ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CHEMISTRY SCIENCES

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ

Комова Н.Н.

Кандидат химических наук, доцент

МИРЭА - Российский Технический Университет, Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова,

Россия, г. Москва Курницкий Г.А.

Студент

МИРЭА - Российский Технический Университет, Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова,

Россия, г. Москва Сергиенко Е.А.

Студент

МИРЭА - Российский Технический Университет, Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова,

Россия, г. Москва

INFLUENCE OF EXTERNAL INFLUENCES ON CHANGES IN THE PHYSICAL PROPERTIES OF

WATER

Komova N.

Ph.D., Associate Professor

MIREA - Russian Technological University, Institute of Fine Chemical Technologies named after M.V. Lomonosov,

Moscow, Russia Kurnicki G.

Student

MIREA - Russian Technological University, Institute of Fine Chemical Technologies named after M.V. Lomonosov,

Moscow, Russia Sergienko Ye.

Student

MIREA - Russian Technological University, Institute of Fine Chemical Technologies named after M.V. Lomonosov,

Moscow, Russia

Аннотация

В работе исследовано воздействие переменных электрических полей и облучения монохроматическим светом, включая лазерное излучение, в видимом диапазоне длин волн на такие физические характеристики воды, как эффективное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и кинематическую вязкость. Определены кинетические зависимости и скорости изменения соответствующих параметров в процессе определенных воздействий. В зависимости от условий и вида воздействия водная система возвращается ( в некоторых случаях частично) или не возвращается в своё исходное состояние в течение исследованного временного промежутка -до двух часов. Установленные зависимости и энергии активации дают основание считать, что наблюдаемые изменения в физических свойствах водной системы обоснованы преобразованиями и изменениями в кластерной структуре воды.

Abstract

The paper studies the effect of variable electric fields and exposure to monochromatic light, including laser radiation, in the visible wavelength range on such physical characteristics of water as effective resistance, permittivity, tangent of the angle of dielectric losses and kinematic viscosity. Kinetic dependences and rates of change of the corresponding parameters in the course of certain actions are determined. Depending on the conditions and the type of impact, the water system returns (in some cases partially) or does not return to its original state within the studied time period-up to two hours. The established dependencies and activation energies give reason to believe that the observed changes in the physical properties of the water system are justified by transformations and changes in the cluster structure of water.

Ключевые слова: Переменное электрическое поле, частота переменного электрического поля, монохроматический свет, лазерное излучение, эффективное сопротивление, диэлектрическая проницаемость воды, кластерная организация воды, тангенс угла диэлектрических потерь, кинематическая вязкость, кинетические зависимости физических параметров воды.

Keywords: Alternating electric field, frequency of alternating electric field, monochromatic light, laser radiation, effective resistance, water permittivity, water cluster organization, tangent of the angle of dielectric losses, kinematic viscosity, kinetic dependences of physical parameters of water.

ВВЕДЕНИЕ.

Вода представляет собой уникальную жидкость по ряду необычных, часто называемых аномальными, свойств. Термодинамические параметры воды резко выделяют её из ряда гидридов, соединений водорода с соседями по периодической таблице химических элементов. Вода плотнее льда, что является необычным по сравнению с другими жидкостями, т.к. тепловое движение молекул при кристаллизации ограничивается, приводя к более плотной упаковке. Она может быть переохлаждена более чем на 40 градусов ниже точки замерзания, и при последующем нагревании не расширяется, но сжимается, пока не достигнет максимальной плотности приблизительно при 4о С. Изотермическая сжимаемость воды снижается с увеличением температуры, достигая минимума вблизи 46 оС, тогда как другие жидкости при нагревании становятся более сжимаемыми [1].

Очевидно, что эти изменения свойств воды связаны со способностью её молекулы образовывать до четырех четко определенных водородных связей, допускающих различные локальные структурные расположения [2]. В последнее время появилось множество новых данных из различных экспериментов и теоретических моделей, указывающих на неоднородную картину, связанную с существованием нескольких классов локальных структурных сред в воде, развивающимися в зависимости от температуры и параметров внешней среды [2-5]. Такие термодинамические свойства, как плотность, изобарическая теплоемкость, изотермическая сжимаемость и другие, отражают реакцию водной системы на внешние воздействия и являются термодинамическими функциями отклика на внешние факторы [6]. Отклонение температурных зависимостей термодинамических параметров воды от вида аналогичных зависимостей типичных жидкостей определяет необычное поведение воды, обозначаемое как аномальное. Проявление такой аномалии усиливается при охлаждении водной системы.

Чтобы получить фундаментальное представление о происхождении этих аномалий, в работе [2] рассматривается мгновенная локальная структура жидкости в различных точках термодинамического состояния и предлагается механизм, определяющий связь структуры с динамикой движения молекулы воды. Рядом работ [3-8] доказано, что вода в жидком состоянии является локально неоднородной системой, но не с точки зрения статической структурной картины, а в результате флуктуаций в некоторых масштабах длины и времени между конкретными классами локальных структур.

