Повышение эффективности магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов невозможны без широкомасштабного внедрения безотходных, малоотходных и ресурсосберегающих технологий, создания разнообразных способов и средств интенсификации и управления технологическими процессами. Большинство современных технологических процессов, а также непосредственно жизнь человека прямо или косвенно связаны с использованием воды — возобновляемого природного ресурса, который с каждым днем становиться все более дефицитен. Эффективность использования природных вод в энергетических и технологических установках во многом определяется качеством водоподготовки.

Опыт эксплуатации энергетического и технологического оборудования показывает, что безаварийная и экономичная его эксплуатация сильно зависит от качества воды. Порой даже незначительное количество растворенных в воде солей или примесей сильно ухудшает условия эксплуатации технологических установок, а иногда и приводит к серьезным авариям. Наличие в воде растворенных солей жесткости вызывает образование накипи на теплопередающих поверхностях теплоэнергетического оборудования. В результате ухудшения теплопередачи снижается производительность тепловых установок, увеличивается расход топлива. Последнее приводит к значительному увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Надежная работа технологического оборудования зависит также от наличия в исходной воде растворенных газов, таких, как углекислый газ, кислород, агрессивно действующих на металл. Статистические данные свидетельствуют о том, что больше половины аварий на теплоэнергетических установках возникает из-за неудовлетворительного поддержания водного режима и вызваны коррозионными повреждениями оборудования. Очерченный круг проблем требует расширения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований как в области физико-химических процессов, происходящих в технологических установках, так и в области обработки воды с целью внедрения новых экологически чистых методов водоподготовки. Одной из задач, которую приходится решать, связана с изучением растворимости углекислого газа в природных водах, используемых в теплоэнергетических и технологических установках, так как при определенных условиях углекислый газ вызывает не только коррозию теплоэнергетического оборудования, но и во многом определяет процесс накипеобразования. Изменяя растворимость углекислого газа, можно управлять процессами накипеобразования и коррозии.

Наиболее предпочтительными с позиции охраны окружающей среды являются безреагентные способы водоподготовки, исключающие сброс использованных химреактивов в водоемы, прежде всего те, которые основаны на применении физических полей: ультразвуковая, магнитная и электромагнитная обработка, причем последние, как показывает практика наиболее просты в реализации и требуют малых эксплуатационных затрат.

Природная вода, обработанная магнитным и электромагнитным полем, приобретает новые свойства, позволяющие снизить и даже прекратить процесс накипеобразования на поверхностях теплообмена, растворять накипь. Более того, выявлено, что такая вода уменьшает коррозию металла, повышает прочность бетона, повышает урожайность культур и т. д. Несмотря на внедрение магнитной обработки воды с целью предотвращения накипеобразования, реальная эффективность этого способа, границы его применения, методы индикации, факторы, обеспечивающие стабильность и оптимальное воздействие магнитного поля на водную систему, изучены явно недостаточно. Отсутствует также теоретическое представление о механизме происходящих с водой в магнитном поле процессов, что необходимо для проектирования магнитных аппаратов с заданной эффективностью и дало бы возможность осуществления постоянного контроля.

Таким образом, повышение эффективности применения магнитной обработки воды в различных технологических процессах является актуальной задачей. Учитывая важную роль, которую играет растворенный углекислый газ в процессах накипеобразования, коррозии и гидратации цемента, изучение влияния магнитного поля на растворимость газа и процесс дегазации воды также представляет большой практический интерес.

Работы по данному направлению автором проводились в соответствии с Координационными планами и программами Академии наук 1981;1992 г. г. («Комплексные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Дальнего Востока», раздел 111, п. 4 и др.) — Координационными планами Министерства высшего образования на 1976;1980 г. г. (НТП «Мировой океан», тема 6.2.26) — Программой «Дальний Восток России» — Планом фундаментальных и прикладных поисковых исследований, утвержденным Постановлением Госкомиссии Правительства РФ от 24.04.91 г. № 58 (темы «Удвоение — ДАН» и «ЯХТА — ДВО»).

Целью работы является повышение эффективности использования природных ресурсов и уменьшение загрязнения среды обитания путем совершенствования контроля и стабилизации эффекта магнитной обработки воды.

Основная идея работы. Вода, участвующая во многих технологических процессах, представляет собой открытую нестационарную систему, эффективность воздействия магнитных и электромагнитных полей на которую сильно зависит от присутствия растворенных примесей, прежде всего растворенного и дисперсного газа, смещение динамического равновесия которого позволяет управлять течением технологических процессов, используемых в теплоэнергетике, строительстве, сельском хозяйстве, и таким образом оптимально использовать природные ресурсы.

