CC BY
1405.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.02.023 УДК 544.3
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА ИНТЕГРАЛЬНУЮ ТЕПЛОТУ СМАЧИВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
И.Е. Стась
Процессы смачивания поверхности твердого тела жидкостью играют значительную роль в различных технологических процессах. Изменение параметров смачивания используется для придания материалам новых свойств. Поэтому изучение способов и механизмов управления этим процессом является актуальной задачей. В данной работе рассмотрена возможность регулирования смачивания гидрофильного порошка оксида алюминия путем использования воды, подвергшейся воздействию низкоинтенсивного высокочастотного электромагнитного поля. В результате воздействия поля происходит увеличение электропроводности и поверхностного натяжения, снижение рН воды. Степень изменения указанных свойств зависит от частоты поля. В результате при смачивании облученной водой порошкообразного А1203 наблюдается изменение интегральной теплоты смачивания. Эффект наблюдается во всем изученном диапазоне частот 30-190 МГц, но проявляется в разной степени при различных частотах налагаемого поля. При этом теплота смачивания порошка облученной водой как увеличивается (максимально на 45,8 %) в результате воздействия поля частотой 150 МГц, так и уменьшается (максимально на 45-48 %) в результате воздействия поля частотой 110 и 50 МГц по сравнению с контрольными образцами. Показано, что увеличение времени обработки воды электромагнитным полем от 1 до 5 часов приводит к значительному нарастанию эффекта.
Ключевые слова: электропроводность воды, поверхностное натяжение воды, оксид алюминия, полная поверхностная энергия, теплота смачивания, электромагнитное поле, частота.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в различных отраслях промышленности разрабатываются все новые технологии с применением физических полей (ультразвукового, магнитного, электромагнитного). В [1] описано использование разрядно-импульсных технологий для повышения степени гидратации биополимеров и улучшения физико-химических свойств продуктов. Установлено влияние импульсного магнитного поля на степень изменения механической прочности волокнистых полимерных материалов, таких как хлопковая целлюлоза, вискоза, полиакрилонитрил, натуральная шерсть [2]. Показано влияние электромагнитной обработки воды на процессы крашения шерстяных материалов [3]. В [4] установлено влияние магнитного поля на цис-транс-изомеризацию полибутадиенового каучука. Метод высокочастотной терапии применяется при лечении органов дыхания и кровообращения. В его основе лежит идея о взаимосвязи структурной организации воды и растворенных в ней биоорганических молекул, а также ее изменение в результате воздействия электромагнитного поля миллиметрового диапазона [5].
Процессы смачивания поверхности твердого тела жидкостью играют большую
роль в процессах проникновения жидкости в различного рода пористые тела, грунты и почвы. Важное значение имеют условия смачивания для осуществления процесса флотации, широко применяющегося при обогащении руд. Возможность изменения характера смачивания используется для придания водонепроницаемости тканям, стеновым покрытиям и т. д.
Жидкости с высоким поверхностным натяжением, к которым относится вода, смачивают лишь те поверхности, к которым их адгезия велика, т. е. полярные поверхности: оксиды металлов, кварц, стекло. Количественно смачиваемость гладких поверхностей характеризуют краевым углом смачивания [6]. Для порошкообразных материалов определение краевого угла затруднено, поэтому для характеристики смачивания используют теплоту смачивания [7].
Процесс смачивания твердого тела жидкостью экзотермичен, т. к. в ходе него происходит замена поверхности раздела твердое тело-воздух, обладающей высокой свободной поверхностной энергией, на поверхность раздела твердое тело-жидкость с более низким значением поверхностной энергии. Выделение теплоты вследствие изменения свободной энергии при смачивании фиксируется наиболее отчетливо, если твердое тело име-
ет хорошо развитую поверхность (тонко измельченный порошок) [8].
Возможность изменения параметров смачивания под воздействием электрического поля на примере модельных систем рассчитана методом функционала плотности в [9]. В [10] показано изменение параметров смачивания сплавов CuFe под влиянием электрического поля. Изменение теплоты смачивания происходит также при воздействии на воду магнитного поля [11].