Существует множество различных правдоподобных объяснений необычных свойств воды, где возможны и гомогенные, и гетерогенные модели, но для определения их обоснованности необхо-

димы сложные структурные и динамические экспериментальные данные [8]. Для подтверждения таких моделей необходимо определить, насколько велики искажения в сети водородных связей (Н-свя-зей). В статически локально однородной модели искажения должны быть вокруг почти тетраэдриче-ского расположения Н-связей, тогда как в гетерогенной модели будут искажения в пределах каждого класса конфигураций в дополнение к различию в локальной структуре между классами [2]. Более популярные гетерогенные модели основаны на колебательных преобразованиях между двумя основными классами контрастирующих структур с такими обозначениями, как тетраэдрические и искаженные [9], симметричные и асимметричные [10,11], локально благоприятные и нормальные [12.], а также жидкости низкой плотности (ЖНП) и жидкости высокой плотности (ЖВП) [13-15]. По сути, все модели относятся к двум общим структурным классам, где обозначение отражает, какие конкретные свойства выдвигаются различными экспериментальными методами [6,9,11,12].

На соотношение этих локальных структур большое влияния оказывает воздействие внешних факторов, включая информационное воздействие [16-19]. В результате в воде и водных растворах происходит непрерывное образование и разрушение ассоциатов молекул воды (кластеров и гигантских гетерофазных кластеров воды - ГГКВ), образующих льдоподобную структуру за счет водородных связей. Время жизни таких ассоциатов от 1011 до 1 секунд и более, а их размеры имеют широкий диапазон (109 до 104) м [ 20-22] и зависят от качества водной системы [23], температуры [17 ] и других факторов.

Внешняя среда, прежде всего, влияет на подвижности диполей воды, что имеет определяющее значение при формировании структуры, влияющей на свойства воды и ее растворов [24,25]. При температурах, близких к комнатной, водная система имеет сложную структуру, определяемую содержанием нескольких типов кластерных организаций, и находящуюся в метастабильном состоянии. Внешнее воздействие на такую систему, изменяя ориентацию диполей, приводит к смещению состояния в ту или иную преимущественную область структур, что изменяет физико-химические свойства системы.

Одним из методов структурирования воды представляет собой обработка водной среды электрическим полем. По определению явление электрохимической активации воды (ЭХАВ) - совокупность электрохимического и электрофизического воздействия на воду в двойном электрическом слое (ДЭС) электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через ДЭС электронами и в условиях интенсивного диспергирования в жидкости образующихся газообразных продуктов электрохимических

реакций. В результате пропускания через воду постоянного электрического тока, поступление электронов в воду у катода, так же как и удаление электронов из воды у анода, сопровождается серией электрохимических реакций на поверхности катода и анода. В результате изменяется система межмолекулярных взаимодействий, состав воды, структура воды как раствора [4].

Наряду с методом ЭХАВ, возможно изменение структуры водной системы при воздействии электромагнитных полей [26], воздействия лазерного излучения [27], а также воздействие поверхности соприкосновения с водой [28-30].

Поскольку водная среда является локально неоднородной с достаточно нестабильными во времени структурами, которые в конечном счёте определяют свойства системы, то даже незначительные внешние воздействия способны сдвинуть структурное равновесие и изменить состояние системы.

В работе проведено исследование кинетики изменения таких определяющих физических характеристик воды, как электрического сопротивления, электроёмкости, тангенса угла диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости, а также кинематической вязкости под действием внешних факторов - постоянного электрического поля, облучения лазерным источником при разных температурах.

Методика проведения эксперимента.

Для исследований использовали дистиллированную воду (бидистиллят). Изучаемую водную систему помещали в измерительные ячейки, включающие емкость из диэлектрического материала, а также обкладки конденсатора из немагнитного материала. Описание установки для исследования водной системы представлено в работе [26].

В качестве воздействий использовали: постоянное электростатическое поле; переменное электрическое поле с частотой 120 и 1000 Гц; облучение светом с длинами волн в диапазоне видимого спектра, в том числе от лазерного источника (длина волны 670 нм).

Измерение кинематической вязкости проводилось капиллярным методом. В данных опытах использовался стеклянный капиллярный вискозиметр

ВПЖ-4 [31]. Измерение проводились в водяном термостате при контролируемой термопарой (хро-мель-копель) температуре 20оС. Отклонения температуры от заданного режима при измерениях не превышали 0,5о.

Для оценки воздействия постоянного электрического поля на структуру воды использовались минимальные величины напряженности электрического поля внутри измерительной ячейки (от 15 до 75 мкВ/см в зависимости расстояния между пластинами конденсатора) и плотности тока на обкладках конденсатора (от 10 до 100 нА/см2 в зависимости от площади пластин конденсатора). Измерение электрофизических свойств (Сопротивления, электроёмкости и тангенс угла диэлектрических потерь) при переменном токе проводили в такой же ячейке прибором LCR-meter model 41R при частотах 120 и 1000 Гц. Температура эксперимента поддерживалась величиной 20оС и строго контролировалась с помощью термопары. По величинам электроёмкости рассчитывали диэлектрическую проницаемость по формуле:

S -

Сd

So S

(1)

где С -электроёмкость среды, ^расстояние между электродами, 8-площадь пластинок конденсатора, бо- электрическая постоянная, равная 8,85-10-12Ф/м)

Результаты и их обсуждение. Исследование влияния переменного электрического поля.

