2076

кислорода. Автор предполагает, что такой газокинетический магнитный резонанс присущ и непарамагнитным молекулярным газам.

Влияние растворенного в воде кислорода на перестройку структуры воды под действием магнитного поля отмечено А.В. Карякиным, Г.А. Кривенцовой, Н.В. Соболевой, Б.М. Корюкиным.

Следует также обратить внимание на возможную роль в магнитной обработке выделяющих газов из раствора в межполюсном пространстве. Почти во всех эффективно действующих аппаратах для магнитной обработки водных систем, как утверждает В.И. Классен, по ряду причин происходит перепад и даже пульсация давлений, что и вызывает временное пересыщение растворов и флуктуацию их концентраций. В процессе возникновения флуктуации концентраций газов и их исчезновения молекулы газов с большой скоростью перемешиваются в воде, нарушая ее структуру и ослабляя связь отдельных молекул с другими окружающими их молекулами. Система становится менее равновесной и, следовательно, больше подвержена воздействию магнитных полей.

Хотя число работ, косвенно свидетельствующих о влиянии выделения газов из растворов на эффективность магнитной обработки и водных систем, ограничено, но имеются все основания сделать вывод об одной из возможных причин изменения свойств воды после ее омагничивания. Однако пока нельзя считать доказанным, что именно растворенные газы определяют во всех случаях эти изменения.

Взаимодействие электромагнитных полей с ионами водных растворов является одной из важных теоретических проблем магнитной обработки водных систем, рассматриваемых во многих работах. Магнитная обработка оказывает на ионы солей большее влияние, чем на молекулы воды, т.к. диамагнитная восприимчивость и индуцированный во внешнем поле магнитный момент у ионов солей значительно больше, чем у молекул воды.

Остановимся несколько подробнее на основных работах, объясняющих эффект магнитной обработки, на основе взаимодействия магнитного поля с ионами растворов.

Так, по мнению Vermelren Т. [34] под действием магнитного поля происходит «деформация» ионов, сопровождающаяся изменением магнитного момента, даже заряда иона, а также его координационного числа. Такая деформация ионов и молекул, вероятно, существует, но она, как полагают С.И. Ремпель и М.Р. Бураков [35], исчезает сразу же после выхода раствора из магнитного поля и может сохраниться только при наличии дополнительных сил, стабилизирующих активированное состояние иона. В объяснении Т. Vermelren такие силы не упоминаются.

Ремпель С.И. предлагает следующую рабочую гипотезу. Растворенные в воде ионы солей, окруженные гидратными оболочками, образуют агрегат, совершающий тепловое движение как целое. Величина гидратных обо-

21

лочек ионов, упорядочение их структуры, соединение их в еще более упорядоченные агрегаты с другими гидратированными ионами ограничены тепловым движением молекул растворителя. Чтобы «помочь» гидратным оболочкам построить более упорядоченную (хотя бы на время) и более уплотненную структуру, нужно приложить усилия к ним, т.е. преодолеть разупорядочивающее действие теплового движения. Автор полагает, что такая нужная ориентация может осуществиться за счет взаимодействия внешнего магнитного поля с наведенным магнитным полем частиц раствора.

Более убедительные предложения о влиянии магнитного поля на переориентацию молекул жидкости даются в работе Н.П. Лапотышкиной [36]. По мнению автора, магнитное поле влияет на степень гидратации ионов накипеобразователей, растворенных в воде. Это обуславливает в конечном итоге образование многочисленных зародышей, в частности, карбоната кальция в объеме воды и стабилизирует выделяющуюся при нагревании твердую фазу весьма в дисперсном состоянии. Эта гипотеза в наибольшей мере подтверждается практикой. Однако, к сожалению, ее автор не рассматривает механизм образования этих зародышей.

Агафонова Г.С., Чернов Ю.К., Зеленков В.Е. [37] ведущую роль отводят воздействию магнитного поля на ионы электролитов.

По неоднократно высказанному В.И. Классеном мнению, при перемещении раствора в магнитном поле возникает противоположное циклотронное перемещение катионов и анионов под действием сил Лоренца, являющимися основным фактором, действующим на ионы. При возникновении сил Лоренца ионы начинают двигаться вокруг силовых линий магнитного поля с определенной частотой.

Количественная оценка сил Лоренца дается рядом авторов.

