CC BY
72
УДК 535.343.3
ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ С НАНОПУЗЫРЬКОВОЙ ГАЗОВОЙ ФАЗОЙ
1КАНУННИКОВА О. М., 1 АКСЕНОВА В. В., 1ТРУБАЧЕВ А. В., 2НАЗАРОВ М. М., 3КРОПАЧЕВА Т. Н., 1КОЖЕВНИКОВ В. И.
1 Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
2 Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, 117971, г. Москва, В-333, ул. Губкина, 3
Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1
АННОТАЦИЯ. Оптическая спектроскопия в видимой, УФ- и ИК-области является одним из классических физических методов, успешно применяемых для исследования жидких веществ. Проведен анализ спектров ультрафиолетовой, инфракрасной и терагерцовой спектроскопии артезианской воды и водных растворов №С1 с нанопузырьковой фазой газов разной природы (азот, аргон, кислород, воздух). Анализ УФ-спектров позволяет оценить изменение содержания и структуры нанопузырьковой газовой фазы, оказывающее влияние на величину рН. Данный эффект наблюдается для дистиллированной воды, растворов №С1 и артезианской воды, пересыщенных азотом, аргоном, воздухом, а также кислородом. Формирование нанопузырьковой газовой фазы в воде и водных растворах не приводит к изменениям ИК-спектров поглощения. В исследованных диапазонах терагерцовых частот выявлены различия между коэффициентами поглощения исходной артезианской воды и воды с нанопузырьковой фазой, нормированными на усредненный сигнал. Найдено, что коэффициенты поглощения воды с нанопузырьковой фазой несколько выше, чем у исходной воды, а количество водородных связей в единице ее объема возрастает при формировании нанопузырьковой фазы. Проведенные исследования показали: ИК-спектры нечувствительны к изменениям состояния водных систем, связанным с формирования нанопузырьковой газовой фазы; изменения интенсивности УФ-спектров коррелируют с изменениями величины рН и параметрами нанопузырьковой газовой фазы; анализ терагерцовых спектров позволяет оценить изменение количества водородных связей в водном растворе.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: методы оптической спектроскопии, артезианская воды, водные растворы, нанопузырьковая газовая фаза.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы микро- и нанопузырьковые технологии привлекают большое внимание исследователей в связи с возможностью их применения во многих областях науки и техники, таких как аквакультура, биомедицинская инженерия, сельское хозяйство [1 - 7]. Представителей фундаментальной науки проблемы воды с нанопузырьковой газовой фазой стали привлекать позднее, чем практиков, поэтому в настоящее время физико-химические причины (механизмы) действия такой воды на биологические объекты разного типа находятся на стадии выдвижения, обсуждения, обоснования гипотез и моделей их структурного состояния. В исследованиях газовой нанопузырьковой фазы, в основном, используются методы статического и динамического малоуглового лазерного или нейтронного рассеяния, имеются также работы, выполненные с использованием сканирующей электронной микроскопии быстрозамороженной реплики и оптической интерференционной микроскопии [8 - 10].
Для исследования структурного состояния жидкофазных объектов часто используют методы оптической спектроскопии. В данной работе обобщены результаты исследований влияния нанопузырьковой газовой фазы на оптические спектры артезианской воды (ультрафиолетовые, инфракрасные, терагерцовые). Цель работы - оценить возможность использования этих методов для исследования водных растворов с нанопузырьковой газовой фазой.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
УФ-спектры снимали на спектрофотометре Lambda 650 (PerkinElmer), фотометрический шум < 0,00005 A, фотометрическая стабильность < 0,0003 А/ч. Спектры поглощения в диапазоне от 190 до 300 нм регистрировали в кварцевой кювете толщиной 10 мм при комнатной температуре. Измерения проводили относительно небарботированной газами воды и водных растворов. ИК-спектры регистрировали на ИК-Фурье спектрометре ФСМ 1202 (Россия) в диапазоне 650 - 7800 см-1 с разрешением 1 см-1 и усреднением по 16 сканам. Водные растворы исследовали на приставке многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО). Терагерцовые спектры регистрировали на низкочастотном ТГц-спектрометре (AS, ipca,tsu-100%).
Нанопузырьковая фаза получена обработкой воды и водных растворов барботированием соответствующими газами в магнитной системе при воздействии ультрафиолетовым и магнитным излучением. Магнитная система собрана на С-образной скобе длиной 300 мм из самарий-кобальтовых магнитов КС-37. Величина магнитной индукции в центре магнитной системы равна 230 тТл, длина волны УФ-излучения 365 нм.