Кинетика изменения эффективного сопротивления водной среды в измерительной ячейке, определенной при частотах 120 и 1000 Гц переменного тока, представлена на рис. 1. Видно, что эффективное сопротивление при меньших частотах (120 Гц) превышает сопротивление при более высоких частотах (1000 Гц) переменного тока ( в рассматриваемом случае - в 4,6 раза). С течением времени выдержки под переменным током сопротивление постепенно падает для обоих частот.

Рис.1. Изменение эффективного сопротивления водной системы в измерительной ячейке

при частоте 120Гц (1) и 1000 Гц (2).

Если рассмотреть изменение относительного сопротивления с течением выдержки в переменном поле (рис.2), то наблюдается незначительное отклонение этих зависимостей в начальный период времени. Обе зависимости (для частот 120 и 1000 Гц) достаточно хорошо аппроксимируются линейной зависимостью. Этот факт свидетельствует об одинаковом процессе, протекающем в системе при 0,01

действии переменного тока с разными частотами. Для частоты 120 Гц наблюдается индукционный период в течение 6 минут, скорость изменения относительного сопротивления при этих условиях для 120 Гц составляет 15-10-4 мин-1 (0,25-10-4 с-1), а для 1000Гц - 13-10-4 мин-1(0,216-10-4 с-1).

Время, ллин

GO

Рис.2. Относительное изменение эффективного сопротивления водной системы

при 120 Гц(1) и 1000 Гц (2)

Увеличение проводимости водной среды при воздействии переменного поля характеризует изменение структурной организации системы с достаточно малой, но постоянной скоростью, которая в исследованном диапазоне незначительно зависит от частоты.

В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4-5 для частот больше 1012 Гц. Реакцию воды на внешнее переменное электрическое поле можно оценить с помощью комплексной диэлектрической проницаемости - е(ю), определяемой уравнением диэлектрической дисперсии Дебая [34]:

е(ю)=ем+(ео-ем)/(1+ют), (2)

где ю- частота внешнего электрического поля, ь мнимая единица, т-характерное время релаксации, б» и 4^5 -диэлектрическая проницаемость воды при максимально высокой частоте внешнего поля.

Если на любое вещество воздействовать переменным электрическим полем, то диэлектрическая проницаемость перестанет быть постоянной величиной, а зависит от частоты приложенного поля, уменьшаясь для высокочастотных полей. Но диэлектрическая проницаемость воды уменьшается не только в переменных во времени полях, но также и в пространственно переменных полях, т.е. вода является локально поляризующейся средой [34]. Кроме того, как оказалось, в процессе действия переменного электрического поля происходит изменение диэлектрической проницаемости водной системы.

На рис.3 представлена временная зависимость приведенных величин диэлектрической проницаемости воды при воздействии переменного электрического поля двух частот: 120 Гц (1) и 1000 Гц (2). Как видно из рисунка, разные по величине частоты по-разному влияют на ход кинетических зависимостей. При действии переменного электрического поля частотой 120 Гц с течением времени значение относительной диэлектрической проницаемости уменьшается со скоростью 1,8-10-5 с-1, а действии переменного поля частотой 1000 Гц эта величина растёт со скоростью 4- 10-5 с-1. Обе зависимости имеют линейный характер. Аналогичную тенденцию в изменении электрических параметров водной среды наблюдали при повышении температуры в работе [26].

Полученные результаты свидетельствуют о протекании в воде процессов, влияющих на изменение её физических свойств. Поскольку в условиях эксперимента никаких химических превращений не наблюдалось, то происходящие изменения следует связать с изменением структурной организации водной системы. Увеличение диэлектрической проницаемости при действии переменного поля частотой 1000Гц следует связать с разрушением кластеров воды, при котором освобождаются или становятся менее связанными между собой диполи воды, и их подвижность возрастает. Действие переменного электрического поля частотой 120 Гц, наоборот, способствует связыванию водяных диполей в кластеры, что приводит к уменьшению их подвижности и уменьшение относительной диэлектрической проницаемости.

Исходя из описанных представлений, следует, характеристикой отклика системы на воздействие что формула Дебая (2) не даёт представление о раз- поля без учёта изменения самой системы в про-витии параметров, характеризующих систему при цессе этого действия. временном действии переменного поля, а является_

-од J

Рис.3. Кинетика изменения приведенной относительной диэлектрической проницаемости водной среды в переменном электрическом поле :1-частота подаваемого на электроды тока 120 Гц; 2- частота подаваемого на электроды тока 1000 Гц.

Рис.4. Временная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь (О) воды при действии переменного тока: а -частотой 120 Гц, б- частотой 1000 Гц.

Отношение коэффициента диэлектрических потерь системы (е1), который определяет диссипацию энергии при изменении структурной организации на молекулярном уровне (внутреннее трение), к диэлектрической проницаемости (е) представляет собой тангенс угла диэлектрических потерь:

Диэлектрические потери - это та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике благодаря наличию активной составляющей поляризационного тока. Изменения в структуре воды приводят к перераспределению и изменению дипольных моментов молекул и образуемых молекулярных кластеров. В момент преобразования структуры происходит поглощение энергии на этот процесс, что отражается в образовании максимумов диэлектрических потерь или значениях тангенса угля диэлектрических потерь.

