2076

улучшением смачивающей способности магнитной воды, более плотной и компактной упаковкой частиц, вследствие увеличения числа контактирующих поверхностей, уменьшения толщины гидратных оболочек частиц, уменьшения электростатических сил противодействия с возрастанием сил межмолекулярного сцепления.

На основании проведенных экспериментов был разработан и внедрен на Велико-Анадомском шамотном заводе метод промышленного применения воды, активированной электромагнитным полем. Промышленные испытания метода показали, что содержание пыли в дымовых печах, отходящих из печи, снизилось на 60 %, а содержание фракций размером менее 0,54 мм в шамоте – в среднем на 34 %.

Ранее на этом же заводе были проведены исследования [6] по применению воды, обработанной электромагнитным полем, для затворения шамотных масс с целью повышения качества огнеупоров. Проведенные исследования показали, что магнитная обработка оказывает существенное влияние на увеличение прочности, кажущейся плотности и на уменьшение кажущейся пористости огнеупорных изделий.

Таблица 1 . 3

Результаты исследований влияния магнитной обработки на качество огнеупоров

Выход годных изделий на омагниченной воде составил 98,54 %, на обычной – 98,32 %. Огнеупоры на активированной воде имели лучший внешний вид, структура их была более плотной и однородной, чем у изделий, изготовленных на обычной воде. Изменились и их свойства. Прочность повысилась на 62,5 %, кажущаяся плотность на 10,2 %, пористость снизилась на 18,6 %.

Несмотря на достаточное количество данных, свидетельствующих о существенном изменении качества готовой продукции, к сожалению, описанные возможности этого метода не нашли до настоящего времени широкого применения для производства огнеупорных изделий.

Применение омагниченной воды, влияющей на коагуляцию глинистых частиц, приводит к значительному улучшению свойств керамических изделий. Основные работы в этом направлении проведены П.А. Ребиндером, Л.П. Черняковым, И.П. Нестеренко, Г.Н. Мартышкиной и др. [7–11].

11

Остановимся несколько подробнее на одной из наиболее характерной [8], выполненной для производства керамики различного назначения. Объектами исследования являлись дисперсии природных глин (Артемовского и Никифоровского месторождений Донецкой области) различной концентрации, отличающиеся по составу порообразующих минералов и технологических свойств.

Исследования, связанные с раскрытием эффекта и механизма взаимодействия модифицированной воды, потребовали изучения коагуляционных, конденсационных и кристаллических структур, изучения спекания и физико-механических показателей дисперсий.

Исследование структурно-механических свойств опытных дисперсий показало значительное изменение их коагуляционной структуры в результате применения магнитной обработки водной дисперсионной среды. Это проявляется в характере деформационных процессов, которые имеют место в дисперсиях под действием внешних нагрузок. Результаты расчета по экспериментальным данным показывают нелинейный характер зависимости структурно-механических показателей дисперсий от степени магнитной обработки воды (рис. 1.2).

В процессе термической обработки глинистых дисперсий – сушки и обжига – происходит последовательное преобразование их структуры от коагуляционной к конденсационной и кристаллизационной. Как полагают авторы [8], при термической обработке дисперсий сохраняются «наследственные» признаки изменений, прослеженных для коагуляционных структур при использовании магнитной воды, формируются более совершенные конденсационные и кристаллизационные структуры дисперсий.

Полученные дифрактограммы обожженных образцов дисперсий артемовской и никифоровской глин и электронномикроскопические исследования указывают на морфологические и структурные совершенствования кристаллов муллита в случае применения модифицированной воды. Был установлен также тот факт, что магнитная обработка дисперсий среды, сказывается не только на совершенстве морфологии муллита, но и на характере его распространения в объеме материала в виде спутановолокнистой пространственной сетки.

Изменение степени совершенства конденсационной и кристаллизационной структур глинистых дисперсий при использовании магнитной воды обуславливает изменение технологических свойств после сушки и обжига. Результаты испытаний образцов представлены в табл. 1.4 и 1.5

12

Таблица 1 . 4 Технологические показатели опытных образцов артемовской глины

Таблица 1 . 5 Технологические показатели опытных дисперсий никифоровской глины

Сравнение средних показателей образцов дисперсий на исходной и модифицированной воде показало, что для артемовской глины после сушки предел механической прочности на изгиб возрастает на 28,8 %; для никифоровской глины – на 26,6 %. После обжига предел механической прочности увеличивается для артемовской глины (toбж=1200 °С) – на 25,8 %, для никифоровской (toбж =1150 °С) – на 24,1 %. Исследователи установили также возрастание объемного веса, понижение пористости обожженных образцов, относительное повышение эластичности обожженых образцов.

