CC BY
23
5. Гальпер, А.М. Радиационный пояс Земли [Текст] / А.М. Гальпер //Soros Education Journal.— 1999.— № 6.— С.75—81
6. Вернов, С.Н. Радиационный пояс Земли [Текст] / С.Н. Вернов //Земля и Вселенная.— 1979. № 4.— С. 33-36.
7. Тверской, Б.А. Взаимодействие магнитосферы с ионосферой [Текст] / Б.А. Тверской // Земля и Вселенная.— 1979. № 4.— С. 37-41.
8. Трахтенгерц, В.Ю. Магнитосфера как альве-новский мазер [Текст] / В.Ю. Трахтенгерц // Земля и Вселенная.— 1979. № 4.— С. 42-45.
9. Кадомцев, Б.Б. Волны вокруг нас [Текст] / Б.Б. Кадомцев, В.И. Рыдник.— М.: Знание, 1981.
10. Кузнецов, А.А. Системные признаки и природа нефтяных и газовых месторождений (универсальная генетическая модель) [Текст] / А.А. Кузнецов // Система «планета Земля».— М.: ЛЕНАД, 2010.— С. 133-152.
11. Тарасов, Б.Г. Живой Космос: системный взгляд
на живой процесс от микромира до макромира [Текст] / Б.Г. Тарасов, Н.В. Петров / Под ред. М.Н. Тихонова // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов / РАН, Обз. инф.— 2010. Вып. 12.— С. 3-96.
12. Израэль, Ю.А. Возможности сохранения (стабилизации) современного климата с помощью новых технологий [Текст] / Ю.А. Израэль // Биосфера. Междисциплинарный и прикладной журнал.— 2011. Т. 3, № 1. С. 3-6.
13. Франк-Каменецкий, Д.А. Плазма— четвертое состояние вещества [Текст] / Д.А. Франк-Каме-нецкий.— М.: Атомиздат, 1975.— 160 с.
14. Ткаченко, О. Взаимосвязь антропогенеза с геоактивными зонами Земли [Текст] / О. Ткаченко // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях.— 1999. Вып. 9.— С. 39-43.
15. Витинский, Ю.И. Статистика пятнообразова-тельной деятельности Солнца [Текст] / Ю.И. Витинский, М. Копецкий, Г.В. Куклин.— М.: Наука, 1986.— 295 с.
УДК 543.426:539.16.04:556.53
В.И. Гуменюк, А.В. Кулинкович
ВЛИЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ГЕНЕРАЦИЮ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ УРАНИЛОВ
Интенсификация промышленного производства во второй половине XX века привела к появлению на планете большого количества антропогенных радионуклидов. Их суммарная активность в среднем соизмерима с активностью естественного радиоактивного фона, но на некоторых участках (техногенно-повышенный фон) может существенно превышать его.
Антропогенные радионуклиды образуют две основные группы: искусственные радионуклиды, получаемые в результате ядерных реакций, и естественные, или природные, радионуклиды (уран, торий и продукты их распада), концентрация которых на земной поверхности резко возросла за счет техногенных процессов, связанных с перемещением их из более глубоких зон земной коры (например, при добыче урана). Это деление условно, поскольку образующиеся в естественных условиях легкие радионуклиды могут быть получены и искусственным путем.
Например, тритий образуется в окружающей среде (в результате ядерных реакций химических элементов с космическим излучением) и в реакциях, искусственно вызванных делением или синтезом ядер. Стронций-90 также возникает в окружающей среде при спонтанном делении урана-238 и может быть получен искусственно.
Искусственные радионуклиды не свойственны биосфере, они появились лишь с середины XX века в результате развития ядерных технологий военного и гражданского применения.
Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерного взрыва, представлены в основном продуктами деления урана-238 и плу-тония-239, невыгоревшим ядерным топливом и материалами с наведенной активностью.
В зависимости от времени, прошедшего с момента взрыва до оседания частиц на земную поверхность, радиоактивные выпадения делятся на три вида:
1. Ближние, или локальные, выпадения представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1—2 суток, охватывая по мере переноса радиоактивного облака ветром все более обширную территорию. В результате локальных выпадений на земной поверхности образуется радиоактивный след шириной в несколько десятков и протяженностью в несколько сот километров. Крупные частицы, оседающие под действием сил тяжести, попадают непосредственно на земную поверхность, в т. ч. на растительность и животных, обусловливая их поверхностное загрязнение. Считается, что при наземных ядерных взрывах мегатонной мощности на ближние выпадения приходится до 80, а при атмосферных — около 10 %.
2. Промежуточные, или тропосферные, выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и менее). Эти частицы формируются в тропосфере ниже тропопаузы на высоте 11—16 км. Период полувыведения этих частиц из тропосферы составляет 20—30 суток. На тропосферные выпадения при наземных взрывах мегатонной мощности приходится 5 %.