Характеристики нанопузырьковой фазы исследованы методами динамического светорассеяния и фазовой микроскопией (Институт общей физики им. Прохорова РАН, проф. Н.Ф. Бункин). Измерения распределения рассеивателей по размерам было выполнено на установке по динамическому светорассеянию (Dynamic light scattering, DLS) Zetasizer Nano ZS system (Malvern, UK), снабженной He-Ne - лазером на длине волны X = 633 нм (максимальная интенсивность 4 mW; излучение на этой длине волны используется, чтобы гарантированно избежать эффектов флуоресценции при исследовании, например, биологических объектов). Интенсивность рассеянного под углом 173° по отношению к оптической оси света измеряется числом импульсов фототока за 1 секунду. Путем разложения автокорреляционной функции интенсивности рассеянного света в спектр по декрементам экспоненциального затухания, получены распределения рассеивателей по размерам. Анализ методом фазовой микроскопии проведен на двухканальном микроскопе: один канал представляет собой обычный микроскоп белого света, а другой канал является интерферометром высокого разрешения. При этом микроскоп позволяет не только определять размеры объектов, но и их оптическую плотность (коэффициент преломления) (ИОФ им. Прохорова РАН, проф. Н.Ф. Бункин).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Барботирование приводит к пересыщению артезианской воды кислородом в 3 - 4 раза и формированию в обработанной по вышеописанной технологии артезианской воде одиночных нанопузырьков газов разной природы [11]. Большинство теоретических работ по обоснованию продолжительности жизни бабстонов, касаются поверхностных бабстонов. Для таких поверхностных пузырьков нанометровых размеров время жизни оценивается порядка 28 ч. Для объемных пузырьков теоретические оценки оказываются сильно заниженными по сравнению с экспериментально определенными временами - до 14 дней. В [12] сделан вывод, что длительное время жизни бабстонов, наблюдаемое экспериментально, может быть следствием коллективных взаимодействий между множеством сосуществующих бабстонов. Моделирование одиночного пузырька не позволяет объяснить динамику ансамбля пузырьков. С этим выводом согласуется вывод, сделанный в работе [13] для пузырьков водорода: время жизни пузырьков увеличивается с ростом концентрации газа в воде.
Обработка магнитным полем и УФ-излучением не влияет на размеры нанопузырьков, но влияет на длительность существования нанопузырьковой газовой фазы в пересыщенной артезианской воде: содержание газовых нанопузырьков в необработанной воде через 12 месяцев хранения уменьшалось в 4 раза по сравнению с обработанной водой. В [14] сделано предположение, что нанопузырьки в водной среде являются мишенью для
электромагнитных воздействий, результатом таких воздействий является дегазация жидкости. В наших исследованиях не обнаружено влияние обработки магнитным полем и УФ-излучением на пересыщение воды кислородом. Возможно, что причиной такого различия являются режимы обработки воды: авторы [14] обрабатывали воду после насыщения газом, а в наших экспериментах обработка магнитным полем и УФ-излучением проводилась одновременно с барботированием. Таким образом, вопросы влияния внешних полей на нанопузырьковую фазу в водных растворах требуют дальнейших исследований.
УФ-спектры. Физическую природу полос поглощения в УФ-области связывают с электронными переходами: при поглощении молекулой электромагнитного излучения в УФ-области происходит переход между электронными уровнями молекулы. УФ-спектр характеризуется как электронный, но при возбуждении электронов будет изменяться энергия колебательного движения атомов и энергия вращательного движения молекулы, поэтому в спектре появляется ряд линий, которые, сливаясь, образуют широкие полосы поглощения. УФ-спектры малоселективны, однако, они дают надежную информацию о наличии в структуре определяемого вещества системы сопряженных связей. Известны работы, в которых УФ-спектроскопия использована для исследования структурного состояния воды. В [15, 16] обнаружено, что интенсивность УФ-спектра дистиллированной воды повышается в 6 раз после магнитной обработки. Авторы объясняют данный эффект изменением кластерной структуры дистиллированной воды. В [17] сделан подробный анализ составляющих компонент УФ-спектра воды. Показано, что основной вклад вносят составляющие, соответствующие ассоциатам молекул воды и ионов оксония и гидроксония, образующимся в результате диссоциации молекул Н2О. Повышение интенсивности УФ-спектра свидетельствует об увеличении числа ассоциатов молекул воды и ионов ОН-.