В заключении авторы приходят к выводу, что в случае применения магнитной воды устанавливается повышение некоторых физико-меха-

14

нических показателей глинистых дисперсий после сушки и обжига, что непосредственно связано с отмеченным совершенствованием их структуры на всех стадиях технологического процесса производства.

Увеличение прочности цементных и цементно-песчаных растворов, приготовленных на магнитной воде, наблюдалось во многих исследованиях [12-15 и др.]. В этом направлении проведены значительные (хотя и недостаточно систематические) исследования, позволяющие выявить перспективность метода, хотя процент прироста прочности исследуемых объектов у указанных авторов различный.

Наиболее последовательно этот вопрос экспериментально изучен В.А. Улазовским и С.А. Ананьиной [16].

Авторы установили, что затворение цемента омагниченной водой приводит к значительному повышению прочности камня (рис.1.3). Полученные результаты свидетельствуют о значительном ускорении твердения и увеличении конечной твердости. Это обусловлено ускорением нарастания пластической прочности камня. Было обнаружено, что при использовании омагниченной воды цемент гидратируется значительно в большей степени, чем при использовании обычной воды, что способствует получению более плотной структуры камня. В омагниченной воде скорость образования осадка суспензии цемента значительно выше, чем в обычной воде.

Все указанные изменения цементного камня значительно влияют на его физико-механические свойства. Водостойкость, морозостойкость и химическая стойкость камня, изготовленного с применением омагниченной воды, значительно возрастают.

Рис.1.3. Влияние омагничивания воды на рост прочности цементного камня: 1 – без магнитной обработки; 2-5 – после магнитной обработки

при напряженности 117, 127, 139, 167 кА/м

15

Описанные результаты [16] влияния магнитной обработки воды на процессы твердения цементного камня совпадают с результатами исследований многих других авторов [16–17].

Следует отметить, поскольку магнитная обработка влияет на свойства цемента, то в свою очередь должна изменяться степень пластификации бетона. Во многих работах это показано достаточно убедительно [18, 19, 20 и др.].

При использовании омагниченной воды для затворения бетона прочность его возрастает, расход цемента уменьшается, а подвижность бетонной массы возрастает. Приведем краткие результаты, полученные различными авторами.

Журавель В.П., Соколов B.C., Чернобай В.Л. [14] установили, что при обработке воды в магнитном поле с добавлением солей прочность бетона в возрасте 28 суток повышается в среднем на 21 %, в результате чего можно уменьшить расход цемента на 6-8 %.

Бережной А.И. и Зельцер П.Я. [19] опытами в промышленных условиях установили уменьшение газопроницаемости бетона. Авторы работы [20] исследовали возможность использования магнитной воды для изготовления керамзитобетона. Они отмечают, что при этом повышается качество изделий, прочность (на 15-20 %), улучшается структура, появляется возможность снижения водосодержания в среднем на 10 %. В связи с улучшением удобоукладываемости (на 24-25 %) сокращается время укладки – уплотнения бетонной смеси.

Практическое внедрение магнитного способа для затворения бетона осуществлено на Саратовгэсстрое, Главприволжстрое, в тресте «Туймазанефтестрой» и в других организациях.

Результаты, полученные при изучении влияния магнитной обработки на твердение гипса, мало отличаются от аналогичных результатов для цемента.

Повышение прочности засоленных гипсов, затворенных на воде, обработанной в магнитном поле, составляет 30 % через 28 суток и объясняется изменением микроструктуры затвердевшего материала. Образуются мелкие, хаотично расположенные кристаллы с повышенным числом контактов [21].

Определенный интерес представляют исследования авторов работы [22]. Целью настоящей работы являлось проведение некоторых исследований по выявлению основных направлений влияния воды, обработанной магнитным полем, на прочность силикатных и гипсовых вяжущих материалов. Значительное увеличение прочности наблюдалось при Н=19,75 105 А/м (2500 Эрстед) и V=0,05 м/с и составило 31,5 % для силикатных образцов. В зависимости от напряженности магнитного поля увеличение механической прочности гипсовых изделий изменилось в пределах от 10 до 15 %.

16

С увеличением напряженности магнитного поля растворимость СаО при температуре 20 °С значительно возросла.

Имеются разнообразные сведения об эффективности магнитной обработки в производстве изделий с применением других вяжущих.

Таким образом, к настоящему времени накоплен достаточный производственный опыт применения магнитной обработки для улучшения технологических показателей готовой продукции.