3. Глобальные, или стратосферные, выпадения состоят из частиц от нескольких сотых до десятых долей микрометра, забрасываемых в стратосферу на высоту 10—30 км. Оттуда они переносятся в тропосферу струйными течениями и циклональными вихрями либо с воздушными массами через разрывы в тропопаузе.
В умеренных широтах глобальные выпадения с атмосферными осадками (влажные выпадения) составляют 60—70 % общей суммы радиоактивных выпадений, остальная их часть (30—40 %) представлена сухими выпадениями. Глобальные выпадения распределяются по всей поверхности земного шара.
Из глобальных выпадений в водный раствор переходит около 50 % общего количества радионуклидов, в водонерастворимой форме поступает до 95 % стронция-90 и до 70 % цезия-137, в растворимой форме — 30 % церия-144 и 40 % циркония-95. Из локальных и тропосферных выпадений от атмосферных взрывов, представленных частицами величиной до 20 мкм, в воде растворяется до 30 % (в основном, это радионуклиды йода, цезия, стронция, бария).
Количество радиоактивных изотопов, образованных при ядерных взрывах и включающихся затем в пищевые цепочки, определяется не только тем, сколько их выпало из воздуха, но также структурой экосистемы и особенностями биохимических циклов. В целом в малопродуктивных местообитаниях значительная доля осадков включается в пищевые цепочки. В экосистемах с высокой продуктивностью интенсивность обмена веществ и большая сорбирующая емкость почвы или донных отложений обеспечивают такое разбавление осадков, что в растения они попадают в относительно небольшом количестве. Выпавшие радиоактивные осадки (особенно стронций-90 и цезий-137) доходят по пищевой цепочке до человека, но их содержание в тканях организма человека никогда не бывает таким высоким, как в тканях животных.
В результате работы реактора накапливаются продукты деления ядерного топлива, продукты нейтронной активации и остатки выгоревшего топлива. Продукты деления образуются преимущественно внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) и там остаются. Выход за пределы оболочки твэлов ничтожно мал для всех радионуклидов, кроме трития (через оболочки из нержавеющей стали проникает около 80 % трития). В состав продуктов деления входят также благородные газы, летучие и нелетучие вещества. Все они являются бета- и гамма-излучателями и имеют периоды полураспада от долей секунды до десятков лет. Среди продуктов нейтронной активации также присутствуют радионуклиды различного состава и продолжительности жизни. Отработанные твэлы выдерживают на территории АЭС в специальных бассейнах выдержки для распада короткоживущих радионуклидов, а затем отправляют на радиохимические заводы для переработки.
При нормальной работе АЭС поступление радионуклидов во внешнюю среду незначительно. Загрязнение окружающей среды в результате работы радиохимических заводов гораздо серьезнее. Значительный вклад в глобальное загрязнение биосферы предприятиями ядерного топливного цикла (ЯТЦ) вносят углерод-14, криптон-85, тритий и йод-129. Другие долго-живущие негазообразные радионуклиды (строн-ций-90, цезий-137, изотопы трансурановых элементов), поступающие в окружающую среду с выбросами предприятий ЯТЦ, рассеиваются
на ограниченной территории, т. е. создают локальное загрязнение.
Помимо «плановых» выбросов, источником радиоактивного загрязнения окружающей среды являются аварии на ядерных реакторах. Основную опасность при этом представляют продукты деления и нейтронной активации, накопившиеся в активной зоне реактора. Условием их сохранения внутри твэлов является герметичность и достаточное охлаждение твэлов и кожуха. Перегрев топлива и оплавление активной зоны реактора могут произойти лишь в том случае, если количество тепловой энергии, выделяемой в процессе ядерной реакции, превысит величину, снимаемую теплоносителем. Тогда теплоноситель переходит в пар, который вместе с облаком газообразных продуктов деления может привести к избыточному давлению и взрыву. При разрушении защитного колпака продукты деления и нейтронной активации вместе с не-разделившимся (невыгоревшим) топливом поступят во внешнюю среду и вызовут радиоактивное загрязнение территории, площадь которой будет зависеть от мощности взрыва и метеорологических условий.
Антропогенное загрязнение естественными радионуклидами (торий-232, уран-238, уран-235, продукты их распада, а также калий-40) может возникнуть при извлечении и переработке многих полезных ископаемых. В результате этих процессов в биосфере появляются локальные участки с концентрацией радионуклидов, существенно превышающей естественный радиоактивный фон. Такие участки относят к разряду малоактивных загрязнений. Однако участие в них некоторых долгоживущих естественных радионуклидов с очень большим периодом полураспада делает загрязнение такого рода опасными, поскольку они могут существовать практически бесконечно. Подобная аномалия является постоянным источником высокоэнергетических короткоживущих радионуклидов, среди которых особую опасность представляют газообразные изотопы радона.