Для реализации указанной идеи проведены исследования процессов растворения углекислого газа в воде, установлены закономерности влияния магнитных и электромагнитных полей на растворимость, диффузию, дегазацию, и попутно кристаллизацию солей в водных растворах, разработаны метод контроля и рекомендации по определению параметров магнитной обработки воды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Показано, что применение магнитной обработки воды позволяет не только уменьшить загрязнение окружающей среды, но и повысить эффективность использования природных ресурсов при условии обеспечения оптимальных параметров обработки и стабильности получаемых результатов.

2.Установлено, что при воздействии магнитного поля на водную систему происходит перераспределение концентрации свободного и молекулярно-растворенного газа. Впервые произведена количественная оценка влияния магнитного поля на коэффициент диффузии углекислого газа в природных водах.

3.Разработан экспресс-метод и прибор для контроля влияния магнитного поля на водную систему по изменению скорости ее вакуумной дегазациивыявлены аналитические зависимости влияния магнитного поля на процесс дегазации водных систем, что позволяет добиться рационального использования природных ресурсов путем совершенствования протекания технологических процессов.

4.Экспериментальные исследования кинетики растворения углекислого газа в воде доказали возможность зарождения и постоянного присутствия в воде «свободного» газа в виде микропузырьков. Впервые экспериментально определены и получена расчетная формула значений коэффициентов диффузии углекислого газа в морской воде в диапазоне температур 18−40 °С ;

5.Предложен метод стабилизации эффекта воздействия магнитного поля на воду, основанный на введение в воду до её магнитной обработки поверхностно-активных веществ для технологических процессов в замкнутых циклах по воде, в частности, при приготовлении бетона, с целью повышения его прочности и экономии цемента.

6.Разработана схема представления знаний для решения экспертными системами неформализованной задачи эффективного применения магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов.

Основные положения, представляемые к защите.

1 .Безреагентная магнитная обработка воды способствует оптимальному природопользованию, уменьшению загрязнения среды обитания. Отсутствие теории механизма воздействия магнитного поля на воду и нестабильность наблюдаемых эффектов является препятствием широкому внедрению ее в технологических производствах.

2.Эффективность и стабильность магнитной обработки воды в силу влияния физико-химических, технологических и эксплуатационных факторов имеет вероятностную природу. Основным фактором, определяющим процессы, происходящие в водной системе при магнитной обработке, является дисперсный и растворенный газ.

3.На основе экспериментальных исследований кинетики процесса растворения углекислого газа в воде установлена возможность образования и постоянного присутствия «свободного» газа в виде микропузырьковполучены экспериментальные значения и расчетная формула по определению коэффициента диффузии углекислого газа в пресных и морских водах.

4.Использование разработанного экспресс-метода определения оптимальных параметров магнитной обработки воды, основанного на изменении скорости её вакуумной дегазации, позволяет повысить эффективность применения магнитной обработки воды, тем самым добиться снижения расхода топлива, воды и строительных материалов.

5.Воздействие магнитного поля на водные системы приводит к перераспределению концентрации свободного и молекулярно-растворенного газа, что вызывает ускорение процессов дегазации и кристаллизации солей в воде. Получены экспериментальные зависимости изменения растворимости, диффузии углекислого газа в воде и дегазации от параметров магнитной обработки воды.

6.Эффект стабилизации воздействия магнитного поля, основанный на введении поверхностно-активных веществ в воду, используемую для приготовления бетонов и бетонных смесей обеспечивает повышение качества изделий и экономию цемента.

Практическая значимость результатов.

Выявленные зависимости влияния магнитных полей на процессы растворения, диффузии, дегазации водных растворов и произведенная их количественная оценка позволяют прогнозировать эффективность влияния магнитного поля на водную систему.

2.Разработанный экспресс-метод индикации влияния магнитного поля на водную систему позволяет определять оптимальные параметры магнитной обработки воды с целью повышения эффективности протекания технологических процессов и рационального использования природных ресурсов.

3.Полученные значения коэффициентов диффузии углекислого газа в морской воде вместе с эмпирической зависимостью от температуры и разработанные рекомендации позволяют проектировать деаэрационные установки на морской воде с заданной эффективностью.

4.Разработанная методика определения оптимальных параметров магнитной обработки воды позволяет прогнозировать повышение эффективности применения магнитной обработки в различных технологических процессах, в частности, для уменьшения накипеобразования на теплопередающих поверхностях и повышения прочности бетона.