Электромагнитная обработка водных сред в данном исследовании проводилась в атмосфере разных газов. В случае проведения обработки воды в атмосфере кислорода пересыщение воды кислородом достигает 3,5 - 4,0 раз (в зависимости от длительности обработки) [18]. Такое же пересыщение может быть получено барботированием воды аргоном, при этом в воде формируется нанопузырьковая газовая фаза с двойным электрическим слоем. Размеры газовых нанопузырьков (порядка 270 - 300 нм) и величины дзета-потенциалов (10 - 40 шУ) одинаковы для нанопузырьков кислорода и аргона [19]. На рис. 1 приведены УФ-спектры воды с разным содержанием кислорода (3,5; 5,0; 7,0 ммоль/л). Обнаружено, что содержание кислорода в воде возрастает при увеличении времени барботирования до ~ 40 с, а затем наблюдается уменьшение его содержания, что отражается на изменении интенсивности УФ-спектров. Аналогичную тенденцию изменения концентрации растворенного газа использовали для оценки содержания аргона в воде после барботирования. С увеличением длительности барботирования интенсивность спектра меняется немонотонно. После 20 - 40 с барботирования аргоном одиночные нанопузырьки аргона объединяются в кластеры из 2 - 3 нанопузырьков, и наблюдается минимум интенсивности УФ-спектров. Оценена достоверность различий интенсивности спектров, представленных на рис. 1, для чего была измерена фотометрическая стабильность сигнала для воды с разными газами на протяжении 5 минут с интервалом в 1 секунду (рис. 2). Разброс величин сигнала незначительно превышает различие интенсивностей УФ-спектров воды с разным содержанием газовой фазы.
Ранее [18] нами была установлена количественная корреляция между содержанием кислорода, интенсивностью УФ-спектров и величиной рН артезианской воды. Пересыщение воды аргоном, азотом и воздухом также приводило к повышению интенсивности УФ-спектров и величины рН, причем интенсивность наблюдаемых эффектов изменялась с изменением продолжительности барботирования воды газами. В работах [20, 21] показано, что причиной наблюдаемых эффектов является двойной электрический слой, сформированный ионами диссоциированных солей, оксония и гидроксония.
1, пт
а)
^ в
б)
Рис. 1. Влияние содержания газов на оптическую плотность артезианской воды: а) - оптическая плотность артезианской воды с содержанием кислорода 3,5; 5; 7 ммоль/л; б) - изменение оптической плотности артезианской воды на длине 190 нм в зависимости от времени барботирования аргоном
В таблице приведены данные по зависимости рН от содержания кислорода в артезианской воде. Содержание кислорода в воде было измерено методом вольтамперометрии [11]. Величина рН растет с увеличением количества кислорода в воде, при этом возрастает интенсивность УФ-спектра (рис. 1, а). Нанопузырьковая фаза в образцах с содержанием 3,5 и 5,0 ммоль/л представляет собой кластеры из 2 нанопузырьков, а в воде с содержанием 7,0 ммоль/л присутствуют одиночные нанопузырьки и кластеры из 4 нанопузырьков (анализ методом динамического светорассеяния и фазовой микроскопии, ИОФ им. Прохорова РАН, Н.Ф. Бункин).
Измерение содержания аргона в воде прямыми методами затруднительно. В таблице приведены результаты измерения рН и параметров газовой нанопузырьковой фазы в зависимости от времени барботирования. Сравнение с рис. 1, б показывает, что вплоть до времени 40 с величина рН растет, при этом нанопузырьковая фаза представляет собой кластеры размером 500 - 900 нм, состоящие из 2 - 4 нанопузырьков. Затем, вплоть до 100 с рН практически не изменяется, а нанопузырьковая фаза представляет собой одиночные нанопузырьки размером порядка 250 нм.
Таким образом, на интенсивность УФ-спектров систем «нанопузырьковая газовая фаза - вода (водный раствор)» оказывают влияние, как содержание газов, так и параметры нанопузырьковой газовой фазы (одиночные нанопузырьки или кластеры из нескольких нанопузырьков). Повышение содержания кислорода и формирование кластеров нанопузырьков с увеличением времени барботирования привело к увеличению величины рН и росту интенсивности УФ-спектров в области 205 нм, в которую дают вклад ОН-группы.
£ 4.2"
э 41
О 4.0-
—i—•—i—•—i
о
4.2. , 4.1 J
4.34.2"
4.2
£
5 4.1 O
O 4.0 S
150 200 250 300 в
Рис. 2. Фотометрическая стабильность сигнала на длине волны 224 нм для системы вода - газ
Таблица
Изменение величины рН артезианской воды в результате формирования нанопузырьковой фазы аргона и кислорода
4.2
4.1
4.0
4.1 -
4.0
4.0
4.1
Газ Условия формирования нанопузырьковой фазы (концентрация О2, ммоль/л; время барботирования Лг, с) рН Размеры нанопузырьков и число нанопузырьков в кластере, нм
Исходная артезианская вода 7,75
3,5 ммоль/л 8,00 250-2
Ü2 5,0 ммоль/л 8,15 250-2
7,0 ммоль/л 8,24 250; 250-4
4 с 7,90 250-2
10 с 7,98 250; 250-4
16 с 8,12 250
20 с 8,15 250
Лг 22 с 8,24 250
40 с 8,38 250
60 с 8,38 250
75 с 8,37 -
100 с 8,39 -
Увеличение времени барботирования аргоном сопровождалось ростом величины рН.