На рис.4 показаны временные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь, определен-

ные для воды, находящейся в переменном электрическом поле частотой 120 Гц (кривая 1) и 1000 Гц (кривая 2). При частоте изменения поля 120 Гц с течением времени происходит рост тангенса угла диэлектрических потерь и проявляются максимумы на кривой этой зависимости, что свидетельствует о структурных изменениях системы. В противоположность этому, на кривой для 120 Гц наблюдается уменьшение диэлектрических потерь, без проявления каких-либо экстремумов, что отражает отсутствие каких-либо структурных перестроек, а может указывать только на уменьшение или постепенное разрушение имеющихся организаций. Результаты временной зависимости тангенса хорошо согласуются результатами по изменению проводимости водной системы при действии переменного электрического поля.

Исследование влияния лазерного облучения.

Влияние облучения системы лазерным источником длиной волны 670 нм показано на рис.5. Стрелками на рисунке указан конец облучения.

Рис.5. Изменение эффективного сопротивления водной системы в процессе облучения светом длиной волны 670 нм от лазерного источника, снятого при частотах 120 Гц (1) и 1000Гц (2) переменного тока.

При облучении светом от лазерного источника стоты 120 Гц с при облучении скорость уменьша-

происходит уменьшение эффективного сопротивления даже после выключения источника.

Зависимости сопротивления от времени при разных частотах имеют линейный характер. Для ча-

ется в 2 раза, а для частоты 1000 Гц- увеличивается в 2 раза.

На рис.6 представлена временная зависимость относительного изменения эффективного сопротивления водной системы при облучении лазерным источником.

Рис.6. Изменение относительного значения эффективного сопротивления водной системы в процессе облучения светом длиной волны 670 нм от лазерного источника, снятого при частотах 120 Гц (1) и 1000Гц (2) переменного тока. Стрелками указан момент прекращения лазерного облучения.

Особенность зависимостей, представленных на рис.6 является определенный период релаксации действия, произведенного лазерным источником, поскольку характер кинетической зависимости падения сопротивления сохраняется после выключения лазера. Таким образом, структурные изменения воды, индуцируемые лазерным воздействием, сохраняются на протяжении определенного периода, и по всей вероятности этот период сокращается с увеличением частоты переменного тока.

При сравнении временной зависимости падения относительного эффективного сопротивления при переменном токе частотой 120 Гц водной системы без воздействия лазерного излучения (рис.7, кривая 1) и в процессе воздействия лазера (рис.7, кривая 2), видно, что воздействие лазера уменьшает скорость падения сопротивления воды в 2 раза. Это свидетельствует о влиянии лазерного воздействия на процесс структурного изменения водной среды -по всей вероятности такое воздействие способствует в какой-то мере стабилизации исходной

структуры. Это также подтверждает разный характер кривых 1 и 2 (рис.7) в начальный период. После релаксации системы, время которой составляет период от момента выключения лазерного воздей-

длиться от 16 до 32 мин - 16 мин), процесс уменьшения вязкости приобретает такой же характер, как и для системы без лазерного воздействия. Так, на рис.5 после 32 мин кривые 1 и 2 являются парал-

ствия до момента изменения характера кривой вре меииой зависимости сопротивления (на рис.7 он

лельными.

Рис.7. Кинетика падения относительного эффективного сопротивления при переменном токе частотой 120 Гц водной системы без воздействия лазерного излучения (1) и в процессе воздействия лазера (2).

Стрелкой показан момент выключения лазера.

При частоте переменного тока величиной 1000 Гц временные зависимости падения сопротивления при действии лазера (рис.8, кривая 2) и без действия лазера (кривая 1, рис.8) имеют линейный характер, но различаются по скорости изменения электрического сопротивления в 2,6 раза. При такой частоте переменного электрического поля лазерное воздействие также замедляет изменения в

водной системе, стабилизируя в большей степени её структуру. В этом случае период релаксации составляет около 12 мин. Можно заключить, что с ростом частоты переменного электрического поля величина периода релаксации лазерного воздействия на воду при комнатной температуре постепенно уменьшается.

-0,04

-0,07

-0,08 AR/R

врегия, плин

Рис.8. Кинетика изменения относительного эффективного сопротивления воды при частоте переменного тока частотой 1000 Гц: 1- без лазерного воздействия; 2- приоблучении лазером длиной волны 670 нм. Стрелкой указан момент выключения лазера.

Рис. 9. Кинетика изменения приведенной относительной диэлектрической проницаемости водной среды при воздействии лазерного излучения. Вертикальными линиями ограничены области исследования образцов под действием лазерного излучения и после его прекращения.

При действии лазерного излучения на водную систему наблюдается отличная от действия только переменного электрического поля картина в изменении относительной приведенной диэлектрической проницаемости водной системы (рис.9). Заметного изменения в значениях относительной диэлектрической проницаемости при измерении с помощью тока частотой 120 Гц в процессе действия лазерного излучения не наблюдается. Однако, после выключения лазера происходит уменьшение величины исследуемого параметра, по характеру совпадающего с изменением под действием переменного электрического поля (рис.3, кривая 1). Время периода релаксации при этом составляет 3 минуты (рис.9). Характер изменения величины приведенной относительной диэлектрической проницаемости воды, облучаемой лазерным источником и исследуемой в переменном электрическом поле частотой 1000 Гц, является сложным, с несколькими

экстремальными значениями. После выключения лазерного источника не происходит увеличения измеряемого параметра, а, наоборот, это значение уменьшается.