1.4.Теоретические основы магнитной обработки воды

иводных систем

Впроцессе исследований, выполненных многими учеными, накоплен большой и разнообразный материал, позволяющий отнести проблему магнитной обработки воды и водных систем к числу значительных научнотехнических направлений. Это связано с огромной и активной ролью воды

втехнологических процессах и получением существенных промышленных результатов.

Вместе с тем теория этого явления остается до сих пор невыясненной, а имеющиеся теоретические обоснования не могут пока претендовать на закономерность.

Внастоящее время наиболее узким местом рассматриваемой проблемы является выяснение механизма процессов, происходящих в водных системах при их магнитной обработке. Без этого невозможно решить такие задачи, как стабилизация ожидаемых эффектов, их увеличение и принципы конструирования промышленных аппаратов, а также оптимизация электрических и гидродинамических режимов обработки водных систем.

Теория магнитной обработки, которую еще предстоит разработать, должна учитывать и объяснить существующие зависимости эффекта данной обработки от времени, напряженности магнитного поля, скорости потока, пересекающего силовые линии магнитного поля. Также необходимо выяснить влияние вида и концентрации примесей, объяснить все химико-физические изменения водных систем.

Теоретические разработки электромагнитной обработки водных систем находятся на стадии обоснования гипотез. Накопленный экспериментальный материал позволил выдвинуть ряд гипотез, удовлетворительно объясняющих отдельные стороны эффекта. Многочисленные предложенные гипотезы можно классифицировать следующим образом:

1. Основанные на влиянии полей на собственно воду; все виды примесей и даже ионы-продукты, диссоциации воды не учитываются.

2. Основанные на приоритетной роли ионов, всегда присутствующих в воде.

17

3. Основанные на влиянии магнитных полей на коллоидные микрочастицы, особенно ферро-парамагнитные.

Рассмотрим некоторые из этих гипотез.

Авторы «водных» гипотез пока лишь в качественной форме рассматривают данную проблему и далеко не всегда учитывают присутствие в воде примесей газов, микрочастиц и ионов.

Имеются суждения о том, что корни магнитного воздействия на воду связаны с изменением угла между атомами водорода [23, 24]. Уменьшение валентного угла молекулы воды приводит, как утверждают авторы работы [25], к увеличению дипольного момента (приблизительно на 15 %) и к изменению взаимодействия между молекулами с укрупнением их агрегатов.

Изменение свойств намагниченной воды объясняется некоторыми исследователями главным образом изменением водородных связей и структуры воды. В данной работе утверждается, что наложение внешнего магнитного поля вызывает ламорову прецессию электронных орбит и ядер и поляризацию электронных облаков в молекуле воды, благодаря чему последние приобретают индуцированный магнитный момент, направленный антипараллельно внешнему полю. Вследствие этого энергия водородных связей изменяется, происходит их «изгибание» и частичный разрыв, что влечет за собой изменение взаимного расположения молекул, а следовательно, и структуры воды. Нарушение структуры и водородных связей молекул воды и объясняет изменение плотности, вязкости и других свойств под влиянием магнитного поля.

С увеличением напряженности внешнего поля поляризация электронного облака усиливается, количество разорванных связей возрастает и увеличивается количество молекул, потерявших равновесие в узлах решетки и попавших в пустоты.

Но данная точка встретила существенные возражения. Хабаров О.С., Тебенихин Е.Ф., Гусев Б.Т. [26, 27] утверждают, что магнитное поле слишком слабо (в энергетическом смысле) и, взаимодействуя с водной системой, совершенно не способно разорвать водородные связи. А изменения плотности и вязкости, как объясняют Е.Ф. Тебенихин и Б.Т. Гусев, наблюдается крайне незначительно – в пределах ошибки опыта. По этим причинам большинство исследователей склонны более осторожно подходить к оценке влияния магнитного поля на водородные связи.

Оригинальную идею о влиянии магнитного поля на свойства воды выдвинула группа ученых [28], рассматривающих ядерную структуру воды, связанную с той или иной ориентацией спинов протонов в отдельных ее молекулах. Авторы выделяют две модификации воды: орто- и парамодификации. В воде соотношение между количеством обеих модификаций молекул зависит от многих причин и не является устойчивым.

18

Исследователями установлено, что энергия, необходимая для ортопарапереходов в сотни раз меньше энергии, необходимой для взаимодействия с собственным магнитным моментом молекулы воды, и изменяет количественные соотношения ортопарамолекул. Таким образом, низкий энергетический барьер «ядерной структуры» позволяет воде реагировать на весьма слабое взаимодействие внешнего магнитного поля. Однако механизм воздействия ортопарапереходов на процессы, происходящие в водной среде, еще во многом не ясен и практически на изучен.