Исследования, проведенные нами ранее, позволили установить, что в результате воздействия на воду электромагнитного поля (ЭМП) ультравысоких частот (30-200 МГц) и малой мощности (1 Вт) уменьшается ее смачивающая способность, что было продемонстрировано на примере определения краевого угла смачивания на поверхности полистирола [12]. Причиной наблюдаемых явлений может быть усиление межмолекулярного взаимодействия и упрочнение сетки водородных связей в водной среде. Усиление ко-гезионного взаимодействия проявляется также в увеличении поверхностного натяжения, теплоты испарения, замедлении испарения воды, подвергшейся воздействию поля. Установлено, что степень изменения свойств воды зависит от двух факторов:частоты ЭМП и времени экспозиции. Изменение физико-химических свойств воды наблюдается лишь при определенных частотах поля (избирательность действия) и нарастает до определенного предела при увеличении времени облучения (насыщаемость) [13].
В данной работе рассмотрено влияние предварительной обработки воды высокочастотным электромагнитным полем на интегральную теплоту смачивания ею порошкообразного алюминия.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При проведении эксперимента использовали воду с удельной электропроводностью к = 0,9210-4 См/м. Воду очищали с помощью мембранного дистиллятора ДМЭ-1/Б. Для обработки воды ЭМП применяли высокочастотный генератор Г4-11 9а с варьируемой частотой в диапазоне 30-200 МГц. Облучение воды проводили бесконтактным способом в ячейке емкостного типа полем заданной частоты в интервале 30-190 МГц с шагом 20 МГц в течение 1-5 часов. Облученную воду перед проведением эксперимента выдерживали в течение суток, т. к. проведенные ранее исследования показали, что после прекращения воздействия поля наблюдается
последующее нарастание изменения свойств воды в течение указанного времени, затем измененные свойства сохраняются на протяжении нескольких месяцев.
Об изменении свойств воды судили по изменению ее электропроводности, рН и поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение воды определяли методом взвешивания капель.
В работе использован порошок А1203 для хроматографии (фракция 50-150 мкм). Данный порошок является гидрофильным, т. е. хорошо смачивается водой, поэтому теплота его смачивания относительно велика. Оксид алюминия гигроскопичен, поэтому перед проведением эксперимента порошок высушивали при температуре 150 °С до постоянной массы и хранили в герметично закрытом сосуде.
Для проведения калориметрических измерений взвешивали 6,00 г порошка А1203, помещали его в пробирку и, выдержав пробирку на протяжении предварительного периода измерений в калориметре, смешивали со 100 мл облученной или необлученной воды, также все это время находившейся в калориметре при постоянном перемешивании. Процесс смачивания порошка тоже проводили при непрерывном перемешивании. Температуру системы измеряли с помощью термометра Бекмана с точностью ± 0,01 °С. Теплоту смачивания рассчитывали из уравнения в = Ж + (т1-С + -т2С) м ~ т2 '
где IV - постоянная калориметра; т1 и т2 -масса воды и порошка А1203; С1 и С2 - удельная теплоемкость воды и А1203 соответственно.