Закономерности изменения исследуемых характеристик показывают, что при лазерном воздействии на воду происходят отличные процессы от тех, которые имеют место при действии только переменных электрических полей. Этот факт подтверждают также данные по временной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь водной системы при действии лазерного излучения.

На рис.10 представлены кинетические зависимости тангенса угла диэлектрических потерь водной системы при действии лазерного излучения длиной волны 670 нм и переменного электрического поля частотой 120 Гц и 1000 Гц.

а б

Рис.10. Временная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь (О) воды при действии лазерного излучения длиной волны 670 нм и переменного тока: а - частотой 120 Гц, б - частотой 1000 Гц

Результаты, представленные на рис. 10 показывают, что структурные преобразования в водной системе происходят при лазерном облучении в случае действия переменного электрического поля частотой 1000 Гц, а для частоты поля 120 Гц в этом случае происходит уменьшение диэлектрических потерь, что может свидетельствовать об уменьшении величины водных кластеров. Обращает внимание цикличность изменения диэлектрических потерь с периодом около 3 мин (рис.10, кривая б).

В работе [2] рассматривается две структурные модификации водяных кластеров, между которыми при определенных условиях реализуются переходы, описываемые колебательными процессами с характерными амплитудой и периодом. Исходя из результатов проведенных исследований, можно предположить, что придействии лазерного излучения и действия переменного электрического поля частотой 1000 Гц реализуется именно такая ситуация, модель которой была теоретически обоснована. Из этого следует, что водная система в крайних точках временной зависимости диэлектрических потерь имеет отличные кластерные структуры.

Исследование влияния облучения монохроматическим светом.

Свет представляет собой электромагнитную волну определенной длины волны. Полученные результаты по влиянию лазерного облучения воды на изменение свойств такой системы, дают основания предположить о заметном влиянии монохроматического, но не поляризованного излучения на воду.

К, кОт

Вреллн, мин

Рис.11. Изменение эффективного сопротивления, измеренного при 120 Гц, в процессе действия на водную систему монохроматического света длиной волны: 1- 536 нм, 2- 594 нм, 3- 670 нм.

На рис.11 представлены временные зависимости эффективного сопротивления при облучении водной среды монохроматическим светом длиной волны 536 и 594 нм. На рисунке для сравнения представлена аналогичная зависимости при облучении лазером. Вертикальной линией обозначен момент отключения света.

Из рис. 11 видно, что при длинах волн 536 и 594 нм происходит частичное восстановление параметров после прекращения действия облучения, а при 670 нм система не восстанавливает свои начальные характеристики. Как уменьшение сопротивления, так и его восстановления для светового воздействия при 536 и 594 нм происходит по квадратичной зависимости. Уменьшение сопротивления при воздействии 670 нм происходит линейно с течением времени.

На рис.12 представлены кинетические зависимости изменения эффективного сопротивления водной среды, находящейся под действием облучения монохроматическим светом длиной волны видимого диапазона (536 и 594 нм) и переменного электрического поля частотой 1000 Гц. Результаты этого исследования как для частоты переменного тока 120 Гц, так и для тока частотой 1000 Гц демонстрируют тот факт, что с увеличением длины волны монохроматического облучения водной среды происходит в большей степени изменение свойств этой среды. Таким образом, увеличение длины волны при облучении воды сопровождается увеличением эффективной проводимости водной среды (снижается сопротивление).

Рис.12. Изменение эффективного сопротивления, измеренного при 1000 Гц, в процессе действия на водную систему монохроматического света длиной волны: 1- 536 нм, 2- 594 нм. Вертикальной линией указан момент прекращения облучения светом.

Можно также заключить, что на прекращение облучения длиной волны 536 нм водная среда реагирует незамедлительно - происходит постепенное восстановление значений сопротивления, регистрируемых до облучения. При облучении воды светом большей длиной волны (594 нм) картина хода временной зависимости эффективного сопротивления несколько изменяется. После выключения света система проявляет определенную инертность, т.к. сопротивление продолжает падать. Только по прошествии 10 мин сопротивление перестает уменьшаться, немного возрастает, а затем

фиксируется на постоянном уровне, значение которого меньше исходной величины.

Анализируя полученные результаты, можно предположить, что облучение воды светом длиной волны 594 нм приводит к увеличению подвижных молекулярных диполей в результате структурных преобразований среды, что сказывается на увеличении проводимости. Этот факт подтверждается также различным ходом кинетических кривых изменения относительной диэлектрической проницаемости среды в процессе облучения монохроматическим светом соответствующих длин волн (рис.13).

Рис. 13. Изменение относительной диэлектрической проницаемости воды при облучении монохроматическим светом: 1- 536 нм; 2-594 нм. Измерения проводились в переменном электрическом поле частотой 1000 Гц. Стрелкой указан момент прекращения облучения.

Жидкость представляет собой микронеоднородную среду, состоящую из упорядоченных областей (кластеров) в неупорядоченной рыхлоупако-ванной матрице. При внешнем воздействии кластеры испытывают перестройку: происходит диффузионный обмен возбужденными кинетическими единицами (отрыв от кластера и возвращение обратно).

