CC BY
26Проблемы экологии нефтегазовых регионов
УДК 628.16; 546.21: 628.19.
КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ ВОДЫ
KINETIC FEATURES OF MECHANOCHEMICAL DISSOCIATION OF WATER
В. Д. Шантарин, М. Ю. Земенкова
V. D. Shantarin, M.Yu. Zemenkova
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: структура воды; диссоциация воды; механохимическая диссоциация; кластерообразование; бидистиллят
Key words: structure of water; water dissociation; mechanochemical dissociation; cluster formation;
double-distilled water
При механическом перемешивании воды существенно изменяются ее физико-химические свойства. В первую очередь существенно изменяется концентрация ионов Н+ и ОН-, что нашло отражение не только в изменении рН, но и электропроводимости бидистил-лята [1, 2].
Интенсифицирующие факторы и эффекты влияния перемешивания на структуру воды нельзя объяснить лишь механическим разрушением кластерной структуры воды.
В работах Слесарева В. И., Шаброва А. В., Зенина С. В., Вязьмина С. Ю., Попова А. С. [3, 4] отмечалось, что изменение физико-химических свойств воды без добавления каких-либо реагентов только за счет физических факторов (температуры, давления и различных воздействий) невозможно было объяснить только энергетическим фактором. Было показано, что существенное отличие структуры водных клатра-
тов, содержащих ионы (H , OH ) или радикалы (H , OH ), энергетика их кислотно-основных или окислительно-восстановительных реакций не зависит от структуры и размера клатрата, то есть взаимные превращения с изменением структуры водных кластеров, содержащих более 10-12 молекул, не требуют заметных энергетических затрат и могут совершаться самопроизвольно в условиях открытой диссипативной самоорганизующейся системы, которой является вода. Изменение кислотно-основных свойств
воды было объяснено образованием протонофильных и гидроксофильных кластеров и
+ -
их взаимодейст-вием с ионами H и OH , а возникновение радикалофильных кластеров
по отношению к радикалам H или OH и образованию соответствующих клатратов будет приводить к изменению окислительно-восстановительных свойств воды. Сформулированная концепция подтверждена экспериментально в работах Слесарева В. И. и Шаброва А В. [3].
Механохимическая активация воды [5] и возможный механизм активирующего действия гидродинамической кавитации на воду [6] получили развитие в работах Дом-рачева Г. А., Родыгина Ю. Л., Селивановского Д. А. [5].
Исследования кинетических особенностей кластерообразования в бидистилляте воды [1, 2] показало изменение времени разрушения (тР) и восстановления (тВ) кластерной структуры воды (рис. 1). Это фиксировалось по изменению значений водородного показателя (рН), равновесного водородного потенциала (Eh) и удельной электропроводимости (х) воды и интерпретировалось как фазовый переход 2-ого рода (переход гексагональной структуры воды в кубическую), то есть характер восстановления «льдопо-добной» структуры резко менялся и характеризовал скорость такого процесса, как изменение среднего количества Н-связей, существующих в ней при данной температуре.
Показано, что температурная зависимость имеет характер неравномерного изменения этих показателей в разных температурных диапазонах. Экспериментальные дан-
134
Нефть и газ
№ 6, 2016
ные (см. рис. 1), характеризующие температурную зависимость времени разрушения (тР) и восстановления (тВ) в работе объяснены изменением кластерной структуры воды.
Следует отметить различный характер этих зависимостей в разных температурных диапазонах, которые описываются уравнениями:
Т = 0 0С, тВ (тР) = 0,078 тР 1,392 + 49,866,
Т = 4 0С, тВ (тР) = 3,252 тР 2,443 + 12,869,
Т = 9 0С, тВ (тР) = 32,305 1п(тР + 5,523) - 66,367,
Т = 15 0С, тВ (тР) = 39,02 1п(тР- 1,728) - 1,493.
тв, С
4°/
у
9°
20 40 60
0 15 30 45
Тр, с
Рис. 1. Кинетические характеристики времени разрушения (тР) и восстановления (тВ) исходных значений ф и х бидистиллята при температурах: 0, 4, 9 и 15 0С
(механическое перемешивание)
На рис. 2. представлен рисунок 1 в трехразмерном виде.
Рис. 2. Кинетические характеристики времени разрушения (тР) и восстановления (тВ) исходных значений ф их бидистиллята при температурах: 0, 4, 9 и 15 °С (механическое перемешивание) в трехмерном пространстве
Изучение температурной зависимости кинетических особенностей разрушения и восстановления кластерной структуры воды и представление этих данных в трехмерном пространстве позволило оценить степень образования тех или иных структур по окрашиванию (наподобие муаровых полос в металловедении при изучении напряженности в деталях при их нагрузке).
Степень структурирования, то есть степень образования тех или иных структур, характеризуется окрашиванием. Чем прочнее образующиеся структуры, тем светлее фон с переходом от темно-синего до оранжевого (от 0,76 до 0,4 мкм).
Если сопоставить эту картину с изменением свободной энергии Гиббса, то можно охарактеризовать кинетику структурообразования с фазовыми переходами 2-ого рода. Достаточно наглядный пример.
Вполне очевидно, что объяснение изменения рН бидистиллята возможно не только с точки зрения разрушения кластерной структуры воды, но изменением концентрации ионов Н и ОН в процессе такого перемешивания.
