CC BY
77
¡Выпуск 1
ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК. 502.656.628 С. П. Зубрилов,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
Ю. В. Гуриков,
канд. хим. наук, старший научный сотрудник,
СПГУВК
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВЫХ ВОД КИСЛОРОДОМ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ IMPROVEMENT OF QUALITY OF DRINKING WATER BY OXYGEN IN SMALL CONCENTRATION BY METHODS OF PHYSICAL ACTIVATION
Установлено: «гомеопатические» добавки кислорода стабилизируют структуру воды, что используется для упрочнения бетонов, очистки стоков, стабилизации эмульсий, в медицине и др.
It is established: «homeopathic» additives of oxygen stabilize water structure that is used for hardening of concrete, clearing of drains, stabilization of emulsions, in medicine, etc.
Ключевые слова: вода, стабилизация, кислород, кавитация.
Key words: water, stabilization, oxygen, cavitation.
НЕОБХОДИМОСТЬ настоящей статьи вызвана сегодняшней коммерциализацией вокруг воды, а именно продажей всякого рода бутилированной воды, концентрированных растворов микроэлементов, которые рекомендуются продавцами как добавки к водопроводной воде, минеральных вод, на этикетках бутылок которых написано «с любовью и благодарностью», «в ожидании чуда» и т. д., спекулирующей естественным желанием жителей городов пить физиологически полноценную воду и сохранить здоровье.
В статье «Обеспечение питьевой водой большого города» [1] эти вопросы достаточно освещены. Однако в последние годы появился ряд работ, посвященных «памяти воды» [3-10]. Среди отечественных исследователей можно отметить С. В. Зенина, К. М. Резникова, О. В. Мосина, В. А. Воейкова и др. Один из первых обзоров, посвященных структурной памяти жидкостей, сделан Б. В. Дерягиным и
Н. В. Чураевым еще в 1971 г. Авторы связали «своеобразную структурную память воды» с наличием в ней молекулярных комплексов, дискретно меняющих свою структуру или размеры. Установлено, что поведение талой и кон-
трольной воды различно, т. е. свойство воды зависит от ее предыстории [11]. Роль кислорода в модифицировании воды установлена в [2].
Проблеме структуры жидкой воды посвящены тысячи публикаций (последние обзоры см.: Маленков Г. Г. Журнал структурной химии, т. 47, Приложение. 2006. С. 5-35; Кесслер Ю. М., Петренко В. Е. Вода: структура, состояние, сольватация. Достижения последних лет. Отв. редактор А. М. Кутепов. М., Наука, 2003. С. 6-106). Истекшие 20 лет не привели к существенному прорыву в создании общепринятой теории структуры воды, что крайне затруднительно, о чем мы писали ранее, анализируя работы тех лет (С. П. Зубрилов. Физическая активация растворов. АН СССР, Внешторгиз-дат, 1989).
Работы за последние годы в значительной степени были сосредоточены на компьютерных моделях воды (Г. Г. Маленков, В. П. Волошин, Ю. И. Наберухин, Н. Л. Ефанов, Е. А. Желиговская и др.). Более предпочтительной продолжает оставаться смешанная модель, хотя, как мы отмечали ранее, в рамках одной модели невозможно объяснить всю экспериментальную информацию. Все моде-
ли строения водных растворов жидкой воды можно разделить на два типа — «смешанные» и «непрерывные». «Смешанные» модели предполагают наличие двух и более типов частиц, отличающихся количеством водородных связей. В «непрерывных» считается, что каждая молекула воды испытывает действие тех же самых межмолекулярных сил, что и любая другая молекула.
Рассмотрим кратко современные представления о структуре воды. Структуры твердых льдов известны. Жидкая вода отличается от обычного низкотемпературного льда (льда I) более высокой плотностью. Это необычное свойство (аномалия) воды имеет большое биологическое значение: оно обеспечивает сохранение органической жизни на нашей планете при сезонных колебаниях температуры. При температурах выше 3,8 °С плотность воды уменьшается, как и у большинства других жидкостей и твердых тел. Но у воды тепловое расширение проявляется слабо. Например, плотность жидкой воды вблизи точки кипения (100 °С, 1 атм.) все еще превышает плотность льда, которую он имел при 0 °С. Указанные особенности требуют объяснения, что породило к жизни множество моделей структуры.