Изменение температуры при смачивании порошка А1203 находили расчетным путем из уравнения
АТ = 7'2 — Ч\ — Зт >
где Т2 - последний отсчет главного периода; Т1 - последний отсчет начального периода; 6Т - поправка на потерю тепла в окружающую среду, которую находили из уравнения Щукарева:
8Т =п-г1 + 1/2(г2-г1)(Р+2у) ,
где п - общее число интервалов главного периода; Z1 - среднее изменение температуры между двумя отсчетами в начальном периоде (разность первого и последнего отсчета, деленная на число измерений); Z2 - среднее изменение температуры между двумя отсчетами в конечном периоде (разность первого и
последнего отсчета, деленная на число измерений); Р - число первых интервалов главного периода, когда температура растет быстро ( не менее 0,03 °); у - число остальных измерений главного периода, когда температура растет более медленно.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На первом этапе исследования провели обработку деионизованной воды ЭМП различных частот в течение 3-х часов. Поскольку объем ячейки, в которой проводилось облучение воды, был недостаточен для проведения калориметрических измерений, то проводили облучение 4-х порций воды, а затем их смешивали в одной колбе и, таким образом, определяли усредненные значения ее физико-химических свойств при комнатной температуре (все измерения проведены в течение одного дня при Т = 297 К). Установлено, что обработка воды ЭМП привела к существенному изменению ее свойств. Удельная электропроводность воды (ж) существенно возросла во всем изученном диапазоне частот. Наибольшее возрастание ж происходило при воздействии электромагнитного поля частотой 110 и 170 МГц. Оно составило 2,74,1 раза соответственно. Также в результате полевого воздействия наблюдалось значительное уменьшение рН воды - максимально
на 0,38-0,42 единиц рН для частот 30 и 130 МГц. Только для частоты 170 МГц происходило небольшое возрастание рН. Установленные изменения электропроводности и рН воды свидетельствуют об изменении ее зарядовых характеристик (числа свободных ионов и скорости их перемещения в электрическом поле).
Установлено возрастание поверхностного натяжения облученной воды - максимально на 2,8 и 2,5 % при частотах ЭМП 110 и 150 МГц соответственно (таблица 1). Следует отметить, что температурный коэффициент поверхностного натяжения невелик. Он составляет - 0,151 10-3 Н/м К. Значение а = 7410-3Н/м соответствует температуре воды 285К (12 °С), т. е. воздействие ЭМП как бы охлаждает воду, хотя в действительности температура воды не изменяется. Можно предположить, что электромагнитная обработка воды приводит к усилению межмолекулярного взаимодействия, т. е. работы когезии и увеличению работы выхода молекул воды из объема фазы на ее поверхность, которая и определяет величину поверхностного натяжения.
Следовательно, можно было ожидать изменения энергии взаимодействия облученной воды с твердой поверхностью, что должно проявиться в изменении теплоты смачивания порошка.
Таблица 1 - Физико-химические свойства деионизованной воды и их изменение в результате воздействия высокочастотного электромагнитного поля ^обл = 3 ч; Т = 297 К)
f, МГц 0 30 50 70 90 110 130 150 170 190
ж-104, См/м 0,90 2,00 1,95 1,60 1,58 2,40 1,68 1,95 3,70 1,63
рН 6,48 6,10 6,38 6,38 6,40 6,35 6,06 6,30 6,55 6,43
ДрН - 0,38 0,10 0.10 0,08 0,13 0,42 0,18 0,07 0,05
а103,н/м 72,0 73,3 71,3 73,4 73,4 74,0 73,1 73,8 73,4 73,1
Да,% - 1,8 0,97 1,9 1,9 2,8 1,5 2,5 1,9 1,5
В результате проведенных исследований установлено, что интегральная теплота смачивания порошка А12Оз водой, подвергшейся воздействию ЭМП, существенно отличается от теплоты смачивания водой, не подвергавшейся полевому воздействию. Наблюдается как ее уменьшение, так и увеличение в зависимости от частоты поля (таблица 2). Максимальное снижение теплоты происходит при смачивании порошка водой, подвергшейся воздействию ЭМП частотой 50 и 110 МГц (ДQ = - 45,5-48,0 %), а наибольший рост -при f = 150 МГц (ДQ = + 45,8 %). При других частотах поля изменения Q выражены в гораздо меньшей степени.