Принципиально новый подход к влиянию магнитного поля на структуру воды позволяет В.И. Яшкичеву [29] прийти к выводу, что магнитное поле является некоторым аналогом катализатора, влияющего на структуру воды и ее гидратационную способность, вплоть до изменения знака эффекта. Автор подчеркивает, что действие магнитного поля на процессы, происходящие в водной среде, должны отличаться исключительной чувствительностью к внешним воздействиям – вибрации, давлению, присутствию микрогетерогенных фаз и т.д. Этим объясняется неполная воспроизводимость опытов, требующих жесткого контроля и точной регулировки внешних условий.

Исходя из самых общих соображений, ряд авторов связывают механизм воздействия электромагнитных полей на водные системы с явлением резонансного типа.

Так, В.И. Классен [30] считает, что магнитная обработка приводит не к разрыву связей между молекулами, а к их ослаблению в результате резонанса магнитного поля с определенной группой ассоциатов и с возникновением квантов энергии, способных нарушить (деформировать) водородные связи, изменить структурную характеристику системы. Влияние электромагнитных полей на водные системы через ионы, всегда в них содержащиеся, рассмотрено рядом авторов.

Так, Сапогин Л.Т. с соавторами [31] выдвигают гипотезу, основанную на объединении продуктов диссоциации воды – гидроксила и гидроксония в кольца. Наложение поперечного поля приводит к сепарации ионов гидроксила и гидроксония на вращающиеся навстречу друг другу образования, которые не перестают вращаться после выключения поля и могут объединяться вне ассоцианты в нейтральные симметричные кольца, являющиеся чрезвычайно пассивными, т.к. неполярны, нейтральны, малоподвижны из-за больших размеров и массы. Поэтому, как утверждают авторы, растет вязкость, уменьшается активность воды.

Определенный интерес представляет гипотеза, предложенная Н.А. Глебовым, о связании возбужденными молекулами воды ионов водорода. При наложении внешнего магнитного поля на воду электроны из двух пар спаренных электронов кислорода распариваются и вследствие малой энергии взаимодействия на них магнитного поля раздвигаются на

19

очень близкие уровни. Под действием поля, создаваемого молекулами воды, эти электронные уровни еще более раздвигаются. При этом молекулы воды возбуждаются и связываются с ионами водорода в воде. В результате образовываются комплексы по реакции:

Н2О* + Н+ (Н2О...Н)+

возбужденная молекула воды

Образование этих комплексов ведет к изменению физико-химических свойств обработанной воды.

Новая модель структуры воды предложена М.А. Рязановым [32]. Автор рассматривает жидкую воду как совокупность глобул, представляющих собой фрагменты кристаллической решетки льда, но несколько разупорядоченной тепловым движением. Процесс структурирования жидкой воды, сопровождающийся укрупнением глобул, должен приводить к уменьшению ионного произведения или константы диссоциации. Именно такой процесс, как предполагает автор, происходит при прохождении жидкости через магнитное поле.

Упоминаются и другие механизмы, приводящие к специфическому структурированию воды, содержащей ионы, после магнитной обработки.

Возможность изменения свойств чистой воды после ее прохождения сквозь относительно слабое магнитное поле оценивается некоторыми физиками отрицательно. Эта точка зрения отражена в статье В.Г. Левина [33]. Рассматривая воду как строго равновесную систему, он подчеркивает низкое значение магнитной восприимчивости воды, не позволяющее достичь заметных изменений под действием слабых магнитных полей. Это положение верно в том случае, если вода является термодинамически равновесной системой, свойства которой зависят только от температуры и давления. Однако в последние годы появилось большое число совершенно неожиданных наблюдений, позволяющих усомниться в правильности такой предпосылки. И термодинамический метод должен применяться с большей условленностью и осторожностью.

Обращает на себя внимание также возможное влияние растворенных в воде газов на результаты магнитной обработки, на свойства воды.

Классен В.И. в своих работах рассматривает возможность взаимодействия различных атмосферных газов с магнитным полем. Наблюдается резонансное уменьшение теплопроводности парамагнитных газов (кислорода) при сближении частоты высокочастотного поля к частоте прецессии молекул в постоянном поле. Это объясняется тем, что наряду с прецессией молекул вокруг одной из вращающихся составляющих переменного поля, умножающей движение молекул и дополнительно увеличивающейся эффективное сечение столкновений, происходит своеобразная активация

20