Низкочастотная вязкоупругая релаксация жидкостей обусловлена распадом и восстановление долгоживущих кластеров. Время жизни кластеров обусловлено прочностью связи между молекулами в кластере. Распад кластера происходит при переходе «связанная молекула - свободная молекула». Такой процесс характеризуется временем релаксации.

Если кластер представить как квазизамкнутую систему из г одинаковых кинетических единиц, то время жизни кластера определяется уравнением

(3)

где к- постоянная Больцмана; Т-температура системы, В - множитель, характерный для данной системы; и - эффективная энергия образования кластера.

8=к 1п"" где "-вероятность существования кластера, которая тем больше, чем больше число частиц в кластере (для гигантских гетерофазных кластеров), т.е. "=07, тогда

В

(4)

Из соотношения(4) следует: чем больше кластер, тем меньше время его жизни. Исходя из этого и учитывая, что время выхода на постоянное значение сопротивления после прекращения действия света для света длиной волны 536 нм меньше, чем для света длиной волны 594 нм , можно полагать, что кластеры большего размера образуются при облучении меньшей длиной волны. При облучении лазерным источником можно полагать образование не столь больших, но более стабильных структур.

Анализ зависимости изменения тангенса угла диэлектрических потерь воды от времени облучения монохроматическим светом показывает, что этот параметр изменяется по-разному для исследованных световых воздействий длин волн видимого диапазона. После прекращения действия облучения происходит релаксация системы в большей степени для меньшей длины волны (536 нм), а для 594 нм система переходит в новое структурное состояние.

Для подтверждения того факта, что изменения, происходящие под воздействием электрических полей и лазерного облучения, являются результатом структурных преобразований водной системы, а не влиянием каких-либо других факторов, проведены исследования изменения кинематической вязкости.

» и -

т = В ехр(-)

т = — exp( oz kT

kT

\

Рис.14. Изменение тангенса угла диэлектрических потерь при облучении воды светом различной длины волны. Частота переменного тока 1000 Гц. Стрелкой указан момент прекращения облучения.

На рис. 15 показана кинетическая зависимость кинематической вязкости от времени лазерного облучения длиной волны 670 нм, измеренной с помощью капиллярного вискозиметра. Данная зависимость описывается полиномиальным законом 3 степени по уравнению V = 510-6 г3 +0,000б12 -0,01091 +

1,3557. При увеличении длительности облучения вязкость сначала понижается на 2%, но позже повышается на 6% от начального значения.

Рис.15. Зависимость кинематической вязкости воды от времени облучения лазерным источником длиной волны 670 нм при 20оС

На рис. 16 представлено сравнение графиков влияния температуры на вязкость воды без облучения и под облучением 670 нм в течение 5 минут. При высоких температурах значения вязкости совпадают, в то время как при низких - расходятся.

При температурах ниже 20°С вязкость не растет, а проявляется тенденция на её уменьшение. Это говорит о том, что при низких температурах лазер стабилизирует структуру, которая позже образуется при высоких температурах.

Рис. 16. Влияние температуры на кинематическую вязкость воды без облучения (1) и под облучением

лазерным источником длиной волны 670 нм (2).

Полученные данные имеют линейный характер в полулогарифмических координатах (рис. 17).

In v, 1\л1\л2Д 0,25

0,2

■0,2

Рис.17. Температурная зависимость вязкости воды без облучения (1) и под воздействием лазерного облучения длиной волны 670 нм (2) в полулогарифмических координатах.

Энергия активации вязкого течения воды без облучения 8,7 кДж/моль. При облучении лазерным источником энергия активации составила 3,36 кДж/моль. Энергия уменьшается в 2,6 раза или на 5,34 кДж/моль.

На основании расчетов и экспериментальных данных можно предположить, что лазерное облучение воды регулирует и стабилизирует кластерные структуры, образующиеся при температурах, близких к температуре окружающей среды. Это даёт основание предположить, что с помощью лазерного облучения появляется возможность сдвинуть точку замерзания воды.

Выводы.

Полученные результаты дают основания считать, что в процессе действия переменных электрических полей и электромагнитных волн видимого диапазона происходят изменения в структурной организации водной системы.

Определено, что относительное сопротивление воды с течением времени выдержки в переменном электрическом поле уменьшается (растёт проводимость) пропорционально времени выдержки. Скорость изменения относительного сопротивления воды при этих условиях для 120 Гц составляет 15-10"4 мин-1 (0,25-10-4 с-1) , а для 1000Гц - 13-10-4 мин-1(0,216-10-4 с-1).

При действии переменного электрического поля частотой 120 Гц с течением времени значение относительной диэлектрической проницаемости уменьшается со скоростью 1,8-10-5 с-1, а при действии переменного поля частотой 1000 Гц эта величина растёт со скоростью 4- 10-5 с-1. Обе зависимости имеют линейный характер.

При частоте электрического поля 120 Гц с течением времени происходит рост тангенса угла диэлектрических потерь и проявляются максимумы на кривой этой зависимости, что свидетельствует о структурных преобразованиях системы. В противоположность этому, на кривой для 1000 Гц наблюда-

ется уменьшение диэлектрических потерь, без проявления каких-либо экстремумов, что отражает отсутствие значимых структурных перестроек и может указывать только на уменьшение или постепенное разрушение имеющихся организаций.