Все предприятия ядерного топливного цикла служат источниками поступления радионуклидов в окружающую среду, как в процессе производства, так и при их хранении и захоронении. Но основное количество естественных радионуклидов поступает в биосферу в процессе добычи
и переработки урановой руды, разделения изотопов урана и производства ядерного топлива. Локальное, а в некоторых случаях и глобальное загрязнение биосферы тяжелыми естественными радионуклидами происходит главным образом на первом этапе — в процессе добычи и переработки урановой руды. Хотя здесь доля радиоактивного загрязнения окружающей среды не превышает 0,04 % загрязнения, которое дает полный ядерно-топливный цикл, именно добыча и переработка сырья оказывают общее загрязняющее воздействие на среду, учитывая высокую территориальную концентрацию производства.
Важный источник естественных радионуклидов в биосфере — добыча, переработка и использование фосфатных удобрений. Осадочные фосфатные руды характеризуются высокой концентрацией урана-238 и радионуклидов его семейства со средней концентрацией 1500 Бк/кг и значительно более низкой концентрацией радионуклидов семейства тория-232. В зависимости от типа исходного сырья и технологических особенностей его переработки в удобрение могут переходить практически весь уран-238 и определенная часть радия-226, тория-228, тория-230, свинца-210 и полония-210. Концентрация этих радионуклидов во всех видах фосфорных удобрений независимо от разрабатываемых месторождений несколько выше, чем в пахотных почвах. При изготовлении удобрений концентрация радия-226 снижается почти во всех видах продукции, получаемой из фосфатного сырья, и, напротив, концентрация ура-на-238, тория-232 и тория-228 увеличиваются в двойном суперфосфате, аммофосе и диаммо-фосе, но не более чем в два раза. Концентрация калия-40 в калийных удобрениях примерно в десять раз превышает его концентрацию в почве. Содержание радионуклидов уранового ряда в фосфорсодержащих удобрениях различных стран мира варьируется в пределах 70—2400 Бк/ кг, а концентрация радионуклидов ториевого ряда не превышает 70 Бк/кг. В некоторых странах (США, ФРГ, Тайвань, Россия) отмечается увеличение содержания естественных радионуклидов в пахотных почвах за счет длительного использования фосфорных удобрений.
В жидкие сбросы АЭС радионуклиды могут попасть при появлении протечек промконтура, системы охлаждения конденсаторов турбин,
а также с дебалансными водами. В основном влияние АЭС на увеличение радиоактивности воды прослеживается в сбросных каналах и прилегающей к ним акватории водоема-охладителя.
Потенциальным источником поступления радионуклидов в водную среду являются хранилища радиоактивных отходов. Разгерметизация емкостей хранилищ и нарушения гидроизоляции могут привести к попаданию радиоактивных веществ в грунтовые воды.
Существенный вклад в радиоактивное загрязнение гидросферы внесла чернобыльская авария. Наибольшее загрязнение водных экосистем отмечалось в конце апреля — начале мая 1986 года: концентрация радионуклидов в воде достигала в Припяти 10 кБк/л, в Днепре 4 кБк/л [1].
Существенно повлияли на радиоактивное загрязнение ряда водоемов Урала промышленные сбросы ПО «Маяк». С 1949 г. в реку Течу сбрасывались жидкие отходы радиохимического производства, в результате в речную систему Теча — Исеть — Тобол — Иртыш — Обь попало около 2,8 млн Ки жидких радиоактивных веществ, около 95 % которых поступило в реку Течу за период с марта 1950 года по ноябрь 1951-го. В результате радиоактивного загрязнения речной системы повышенному облучению подверглись 124 тыс. человек, проживающих в прибрежных населенных пунктах.
Заметное воздействие на радиоактивность реки Енисей оказала деятельность Горнохимического комбината (г. Железногорск), расположенного в 40 км от Красноярска. Более 50 лет комбинат является источником радиоактивного загрязнения окружающей среды из-за газообразных выбросов и жидких сбросов радионуклидов. В 1992 году на комбинате были выведены из эксплуатации два промышленных прямоточных реактора, воды охлаждения которых сбрасывались в Енисей (80 км от Красноярска). Остановка реакторов несколько снизила радиоактивное загрязнение природной среды, однако до сего дня на комбинате эксплуатируется последний реактор, дающий тепловую энергию для Железногорска.
Одним из наиболее токсичных радионуклидов, поступающих в окружающую среду, является уран. Экспериментальные данные свидетельствуют о высокой канцерогенности соединений урана [2]. В исследованиях отмечается, что уран
и его соединения относятся к сильнейшим про-топлазматическим ядам, и его токсичность может быть сравнима с сулемой. Трансурановые радионуклиды воздействуют на организм человека в первую очередь как токсичные химические вещества, а влияние их радиационных свойств становится заметно в более отдаленные сроки.