5 .Предложенная технологическая схема обработки воды, используемой для приготовления цементных и бетонных растворов, позволяет повысить прочность бетонов и уменьшить расход цемента и, тем самым, обеспечить значительную экономию природных ресурсов.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы:

1 .АО «Приморрыбпром» при проектировании магнитных противонакипных устройств для судовых опреснительных установок и вспомогательных котлов рыбодобывающих плавбаз.

2.На комбинатах и заводах железобетонных изделий в: г. Владивосток, Находка, Дальнегорск (Приморского края) — г. Воркута (Коми АССР) — г. Шахты (Ростовской области) — г. Орджоникидзе (Северная Осетия), Якутск и ряде других при разработке устройств и определении оптимальных параметров обработки воды магнитным полем с целью экономии цемента.

3.На котельных Приморского края при разработке схем повышения эффективности работы водоподготовительного оборудования.

4.В ВАСХНИЛ Агрофизическом институте при разработке временных методических рекомендаций по изучению действия и использованию магнитных аппаратов при промывке и орошении засоленных почв.

5.На АО «Калужский турбинный завод» при создании новых типов теплообменного оборудования, работающего на морской воде.

6.Секцией прикладных проблем при Президиуме РАН для создания новых образцов морской техники.

7. Международной компанией «BAS International» (США) при разработке термической технологии концентрации биологически-активных растворов.

За успешное внедрение магнитной обработки воды на заводах ЖБИ страны и получение большого экономического эффекта автор награжден серебряной медалью ВДНХ.

Кроме того, результаты исследований использованы в учебном процессе ДВГТУ, в учебных курсах «Охрана окружающей среды», «Экология» и «Строительные материалы».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Вопросы теории и практики судовых энергетических установок» (г. Владивосток 1971, 1973 г. г.)-ХХ1-ХХХУ научно-технических конференциях Дальневосточного государственного технического университета (г. Владивосток 1972;1997 г. г.): на 1 Всесоюзной конференции «Комплексные проблемы охраны и использования океанических вод» (Владивосток, 1976 г.) — на семинаре по рациональному использованию и охране природных ресурсов Сибири «Продуктивность экосистем, охрана водных ресурсов и атмосферы» (КрасноярскД975 г.) — на 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Технические средства изучения и освоения океана» (Ленинград, 1978) — на 1У Всесоюзном совещании «Магнитная обработка водных систем» (Москва, 1981 г.) — на Всесоюзной конференции «Технические средства изучения и освоения океана» (Севастополь, 1981 г.) — на областном научно-техническом семинаре «Повышение физико-механических свойств бетоновважный фактор экономии материальных ресурсов в строительстве (Южно-Сахалинск, 1982 г.) — на выездном заседании секции Научного Совета по проблеме «Теплофизика» АН СССР и Всесоюзном семинаре по диффузии и теплопроводности смесей газов и жидкостей, Алма-Ата, 1982 — на 1У Всесоюзной конференции «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана» (Владивосток, 1983 г.) — на Всесоюзной научно-технической конференции «Вопросы обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов и рекуперативного использования вторичных ресурсов» (Николаев, 1986 г.) — на Всесоюзном совещании «Охрана природной среды морей и устьев рек» (Владивосток, 1986 г.) — на Всесоюзной конференции «Проблемы создания новой техники освоения шельфа» (Горький, 1989 г.) — на 111 научно-технической конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья (Владивосток, 1988 г.)-на Всесоюзной конференции «Применение безреагентных методов противонакипной обработки воды на электростанциях» (Ровно, 1987 г.) — на Всесоюзной научно-технической конференции «Архитектура и строительство в регионах Сибири и Дальнего Востока (Благовещенск, 1993 г.) — на Международной конференции «Нетрадиционная энергетика и технология» (Владивосток, 1995 г.) — на Международной конференции «OCEANS 96 MTS/IEEE» (Флорида, США, 1996 г.) — на 3-ей Международной конференции по морской инженерии -96 (Шанхай, Китай, 1996 г.) — на научном семинаре ОНИЛ Технологии водных энергоносителей кафедры технологии воды и топлива Московского энергетического института (технического университета) (Москва, 1997 г.) — на международной конференции «Сихотэ-Алинь: сохранение и устойчивое развитие уникальной экосистемы» (Владивосток, 1997 г.).