При облучении воды светом от лазерного источника (670 нм) происходит уменьшение эффективного сопротивления этой среды, которое продолжается и после выключения источника. Зависимости сопротивления от времени при разных частотах имеют линейный характер. При лазерном облучении скорость изменения сопротивления уменьшается в 2 раза по сравнению с аналогичным процессом в воде без облучения.

На основании полученных результатов исследования сделано предположение, что структурные изменения воды, индуцируемые лазерным воздействием, сохраняются на протяжении определенного периода. Этот период сокращается с увеличением частоты переменного тока. Это свидетельствует о влиянии лазерного воздействия на процесс структурного изменения водной среды - по всей вероятности такое воздействие способствует в какой-то мере стабилизации исходной структуры.

Результаты исследований изменения тангенса угла диэлектрических потерь воды показывают, что структурные преобразования в водной системе происходят при лазерном облучении в случае действия переменного электрического поля частотой 1000 Гц (увеличиваются диэлектрические потери и проявляется пикообразный характер кривой), а для частоты поля 120 Гц в этом случае происходит уменьшение диэлектрических потерь, что может свидетельствовать об уменьшении величины водных кластеров.

С увеличением длины волны монохроматического облучения водной среды увеличивается степень изменение свойств этой среды (увеличивается проводимость и диэлектрическая проницаемость). На основании полученных результатов сделан вывод, что облучение воды светом длиной волны 594

нм приводит к увеличению подвижных молекулярных диполей в результате структурных преобразований среды.

При прекращения действия облучения монохроматическим светом происходит релаксация водной системы в большей степени для меньшей длины волны (536 нм), а для 594 нм не наблюдается релаксационных преобразований, т.е.система переходит в новое структурное состояние.

Показано, что кинематическая вязкость воды, подвергшейся облучению лазерным источником, уменьшается при температурах ниже 20оС по отношению к необлученной воде. Определены энергии активации вязкого течения облученной и необлу-ченной воды, которые различаются в 2,6 раза. Уменьшение энергии активации вязкого течения облученной воды свидетельствует о структурном изменении среды при лазерном воздействии.

Список литературы

1. Shimkevich А., Shimkevich I. On water density fluctuations with helices of hydrogen bonds // Advances in Condensed Matter Physics. 2011, Article ID 871231; http://dx.doi.org/10.1155/2011/871231.

2. A. Nilsson, L.G.M. Pettersson. The structural origin of anomalous properties of liquid water. Nature Communications. V. 6, Article number: 8998 (2015)

3. Гончарук В.В., Смирнов В.Н., Сыроешкин А.В. и др. кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды. // Химия и технология воды. 2007. Т. 29, № 1. С. 3-17.

4. С.Д. Захаров, И.В. Мосягина. Кластерная структура воды (обзор)/ Москва: Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2011. - С. 13-19

5. Дроздов С.В., Востриков А.А. Особенности строения и энергии малых кластеров воды. // Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 9. С. 81-86

6. Nilsson A., Pettersson L.G.M. Perspective on the structure of liquid water. Chem. Phys. 389, 1-34 (2011)

7. Холманский А.С. Энергии активации перестроек кластерных структур воды. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 21(185)2015. С.188-194

8. Саркисов Г.Н. Структурные модели воды // УФН 2006, т.176, №8. С. 833-845

9. Kühne T.D., Khaliullin R.Z. Electronic signature of the instantaneous asymmetry in the first coordination shell in liquid water. Nat. Commun. 4, 1450 (2013).)

10. Leetmaa M. et al. Diffraction and IR/Raman data do not prove tetrahedral water. J. Chem. Phys. 129, 084502 (2008).

11. Russo J., Tanaka H. Understanding water's anomalies with locally favoured structures. Nat. Commun. 5, 3556 (2014).)

12. Huang C. et al. The inhomogeneous structure of water at ambient conditions. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 15214-15218 (2009).

13. Mishima O., Stanley H.E. The relationship between liquid, supercooled and glassy water. Nature 396, 329-335 (1998).

14. Soper A.K., Ricci M.A. Structures of high-density and low-density water. Phys. Rev. Lett. 84, 2881-2884 (2000).

15. Bellissent-Funel M. C. Is there a liquid-liquid phase transition in supercooled water? Europhys. Lett. 42, 161-166 (1998).

16. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С. Влияние нагревания и концентрации растворов на процессы структурообразова-ния в воде и водных растворах. // Вода и экология. Проблемы и решения. 2012. № 4. С. 43-50.

17. Гончарук В.В., Орехова Е.А., Маляренко В.В. Влияние температуры на кластеры воды. // Химия и технология воды. 2008. Т. 30, № 2. С. 150-158

18. Кочеткова Т.Д. Температурные зависимости спектров диэлектрической проницаемости воды и водных растворов спиртов в области релаксации: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Томск, 2003. 126 c.;

19. Киржниц Д.А., Общие свойства электромагнитных функций отклика, "УФН", 1987, т. 152, с. 399

20. Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В. Супра-надмолекулярные комплексы воды // Рос. хим. журн. 2004. T.48, N 2. C. 125-135.

21. Сыроешкин А.В., Смирнов А.Н., Гончарук В.В. и др. Вода как гетерогенная структура. // Электронный журнал «Исследовано в России». 2006. С. 843-854. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/arti-cles/2006/088.pdf.