Химическая токсичность уранилов зависит от характера их поступления в организм человека, от физико-химических свойств, от особенностей метаболизма человека, от характера распределения уранилов в критических органах.
Анализ допустимых концентраций в воде некоторых а-активных радионуклидов, в том числе урана, показывает, что предельное допустимое содержание радионуклидов в воде составляют микроколичества [3]. Между тем в настоящее время отсутствуют быстродействующие, легкие в управлении приборы для определения зараженности воды соединениями урана выше допустимых норм. Процесс идентификации радионуклидов включает сложную пробоподготовку, заключающуюся в экстракции радионуклидов, нанесении раствора на подложку, выпаривании растворителя и дальнейшем определении радионуклида [1]. При этом точность измерений не лучше 25-30 %. Нам представляется возможным создание на основе хемилюминесцентных реакций [4, 5] достаточно простой методики определения равновесной концентрации перекиси водорода, образующейся при радиолизе воды под действием а-излучения изотопов урана в концентрациях, превышающих фоновые значения.
Изучение возможных механизмов генерации активных форм кислорода (АФК) в воде, в том числе перекисных соединений, показывает [6, 7], что классические представления, основанные на прямых химических образованиях (фотохимический, радиационно-химический и каталитический каналы генерации АФК), при описании не учитывают возможность наработки радикальных форм за счет процессов фазовой трансформации связанной воды. Однако, как следует из работ [6-8], формирование активных форм кислорода под действием изменения внешних физических полей в ряде случаев приводит к усилению степени их наработки в водной среде. При этом величина концентрации активных форм кислорода, возникающих вследствие фазовой пере-
стройки ассоциатов, во много раз превосходит значение величины содержания радикальных форм, получаемых по классическим химическим механизмам генерации. Таким образом, для оценки влияния структурно-физических неустойчи-востей ассоциатов среды на самоиндукцию активных форм кислорода необходимо исследовать механизм данного процесса с целью выявления наиболее информативных показателей, указывающих на наличие в воде соединений урана.
Известно [6], что внешние физические поля оказывают влияние на процесс генерации АФК в водной среде, при этом в ряде случаев степень формирования перекисных соединений в воде под воздействием полей в несколько раз превосходит степень образования АФК по химическим каналам генерации. Однако с теоретических позиций данное явление до настоящего времени не рассматривалось и не учитывалось при проведении анализа водных сред.
Для выяснения механизма образования кислородных форм в воде было проведено изучение влияния естественных (геомагнитных) полей, а также ионов металлов переменной валентности на процесс генерации активных кислородных соединений в водной среде.
Для приготовления растворов дистиллированная вода кипятилась в течение часа для удаления остатков летучих хлорированных и пере-кисных соединений. После охлаждения вода в течение суток выстаивалась без доступа света для исключения наработки АФК по фотохимическому каналу.
В качестве объектов исследования использовались сульфат, оксалат и ацетат уранила (Ш^043Н20, ио2с2о4-3н2о, и02(СН3С00)2 X х 2Н20), а также сульфаты магния, железа, хрома, меди и тория (MgSO4•2H2O, FeSO4, Сг2^04)3-6Н20, С^04 и 1Ъ^04)2) марки «ос. ч». Навеска соли контролировалась весовым методом (с помощью аналитических весов для полумикроанализа) и растворялась в 100 мл приготовленной ранее дистиллированной воды, а затем выстаивалась в течение часа в темноте. После этого растворы закислялись серной кислотой марки «ос. ч» до значения рН = 2,50 и повторно выстаивались в течение суток.
Водородный показатель водных растворов солей контролировали с помощью рН-метра марки 1280 фирм «Пиколло» и «Экотест-120»,
преимущество которого состоит в возможности измерения параметра без испускания в исследуемый раствор хлорида калия, что исключает необходимость учета изменения ионной силы растворов в ходе эксперимента. Погрешность прибора не превышает ±0,02 в единицах рН.
Анализ водных растворов металлов переменной валентности на содержание в них АФК проводился на анализаторе жидких проб «ЛИК-2», в котором для определения концентрации пер-гидроксильного ион-радикала НО2-(*) использовалась хемилюминесцентная реакция [4—10]. Контроль содержания НО2-(*) в растворе проводился по интенсивности свечения при взаимодействии люминол-геминового реактива с анализируемой пробой. Люминол-геминовый реактив готовился перед проведением исследования и не менялся в ходе эксперимента.