Автор считает своим долгом выразить признательность своим коллегам Дальневосточного государственного технического университета и работникам других организаций за поддержку в проведении исследований и внедрении результатов научной работы.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОДЕ И МЕТОДЫ ВОДОПОДГОТОВКИ.

1Л. Вода, ее структура и основные свойства.

Вода — самое распространенное из всех веществ, встречающихся на нашей планете. Общее количество воды оценивается по разным данным в 1.5 — 2.5 млрд. км3. [156,159].

На протяжении последних тысячелетий в древнейших известных нам культурах: месопотамской (5 тыс. лет до н.э.), египетской (4 тыс. лет до н.э.) и индийской (3 тыс. лет. до н.э.) воде отводилось главенствующее место в мироздании. За это время изменились наши знания, представления, но роль и место воды в нашем мире существенно не изменились. Подтверждением этого может служить известное высказывание крупнейшего ученого-мыслителя, нашего соотечественника В. И. Вернадского, который писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества, минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество. ею проникнуто и охвачено» [68]. Сейчас, на рубеже третьего тысячелетия, особенно отчетливо видно, каким сложным и трудным объектом исследования является вода. С момента, когда физик Генри Кавендиш в 1883 году обнаружил, что водород и кислород образуют воду, а в 1785 году французскими химиками Лавуазье и Менье было установлено, что вода состоит из двух весовых частей водорода и шестнадцати весовых частей кислорода, прошло более двух веков. За этот период исследования воды значительно продвинулись благодаря использованию все более совершенных средств и методов, позволяющих изучать атомно-молекулярную структуру вещества. Благодаря усилиям физиков, химиков, биологов, геологов, медиков, энергетиков, горняков, экологов и других специалистов удалось собрать интереснейшую информацию о составе, свойствах, структуре воды, заглянуть в строение материи.

Такие великие ученые, как: Платон (427 — 347 лет до н.э.), Аристотель (384 — 322 г. до н.э.), Фалес (625 — 547 лет до н.э.), Рене Декарт (1596 — 1650 г.), Роберт Бойль (1627 — 1691 г.), Генри Кавендиш (1731 — 1810 г.), Антуан Лоран Лавуазье (1793 — 1794 г.), Гей — Люссак (1805 г.), Рамзай (1893 г.), В. Рентген (1892 г.), Д. И. Менделеев (1891 г.), Г-Мейер (1930 г.), Ч. Г. Брэгг (1862 — 1942 г.), Дж. Бернал (1901 — 1971 г.), Р Фаулер (1889 — 1944 г.), Л. Полинг (1901 — 1982 г.), В. Холл (1948 г.), Френк (1961 г.), Дж. Попл (1951 г.), О. Я. Самойлов (1957 г.), Ю. В. Гуриков (1971 г.), Эйринг (1964 г.), Г. А. Крестов (1966 г.), A.M.Блох (1969 г.), Р. Хорн (1972 г.), Г. Н. Зацепина (1987 г.), и многие другие внесли огромный вклад в изучение удивительных свойств и строения воды.

Вода — самое аномальное вещество в природе, как говорил В. И. Вернадский: «Надо ждать особый исключительный характер физико-химических свойств воды среди других соединений, который отражается и на ее положении в мироздании и на структуре мироздания» .

Отметим некоторые основные аномальные особенности чистой воды, которые отличают ее от химических аналогов и других жидкостей [18, 35, 68, 86, 129,159, 168.].

Во-первых, у воды высокие значения удельной теплоемкости, скрытой теплоты испарения и плавления, что смягчает климат нашей Планеты.

Во-вторых, воде свойственны высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление, что обеспечивает смачиваемость большинства твердых тел и обеспечивает явление капиллярности, играющей большую роль при подъеме влаги из почвы в растения и деревья, а также подъем воды из глубоких слоев почвы к поверхности.

В-третьих — это аномалия температур кипения и замерзания, что позволяет ей существовать в условиях Земли в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. Рассматривая вещества, обладающие близкими молекулярными весами и строением и относящиеся к гидридам элементов шестой группы Периодической системы, можно предсказать (Рис. 1.1), что вода, являющаяся в этом ряду самой легкой, должна обладать наиболее низкой точкой кипения и замерзания (соответственно: -70 и — 90°С). В условиях Земли вода должна бы существовать только в парообразном состоянии со всеми вытекающими из этого последствиями.

В-четвертых, на интервале температур от +4 °С и ниже, вплоть до точки замерзания воды, плотность ее падает, а объем расширяется, и в момент замерзания происходит скачкообразное увеличение плотности. Такая аномалия имеет исключительное.