% 6, 2016
Нефть и газ
135'
В работах Домрачева Г. А., Родыгина Ю. Л., Селивановского Д. А. [5], Витенько Т. Н., Гумницкого Я. М. [6] показано, что воздействие механического поля приводит к разрыву связи Н-ОН с образованием ионов Н+ и ОН- и их радикалов: Н, ОН , компо-нен-тов: Н2О, Н2О2 и продуктов их взаимодействия.
Целью данной работы явилась проверка и сопоставление полученных данных по кинетическим особенностям кластерообразования в бидистилляте воды и проявлениям структуры воды в механических полях. Для этого в работе проведены исследования по определению концентрации радикалов ОН/ В качестве «метки» механохимической диссоциации воды использовалось образование радикалов ОН.
Известно, что щавелевая кислота окисляется только радикалами ОН-, следовательно, количество расходуемых ионов СОО- при концентрации щавелевой кислоты не менее 0,05 моль/дм3 эквивалента можно принять за выход радикалов. Для определения радикалов ОН в бидистилляте, обработанного в механическом поле при 0, 4, 9 и 15 0С , применялась стандартная методика.
Бидистиллят объемом 200 мл перемешивали механической стеклянной мешалкой (DIOPTRA n.p. TURNOV (зав. № 5942) (90 об/мин, 220 В, 50 Гц, W = 55 Вт) до максимального отклонения значений рН.
Экспериментальные данные приведены в таблице.
Значения экспериментальных данных по концентрации радикалов СОН (ККМп0 — поправка к нормальности раствора KMnO4 составляла от 1,0010
при 0 0С до 1,0070 при 15 0С)
t, 0С тР, с АНИОН -7050 Средний объем 3-х параллельных определений СОн, ммоль/ дм3
t,0C рН Ф, мВ Ххол., см3 Хпробы, см3
0 0 0,0 6,44 +50 9,98 9,80 0,03938
180 0,1 5,74 +75
4 0 4,0 6,61 +42 9,98 9,78 0,05111
70 4,0 5,69 +89
4 0 4,3 6,38 +53 9,70 9,53 0,04620
70 4,1 5,93 +72 0,04866
9 0 10,5 6,58 +44 9,88 9,73 0,04110
60 9,3 6,14 +48
9 0 9,3 9,2 6,27 5,97 +59 9,88 9,67 0,05266
60 +89 0,04688
15 0 15,3 6,20 +64 9,93 9,77 0,03817
120 15,3 5,47 +105
15 0 120 14,9 14,7 6,12 5,18 +68 +119 9,93 9,85 0,02036
15 0 15,0 6,19 +64 9,93 9,82 0,02714
600 14,8 15,18 +118 0,02856
Жирным шрифтом выделены средние значения концентрации радикалов. Таким образом, опыты показали значительное увеличение концентрации радикалов ОН, а следовательно, и изменение концентрации ионов Н+ и ОН- в процессе такого перемешивания, что и нашло подтверждение в изменении рН и электропроводимости в результате механохимического разложения воды.
Список литературы
1. Аширбакиева Г. С. Исследование кинетических особенностей кластерообразования в бидистилляте воды / Г. С. Аширбакиева, В. Д..Шантарин// 13-ая Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-13-2007)», 1-3 октября 2007 г. - Кемерово: ТомГУ. - С. 44-46.
2. Аширбакиева Г. С. Проявление структуры воды в механических полях // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2008. -№ 3. - С. 111-117.
3. Слесарев В. И., Шабров А. В. Структурно-информационное свойство воды и явление аквакоммуникации / В. И. Слесарев, А. В. Шабров // Вестник Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И. И. Мечникова. - 2001. - № 4. - С. 135-138.
4. Зенин С. В. Анализ воды как пятого состояния вещества: шестой Международный конгресс «Вода: экология и технология» ЭкваТэк-2004. - М.: ЗАО «Фирма СИБИКО Интернэшнл», 1 -4 июня 2004 г. - Ч.11. - С. 973.
136
Нефть и газ
№ 6, 20116
5. Домрачев Г. А., Родыгин Ю. Л., Селивановский Д. А. Механохимически активированное разложение воды в жидкой фазе /Г. А. Домрачев, Ю. Л. Родыгин, Д. А. Селивановский//ДАН. - 1993. Том 329.-№ 2.-С.186-188.
6. Витенько Т. Н., Гумницкий Я. М. Механизм активирующего действия гидродинамической кавитации на воду // Химия и технология воды. - 2007. - № 5. - С. 422-432.
Сведения об авторах
Шантарин Владислав Дмитриевич, д. т. н., профессор, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, е-mail: shantarin33@mail.ru
Земенкова Мария Юрьевна, к. т. н., доцент кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюменский индустриальный университет,г. Тюмень, тел. 891919433533, е-mail: muzemenkova@mail.ru
Information about the authors
Shantarin V. D., Doctor of Engineering, professor, Industrial University of Tyumen, e-mail: shantarin33@mail.ru
Zemenkova M. Yu., Candidate of Science of Engineering, associate professor of the chair «Pipeline transport», Industrial University of Tyumen, Tyumen, phone: 891919433533, e-mail: muzemenkova@mail.ru