Так, согласно О.В. Мягкову [38], при взаимном перемещении магнитного поля и жидкости возникает магнитное форез-направленное антизотропное движение ионов внутри раствора (дрейф ионов), вызываемое силами Лоренца. От этих сил не требуется преодоления энергетического барьера между двумя состояниями системы. Роль дрейфа ионов может заключаться в повышении вероятности взаимодействия катионов и анионов вследствие уменьшения между ними расстояния. Ю.В. Мягковым найдено почти двукратное сближение пар противоионов, что не может не содействовать улучшению образования ионных ассоциатов. Пространственный фактор, как утверждает автор, может быть наиболее существенным при магнитной обработке разбавленных растворов, которыми обычно являются омагниченные водные системы. Но значительную роль могут играть большие ускорения движения ионов в начальный момент вхождения в магнитное поле, особенно высокоградиентное. При таком

22

ускорении дальняя гидратация ионов может на какое-то время уменьшиться, что также способствует взаимодействию противоионов.

Таким образом, временное изменение магнитной обработки дальней гидратации ионов в водных системах может являться одним из существенных механизмов регулирования физико-химических свойств последних.

Влияние магнитогидродинамических сил на асимметрию гидратных оболочек описано во многих работах.

По мнению В.И.Миненко [39], изменение под действием магнитной обработки структуры и свойств раствора зависит от солевого состава и концентрации растворенных веществ. При быстром пересечении раствора магнитным полем с достаточно большим градиентом ионы со значительным ускорением смещаются в сторону и внешняя часть окружающих их гидратных оболочек на мгновение деформируется, становясь асимметричной. Это приводит к поляризации системы ион-гидратная оболочка, что вызывает появление вектора поляризации. Индуцированные магнитные моменты ионов из-за неодинаковой магнитной восприимчивости в различных точках раствора будут различными. Однако различие индуцированных магнитных моментов у ионов более существенно, чем у молекул воды. В связи с этим, как полагает автор, внешнее магнитное поле оказывает наибольшее влияние на ионы (на ближнюю и дальнюю гидратацию). В.И. Миненко приходит к выводу, что внешнее магнитное поле, в зависимости от солевого состава и концентрации, приводит в той или иной мере к изменению структуры раствора, выражающейся в изменении радиуса ионов и их координационных чисел.

В ряде работ основное действие магнитных полей на водные системы через ионы отводится возникновению мелкомасштабной турбулизации, которая сопровождается вихревым движением жидкости и микрочастиц. Такой анализ процессов перекликается с приведенными выше соображениями и экспериментальными данными о роли растворенных газов. Но в этой работе авторами делается вывод о том, что «наличие моле- кулярно-растворенного воздуха, если он по каким-либо причинам не может переходить в микропузырьки, существенно не изменяет свойств водных растворов в магнитных полях». Это противоречит ряду данных о роли растворенного парамагнитного кислорода и другим соображениям, приведенным выше.

Таким образом, анализируя основные моменты, соображения и гипотезы различных авторов, можно сделать заключение, что в основе ионных гипотез лежит действие магнитных полей на перемещающиеся в них ионы. Возникающие при этом силы Лоренца возрастают с увеличением заряда иона, напряженности поля, скорости потока и степени перпендикулярности пересечения ими линий магнитного поля.

23

После выявления магнитной обработки воды, поступающей в различные теплообменные аппараты, на процессы накипеобразования возникло стремление связать эффекты омагничивания водных систем с действием магнитных полей на микроскопические коллоидные ферро- и парамагнитные частицы. Это позволило предельно просто объяснить причины изменения свойств магнитнообработанной воды, применяемой в теплоэнергетике.

Гипотеза о том, что при магнитной обработке водных систем происходит магнитная коагуляция микроскопических ферромагнитных частиц, рассматривается многими исследователями.

Так, согласно А.Н. Киргинцеву, В.М. Соколову, Н.И. Бурлаковой [40], приобретение водой особых свойств при действии магнитного поля связано с железом, обычно присутствующим в большем или меньшем количестве в каждой природной воде.

На положительное влияние ионов железа при магнитной обработке воды указывают также и французские исследователи [41].

В настоящее время появляется много различных модификаций данного механизма. Остановимся подробнее на некоторых из них.

Основным условием положительного эффекта магнитной обработки, по мнению В.И. Каткова и Е.Ф. Тебенихина [42], является перенасыщение окислов железа (ферромагнитный окисел Fe3О4; – Fe2О3; − Fe2О3). При воздействии магнитного поля на перенасыщенные растворы солей ферромагнитные окислы железа в результате различных пока еще недостаточно установленных причин, могут ускорить выделение твердой фазы накипеобразователей, что способствует образованию рыхлых осадков вместо накипи. Одной из таких причин, по данным авторов, может быть образование ферромагнитных агрегатов в магнитном поле, которые под действием пондеромоторных сил могут вызвать перемешивание, а следовательно, и кристаллизацию твердой фазы из перенасыщенного раствора. Другим фактором являются процессы кристаллизации накипеобразователей на частицах магнита, играющих роль центров кристаллизации. Наконец, роль ферромагнитных окислов может заключаться во взаимодействии между этими окислами и стальной поверхностью теплосиловой установки.