50u кГ о, >% н.

03 Он 0) с.

2 D Е0.

— 50.

Н20 H2S 50 H2Se.

Молекулярный вес.

НоТе.

Рис. 1.1. Аномалия точек, кипения и замерзания воды в сравнении с другими соединениями водорода [68].

Рис. 1.2 Схема образования мерцающих скоплений молекул воды [190]. значение в жизни нашей Планеты. Если бы лед не мог плавать, то в умеренных широтах в зимнее время озера, реки и моря промерзли бы до самого дна, что явилось бы катастрофой для всего живущего в воде.

В-пятых, вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость, которая при нормальных условиях равна 80−81. Это обуславливает ее универсальность как растворителя. Поэтому природная вода всегда представляет собой раствор соединений самых различных элементов.

Существует много других аномальных свойств воды, которые лежат в интервале температур от 0 до 45 °C. Например, температурный коэффициент расширения воды в данном интервале увеличивается с ростом давления, а у других тел обычно уменьшается.

Аномальны также зависимость диэлектрической проницаемости и вязкости от давления, теплопроводность, коэффициент самодиффузии и многие другие свойства.

Все перечисленные аномалии зависят от особенности структур, образуемых молекулами воды при различных агрегатных состояниях, связанных с температурой, давлением и другими условиями, в которых находится вода.

Структура, то есть определенное пространственное расположение молекул вещества, прежде всего определяется строением молекул и межмолекулярными взаимодействиями. Структура воды в настоящее время до конца не изучена, так как проблема охватывает вопросы, связанные со строением молекул воды и агрегатов, образованных молекулами. Хотя известно, что фундаментально различные модели воды могут одинаково хорошо описывать ее основные термодинамические свойства, но выбор одной из известных моделей представляет довольно трудную задачу [18,35,66,68,86,113,116,163,168,]. Причина заключается прежде всего в отсутствии надежных методов изучения структуры жидкостей, поскольку они, в отличие от твердого и газообразного состояния, не дают отчетливой картины при использовании методов спектроскопии, рентгеноскопии и других. Поэтому представления о строении молекул воды базируются в основном на исследованиях ее газообразного состояния.

Связь между атомами водорода и кислорода в молекуле воды ковалентная. Каждая молекула воды способна образовать четыре водородные связи: за счет двух пар неподеленных электронов кислорода и двух положительно заряженных атомов водорода. Таким образом, у отдельно взятой молекулы воды свойства отличны от свойств, которые проявляются в присутствии других молекул, вызванных водородными связями.

Водородная связь занимает среднее место между ковалентной связью, энергия которой измеряется десятками килоджоулей на моль, и вандерваальсовыми межмолекулярными взаимодействиями, измеряемыми десятыми долями килоджоулей на моль. Образование водородных связей ведет к возникновению неустойчивых ассоциатов. Природа водородной связи еще точно не изучена [86,159]. Известно, что в ней участвует квантовомеханическая донорно-акцепторная связь, обусловленная переходом электрона от атома водорода к взаимодействующему с ним атому, находящемуся в составе другой молекулы, и электростатическое взаимодействие.

Водородная связь весьма сильно определяет структуру и свойства воды [18, 86,159].

В настоящее время предложено более двух десятков гипотез, стремящихся описать структуру воды, которые можно разделить на две основные группы, в основу которых положено наличие или отсутствие однородности в структуре рассматриваемой воды [18, 35, 66, 86, 116, 159,163, 168 ] .

Первая группа объединяет модели, предполагающие неравномерное размещение различных структур в объеме воды.

Вторая группа объединяет модели, предполагающие однородное равномерное распределение имеющихся структур воды по всему объему .

К первой группе относится модель воды, предложенная Фрэнком и Веном (1957), совершенствованная Немети и Шераге (1962). Согласно этой модели в воде имеются скопления молекул, объединенных друг с другом водородными связями, причем преобразование этих связей рассматривается как кооперативный процесс. Любое преобразование кооперативной системы начинается с изменения каких-либо свойств немногих элементов, происходящих под воздействием внешних и внутренних факторов-инициаций. Возникшие преобразования в силу взаимосвязи элементов распространяются на значительную часть системы или на всю ее. По гипотезе Фрэнка и Вена при образовании водородных связей между двумя молекулами воды происходит усиление поляризации молекулы, что увеличивает ее потенциальную возможность образования водородной связи с другой, соседней молекулой и т. д. до кооперирования молекул в рои.