Анализатор жидких проб «ЛИК-2» был выбран для регистрации АФК, как наиболее подходящий для исследования процессов самоиндукции активных форм кислорода в воде и водных растворах, поскольку за короткое время проведения анализа (длительность одного измерения не превышает 2 мин) возможно определение ион-радикалов HO-() и O-(,) *) концентрацией до 10-12 моль/л, что существенно снижает порог определяемой концентрации HO-() по сравнению с такими широко используемыми методами анализа, как масс-спектрометрия и ИК-спектрометрия (более, чем на 5—6 порядков). Кроме того, анализатор «ЛИК-2» позволяет осуществлять раздельное определение свободных и связанных радикалов, что невозможно при использовании других методов анализа. Существенные преимущества данного хемилю-минометра — его компактность, малые габаритные размеры и возможность использования в полевых условиях непосредственно на месте контроля аварийных выбросов).
Влияние геомагнитного поля Земли на генерацию АФК в водной среде исследовалось по его вариационным характеристикам, определяемым K-индексом, база данных которого формируется метеорологической станцией Москвы, а также по изменению магнитного поля по трем направлениям: широтному, меридианному и вертикальному. Данные заносились в единую базу данных и анализировались с использованием программы «Excel».
Определение параметров электрического и магнитного полей непосредственно в месте проведения эксперимента осуществлялось по измерителю параметров электрического и магнитного полей (ВЕ-МЕТР-АТ-002) — среднеквадратиче-ских значений напряженности электрического и магнитного полей в полосе частот 5-400 кГц.
Для изучения влияния наработки АФК в водных растворах металлов переменной валентности под действием электромагнитных волн использовался генератор высокочастотных сигналов Г3-117, который обеспечивает создание переменных электрического и магнитного полей в широком интервале частот (2-200 МГц) регулятором выходного напряжения электрического и магнитного полей.
Вихревое электромагнитное поле создавалось генератором вихревых электромагнитных волн (генератор Авраменко) [11, 12]. Параметры поля контролировались по показаниям датчика, в устройстве которого предусмотрена магнитная развязка, чувствительная к изменению параметров создаваемого вихревого электромагнитного и магнитного полей. Параметры синусоидальных электрического и магнитного полей определялись по показаниям измерителя ВЕ-МЕТР-АТ-002.
В качестве более мощный установки, предназначенной для создания вихревого электромагнитного поля, использовалась экспериментальная установка, принцип действия которой основан на создании электромагнитных неу-стойчивостей объемной монополярной плазмы, формируемой в атмосфере объемными структурами коронирующих электродов [4, 13]. Установка располагалась в нескольких десятках метров от места проведения анализа, а контроль параметров электромагнитных излучений, генерируемых установкой, осуществлялся по методикам согласно [4,10].
Изучение самоиндукции АФК в водных растворах за счет радиационно-химических превращений проводилось с использованием а-, Р- и у-активных препаратов, содержащих изотопы 233и, 234и, 235и, 238и, 137Сб и 3Н. Контроль изотопного состава оценивался на основе показаний сцинтилляционного счетчика.
Оценка влияния когерентного ИК-излучения на динамику пергидроксильных ион-радикалов НО2-(*) в водных растворах сульфата уранила про-
водилась с использованием гелий-неонового лазера милливаттной мощности (ИЛГИ-503).
Экспериментальное подтверждение процессов обмена электронами между водой и внешней средой осуществлялось с использованием широкополосного генератора электромагнитных излучений ГШ-6.
При отработке методики полевого экспресс-контроля солей урана в природных водах использовались спиртовые растворы органических комплексонов: 8-оксихинолин, 2,2 -дипиридил, 1,10-фенантролин, 2,3,5-трифенилтетразолий хлористый марки «х. ч.», а в качестве растворителя — этиловый спирт марки «для хроматографии».
Градуировка анализатора «ЛИК-2» по пер-гидроксильному ион-радикалу НО-() осуществлялась путем анализа водных растворов перекиси водорода с диапазоном концентраций 10-3-10-12 моль/л, так как известно [14], что при содержании Н2О2 в воде в концентрациях 10-6 моль/л и ниже она находится в диссоциированном состоянии в виде НО-(). Общий вид градуировочной зависимости приведен на рис. 1.
На начальном этапе изучение влияния воздействия внешних электромагнитных полей низкой интенсивности на характер и интенсивность генерации активных форм кислорода, в частности перекиси водорода, проводилось в водных растворах металлов переменной валентности.
В качестве объекта исследования использовался уран, относящийся к металлам переменной валентности. Из всех растворимых неорганических солей урана наиболее стабильной и хорошо растворимой уже при комнатной температуре является сульфат уранила [15]. Гидролиз уранил-ионов в воде сдерживался закисле-нием исходного раствора серной кислотой до рН = 2,50 ± 0,02.
Влияние геомагнитного поля Земли на водные растворы металлов переменной валентности изучалось также по железу, хрому, меди и сравнивалось с данными, полученными для урана. В исследованиях растворы солей готовились по вышеприведенной методике в концентрациях 5,37-10-6 моль/л по FeSO4, 9,62-10-6 моль/л по сг2(804)3 и 1,57-10-5 моль/л по С^04, что соответствует предельно допустимым концентрациям этих соединений в природных водах [3].