Интенсивность УФ-спектров артезианской воды с кластерами газовых нанопузырьков несколько выше, чем интенсивность УФ-спектров воды с одиночными газовыми нанопузырьками. При временах барботирования 16 - 30 с наблюдается резкое уменьшение интенсивности УФ-спектров, которое может быть связано с изменением структуры нанопузырьковой фазы: вместо кластеров из 2 - 4 нанопузырьков формируются одиночные нанопузырьки. Несмотря на то, что при увеличении времени барботирования аргоном от 16 до 30 с величина рН воды увеличивается, интенсивность УФ-спектров ниже, чем исходной воды и воды после барботирования 4 - 10 с с меньшими величинами рН. Поэтому можно предположить, что в интенсивность УФ-спектров около 205 нм дают вклад не только ОН-группы, но и нанопузырьковая газовая фаза. Для определения роли нанопузырьковой фазы необходимы дополнительные исследования.
ИК-спектры. Изменение ИК-спектров поглощения в условиях воздействия внешних полей фиксировалось авторами [16] и интерпретировалось как следствие изменения кластерной структуры воды. Спектр ИК-поглощения воды представлен основными полосами валентных колебаний (~ 3000 - 3600 см-1), обусловленных изменениями длин связей в молекуле воды, деформационных колебаний (узкая полоса вблизи ~ 1650 см-1, соответствующая изменениям углов валентных связей) и суммой деформационных и вибрационных колебаний молекул воды (~ 2130 - 2150 см-1) [22, 23]. В диапазоне 4600 - 5500 см-1 можно выделить интегральную полосу поглощения воды, соответствующую поглощению различных водных кластеров [16].
В работе [16] исследовались изменения в ИК-спектре воды в результате воздействия электрического поля. Предположено, что структура и степень ассоциированности водной среды, которая, в свою очередь, определяет плотность упаковки (энергию связи) воды в ассоциате и его геометрические параметры, оказывают влияние на ширину полос поглощения. К настоящему времени общей теории такого изменения ширины полос поглощения не предложено.
На рис. 3 и 4 приведены ИК-спектры артезианской воды с нанопузырьковой газовой фазой.
Рис. 3. ИК-спектры артезианской воды с нанопузырьками аргона при разной длительности ее обработки
V, ст-1
Рис. 4. ИК-спектры артезианской воды с нанопузырьками газов разной природы
На рис. 5 приведена область обертонов (5000 - 7000 см) ИК-спектра воды. Изменения структуры воды, связанные с формированием нанопузырьковой газовой фазы в артезианской воде и водных растворах №С1, не регистрируются методом ИК-спектроскопии.
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
10 с 20 с 40 с 80 с
-1
V, ^
Рис. 5. Разностные ИК-спектры водных растворов с нанопузырьками аргона в зависимости от времени обработки воды
Терагерцовые спектры. Терагерцовый диапазон - это дальний инфракрасный диапазон, который находится на шкале частот между миллиметровым диапазоном и средним инфракрасным диапазоном; он простирается от 0,1 до 20 ТГц или, в терминах обратных сантиметров, от 3 до 600 см-1. Частота 1 ТГц эквивалентна 33,3 см-1, что в энергетических единицах соответствует 4 мэВ.
Спектроскопия в терагерцовом диапазоне интересна тем, что в данном диапазоне частот лежат линии поглощения как простых, так и сложных молекул, соответствующие вращательным колебаниям молекул, межмолекулярному взаимодействию и колебаниям молекулярных комплексов, образующихся в результате межмолекулярного взаимодействия за счет ван-дер-ваальсовых и водородных связей [23, 24].
Терагерцовые спектры получены для образцов артезианской воды, в которых пересыщение газами составляло порядка 2,5 - 3 раза.
На рис. 6 представлен спектр поглощения исходной артезианской воды и воды с нанопузырьками азота и воздуха.
Частота, THz
Рис. 6. Спектр коэффициента поглощения исходной артезианской воды и воды с нанопузырьковой фазой воздуха и азота
Коэффициент поглощения возрастает с увеличением числа водородных связей в единице объема. Значения коэффициентов поглощения необработанной исходной воды несколько ниже значений коэффициентов поглощения воды с нанопузырьками газов разной природы в области 0,7 - 0,8 ТНг. Можно предположить, что число водородных связей в воде возрастает с появлением нанопузырьковой фазы. Однако следует отметить, что достоверность измерений в диапазоне выше 0,6 ТН низка, поэтому данное предположение нуждается в дополнительных подтверждениях. Коэффициенты преломления исходной воды и воды с нанопузырьками практически одинаковы (рис. 7 и 8).