Поскольку ранее было установлено, что изменение того или иного свойства воды или водного раствора зависит от времени электромагнитного воздействия, была изучена зависимость теплоты смачивания А12О3 водой от времени ее обработки ЭМП. Для этого выбрали две частоты, при которых наблюдалось максимальное увеличение поверхностного натяжения воды и максимальное уменьшение или увеличение интегральной теплоты смачивания (110 и 150 МГц). Деионизованная вода подвергалась воздействию электромагнитного поля в течение 1-5 часов при данных частотах. В таблице 3 представлены полученные данные, свидетельствующие о нарас-
тании эффекта при увеличении времени воз- ставило 52,6 %, а увеличение (150 МГц) -действия ЭМП на деионизованную воду. 66,4 % при пятичасовом облучении воды. Снижение теплоты смачивания (110 МГц) со-
Таблица 2 - Интегральная теплота смачивания порошка А1203 деионизованной водой, подвергшейся воздействию электромагнитного поля различных частот ^обл = 3 ч; Т = 297 К)
МГц 0 30 50 70 90
Q, Дж/г 32,1 ± 2,6 22,9 ± 1,6 16,7 ± 0,6 36,3 ± 0,5 23,4 ± 0,7
ДQ, % - - 28,7 - 48,0 + 13,0 - 27,1
МГц 110 130 150 170 190
Q, Дж/г 17,5 ± 1,8 24,5 ± 1,6 46,8 ± 0,9 35,7 ± 0,5 37,0 ± 0,8
ДQ, % - 45,5 - 23,7 + 45,8 + 11,2 + 18,6
Таблица 3 - Интегральная теплота смачивания порошка А1203 водой, подвергшейся воздействию лектромагнитного поля частотой 110 и 150 МГц, в зависимости от времени воздействия (Т = 297 К)
^ час 0 1 2 3 5
Q, Дж/г (Г = 110 МГц) 32,1 ± 2,6 23,7 ± 1,5 20,2 ± 1,5 17,5 ± 1,8 15,2 ± 0,8
ДQ, % - - 26,5 - 37,1 - 45,8 - 52,6
Q, Дж/г (Г = 150 МГц) 32,1 ± 2,6 25,5 ± 0,5 35,1 ± 1,6 46,8 ± 0,9 53,4 ± 2,6
ДQ, % - - 20,6 + 9,3 + 45,8 + 66,4
Известно, что теплота смачивания твердой поверхности жидкостью Qcм определяется изменением полной поверхностной энергии 1/1 кг (1 г) твердого вещества при перенесении его из воздуха в жидкость и связана с изменением поверхностной энергии уравнением Гиббса-Гельмгольца [7] и3 = б - Т^бШ),
где Т - температура, dб/dT - температурный коэффициент пограничного натяжения. Тогда
Qcм = (и тг — и тж)^уд =
= [бтг - бтж - Т^(бтг - бтж)№Т)]Буд , где Ц3тг и и3тж - полная поверхностная энергия на границах раздела твердое тело-газ и твердое тело-жидкость; бтг и бтж - пограничное натяжение на границах раздела твердое тело-газ и твердое тело-жидкость; 5уд -удельная поверхность порошка.
Обнаруженное экспериментально увеличение поверхностного натяжения воды (таблица 1) позволяет утверждать, что в результате воздействия ЭМП в ней усиливается межмолекулярное взаимодействие, т. к. бжг определяется работой выхода молекулы из объема на поверхность. В результате изменяются и величины бтж и и3тж, обусловленные взаимодействием жидкой и твердой фаз,
что было показано ранее на примере смачивания облученной водой поверхности полистирола [12]. Поэтому изменение теплоты смачивания А1203 облученной водой может быть обусловлено изменением когезионного взаимодействия в водной среде и, как следствие, изменением энергии взаимодействия воды с поверхностью А1203. Однако данное объяснение не является исчерпывающим, т. к. несмотря на увеличение поверхностного натяжения воды, подвергшейся воздействию ЭМП частотой 110 и 150 МГц, в первом случае наблюдается снижение теплоты смачивания, а во втором - увеличение. Кроме того, при облучении воды полем частотой 150 МГц в течение 1 часа также наблюдается снижение теплового эффекта, и лишь при увеличении времени воздействия ЭМП теплота смачивания начинает резко возрастать. Поскольку полевое воздействие изменяет электропроводность и рН водной среды, можно предположить протекание различных поверхностных химических процессов, таких как поверхностная диссоциация А1203 или специфическая адсорбция ионов водорода, или гидроксила, что изменяет заряд поверхности порошка и характер его взаимодействия с водной средой.