Логарифм светоизлучения ^хл^ е.
1 -13- 11 I 43," 15 .^Г 55 5? 1 -у; Концентрация перекиси
водорода, г/мл
Рис. 1. Зависимость изменения максимальной интенсивности хемилюминесценции от содержания пероксида водорода в воде
На рис. 2 представлена зависимость изменения концентрации пергидроксильного ион-радикала НО-() в воде для раствора сульфата железа, а на рис. 3 — для растворов сульфата меди и хрома. Анализ данных показывает, что во всех исследуемых растворах наблюдается наработка активных форм кислорода, при этом процесс накопления НО-() -ион-радикалов имеет флуктуационный характер. В зависимости от
Концентрация
пергидроксильного ионрадикала
НО-'*', С-10-6, моль/л
4,5 4
тИ г. к?
! I 4 « {I
Щ п « м
п
9:00
11:00
15:00
15:00
17:00 19:00
Астрономическое время
Рис. 2. Зависимость изменения концентрации
пергидроксильного ион-радикала HO-(*' во времени в водном растворе сульфата железа с концентрацией 5,37-10—6 моль/л
большее количество НО2()
л2+
времени суток интенсивность наработки НО-() -ион-радикалов изменяется, причем для разных металлов время формирования максимального количества пергидроксильного ион-радикала различно. Так, для ионов Fe2+ наибольшее количество НО-(,) )-ион-радикалов образуется в утренние часы (табл. 1), а для ионов Сг3+ и Си2+ максимальная наработка НО-() наблюдается в вечерние часы. В отличие от всех исследуемых ионов металлов переменной валентности наи-
образуется в воде,
содержащей ионы иО2+ , в дневное время (12.00—13.00). Такие различия в продуцирующей способности НО-() -ион-радикалов для ионов металлов переменной валентности связаны, вероятно, с критическими условиями возбуждения электронной системы ион-кристаллического состояния воды. Активность действия таких состояний по наработке АФК проявляется при определенной интенсивности электромагнитного поля Земли, которое характеризуется К-индексом. Вариационный характер зависимостей (см. рис. 2 и 3) свидетельствует о том, что наработка НО-() -ион-радикалов осуществляется в водной среде металлами переменной валентности не в соответствии с классическим механизмом, а в основном под действием вари-
абельных изменений вихревых электромагнитных полей.
Кроме исследования генерации АФК ионами железа, меди, хрома и кобальта, было проведено изучение характера и интенсивности генерации перекиси водорода в водном растворе сульфата уранила концентрацией 7,56-10-4 моль/л при рН= 2,50 в зависимости от изменения геомагнитной активности Земли в разные дни. Результаты исследований представлены в табл. 2. Из приведенных данных следует, что равновесная концентрация перекиси водорода в водном растворе сульфата уранила варьируется под действием геомагнитного поля Земли. Так, при низких значениях К-индекса (2 и менее) наблюдается уменьшение концентрации перекиси водорода, а при высоких значениях К-индекса (3 и более) — значительный рост содержания Н2О2 в воде.
Оценка вариабельности равновесной концентрации перекиси водорода в водном растворе сульфата уранила (концентрация 7,56-10-4 моль/л, рН = 2,50) в дневное время (рис. 5) и влияния циклонической активности на наработку Н0-() -ион-радикалов (рис. 4) показала, что содержание Н0-() -ион-радикалов водного раствора сульфата уранила возрастает в период антициклонической активности, ав период циклонической активности (18-20 мая) наработка НО^-ион-радикалов в воде резко уменьшается. Столь же низкие концентрации Н0-() -ион-радикалов отмечаются и при отрицательных температурах окружающей среды (ночные заморозки).
отмечаются утренний и вечерний максимумы и снижение содержания Н0-() -ион-
Концентрация
пергидроксильного ионрадикала НО-'*', С-10-6, моль/л КО
5:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00
Астрономическое время
Рис. 3. Зависимость изменения концентрации пергидроксильного ион-радикала НО-*** во
времени в водном растворе: О — сульфата хрома — Сг2^О4)3 (9,62-10-6 моль/л); □ — сульфата меди С^О4 (1,57-10-5 моль/л);
А — сульфата уранила UO2SO4 (7,56-10-4 моль/л)
радикалов в первой половине дня (см. рис. 5). В периоды всплесков геомагнитной активности концентрация Н0-() резко увеличивается. Это свидетельствует о зависимости генерации АФК в воде, в том числе и Н0-(), от геомагнитной активности, что связано с изменением параметров ион-кристаллических ассоциатов и преобразованием геомагнитной энергии в энергию АФК в воде.