4.4-
4.2-
к 4.0-
X
<и 3 8-
о 3.6-
<и 3.4-
а
с 3.2-
т
X <и 3.0-
^ 2.8-
2.6-
о о 2.4-
V 2.2-
2 0-
0.0
исх N
0.2
0.4 0.6
Частота, THz
0.8
—I 1.0
Рис. 7. Спектр коэффициента преломления артезианской воды с нанопузырьковой газовой фазой
ЧастотаД^
Рис. 8. Терагерцовый спектр прошедшего через один образец сигнала, поделенный на спектр прошедшего через другой аналогичный образец (аналог разностного показателя преломления) артезианской воды с нанопузырьковой газовой фазой
Возможно, что повышение содержания газовой фазы в воде приведет к более явным различиям коэффициентов поглощения и преломления.
На рис. 9 приведены спектры исходной воды и воды с нанопузырьками азота, аргона, кислорода, воздуха и углекислого газа. Как следует из рис. 9, спектр воды с нанопаузырьковой фазой кислорода, нормированный на усредненный сигнал (по шести образцам), в области частот 0,2 - 0,6 ТН имеет наибольшую интенсивность.
Частота, ТН
Рис. 9. Спектры артезианской воды с нанопузырьковой газовой фазой нормированные на усредненный сигнал
ВЫВОДЫ
Проведен анализ спектров ультрафиолетовой, инфракрасной, терагерцовой спектроскопии артезианской воды и водных растворов №С1 с нанопузырьковой фазой газов разной природы (азот, аргон, кислород, воздух). Анализ УФ-спектров позволяет оценить изменение содержания и структуры нанопузырьковой газовой фазы, которое приводит к изменению величины рН. Данный эффект наблюдается для дистиллированной воды, растворов №С1 и артезианской воды, пересыщенной газами разной природы (азот, аргон, воздух, кислород). Формирование нанопузырьковой газовой фазы в воде и водных растворах не приводит к изменениям ИК-спектров поглощения. В исследованных диапазонах терагерцовых частот выявлены различия между коэффициентами поглощения исходной артезианской воды и воды с нанопузырьковой фазой, нормированными на усредненный сигнал. Найдено, что значения коэффициентов поглощения воды с нанопузырьковой фазой несколько выше, чем у исходной воды, а количество водородных связей в единице ее объема возрастает при формировании нанопузырьковой фазы. Показано, что методы оптической спектроскопии оказываются весьма полезными при исследовании свойств водных сред с нанопузырьковой газовой фазой. Таким образом, установлено, что ИК-спектры нечувствительны к изменениям состояния водных систем в результате формирования нанопузырьковой газовой фазы; изменения интенсивности УФ-спектров коррелируют с изменениями величины рН и параметрами нанопузырьковой газовой фазой; анализ терагерцовых спектров позволяет оценить изменение количества водородных связей в водном растворе.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проектр_а № 16-43-180106.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ashutosh Agarwal, Wun Jern Ng, Yu Liu. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment // Chemosphere, 2011, vol. 84, iss. 5, pp. 1175-1180.
2. Fan M., Tao D., Honaker R., Luo Z. Nanobubble generation and its application in froth flotation (part I): Nanobubble generationand its effects on properties of microbubble and millimeter scale bubble solutions // Mining Science and Technology (China), 2010, vol. 20, no. 1, pp. 1-19.
3. Calgaroto S., Wilberg K., Rubio J. On the nanobubbles interfacial properties and future applications in flotation // Minerals Engineering, 2014, vol. 60, pp. 33-40.
4. Oshita S., Liu S. Nanobubbles characteristics and its application to agriculture and foods // Proceedings of AFHW 2013 International Symposium on Agri-Foods for Health and Wealth. August 5-8, 2013, Golden Tulip Sovereign Hotel, Bangkok, Thailand, pp. 23-32. https://moleaer.com/wp-content/uploads/2016/07/Nano-Bubbles-Seed-Germinations.pdf (дата обращения 07.10.2017).
5. Artmann G. M., Kelemen C., Porst D., Buldt G., Chien S. Temperature transitions of protein properties in human red blood cells // Biophysical Journal, 1998, vol. 75, iss. 6, pp. 3179-3183.
6. Akimi Serizawa. Fundamentals and Applications of Micro/Nano Bubbles // 1st International Symposium on Application of High voltage, Plasmas & Micro/Nano Bubbles to Agriculture and Aquaculture (ISHPMNB-2017), January 5-7. Rajamangala University of Technology Lanna, Chiang Mai, Thailand. http://webs.rmutl.ac.th/assets/upload/files/2017/01/20170106155252_97638.pdf (дата обращения 07.10.2017).
