А.А. Матвиевский, Е.А. Митина // Фундаментальные исследования. - 2015. - №2 (часть 6). - С. 1194-1197.
3. Ерофеев,В.Т. Исследование свойств цементных композитов на активированной воде затворения / В.Т. Ерофеев, В.Т. Фомичев,
Д.В. Емельянов, Э.М. Балатханова, А.И. Родин, А.В. Ерёмин, А.А. Матвиевский, Н.Е. Фомин, В.А. Юдин, В.М. Кяшкин // Фундаментальные исследования. - 2015. - №2 (часть 6). - С. 1175-1181.
4. Баженов, Ю.М. Цементные композиты на основе магнитно- и электрохимически активированной воды затворения: монография / Ю.М. Баженов, С.В. Федосов, В.Т. Ерофеев и др. - Саранск: изд-во Мордовского университета, 2011. - С. 128.
5. Ерофеев, В.Т. Долговечность цементных композитов на активированной воде / В.Т. Ерофеев, Е.А. Митина, А.А. Матвиевский, Д.В. Емельянов, П.В. Юдин // Промышленное и гражданское строительство. - 2008. -№7. - С. 51-54.
6. Ерофеев, В.Т. Композиционные строительные материалы на активированной воде затворения / В.Т. Ерофеев, Е.А. Митина, А.А. Осипов, А.К. Матвиевский, Д.В. Емельянов, П.В. Юдин // Строительные материалы. - 2007. - №11. - С. 56-58.
Literatura
1. Boyarkin D.I. Modelirovanie prorassov aktivacii prirodnoj vody zatvoreniya betonov v elektromagnitnom pole / D.I. Boyarkin, V.T. Fomichev, V.T. Erofeev, D.V. Emel'yanov, A.A. Matvievskij // Fundamental'nye issledovaniya. - 2015. - № 2 (chast' 6). - S. 1157-1165.
2. Fomichev V.T. Rol' produktov anodnyh processov v hode elektromagnitnoj aktivacii vody / V.T. Fomichev, V.T. Erofeev, D.V. Emel'yanov, A.A. Matvievskij, E.A. Mitina // Fundamental'nye issledovaniya. - 2015. - №2 (chast' 6). - S. 1194-1197.
3. Erofeev V.T. Issledovanie svojstv cementnyh kompozitov na aktivirovannoj vode zatvoreniya / V.T. Erofeev, V.T. Fomichev, D.V. Emel'yanov, E.M. Balathanova, A.I. Rodin, A.V. Eremin, A.A. Matvievskij, N.E. Fomin, V.A. Yudin, V.M. Kyashkin // Fundamental'nye issledovaniya. - 2015. - №2 (chast' 6). - S. 1175-1181.
4. Bazhenov Yu.M. Cementnye kompozity na osnove magnitno-i elektrohimicheski aktivirovannoj vody zatvoreniya: monografiya / Yu.M. Bazhenov, S.V. Fedosov, V.T. Erofeev i dr. - Saransk: izd-vo Mordovskogo universiteta, 2011. - S. 128.
5. Erofeev V.T. Dolgovechnost' сementnyh kompozitov na aktivirovannoj vode / V.T. Erofeev, E.A. Mitina, A.A. Matvievskij, D.V. Emel'yanov, P.V. Yudin // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. - 2008. -№7. - S. 51-54.
6. Erofeev V.T. Kompozicionnye stroitel'nye materialy na aktivirovannoj vode zatvoreniya / V.T. Erofeev, E.A. Mitina, A.A. Osipov, A.K. Matvievskij, D.V. Emel'yanov, P.V. Yudin // Stroitel'nye materialy. - 2007. - №11. - S. 56-58.