Установлено, что зависимость изменения концентрации перекиси водорода в растворах от геомагнитного фона Земли носит куполообразный характер. При этом в невозмущенной атмо-
Таблица 1
Средние значения равновесной концентрации перекиси водорода в водных растворах солей металлов переменной валентности
Водный раствор соли Концентрация перекиси водорода, моль/л, в часы суток*
9.00-10.00 12.00-13.00 15.00-16.00 18.00-19.00
FeSO4 3,38-10-6 3,02-10-6 2,97-10-6 2,69'10-6
0-2^04)3 1,95-10-7 2,94-10-7 3,96-10-7 5,20-10-7
с^о4 1,53-10-7 1,71-10-7 2,04-10-7 2,15-10-7
ио^о4 7,03-10-8 7,76-10-8 5,97-10-8 1,01-10-7
* Время дано в астрономическом масштабе
Таблица 2
Изменение равновесной концентрации перекиси водорода в водном растворе сульфата уранила под действием геомагнитного поля Земли
Дата Время измерения Концентрация Н2О2, моль/л Вариабельна Сн2О2 , отн.ед. К-индекс
15.03.02 9.00-10.00 3,63-10-8 0,19 2
12.00-13.00 4,93-10-8 0,15 3
15.00-16.00 2,91-10-8 0,29 1
18.00-19.00 4,14-10-8 0,34 2
18.04.02 9.00-10.00 7,03-10-8 0,21 3
12.00-13.00 7,76-10-8 0,28 3
15.00-16.00 5,98-10-8 0,16 3
18.00-19.00 1,01-10-7 0,45 4
сфере (К = 1) перекись водорода нарабатывается относительно слабо (рис. 6), слабовозмущенная атмосфера (К = 2—3) соответствует пиковым значениям концентрации, а при магнитных бурях (сильно возмущенная атмосфера) концентрация НО-() -ион-радикалов вновь уменьшается. В то же время возмущенное состояние
НО-(*)
Концентрация , С-10-6, моль/л 45
атмосферы сопровождается ростом короткопе-риодных вариаций концентрации НО-() -ион-радикалов в воде. Такой характер наработки НО-() свидетельствует о том, что в водной среде происходит преобразование геомагнитной энергии поля Земли в энергию АФК и перекиси водорода в воде.
Атмосферное давление мм рт. ст.
40 35 30 25 20 15 10
/
/
V
л
/
/
"Ч
У
к
Л,
•Л,
\
/
V
J
\
76
и
7£ 72
Температура, °С 2
1,5
1
0,5 0
. Ш И I I
С^с^са-О-С^с^с^сьс-С!. я я эн ж а: ~
ЕСЕЕСЕСЕ^СЕсСйЯйяллсзяйсЗйсЗйгзоСС По™
V г.. > г.. > > Дата
ОП^ЛЖОГЧЧ-вКО^тглио^Ч'ОМОП^-ОМО-^^ '— ,— — — — г I Г ' гч г | с ; <г- ^ — ^ — и гч гм п го '
Рис. 4. Зависимость изменения концентрации перекиси водорода в водном растворе сульфата уранила концентрацией 7,56-10-4 моль/л от времени (10 апреля — 5 июня 2002 года)
Концентрация НО-'*', С-10-6, моль/л
■■ ...........■ . :. : ■ 1 ........ ч " ■ " ВреМЯ
Рис. 5. Зависимость изменения концентрации перекиси водорода от времени суток
Причины подобного поведения концентрации активных форм кислорода в воде не связаны с электромагнитной активностью внешних синусоидальных волн (как оптического, так и более длинноволновых диапазонов), поскольку для оценки их влияния исследования проводились в полностью экранированных от этих излучений системах. Измеренные в таких экспериментах концентрации, если и отличались от неэкрани-рованных, то в сторону больших значений.
Анализ концентрационной зависимости (рис. 7) НО-() -ион-радикалов в водных растворах уранила от водородного показателя свидетельствуют о наличии в системе неравновесных процессов, характеризующихся фазовой нестабильностью (тонкая структура спектра). Подоб-
Концентрация НО-(*', С-106, моль/л
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О
ные неравновесные процессы наработки НО-(*' наблюдаются и для других а-активных элементов, например для тория (см. рис. 7), которые, как и уран, относятся к металлам переменной валентности. Такой ход зависимости концентрации перекиси водорода в растворах солей урана во многом повторяет характерные спектры поглощения и(Ш) и и(ГУ) в видимом диапазоне длин волн [12], что указывает на наличие фазового перехода в системе, так как интерпретация спектров поглощения ионов урана основана на модели электронных переходов между отдельными уровнями. При сопоставлении зависимости на рис. 7 с потенциалами переходов ионов урана [15] установлено, что генерация перекиси водорода в воде совпадает с интервалами рН
Вариации концентрации, о. е.