Объективно о диффузионно-усредненной структуре жидкой воды можно судить по радиальной функции распределения, которая определяется в экспериментах по рассеянию рентгеновских лучей и показывает зависимость локальной плотности расположения молекул от расстояния до центральной молекулы. Проблема структуры воды состоит в том, чтобы указать частоту реализации различных локальных тетраэдрических решеток на малых временах, сравнимых со временем оседлой жизни молекулы (10-10 с). Несмотря на очень большое количество предложенных к настоящему времени моделей, эта проблема не решена до сих пор. Перечислим кратко основные типы моделей для объяснения особенностей структуры воды:
а) феноменологические двухструктурные модели; предполагается, что вода представляет собой смесь участков с ажурной (льдоподобной) структурой и участков с более плотным расположением молекул с нарушен-
ными водородными связями; впервые такую модель рассматривал Рентген;
б) модель случайной сетки водородных связей; предполагается, что водородные связи могут изгибаться (Бернал, Попл); при этом протон отклоняется от линии связи О-Н-О, а расстояние между атомами кислорода соседних молекул воды несколько укорачивается;
в) каркасные модели воды; наибольшей популярностью пользуется льдоподобная модель О. Я. Самойлова, согласно которой молекулы жидкой воды образуют упорядоченную тетраэдрическую решетку наподобие той, которая обнаружена у льда I, с той разницей, что пустоты, которые имеются в каркасе льда I, в жидкой воде заполнены молекулами, что и делает всю упаковку более плотной; из этой модели следует, что определенная часть (д ~ 0,08) молекул воды (именно тех, которые занимают пустоты каркаса) не участвует в водородных связях из-за отсутствия партнеров, ориентированных должным образом; наличие в жидкой воде такого количества несвязанных молекул воды не подтверждается спектроскопическими данными;
г) смешанные каркасные модели; Ю. В. Гуриковым был предложен компромиссный вариант модели структуры воды, согласно которому молекулы располагаются в узлах льдоподобного каркаса с частично заполненными полостями; но в отличие от модели Самойлова предполагается, что пустотные молекулы смещены из центров пустот и могут образовывать искривленные водородные связи с молекулами из каркаса при условии, что соответствующая часть связей в каркасе разрывается; оказывается, что жидкую воду можно рассматривать как трехмерную мозаику, составленную из кусочков (островков микроскопического размера, которые включают центральную молекулу и ее ближайшее окружение) идеального льдоподобного каркаса со свободными полостями и кусочков льдоподобного каркаса с частично заполненными пустотами. Такая модель в отличие от описанных выше объясняет наблюдающееся на радиальной функции распределения воды плечо на расстоянии 3,5А. Интересно, что среди полиморфных форм льда имеется структура (а именно лед VI), представляю-
Выпуск 1,
¡Выпуск 1
щая собой тетраэдрический каркас, состоящий из водородных связей, который имеет полости, содержащие молекулы другого идентичного каркаса; оба каркаса являются взаимопроникающими, но не взаимосвязанными; лед VI обладает повышенной плотностью (1,31 г/см3), содержит гидрофобные (не являющиеся водородными связями) контакты
на расстоянии 3,51 А; длина водородной связи в структуре льда VI (2,81 А) близка к таковой в жидкой воде (2,82А).
Изменение строения воды для полезных технологических целей в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, в частности для улучшения качества питьевых и очистки загрязненных вод сейчас из экономических со-
П од т верждение (ИКС) стабилизации воды неэлектролитами (Гуриков Ю. В.)
Стабилизация и разрушение структуры водных растворов по смещению частот (по отношению к полосе НаО) в области обертонов уая;5200 см'1 и у,«6900 см-1 [2]
Смещение (—Ava) в сторону низких частот, см 1 («стабилизация» структуры водного раствора)
105
Смешение (+^а) в сторону высоких частот, см-1 («разрушение» структуры водного . раствора)
50
Мочевина (10 молей)
А1С13 (3 моля)
Изобутиловый
спирт
Метиловый
спирт
НгО (КС1, глицерин)
Муравьиная кислота; NaCl (3,3 моля)
NaClOj (0,1-0,3 моля), ацетон (40%)
Смещение (—Av8) в сторону низких частот, см ' Смешение (+Avb) в сторону высоких частот, см“’
155 85 25 0 25 50 75 100 155
Мочевина (10 молей) AICI, (3 моля) Спирты: метиловый и изобутиловый; глицерин Н20(КС1, СаС121 (0,1 моля) AICU (0,1 моля) Ацетон (40%) NaCl (0,13,3 моля) Муравьиная кислота NaClOi (0,13,0 моля)
Рис. 1
Подтверждение стабилизации воды (понижение структурной температуры при заполнении локальной структуры воды молекулами газов с различной растворимостью (1-углекис-лый газ, 2-озо н, 3-а ргон, 4-кислород, 5-а зот) ([? а\« э о п А.Е.)