7. Tsuge H. Micro- and nanobubbles. Fundamentals and application. Boca Raton, FL, USA: Taylor & Francis Group, LLC, 2015. 375 p.
8. Бункин Н. Ф., Шкирин A. B., Козлов В. А., Старосветский А. В., Игнатьев П. С. Квазистабильные кластеры нанопузырьков растворённого газа в воде и водных растворах электролитов // Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. 2011. Т. 9, № 2. С. 499-504.
9. Бункин Н. Ф., Суязов Н. В., Шкирин А. В., Игнатьев П. С., Индукаев К. В. Кластерная структура стабильных нанопузырей растворенного газа в глубоко очищенной воде // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009. Т. 135, № 5. С. 917-937.
10. Uchida T., Liu S, Enari M., Oshita S., Yamazaki K., Gohara K. Effect of NaCl on the Lifetime of Micro- and Nanobubbles // Nanomaterials, 2016, vol. 6, iss. 2, pp. 31-37.
11. Канунникова О. М., Трубачев А. В., Кожевников В. И. Исследование характеристик газовой фазы в воде, насыщенной кислородом и аргоном // Труды Института механики УрО РАН «Проблемы механики и материаловедения». Ижевск, 2017. С. 272-285.
12. Kimmerle S.-J. Modelling, simulation and stability of free surface and bulk nanobubbles in hydrogen electrolysis // IFAC-PapersOnLine, Elsevier, 2015, vol. 48, iss. 1, pp. 621-626.
13. Ljunggren S., Eriksson J. C. The lifetime of a colloidsized gas bubbles in water and the cause of the hydrophobic attraction // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 1997, vol. 129-130, pp. 151-155.
14. Шаталов В. М. Дегазация биожидкостей как механизм биологического действия слабых электромагнитных полей // Бiофiзичний вюник. 2009. Вып. 23(2). С. 120-128.
15. Deng Bo, Pang Xiao Feng. Variations of optic properties of water under action of static magnetic field // Chinese Science Bulletin, 2007, vol. 52, no. 23, pp. 3179-3182.
16. Pang Xiao-Feng, Deng Bo. The changes of macroscopic features and microscopic structures of water under influence of magnetic field // Physica B: Condensed Matter, 2008, vol. 403, iss. 19020, pp. 3571-3577.
17. Wozniak B., Dera J. Light Absorption Spectra of Small Molecules such as Water: Physical Principles // In Light Absorption in Sea Water. Hardcover, 2007, VIII, pp. 11-81. http://www.springer.com/978-0-387-30753-4
18. Kanunnikova O. M., Trubachev A. V., Kozhevnikov V. I., Аksenova V. V., Kropacheva T. N., Solovyov A. A. The relationship of physico-chemical properties and action on biological objects of artesian water with gas nanobubbles (Ar, O2) // IJRDO Journal of Applied Science, 2017, vol. 3, no. 11, pp. 16-31.
19. Канунникова О. М., Фатеев Е. Г., Кожевников В. И., Бутолин Е. Г., Данилова О. В., Стрелков Н. С., Макаров С. С., Дементьев В. Б. Физико-химические факторы повышения биологической активности воды, обработанной электромагнитным излучением // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 2. С. 270-281.
20. Ushikudo F. Y. Fundamental studies of water with the generation of micro and nanobubbles. Thesis Philosophy Doctor. University of Tokyo, 2010. 125 p.
21. Chaplin M. F. Water Absorption Spectrum. http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_vibrational_spectrum.html
22. Юхневич Г. В. Инфракрасная спектроскопия воды. М.: Наука, 1973. 208 c.
23. Beard M. C., Turner G. M., Schmuttenmaer C. A. Terahertz spectroscopy // Journal of Physical Chemistry B, 2002, vol. 106, pp. 7146-7159.
24. Ангелуц А. А., Балакин А. В., Бородин А. В., Евдокимов М. Г., Есаулков М. Н., Назаров М. М., Ожередов И. А., Сапожников Д. А., Шкуринов А. П., Панченко В. Я. Терагерцовые спектры и изображения // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2014. № 3(83). С. 21-36.
THE POSSIBILITIES OF THE METHODS OF OPTICAL SPECTROSCOPY FOR STUDIES OF WATER AND WATER SOLUTIONS WITH GAS NANIBUBBLES
1Kanunnikova O. M., 1Aksenova V. V., 1Trubachev A. V., 2Nazarov M. M., 3Kropacheva T. N., 1Kozhevnikov V. I.