Вариации
N
Концентрация
о,:
о,; - о,; 0.1 0,1 0.05
7 К-индекс
Рис. 6. Зависимость концентрации перекиси водорода от изменения геомагнитного фона
Концентрация HO-(*', С-106, моль/л
личии в ней солей урана происходит в точке фазового перехода и(ГГГ) — и(ГУ) при рН = 2,5:
UO2+
+0,17.8
>UO +.
рН
Рис. 7. Зависимость концентрации перекиси водорода в водных растворах сульфата уранила иО28О4 концентрацией 7,56Т0-4 моль/л и нитрата тория ТЬ^О3)4 концентрацией 6,46Т0-5 моль/л от водородного показателя среды
перехода одной ионной формы соединения в другую. При этом максимальная наработка пергидроксильного ион-радикала в воде при на-
Увеличение концентрации НО-(*) -ион-радикалов указывает на то, что их генерация в воде в присутствии металлов переменной валентности обусловлена динамикой обменных процессов в слабых джозефсоновских структурах связанных состояний воды. Способность подобных структур к концентрированию внешней магнитной энергии позволяет создавать в них избыточный запас химической энергии в виде кислородных ион-радикальных форм. В результате обменных процессов между связанными состояниями вещества в среде при джозефсоновских контактах часть накопленной энергии диссипирует с образованием сольва-тированных электронов, которые обеспечивают в воде дополнительную генерацию активных форм кислорода. Переход одной ионной формы металла переменной валентности в другую вызван фазовыми превращениями в связанных состояниях воды, сопровождающимися появлением в среде дополнительных активных форм кислорода, при этом процесс генерации перги-дроксильных ион-радикалов в воде имеет осциллирующий характер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ядерная энциклопедия [Текст].— М.: Изд-во «Благотворительный фонд Ярошинской», 1996.— 656 с.
2. Бекман, И.Н. Уран [Текст]: Учебное пособие / И.Н. Бекман.— М.: МГУ, 2009.— 300 с.
3. Справочник помощника санитарного врача и помощника эпидемиолога [Текст] / Под ред. Д.П. Никитина,
A.И. Заиченко.— М.: Медицина, 1990.— 512 с.
4. Головина, А.П. Химический люминесцентный анализ неорганических веществ [Текст] / А.П. Головина, Л.В. Левшин.— М.: Химия, 1978.— С. 248.
5. Гуменюк, В.И. Хемилюминесцентный экспресс-контроль соединений урана в природных водах [Текст] /
B.И. Гуменюк, А.В. Кулинкович // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2011. № 4 (135).— С. 178-186.
6. Вода — космическое явление [Текст] / Под ред. Ю.А. Рахманина, В.К. Кондратова / РАЕН.— М.: Изд-во РАЕН, 2002.— С. 427.
7. Гуменюк, В.И. Анализ существующих механизмов генерации активных форм кислорода в водных растворах уранилов [Текст] / В.И. Гуменюк, А.В. Кулинкович // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2011. № 4 (135).— С. 186-193.
8. Гуменюк, В.И. Влияние процессов трансформации рассеянной энергии ассоциированных состояний воды на генерацию активных форм кислорода в растворах солей урана [Текст] / В.И. Гуменюк, А.В. Кулинкович // Научно-
технические ведомости СПбГПУ.— 2011. № 1 (142).— С. 255-262.
9. Бабко, А.К. Хемилюминесцентный анализ [Текст] / А.К. Бабко [и др.].— Киев: Техника, 1966.— 254 с.
10. Гаврилов А.В. и др. Хемилюминесцентное определение цианид-ионов // Журнал аналитической химии.— 2005. Т. 60. № 11.— С. 1157-1163.
11 Патент США № 61463.873 III. Способ и устройство для однопроводной передачи электрической энергии без омических потерь [Текст] / С.В. Авраменко [и др.].— от 10.05.2000.
12. Авраменко, С.В. Потенциальные возможности монополярного холодноплазменного генератора и экология [Текст] / С.В. Авраменко // Тез. докл. Всеросс. науч. конф. «Физико-химические потери сжигания углеводородных топлив».— Москва. 20-25 мая 1998 г.— С. 214.
13. Авторское свидетельство № 2105463. Способ воздействия на процесс атмосферной циркуляции и система для воздействия на процесс атмосферной циркуляции [Текст] / В.А. Протопопов, В.И. Уйбо.— 27.02.1998.
14. Шамб, У. Перекись водорода [Текст] / У. Шамб, Ч. Сеттерфилд, Р. Вентворс / Пер. с англ. под ред. А.И. Горбанева.— М.: Иностр. лит., 1958.— 578 с.
15. Химия актиноидов (в 3-х т.) Т. 1 [Текст] / Пер. с англ. под ред. Дж. Каца, Г. Сибборга, Л. Морсса.— М.: Мир, 1991. С. 525.