Рис. 2
Рис. 3
Стабилизация кислородом локальной структуры воды оценена в 0,5 ккал/моль* водор. связь (Keller I. Н.)
Энер2иЯ Стабилизации
Энергия Biaanodeo-стбия, е V. Стабилизация ккал/мш
Структура Зез молекулы Ог. Структура с молекулой О г & полости ориентированной Вдоль оси 91,2914 106, 0393 <06, /333 т, 7133 104.3415 1,5614eV-35,9 1,3S33eV=42.0 ШНеЧЩИ 1,1 231 еЧ=39,7 1,l331ev=42,7
Мг X Ni I Oi X Ог 2
Энергия, . iiauMoSeä-c/rSu«, е V СтаЗилиЗяциЯ ккал/ /мш
Структура Из Молекулы Ог. Структура с мс-лекулой Ог 1 помети оциеитиро/ан-ной Ио.и оси Ni X /Уг 2 Ог X 0г2 91,2357 103,0193 106,0196 104,3736 104,3303 1,5577еЧ=35,1 1,79^=41,3 1,7540еЧ‘Ш 1,6372eV* 33,9 1,SK15eWM
Значения энергии сбязи, потенциала ионизации, дилоломого момента S изолированны? молегулм, кислорода, азота, &оды.
вычис-
лено
экспе-
римент
Вычис-
лено
экспе-
римент
вычис-
лено
Экспе-
римент
мал е кил а
ог
<3,259
5,11
1W
12,03
ы.
Ц53В
9,9
П29
15,5$
Нг0‘
8,975
10,6
13,40
12,51
2,10
1,87
н2о‘
6,973
Рис. 4
[117
ображений осуществляется реагентами. Это, как известно, наносит экологический вред, зачастую более существенный, чем первичное загрязнение (так, хлорирование воды приво-
дит к синтезу хлорорганических соединений). Безреагентные воздействия на воду (ультрафиолет, электромагнитные, кавитационные поля и т. д.) свободны от этого недостатка.
Выпуск 1,
|Выпуск 1
В основе их лежит механизм явлений и процессов превращения энергии физического воздействия в химическую энергию, приводящий к изменению строения водного раствора.
Наиболее перспективной, на наш взгляд, является кавитация, которая по спектру воздействия является универсальным способом, т. е. электромагнитным, тепловым, ультрафиолетовым и т. д., с автоматизированным регулированием параметров обработки. Нами установлено, что таким способом можно инициировать в воде получение молекулярного кислорода с концентрацией до 10-4 моль/л, способного стабилизировать водный раствор. На первый взгляд напрашивается вывод, что химический эффект действия кислорода из-за низкой концентрации невелик. Однако широко известна специфическая роль кислорода в химических реакциях [12] в связи с его высокой парамагнитностью. Поэтому, несмотря на малые концентрации кислорода, строение водного раствора заметно меняется. Экспериментальные данные [13] подтверждают это положение. Аналогичный вывод можно сделать из ИК-спектроскопических исследований [14]. Установлено, что молекулам неэлектролита, независимо от их химической природы, выгоднее внедряться в полости льдоподобной структуры, нежели образовывать растворы замещения в разупорядоченной структуре. Структурное равновесие в растворе неэлектролита (в том числе кислорода) сдвигается в сторону термодинамически более выгодной льдоподобной структуры, происходит стабилизация водного раствора, которую можно использовать для полезных технологических
целей и получить существенный экономический эффект с точки зрения экономии традиционных химических реагентов (рис. 1-3).
Расчет энергии стабилизации выполнен Келлером и Хейером [15] (рис. 4).
Установлено, что стабилизирующий эффект от молекулы кислорода в локальной структуре воды равен 0,5 ккал/моль на водородную связь.
Обработка водных растворов при их движении в электромагнитных полях в последние годы проводилась, к сожалению, без детального учета физико-химического состава воды, что продолжает вызывать негативное отношение к самой идее электромагнитной обработки. Поскольку примеси в воде, как правило, случайны, свойства исследуемой воды неконтролируемо меняются. Это часто приводит к недоразумениям, «открытиям» различных эффектов и бесплодным спорам. Тем не менее в работах, выполненных с необходимой тщательностью, отмечается четкая связь между физическим воздействием и изменением газосодержания воды с повышением содержания в ней молекулярного кислорода [16]. Поэтому представляется возможным изложенные выше соображения, в рамках идеи стабилизации структуры воды кислородом, распространить на весь комплекс физического модифицирования воды. Объяснение эффектов обработки воды при действии внешних физических полей за счет изменения состава растворенных газов может иметь, по-видимому, более общий характер [17].
