CC BY
22МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРИ ДЕТОКСИКАЦИИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Д.В. Пятин;
А.В. Иванов, кандидат технических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Приведены исследования водно-солевых растворов в условиях воздействия переменного частотно-модулированного потенциала методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Дано обоснование возможной интенсификации процессов растворения при детоксикации в условиях чрезвычайных ситуаций.
Ключевые слова: вода, №С1, спектроскопия комбинационного рассеяния, переменный частотно-модулированный потенциал
MODELING OF THE INORGANIC SALTS DISSOLUTION PROCESSES FOR THE EVALUATION OF THE APPLICATION OF ELECTROPHYSICAL METHODS AT DETOXIFICATION IN THE MAN-CASED EMERGENCIES
D.V. Pyatin; A.V. Ivanov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The article shows the results of studies of water-salt solutions under the impact of the variable frequency-modulated potential using Raman-scattering spectroscopy. Here was given the explanation of a possible intensification of the dissolution process at the detoxification in emergency situations.
Keywords: water, NaCl, Raman-scattering spectroscopy, variable frequency modulated potential
Основными последствиями техногенных чрезвычайных ситуаций, вызванных авариями на предприятиях, являются взрывы и пожары, повреждения оборудования, сооружений и конструкций, а также загрязнение окружающей среды различными веществами.
Предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК) России по официальным данным ежегодно загрязняется до 30 тыс. га земель, выбрасывается в атмосферу до 5,2 млн т загрязняющих веществ.
По данным Министерства природных ресурсов России потери нефти и нефтепродуктов за счет аварийных ситуаций ежегодно колеблются от 17 до 20 млн т (по некоторым другим источникам потери при транспорте, переработке и хранении составляют 8-9 млн т в год), что составляет около 7 % объемов добываемой нефти в России. По данным независимых экспертов компании IWACO в настоящее время в Западной Сибири нефтью и нефтепродуктами загрязнено от 700 до 840 тыс. га земель [1].
В результате загрязнения почв утрачивается сельскохозяйственное значение угодий. В связи с этим необходимо разрабатывать и внедрять новые экологически безопасные и экономически обоснованные методы, направленные на интенсификацию процессов
45
очистки почв. В настоящее время широко используются физические, химические и биологические методы очистки загрязненных почв. К ним относятся:
- технологии, основанные на электрохимических методах, для очистки почвы от хлорированных углеводородов, фенолов и нефтепродуктов и обеззараживания грунта и почвы;
- электрокинетические технологии для очистки глинистых и суглинистых почв и грунтов (при полной или неполной водонасыщенности) от тяжелых металлов, цианидов, хлорорганики, нефти и нефтепродуктов;
- очистка почв методом промывки посредством использования различных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), а также растворов с высоким окислительным потенциалом (активный кислород, щелочная среда, активный хлор) с последующим сбором, очисткой дренажных стоков в электрохимическом комплексе;
- метод очистки загрязненных почв фитоэкстракцией, заключающийся в выращивании на загрязненных почвах растений;
- биологический метод очистки почв, подразумевающий направленную активизацию почвенной микрофлоры, внесение микробных препаратов, разлагающих нефть, а также фиторемедиацию - снижение загрязнения почвы, основанный на стимуляции естественного почвенного сообщества нефтеокисляющих микроорганизмов в результате их тесного взаимодействия с толерантными к нефти растениями [2, 3].
Указанные методы имеют свои преимущества и недостатки, обусловленные границами применения и технологическим циклом. Вместе с тем большинство из них в качестве «рабочего тела» используют воду. Таким образом, разработка способов интенсификации процессов растворения в воде является актуальной и требует проработки на уровне обоснования применения технологии с учетом обеспечения экологической безопасности и энергоэффективности.
В качестве способа интенсификации может быть использован электрофизический метод воздействия на границе раздела фаз (ЭФМ). В результате его применения воздействие (интенсифицирующий фактор) представляет собой приложение к объекту (системе) электрического потенциала - переменного частотно-модулируемого сигнала (ПЧМС), существование которого всегда сопровождается связанным с ним переменным электрическим (электродинамическим) полем. Воздействие осуществляется непосредственно на объект (систему) через прямое подведение к нему одиночного электрода [4].
В работах [5, 6] показано, что при воздействии ЭФМ происходит изменение плотности и поверхностного натяжения воды (рис. 1, 2).
Рис. 1. Изменение плотности воды в условиях воздействия ЭФМ
46
Рис. 2. Изменение поверхностного натяжения воды в условиях воздействия ЭФМ
При исследовании физико-химических свойств в условиях воздействия ЭФМ наблюдалось увеличение осмотического давления водного раствора №С1 (рис. 3) [7].
60 мин.
49 мин.
20 мин.
Омин.