1 Udmurt Federal Research Center, Ural Brunch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
2 Institute of Laser and Information Technology of RAS, Moscow, Russia
3 Udmurt State University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Optical spectroscopy in the visible, UV- and IR-region is among the classic physical methods successfully used in the study of liquid substances. The analysis of the spectra of ultraviolet, infrared, terahertz spectroscopy of artesian water and NaCl water solutions with gas nanobubbles of different nature (nitrogen, argon, oxygen, air) was carried out. Analysis of UV-spectra allows estimating the change in the content and structure of gas nanobubbles phase, which leads to a change in pH. This effect is observed for distilled water, NaCl solutions and artesian water, supersaturated with gases of different nature (nitrogen, argon, air, oxygen). Formation of gas nanobubble phase in water and water solutions does not lead to changes of the IR-absorption spectra. In the investigated ranges of terahertz frequencies the differences between the absorption coefficients of the source of artesian water and water with nanobubbles, normalized to the average signal. There is an assumption that the absorption coefficients of water with nanobubbles are slightly higher than the source water, i.e., it is possible that the number of hydrogen bonds per unit volume of water increases with the formation of nanobubbles. Thus, although the methods of optical spectroscopy have limitations related to the lack of specificity of the absorption bands, they nevertheless prove very useful.
KEYWORDS: methods of optical spectroscopy, artesian water, water solutions, gas nanobubbles.
REFERENCES
1. Ashutosh Agarwal, Wun Jern Ng, Yu Liu. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere, 2011, vol. 84, iss. 5, pp. 1175-1180. http s://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2011.05.054
2. Fan M., Tao D., Honaker R., Luo Z. Nanobubble generation and its application in froth flotation (part I): Nanobubble generationand its effects on properties of microbubble and millimeter scale bubble solutions. Mining Science and Technology (China), 2010, vol. 20, no. 1, pp. 1-19. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60154-X
3. Calgaroto S., Wilberg K., Rubio J. On the nanobubbles interfacial properties and future applications in flotation. Minerals Engineering, 2014, vol. 60, pp. 33-40. https://doi.org/10.1016Zj.mineng.2014.02.002
4. Oshita S., Liu S. Nanobubbles characteristics and its application to agriculture and foods. Proceedings of AFHW 2013 International Symposium on Agri-Foods for Health and Wealth. August 5-8, 2013, Golden Tulip Sovereign Hotel, Bangkok, Thailand, pp. 23-32. https://moleaer.com/wp-content/uploads/2016/07/Nano-Bubbles-Seed-Germinations.pdf (accessed October 7, 2017).
5. Artmann G. M., Kelemen C., Porst D., Buldt G., Chien S. Temperature transitions of protein properties in human red blood cells. Biophysical Journal, 1998, vol. 75, iss. 6, pp. 3179-3183. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(98)77759-8
6. Akimi Serizawa. Fundamentals and Applications of Micro/Nano Bubbles. 1st International Symposium on Application of High voltage, Plasmas & Micro/Nano Bubbles to Agriculture and Aquaculture (ISHPMNB-2017), January 5-7. Rajamangala University of Technology Lanna, Chiang Mai, Thailand. http://webs.rmutl.ac.th/assets/upload/files/2017/01/20170106155252_97638.pdf (accessed October 7, 2017).
7. Tsuge H. Micro- and nanobubbles. Fundamentals and application. Boca Raton, FL, USA: Taylor & Francis Group, LLC, 2015. 375 p.
8. Bunkin N. F., Shkirin A. V., Kozlov V. A., Starosvetskii A. V., Ignat'ev P. S. Kvazistabilnye klastery nanopuzirkov rasvorennogo gasa v vode i vodnyh rastvorah eletrolitov [Quasi-stable clusters of nanobubbles of dissolved gas in water and water solutions of electrolytes]. Nanosistemy, nanomaterialy, nanotechnologii [Nanosystems, nanomaterials, nanotechnology], 2011, vol. 9, no. 2, pp. 499-504. http://docplayer.ru/48248870-Kvazistabilnye-klastery-nanopuzyrkov-rastvoryonnogo-gaza-v-vode-i-vodnyh-rastvorah-elektrolitov.html
9. Bunkin N. F., Suyazov N. V., Shkirin A. V., Ignat'Ev P. S., Indukaev K. V. Cluster structure of stable dissolved gas nanobubbles in highly purified water. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2009, vol. 108, no. 5, pp. 800-816. https://doi.org/10.1134/S1063776109050082
10. Uchida T., Liu S, Enari M., Oshita S., Yamazaki K., Gohara K. Effect of NaCl on the Lifetime of Micro- and Nanobubbles. Nanomaterials, 2016, vol. 6, iss. 2, pp. 31-37. https://doi.org/10.3390/nano6020031
11. Kanunnikova O. M., Trubachev A. V., Kozhevnikov V. I. Issledovanie kharakteristik gazovoy fazy v vode, nasyshchennoy kislorodom i argonom [Study of the characteristics of the gas phase in the water-tographs of oxygen and argon]. Trudy Instituta mekhaniki UrO RAN. Problemy mekhaniki i materialovedeniya [Proceedings of Institute of mechanics, UB RAS. Problems of mechanics and material management]. Izhevsk, 2017, pp. 272-285.