Тебенихин Е.Ф., Кишиневский В.А. считают возможным образование ферромагнитного железа в технической воде из неферромагнитной окиси железа. Намагниченные в магнитном поле частицы адсорбируют ионы или молекулы солеобразователей.

Зубарев В.А. [43] обосновывает возможность FeO(OH) (промежуточной формы при превращении Fe(ОH)3 в Fe2О3) выполнять функцию центров кристаллизации – «затворок» при предварительном наложении магнитного поля.

24

Не отрицая существующих представлений о структуре воды и водных растворов, А.И. Горшков [44] согласен со многими исследователями, что влияние магнитного поля происходит на ферромагнитные соединения железа. Но из них в коллоидном состоянии в воде ферромагнетизм сохраняется только у магнетита. Условия термической устойчивости (окислительный потенциал – Еп и рН), необходимые для стабильности магнетита, могут осуществляться в природе весьма редко. Таким образом, в технической воде присутствие коллоидного магнетита и механизм магнитной обработки мало вероятны, следовательно, коллоидные железосодержащие частицы обладают не ферромагнитными, а парамагнитными свойствами.

В работе О.И. Мартыновой с соавторами [45] предпринята попытка связать действие ферромагнитных частиц с их концентрацией в межполюсном пространстве. Магнитный аппарат для борьбы с накипью авторы рассматривают в этом случае как своеобразный фильтр, который широко применяется для очистки воды от продуктов коррозии. Исследователи обнаружили, что магнитный аппарат задерживает ферромагнитные примеси воды, в результате чего через определенный промежуток времени образуется взвешенный слой с хорошо развитой поверхностью; если поступающая в магнитное устройство водная система нестабильна, т.е перенасыщена по какому-то компоненту, то он будет сорбироваться на поверхности слоя частиц, взвешенных в зазоре; выделяющиеся из перенасыщенного раствора вещества могут либо накапливаться в зазоре, либо смываться потоком воды; ферромагнитные частицы в зазоре магнитного аппарата могут коагулировать.

Однако если бы магнитные аппараты были только своеобразными магнитными фильтрами, то куда проще было бы пропускать через слой намагниченного порошка воду. К тому же нельзя продолжать абстрогироваться от влияния на водные системы очень слабых полей, совершенно неспособных образовывать скопления ферромагнитных частиц.

Есть также данные о влиянии магнитных полей на кислые водные растворы. В.Е. Терновцев [46] исследовал влияние магнитной обработки растворов серной кислоты на изменение размеров кристаллов гипса (в кислой среде ферромагнитные коллоидные частицы отсутствуют). В данных исследованиях также наблюдался эффект магнитной обработки.

Следует также обратить внимание на работу А.И. Шахова и С.С. Душкина [47]. Авторы объясняют роль магнитного поля коагуляцией органических и минеральных коллоидов за счет дегидратации двойного электрического слоя, что, в свою очередь, нарушает агрегативную устойчивость коллоидов и ускоряет их «слипание».

Определенный интерес представляет работа А.Н. Куценко [48], где описан механизм осаждения глинистых и песчаных частиц в водной среде.

25

Сущность данных исследований заключается в использовании магнитного поля в качестве флокулирующего фактора.

На основе расчета процессов теплообмена по результатам исследования М.А. Михельсона [49] в принципе можно определить количество вещества, скристаллизировавшегося на поверхности теплообменника (нежелательный эффект) и в толщине воды (желательный эффект). Таким образом, как утверждают авторы, может быть построена полуэмпирическая теория магнитной обработки воды применительно к антинакипному режиму работы теплообменных аппаратов. Преимущество этой теории состоит в том, что она обходит весьма сложный вопрос о природе активации ядер кристаллизации, заменяя его найденной из опытных данных зависимостью концентрации этих ядер от параметров магнитной обработки.

Однако такая полуэмпирическая теория не может удовлетворить с физической точки зрения и может оказаться построенной на ложных предпосылках, если не будет показано, что магнитное поле способно в действительности активировать имеющиеся в воде центры кристаллизации и объяснить таким образом эффект увеличения концентрации частиц в толще воды при воздействии магнитного поля, а также объяснить ряд других эффектов (полиэкстремальный характер зависимости эффекта от напряженности магнитного поля, временный характер эффекта и др.). М.А. Михельсон приходит к выводу, что построение какой-либо количественной теории будет зависеть от того, каким объектом принимаются свойства сохранить магнитную память: структурными изменениями самой воды, немагнитными кристалликами или ферромагнитными коллоидными частицами.