Время жизни таких скоплений (роев) недолговечно и составляет Ю-10 — 10″ 11 сек., после чего вследствие флуктуации тепловой энергии структура разрушается и возникает новая, отличная как количественным составом, так и местом. Таким образом, в каждый момент времени часть молекул воды участвует в образовании мерцающих скоплений, которые находятся в равновесии с окружающими их мономерными молекулами (Рис. 1.2) представляет структуру воды как постоянно меняющиеся во всем объеме отдельные квазикристаллические фрагменты (домены), имеющие сравнительно тонкие неупорядоченные переходные области между ними. Разбиение на домены носит флуктуационный характер[66] .

Ко второй группе можно отнести модель Самойлова [160], получившую наибольшее признание. На представлении Самойлова основывается двухструктурная модель, предполагающая существование в ней льдоподобных и плотноупакованных структур, различающихся числом водородных связей и расположением молекул.

При повышении температуры происходит разрушение льдоподобных структур и увеличение плотноупакованных структур.

На рисунке 1.3 представлены лишь некоторые гипотетические схемы моделей воды, что является доказательством многообразия взглядов на структуру воды. Имеется большое количество подробных обзоров об исследованиях структуры и свойств воды [18, 35,66,68,86,113,116,129,139,159,163,168 и др.]. Следует отметить, что вода представляет собой еще весьма плохо изученное вещество и это объясняется не только сложностью и неопределенностью ее структуры, но и тем, что не создано теорий, которые адекватно / н.

О-Х-а^ Н У о ч к н.

А" «а н К.

М и и, А У.

И и, а ЛО' сг / и н и г о— Н-0—Ч ?

—М-0-I н 2 3.

Рис. 1.3. Гипотетические схемы структуры льда и воды.

1. Молекулярные агрегаты в жидкой воде (по Блох, 1969).

2. Схема тетроэдрического окружения молекул воды (по Хорну, 1972).

3. Схема различного соединения тетраэдров молекул воды.

4. Кристаллическая решетка льда (по Самойлову, 1957).!-молекулы воды, 2,-пустаты описывали бы жидкое состояние любого вещества. Вода скрывает чрезвычайно сложную систему, о чем может свидетельствовать следующее высказывание известного американского геохимика Р. Хорна: «Невозможность определить структуру воды с помощью эффективных современных методов исследований, позволивших разобраться в структуре таких чрезвычайно сложных биомолекул, как ДНК и гемоглобин, должным образом предупреждает нас о том, что мы имеем дело с необычайно сложной системой» [190].

Выводы о влиянии различной омагниченной воды на свойства цементного теста (цементного камня) коротко можно сделать следующие.

Нормальная густота цементного теста отличалась для каждого вида цемента незначительно в сторону уменьшения, сроки схватывания также изменялись, но это свойство уже зависело от вида воды и характеристик магнитного поля. Из всех применяемых видов воды наиболее стабильными результатами были характеристики у цементного камня на дистиллированной и выдержанной в течение месяца в воде. Оптимальными для них были характеристики переменного магнитного поля напряженностью 46×103−70×103 А/м и скоростью протекания воды через поле 0.7 м/с. При этом прочность на сжатие цементных образцов (кубики 7x7x7 см) достигала соответственно для Спасского и Теплоозерского цемента в 3 дня- 67.0 и 61.1 МПа, в 7 дней- 81.2 и 78.3 МПа, в 28 дней- 98.3 и 100.6 МПа.

Для практического применения дистиллированная и многодневной отстойки вода не являются перспективными. Поэтому оценивались лучшие показатели по водопроводной и артезианской воде. Оптимальными явились следующие характеристики цементного камня на питьевой, водопроводной воде. Конец схватывания у Спасского и Теплоозерского цемента максимально уменьшились до 4.5 и 6.3 часов (сократились на 1.2 — 1.5 часа), прочность при сжатии образцов цементного камня в 28 дней составляла 93.9 и 94.9 МПа при напряженности магнитного поля 30×103 А/м и скорости протекания воды через поля 1.0 м/с. Предел прочности цементного камня на неомагниченной воде составлял соответственно 79.1 и 73.5 МПа. Повышение прочности было на 18.7 и 28.9%. Однако следует отметить, что при повторных многократных проверках оптимальных характеристик наблюдались отдельные случаи снижения прочности образцов, изготовленных на воде обработанной магнитным полем, против контрольных в разное время твердения, что не находит достаточно убедительного объяснения.

Существенной разницы в результатах испытания образцов из цементного теста, изготовленных на воде, омагниченной в постоянном и переменном магнитном поле не наблюдалось.