12. Kimmerle S.-J. Modelling, simulation and stability of free surface and bulk nanobubbles in hydrogen electrolysis. IFAC-PapersOnLine, Elsevier, 2015, vol. 48, iss. 1, pp. 621-626. https://doi.org/10.10167j.ifacol.2015.05.046
13. Ljunggren S., Eriksson J. C. The lifetime of a colloidsized gas bubbles in water and the cause of the hydrophobic attraction. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 1997, vol. 129-130, pp. 151-155. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(97)00033-2
14. Shatalov V. M. Degasacia biozhikostei kak mechanism biologicheskogo deistvia slabyh biologicheskih polei [Degasation of bioliquids as the target of weak electromagnetic fields biological effects]. Biofizichni visnik [Biophysical Bulletin], 2009, vol. 23(2), pp. 120-128. http://zakon.znate.ru/docs/index-4057.html
15. Deng Bo, Pang Xiao Feng. Variations of optic properties of water under action of static magnetic field. Chinese Science Bulletin, 2007, vol. 52, no. 23, pp. 3179-3182. https://doi.org/10.1007/s11434-007-0430-7
16. Pang Xiao-Feng, Deng Bo. The changes of macroscopic features and microscopic structures of water under influence of magnetic field. Physica B: Condensed Matter, 2008, vol. 403, iss. 19020, pp. 3571-3577. https://doi.org/10.1016Zj.physb.2008.05.032
17. Wozniak B., Dera J. Light Absorption Spectra of Small Molecules such as Water: Physical Principles. In Light Absorption in Sea Water. Hardcover, 2007, VIII, pp. 11-81. http://www.springer.com/978-0-387-30753-4
18. Kanunnikova O. M., Trubachev A. V., Kozhevnikov V. I., Aksenova V. V., Kropacheva T. N., Solovyov A. A. The relationship of physico-chemical properties and action on biological objects of artesian water with gas nanobubbles (Ar, O2). IJRDO Journal of Applied Science, 2017, vol. 3, no. 11, pp. 16-31. http://ijrdo.org/index.php/as/article/view/1380/1306
19. Kanunnikova O. M., Fateev E. G., Kozhevnikov V. I., Butolin E. G., Danilova O. V., Strelkov N. S., Makarov S. S., Dementyev V. B. Fiziko-himicheskie factory povysheniya biligicheskoi aktivnosti vody, obrabotannoi electromagnitnym izlucheniem [Physical-chemical factors of the bioactivity of water, treated with magnetic field and UV-radiation]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2015, vol. 17, no. 2, pp. 270-281.
20. Ushikudo F. Y. Fundamental studies of water with the generation of micro and nanobubbles. Thesis Philosophy Doctor. University of Tokyo, 2010. 125 p.
21. Chaplin M. F. Water Absorption Spectrum. http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_vibrational_spectrum.html
22. Yuhnevich G. V. Infrakrasnaya spectroscopiya vody [Infrared spectroscopy of water]. Moscow: Nauka Publ., 1973. 208 p.
23. Beard M. C., Turner G. M., Schmuttenmaer C. A. Terahertz spectroscopy. Journal of Physical Chemistry B, 2002, vol. 106, pp. 7146-7159. doi: 10.1021/jp020579i
24. Angeluz A. A., Balakin A. V., Borodin A. V., Evdokimov M. G., Esaulkov M. N., Nazarov M. M., Ozheredov I. A., Sapozhnikov D. A., Solyankin P. M., Shkurinov A. P., Panchenko B. Ya. Teragerzovaya spectry i izobrazheniya [Terahertz Spectroscopy and Imaging]. VestnikRFFI [Russian Foundation for Basic Research (RFBR)], 2014, no. 3(83), pp. 21-36.
Канунникова Ольга Михайловна, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Физико-технический институт УдмФИЦ УрО РАН, тел. 8(3412)217-833, e-mail: [email protected]
Аксенова Валерия Викторовна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Физико-технический институт УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: [email protected]
Трубачев Алексей Владиславович, кандидат химических наук, главный специалист УдмФИЦ УрО РАН, тел. 8(3412)508-200, e-mail: trub_av@mail. ru
Назаров Максим Михайлович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИПЛИТ РАН, e-mail: nazarovmax@mail. ru
Кропачева Татьяна Николаевна, кандидат химических наук, доцент кафедры фундаментальной и прикладной химии УдГУ, тел. 8(3412)916-437, e-mai: [email protected]
Кожевников Владимир Изосимович, кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: [email protected]