1
Осмотическое давление водного раствора NaCi, {йл.о/т1о)'1СЮ%
Рис. 3. Изменение осмотического давления NaCl в условиях воздействия ЭФМ
Соли являются одними из основных веществ-загрязнителей в результате загрязнения почв нефтепродуктами. В рамках исследования проводился эксперимент по исследованию водно-солевых растворов в условиях воздействия переменного частотно-модулированного потенциала методом спектроскопии комбинационного рассеяния (КР-спектроскопии) на примере поваренной соли.
Выбор вещества обусловлен тем, что хлорид натрия хорошо изучен и охарактеризован. Благодаря большому различию в электроотрицательности между атомами Na и С1, он обладает ионной химической связью со стехиометрией 1:1, определяемой балансом зарядов и кристаллической структурой типа В1.
Снятие КР-спектров производилось в условиях постоянного воздействия ПЧМС на 1 % и 5 % растворы NaCl в дистиллированной воде. На рис. 4 приведены данные об изменении интенсивности КР-спектров при воздействии ПЧМС на структуру дистиллированной воды в течение 30 мин. Исследования проводились на установке Ntegra Spectra лазером с длиной волны 473 nm, с одинаковым временем накопления 5 сек. в диапазоне 2800-4000 см-1, в условиях обработки воды ПЧМС с частотой 160 Гц. Интенсивность КР-спектров дистиллированной воды возрастает в два раза при воздействии ПЧМС.
Рис. 4. КР-спектр дистиллированной воды в условиях воздействия ЭФМ (длина волны лазера 473 нм, время накопления 5 сек.)
При воздействии ПЧМС на водные растворы №С1 также наблюдалось увеличение интенсивности КР-спектров по сравнению с контрольными образцами (рис. 5, 6).
Рис. 5. КР-спектр 1 % раствора ^С1 в дистиллированной воде в условиях воздействия ЭФМ (длина волны лазера 473 нм, время накопления 5 сек.)
Рис. 6. КР-спектр 5 % раствора ^С1 в дистиллированной воде в условиях воздействия ЭФМ (длина волны лазера 473 нм, время накопления 5 сек.)
При исследовании надмолекулярных перестроений при воздействии ПЧМС на дистиллированную воду и физиологический раствор показано, что происходит изменение размеров кластеров (рис. 7) [8].
% содержания 90
ВО --
% содержания 54,5
ПЧМС
60 50 4-0 30 20 10 0
Контр
Размер структур, нм
54 53,5 53 52,5 52 51,5
ПЧМС
Размер структур, нм
Контр
0,5
1,5
2,5
а)
б)
Рис. 7. Перераспределение количества и размеров кластеров при воздействии ПЧМС
а) дистиллированная вода; б) физраствор
Интенсивность линий вынужденного комбинационного рассеяния зависит от интенсивности возбуждающей линии и количества молекул в рассеиваемом объеме вещества [9]:
Г - ® -1 - а/4 - ДГ,
где о' - частота фотонов возбуждающего света; а - поляризуемость молекулы; I - интенсивность возбуждающей линии; N - число рассеивающих молекул, N0 - число молекул в единице объема; ^ - толщина рассеивающего слоя.
Моделирование изменения величин интенсивности КР-спектров раствора №С1 в дистиллированной воде может быть проведено при разбиении спектра раствора в интервале 2800-4000 см-1 (рис. 8) на три характерных пика: 3222 см-1, 3433 см-1, 3617 см-1 [10].
Рис. 8. КР-спектр раствора в интервале 2800-4000 см -1
Интенсивность составляющих КР-спектров описывается следующим уравнением:
Г = я0-
' Г , 1 г
\Чп2 , п . 1 + (1 - •
Яд * г' гр-сгд
?
Ж—
4 =
н3
1 + 4-17'
где а0 - соответствует амплитуде пика; а1 - соответствует центру пика (№ 1, 2, 3); а2 - соответствует значению в половине максимума пика (№ 1, 2, 3); х - значение интенсивности пика.
Таким образом, подводя итог, можно утверждать, что при ЭФМ воздействии на раствор №С1 происходит перестроение надмолекулярной структуры, что, в свою очередь, приводит к изменению процесса растворения неорганических солей.
Имеющийся математический аппарат позволяет рассчитать интенсивность КР-спектров в зависимости от концентрации №С1 в растворе, что дает возможность
спрогнозировать эффективность применения ЭФМ при детоксикации в условиях техногенных чрезвычайных ситуаций.
Литература
1. Хаустов А.П., Редина М.М. Охрана окружающей среды при добыче нефти. М.: Изд-во «Дело», 2006. 544 с.
2. Злотников А.К. Биопрепарат Альбит для повышения урожая и защиты сельскохозяйственных культур. Подольск: ПФОП, 2006.
3. Назаров А.В., Иларионов С. А. Потенциал использования микробно-растительного взаимодействия для биоремедиации // Биотехнология. 2005. № 5.
4. Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз: пат. Рос. Федерации № 2479005. URL: http:// www.freepatent.ru/patents/2479005 (дата обращения: 20.12.2015).
5. О влиянии переменного частотно-модулируемого сигнала на изменение физико-химических свойств воды / Е.Г. Митюгова [и др.] // Известия С.-Петерб. гос. технол. ин-та (техн. ун-та). 2012. № 16 (42). С. 48-51.
6. Москалев Е.В., Гемиш З., Башир Шериф А. Экспериментальная оценка надмолекулярных перестроений при электрофизической обработке воды // III Науч.-техн. конф. молодых ученых С.-Петерб. гос. технол. ин-та (техн. ун-та): сб. тезисов. СПб., 2013. С. 174.
7. Митюгова Е.Г., Швецова О.В. Исследование влияния электрофизической обработки воды на ее физико-химические свойства // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: материалы Всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2012. Т. 3. С. 29-31.
8. Алексеик Е.Б., Савенкова А.Е., Гемиш З. Влияние переменных электрических полей на процессы создания и стабилизации воздушно-механических пен // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2013. № 4. С. 44-48.
9. Костюков Н.С., Еремина В.В. Волновая теория диэлектриков. М.: ПКИ Зея, 2012.
10. Baumgartner M., Bakker R.J. Raman spectroscopy of pure H2O and NaCl-H2O containing synthetic fluid inclusions in quartz - a study of polarization effects. Miner Petrol (2009) 95:1-15.
References
1. Haustov A.P., Redina M.M. Ohrana okruzhajushhej sredy pri dobyche nefti. [Environmental protection during oil production]. M.: Izd-vo «Delo», 2006. 544 p. (In Russ.).
2. Zlotnikov A.K. Biopreparat Al'bit dlja povyshenija urozhaja i zashhity sel'skohozjajstvennyh kul'tur. [Biological product Albit for increasing harvest and the protecting crops]. Podol'sk: PFOP, 2006. (In Russ.).
3. Nazarov A.V., Ilarionov S.A. Potencial ispol'zovanija mikrobno-rastitel'nogo vzaimodejstvija dlja bioremediacii [Potential of use of plant-microbe interactions for bioremediation] // Biotehnologija. 2005. № 5. (In Russ.).
4. Sposob i ustrojstvo upravlenija fiziko-himicheskimi processami v veshhestve i na granice razdela faz: patent Rossijskoj Federacii № 2479005. [The method and system of control of the physical and chemical processes in the substance and at the phase boundary: Russian patent number 2479005. URL: http:// www.freepatent.ru/patents/2479005.
5. O vlijanii peremennogo chastotno-moduliruemogo signala na izmenenie fiziko-himicheskih svojstv vody / E.G. Mitjugova i dr. [On the effect of the variable frequency-modulated signal to modify the physicochemical properties of the water] // Izvestija S.-Peterb. gos. tehnol. in-ta (tehn. un-ta). 2012. № 16 (42). P. 48-51. (In Russ.).
6. Moskalev E.V., Gemish Z., Bashir Sherif A. Jeksperimental'naja ocenka nadmolekuljarnyh perestroenij pri jelektrofizicheskoj obrabotke vody [Experimental evaluation
of supramolecular evolutions at electrophysical water treatment] // III Nauch.-tehn. konf. molodyh uchenyh S.-Peterb. gos. tehnol. in-ta (tehn. un-ta): sb. tezisov. SPb., 2013. Р. 174. (In Russ.).
7. Mitjugova E.G., Shvecova O.V. Issledovanie vlijanija jelektrofizicheskoj obrabotki vody na ee fiziko-himicheskie svojstva [Research of influence of electrophysical water treatment on its physical and chemical properties] // Fundamental'nye issledovanija i innovacii v nacional'nyh issledovatel'skih universitetah: materialy Vseros. nauch.-metod. konf. [Basic Research and Innovation in national research universities: proceedings of the All-Russian Scientific Conference] SPb., 2012. T. 3. P. 29-31. (In Russ.).
8. Alekseik E.B., Savenkova A.E., Gemish Z. Vlijanie peremennyh jelektricheskih polej na processy sozdanija i stabilizacii vozdushno-mehanicheskih pen [Effect of variable electric fields on processes of creation and stabilization of air-mechanical foam] // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MChS Rossii». [Scientific and analytical magazine «Vestnik of Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia»] 2013. № 4. P. 44-48. (In Russ.).
9. Kostjukov N.S., Eremina V.V. Volnovaja teorija dijelektrikov. [The wave theory of dielectrics]. M.: PKI Zeja, 2012. (In Russ.).
10. Baumgartner M., Bakker R.J. Raman spectroscopy of pure H2O and NaCl-H2O containing synthetic fluid inclusions in quartz - a study of polarization effects. Miner Petrol (2009) 95:1-15.