Список литературы
1. Зубрилов С. П. Обеспечение питьевой водой большого города // Труды Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций. — Вып. 2. — СПб.: СПГУВК, 2009.
2. Зубрилов С. П. Физическая активация растворов. — Л.: Внешторгиздат, 1989.
3. Зубрилов С. П. Роль кислорода при ультразвуковой обработке водных дисперсий // Коллоидный журнал АН СССР. Т. 8 (2). — М., 1984.
4. Зенин С. В. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем: дисс. ... д-ра биолог, наук. ГНЦ «ИМБП», 1999.
5. Мосин О. В., Складнев Д. А., Швец В. И. Биотехнология. Исследование физиологической адаптации бактерий к тяжелой воде, 2001.
6. Резников К. М. Вода жизни // Журнал «Прикладные информационные аспекты медицины».
Том 4. № 2, 2001.
7. Волошин В. П., Наберухин Ю. И. Распределение времени жизни водородной связи в компьютерных моделях воды // Журнал структурной химии. — 2009. — Т. 50. — № 1.
8. Ефанов Л. Н. О влиянии геометрии водородного мостика на колебательные спектры воды: простейшие модели потенциала Н-связи // Журнал структурной химии. — 2008. — Т. 49. — № 2.
9. Бульенков Н. А. Самоорганизация водных биологических систем // «Биофизика». — 2005. — Т. 50. — № 5.
10. Желиговская Е. А. Изучение кристаллических водных льдов методом молекулярной динамики // Журнал структурной химии. — 2008. — Т. 49. — № 3.
11. Масару Эмото. Послания воды. Тайные коды кристаллов льда: Перевод с англ. — М.: ООО «Издательский дом «София», 2005.
12. Дерягин Б. В., Чураев Н. В. Новые свойства жидкостей. — М.: Издательство «Наука», 1971.
13. Голодец Г И. Гетерогенно-каталитические реакции с участием молекулярного кислорода. — Киев.: Наукова думка, 1977.
14. ВуксМ. Ф. Рассеяние света в газах, жидкостях и растворах. — Л.: Издательство ЛГУ, 1977.
15. Гуриков Ю. В. Структурные изменения воды под влиянием примесей // Сборник конференции «Физико-химические аспекты реакции водных систем на физические воздействия». — Л.: Агрофизический институт. 1979.
16. Hojer G., Keller I. J. Quantum Chem. Symp. — 1974. — № 8. — P. 1478.
17. Классен В. И., Шафеев Р. Ш., Хажинская Г. Н., Корюкин Б. М., Стецкая С. А. // Доклады АН СССР. — 1970. — Т. 190. — № 6.
18. Ершова Г. Ф., Чураев Н. В. Журнал физической химии. — 1979. — Т. 53. — № 6.
УДК 621.791.94 Т. А. Михеева,
канд. техн. наук, ст. преподаватель, ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ ВОДЫ В СИСТЕМЕ «WATER TABLE» SUBSTANTIATION OF PRODUCTIVITY AND CALCULATION OF THE BASIC KNOTS OF INSTALLATION OF WATER TREATING IN SYSTEM «WATER TABLE»
В статье выполняется обоснование производительности и расчет узлов установки очистки технической воды раскройных столов системы «Water table». Потребность в расчете возникла в связи с попыткой решить вопрос обеспечения экологической безопасности механизированной плазменной резки посредством применения водяных раскройных столов оборотного водоснабжения. В настоящее время имеется реальная возможность данным оборудованием оснастить машины плазменной резки типа «Кристалл», «Ритм» и т. п.
In article the substantiation of productivity and calculation of knots of installation of clearing of technical water cutting system tables «Water table» is carried out. The requirement for calculation has arisen in connection with attempt to solve the problem of maintenance of ecological safety of mechanized plasma flame cutting by means of application water cutting tables of turnaround water supply. Now there is a real possibility to equip plasma flame cutting machines of «Crystal», «Phythm» type with this equipment.
Ключевые слова: водяной раскройный стол, производительность установки, система оборотного
Выпуск 1,