Анализируя вышеизложенные и многие другие работы по данному вопросу исследования, можно отметить следующее. Очевидно, магнитные субмикроскопические частицы (если они имеются в достаточном количестве) могут играть определенную роль при магнитной обработке водных систем. Они могут влиять на процессы кристаллизации. Но считать этот механизм действия магнитных полей на различные изменения водной среды основным нельзя. В частности, с этой точки зрения непонятен эффект воздействия магнитной обработки на растворы, в которых отсутствуют ферромагнитные частицы. Таким образом нельзя объяснить такие эффекты, как ускорение растворения твердых тел, изменение смачиваемости, ускорение и усиление адсорбции и т.д.

В своих работах В.И. Классен подчеркивает, что во всех случаях при обсуждении результатов опытов, проводимых с добавлением в растворы солей железа тонкого порошка магнетита, не учитываются два важных фактора. Во-первых, вместе с указанными примесями в воду неизбежно вводятся ионы железа и другие ионы, поэтому существенно меняется ион-

26

ный состав среды. Во-вторых, вокруг намагниченных ферро- и парамагнитных частиц образуются магнитные поля, которые могут существенно влиять на близлежащую воду. Еще предстоит выяснить роль заряженных микрочастиц немагнитных примесей.

Однако справедливо отметить, что во многих работах речь идет только об одном из возможных механизмов влияния магнитной обработки на отдельные процессы.

Проанализированные нами гипотезы о механизме действия магнитных полей на водные системы не могут считаться полностью обоснованными (хотя многие из них не исключают друг друга), носят предварительный характер. Одной из основных причин этого является слабое развитие количественной теории структурированных жидкостей, что не позволяет объяснить многие эффекты, а также отсутствие достаточно точных и надежных данных. Но это не дает оснований к безоговорочному отрицанию этих эффектов, т.е. при воздействии магнитных полей на водные системы постоянно возникает комплекс сложных явлений. И все гипотезы (за исключением гипотез об изменении абсолютно чистой воды) имеют определенное экспериментальное подтверждение. Вместе с тем не всеми гипотезами можно полностью объяснить разнообразные эффекты этого явления. Можно отметить, что многие факторы, являющиеся казалось бы обязательными для реализации магнитной обработки, могут отсутствовать или быть ослабленными, а эффект все же наблюдается. Поэтому для создания общей теории магнитной обработки воды нужно признать вероятность главной причины, а все остальные факторы как усиливающие, стабилизирующие эти изменения.

27

2.ИЗУЧЕНИЯ КАЧЕСТВА КВАРЦЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ

ВУСЛОВИЯХ ЗАМКНУТОГО БЕЗОТХОДНОГО ПРОЦЕССА

ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Сточные воды в технологии изготовления изделий из волокнистой двуокиси кремния образуются в результате процесса формования образцов.

Качественный состав технологической воды существенно влияет на качество керамических изделий

Учитывая количество отходов, а также их высокую стоимость, в задачу исследований входила разработка замкнутых систем водоснабжения керамического производства.

2.1. Описание установки и методика проведения исследований

по омагничиванию технологической воды керамического

производства

Для проведения исследований по магнитной обработке водных систем разработана полупроизводственная установка. Установка представляет собой электромагнитный аппарат. Для этого аппарата характерно наличие обмотки, по которой пропускается ток, генерирующий магнитное поле в железных сердечниках и в воздушных зазорах, через которые циркулирует обрабатываемая сточная вода. Эти магниты требуют источников питания, постоянного наблюдения за состоянием обмотки, но достоинством их является то, что они просты в изготовлении, имеют большую эффективность при малых габаритах, доступность и удобство в эксплуатации, возможность менять значения напряженности магнитного поля, что позволяет установить оптимальный режим обработки. Созданная установка работает по оборотной схеме, что позволяет повысить точность экспериментов в связи с устранением ряда побочных факторов и дает возможность реализовать многократное циклическое воздействие магнитного поля на один и тот же объем, блок-схема установки представлена на рис. 2.1, а внешний вид – на рис. 2.2.

Установка представляет собой систему емкостей для хранения водного раствора и систему трубопроводов для его транспортирования. Основными элементами установки являются емкости для хранения водных растворов – верхний 11 и нижние 5, 6 баки, трубопроводы 4, 8, 10, 12, 15, 16 для транспортировки воды, насос 1, пульт управления 2.7 и магнитное устройство 9.

28