Изучение влияния омагничивания воды на свойства цементных растворов проводилось по стандартной методике испытания, т. е. на образцах-балочках размером 16x4x4 см состава 1:3 (цемент марки 500, песок месторождения бухты Восток), твердевших в водных условиях 3.7 и 28 дней. Другими вариантами твердения являлось пропаривание при температуре 85 °C по режиму 2+8+2 часа с испытанием образцов через 24 часа после пропаривания и в возрасте 28 суток воздушного твердения.

При стандартном (водном) твердении образцов отмечается положительное влияние омагничивания воды на нарастание прочности раствора как при сжатии, так и при изгибе. В возрасте 28 дней наибольший прирост прочности при сжатии наблюдался при скорости протекания воды 0.1л.

0.5 м/с через переменное магнитное поле напряженностью 30×10 А/м. Превышение прочности против контрольных растворных образцов на неомагниченной воде составляло 15−17%. Эти данные полностью соответствуют опытам на образцах, изготовленных из цемента и воды, а, следовательно, подтверждают достоверность эффекта влияния омагниченной воды. Паровая термообработка образцов не снизила относительную, указанную выше эффективность, и превышение прочности составило 11−14% [171].

Лабораторные опыты по выявлению влияния магнитной обработки воды на свойства тяжелого цементного бетона были продиктованы условиями изготовления железобетонных труб на заводе ЖБИ-1 г. Владивостока, где намечалось первое производственное внедрение данной работы. Для этой цели применялся бетон марки 500 на портландцементе Спасского завода марки 500, гранодиоритовом щебне Первореченского карьера и песке месторождения бухты Восток. Отформованные трубы со спиральной арматурой подвергались пропариванию в течение 4−8 часов в зависимости от диаметра труб при температуре 80−85°С. Заводской состав бетона предусматривал расход цемента 600 кг на 1 куб.м., пластифицирующие добавки отсутствовали. Такой излишне высокий расход цемента неизбежно при пропаривании вызывал появление в структуре бетона микродефектов, усадочных микротрещин, что снижало водонепроницаемость железобетонных труб.

Применение пластифицирующей добавки СДБ увеличило в условиях завода рабочую подвижность смеси и значительно снизило трудоемкость изготовления труб. Такой же эффект был получен при введении новой местной добавки ЗЩ (зеленый щелок), однако расход цемента оставался очень высоким, что не обеспечивало требований по водонепроницаемости труб. Именно тогда было решено на основании результатов лабораторных исследований применить в производственных условиях магнитную обработку воды для затворения бетонной смеси, в результате чего расход цемента снижен до 510 кг/м3 бетона, прочность его увеличилась до 61.0 МПа, и водонепроницаемость повысилась до 24 атм.

Лабораторные опыты и производственная проверка выявили оптимальные параметры омагничивания водопроводной воды г. Владивостока напряженность переменного магнитного поля 30×103 А/м и скорость протекания воды через магнит 1−0.5 м/с (в среднем в большинстве случаев — 0.7 м/с). В то же время эти опыты выявили нестабильность получаемых результатов по прочности бетона после омагничивания воды даже при введении в бетонную смесь добавок — пластификаторов. Иногда же наблюдалось даже снижение прочности, что видно из данных табл. 5.1. В результате опробования многих вариантов был принят способ омагничивания воды для затворения бетонной смеси с введением добавок — стабилизаторов эффекта (ЗЩ и СДБ) до момента ее магнитной обработки, в результате чего наблюдалось постоянное увеличение прочности, повышение плотности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона [62].

Технологическая схема приготовления бетонной смеси на воде обработанной магнитным полем с применением добавок стабилизаторов.

Вода из водопровода.

Рис. 5.11″ Технологическая схема приготовления бетонной смеси на омагниченной воде с добавкой-стабилизатором эффекта: 1 — Расходная емкость воды- 2- дозатор воды- 3 — расходная емкость добавки- 4- дозатор добавки- 5 — магнитный аппарат- 6 — бетоносмеситель. представлена на рис5.11.

Из приведенных данных таблицы 5.1 видно, что введение в воду до ее омагничивания добавок СДБ и ЗЩ приводит к повышению прочности бетона при естественном твердении на 17−29%, и имеется возможность получения бетона марки 500 с расходом цемента до 500 кг/м3 бетона. Пропаривание бетона снижает эффект повышения прочности бетона на омагниченной воде с добавками до 12−18%, что проверено неоднократно на различных заводах ЖБИ и имеет практически важное значение.