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований установлено, что, облучая воду электромагнитным полем, можно изменять ее смачивающую способность. Варьируя частоту ЭМП, можно как увеличивать, так и уменьшать теплоту смачивания порошкообразных материалов по сравнению с необлученной водой. Максимальное снижение теплоты смачивания (гидрофобизация поверхности) достигается для частот поля 50 и 110 МГц. Использование воды, облученной полем частотой 150 МГц, приводит к улучшению смачивания порошка Al2O3 (гидрофилизация поверхности). Показано, что увеличение времени воздействия ЭМП с 1 до 5 часов приводит к нарастанию эффекта - максимальное снижение Q составляет 52,6 % (110 МГц), а максимальное увеличение - 66,4 % (150 МГц) при 5-часовом облучении воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стехин, А.А. Влияние высокочастотного (СВЧ) облучения на биологическую ценность пищевых продуктов / А.А. Стехин, О.Н. Савостикова, М.Г. Кочеткова // Биотехнология. Вода и пищевые продукты : Труды международной научно-практической конференции. - Москва. - 2008. -С. 280-281.
2. Персидская, А.Ю. О влиянии импульсного магнитного поля на механические свойства полимерных волокон / А.Ю. Персидская, И.Р. Кузеев, В.А. Антипина // Журнал химической физики. -2002. - № 2. - С. 90-95.
3. Активация процесса крашения шерстяных материалов путем электромагнитной обработки воды / Г.Н. Дерунова [и др.] // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 1985. -№ 2. - С. 71-73.
4. Френкель, Р.Ш. Влияние внешнего магнитного поля на цис-транс-изомеризацию полибутадиенового каучука / Р.Ш.Френкель, В.С. Понома-
рев // Высокомолекулярные соединения. - 1976. -Т. 18Б. - С. 505-506.
5. Структура воды, миллиметровые волны и их первичная мишень в биологических объектах / А.К. Лященко [и др.] // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2007. - № 8-9. - С. 62-77.
6. Law, K. Wetting on Flat and Smooth Surfaces / К. Law, Н. Zhao // Surface Wetting. - 2016. - V. 18. -P. 35-54.
7. Сумм, Б.Д. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов. - М. : Химия, 1976. - 232 с.
8. Зимон, А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. - М. : Химия, 1974 - 416 с.
9. Myhal, V. Wetting in the presence of the electric field : The classical density functional theory study for a model system / V. Myhal, О. Derzhko // Physi-ca A : Statistical Mechanics and its Applications. -2017. - Vol. 474. - P. 293-300.
10. Effect of electric field on wetting behaviors of CuFe alloys on Wsubstrate / Х. Yang [et al.] //Journal of Alloys and Compounds. - 2009. - Vol. 475. - № 1-2. -P. 855-861.
11. Bacri, J.C. Magnetic wetting transition / J.C. Bacri, R. Perzynski, D. Salin // Wetting Phenomena. - 1990. - Vol. 45. - P. 1-12.
12. Чиркова, В.Ю. Изменение когезионных и адгезионных характеристик воды как результат электромагнитного воздействия / Ю.В. Чиркова, Е.А. Шарлаева, И.Е. Стась // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2019. - Т. 9. -№ 2 (29). - С. 222-231.
13. Стась, И.Е. Физико-химические процессы в электромагнитном поле ультравысоких частот / И.Е. Стась, В.Ю. Чиркова, И.А. Штоббе. - Барнаул : Изд-во АлтГУ, 2015. - 101 с.
14. Denoyel, R. Thermodynamics of wetting: information brought by microcalorimetry / R. Denoyel, I. Beurroies, B. Lefevre // Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2004. - № 45. - P. 203-212.
Стась Ирина Евгеньевна, доцент кафедры физической и неорганической химии, к.х.н. ФГОУ ВО «Алтайский государственный университет», е-mail: irinastas@gmail. com, тел. +79133681194.