22. Michaelides А., Morgenstern K. Ice nanoclus-ters at hydrophobic metal surfaces // Nature Materials. 2007. V.6. P. 597-601.

23. Успенская Е.В. Изучение структуры воды на супрамолекулярном уровне для разработки новых методов стандартизации и контроля качества минеральных вод и жидких лекарственных форм: автореф. дис. канд. хим. наук. М., 2007. 27 с.

24. Дубов Д.Ю., Востриков А.А. Дипольный момент малого кластера воды. Влияние размера, температуры, электрического поля // Письма в ЖЭТФ, 2010, том 92, вып. 1. С. 34-39

25. Востриков А.А., Дубов Д.Ю., Дроздов С.В. Дипольный момент кластеров воды и парниковый эффект. // Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып. 5. С. 87-94

26. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В. Оценка изменения структуры воды и водных растворов при внешних воздействиях// Вестник новых медицинских технологий -2015. Т.22. №2. С.88-96

27. Макаров Г.Н. Лазерная ИК-фрагментация молекулярных кластеров: роль каналов ввода и релаксации энергии, влияние окружения, динамика фрагментации. //Успехи физических наук. 2017. Т.187. №3. С.241-276

28. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В. Оценка изменений структуры водных растворов в пристеночном слое с использованием диэлектрометрии и резонансного методов // Водоочистка, водоподго-товка, водоснабжение. 2015. N4. С. 20-25.

29. Постнов С.Е., Подчерняева Р.Я., Мезенцева М.В. и др. Необычные свойства воды пограничного слоя / // Вестник российской академии естественных наук. 2009. №3. С. 12-15.

30. Постнов С.Е, Мезенцева М.В., Подчерняева Р.Я и др. Новые подходы в биомедицинской

технологии на основе воды пограничного слоя // Биомедицинская радиоэлектроника. 2009. Т.1. С. 315.

31. Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Капиллярный вискозиметр. Москва. 2001.123с.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Хрисониди В.А.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»,

старший преподаватель кафедры химии

Струева В.А.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», студент MODERN METHODS OF DESTROYING WATER-OIL EMULSIONS

Khrysonidi V.

Kuban State University of Technology Senior Lecturer, Department of Chemistry

Strueva V.

Kuban State University of Technology, student

Аннотация

В настоящее время обводненность продукции значительной части разрабатываемых месторождений является одной из основных и распространенных проблем в нефтяной промышленности. Данная проблема доставляет серьезные осложнения при добыче, сборе и подготовки нефти. Возможность быстрого расслоения водонефтяных эмульсий является важнейшим вопросом в процессе подготовки нефти к переработке.

Целью данной статьи является: изучение особенности воздействияразличных методов обезвоживания водонефтяных эмульсий для получения товарных видов нефтей, определение их эффективности действия, возможности полного отделения воды, выявление степени сложности метода и оборудования, вычисление экономичности процесса.

Abstract

At present, the water cut of a significant part of the developed fields is one of the main and common problems in the oil industry. This problem poses serious complications in the production, collection and preparation of oil. The possibility of rapid separation of oil-water emulsions is a crucial issue in the process of preparing oil for refining.

The objectives of this article are to study the effects of different methods of dehydration of oil-water emulsions to obtain marketable types of oils, determine their effectiveness, the possibility of complete separation of water, identify the degree of complexity of the method and equipment, calculate the efficiency of the process.

Ключевые слова: водонефтяная эмульсия, методы обезвоживания, нефть, деэмульгатор, ВЧ и СВЧ ЭМ поле.

Keywords: water-oil emulsion, dehydration methods, oil, demulsifier, RF and microwave EM field.

В настоящее время обводненность продукции значительной части разрабатываемых месторождений является одной из основных и распространенных проблем в нефтяной промышленности. Данная проблема доставляет весомые трудности при добыче, сборе и подготовке нефти. В процессе образования эмульсий возникает большая поверхность дисперсной фазы, на которой может адсорбироваться значительныйзапас стабилизирующих эмульсию веществ - эмульгаторов. Асфальтены, нафтены, смолы, тугоплавкие парафины (природные ПАВ) являются важнейшими эмульгаторами и стабилизаторами водонефтяных эмульсий. В дополнение к ним записывают глину, кварц, различные соли, иными словами, вещества, представляющие собой мелкие твердые частицы.

Полагают, что стабильность образующихся эмульсий в нефти в большей мере зависит от степени дисперсности эмульгаторов, которая в свою

очередь определяется содержанием в нефти парафинов и аренов, нежели от концентрации эмульгаторов. Устойчивость водонефтяных эмульсий зависит от плотности и вязкости нефти, а такжеразмера глобул воды, то есть ее дисперсности. В промышленных условиях величина капель дисперсной водной фазы составляет от 0,1 до 250 мкм. Более крупные размеры существуют лишь в потоке. Это происходит вследствие ускоренной седиментации в статических условиях. В процессе старения эмульсии из-за увеличения толщины эмульгатора на глобулах воды, стабильностьмногих водонефтяных эмульсий возрастает. Следовательно, повышается их механическая прочность. Старение эмульсий протекает интенсивно только в начальный период после их образования, а затем заметно замедляется.

Обводненность большинства крупных месторождений достигла более 80 %. Это вызвано за счет