Это обстоятельство послужило основанием для проведения специальные лабораторные испытания для определения сравнительной водонепроницаемости и морозостойкости бетона. Установлено, что бетон на омагниченной воде имеет повышенную плотность, а его водонепроницаемость увеличивается в среднем на 2−4 атмосферы. Морозостойкость такого бетона повышается на одну марку.

В результате промышленного внедрения было установлено возможность не только улучшить свойства бетона для железобетонных труб (прочность, водонепроницаемость, структура и др.) но и возможность при этом экономии цемента как минимум 50 кг. на куб. м бетона.

Опыт внедрения магнитной обработки воды на заводах железобетонных изделий г. г. Находка, Воркута, Шахты, Владикавказа, Якутска, Дальнегорска показал, что при оптимальных параметрах магнитной обработки воды можно достичь экономию цемента от 10 до 15% для средних марок бетона. Экономия цемента происходит за счет значительного превышения проектной марки при применении магнитной обработки воды затворения с добавками-стабилизаторами эффекта.

Заключение

.

В диссертации изложены научно-обоснованные технические и технологические решения по повышению эффективности применения магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов. Совокупность проведенных исследований, обобщение статистического опыта и положительных результатов по интенсификации многих технологических процессов путем использования магнитной обработки воды позволили получить новые научные результаты и сформулировать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Показано, что основным препятствием эффективного применения магнитной обработки воды в различных технологических процессах с целью рационального использования природных ресурсов являются: нестабильность получаемых результатов, отсутствие надежного универсального метода контроля и неисследованность механизма воздействия магнитного поля на воду.

2.Выполненный анализ физико-химических, теоретических и промышленных исследований по магнитной обработке воды позволил заключить, что механизм воздействия слабых магнитных и электромагнитных полей на воду не объясним на основе современных представлений о воде и водных растворах. Представление природной воды как открытой нестационарной системы, содержащей различные соединения и включения, позволяет исключить многие противоречия. Значительную роль в этой системе отводится примесям, в том числе дисперсному и растворенному газу, и особенно углекислому газу, определяющему многие процессы в водных системах.

3.На основе экспериментальных исследований кинетики процесса растворения углекислого газа в воде установлена возможность образования и постоянного присутствия «свободного» газа в виде микропузырьков. Оценено влияние форм нахождения растворенного газа на процесс дегазации водных систем. Исследовано влияние солесодержания, поверхностно-активных веществ и магнитного поля на степень пересыщения газами водных систем и процесс деаэрации.

4.Разработана экспериментальная установка и методика определения коэффициента диффузии в водных системах посредством измерения объема растворенного газа. На основании принятой схемы диффузии получена расчетная формула для определения коэффициента диффузии методом, не требующим знания исходной концентрации растворенного газа.

Определены коэффициенты диффузии углекислого газа в водных системах (морская вода, пресная вода) в диапазоне 18−40°С, получена аналитическая зависимость коэффициента диффузии углекислого газа в морской воде от температуры.

5.Установлено, что при воздействии магнитного поля на водную систему происходит перераспределение концентрации свободного и молекулярно-растворенного газа, изменяется коэффициент диффузии растворенного газа, что может быть связано как с изменением гидратации, так и со структурными изменениями воды. Получены аналитические зависимости изменения растворимости, диффузии и дегазации от параметров магнитной обработки воды.

6.Разработан экспресс — метод контроля эффективности магнитной обработки водных систем, используемых в теплоэнергетике, производстве строительных материалов и при рассолении почв, основанный на вакуумной дегазации.

7.Разработаны рекомендации по определению и контролю оптимальных параметров магнитной обработки водных систем, позволяющих добиться рационального использования природных ресурсов путем совершенствования протекания технологических процессов.

8.Исследованы зависимости влияние магнитного поля на прочность цемента и бетонных растворов, выявлен эффект стабилизации воздействия магнитного поля путем введения поверхностно-активных веществ в воду, используемую для приготовления бетона и бетонной смеси.

9.Разработаны рекомендации применения магнитной обработки воды в теплоэнергетике — для снижения процессов накипеообразования, в строительстве — для повышения прочности и долговечности бетонов, в сельском хозяйстве — для повышения эффективности рассоления почв.

10. На основании проведенных исследований показано, что повышение эффективности применения магнитной обработки воды является неформализованной задачей, для генерирования и обоснования рационального смыслового решения которой могут быть использованы экспертные системы при условии создания модели представления знаний в виде фреймов и семантических графов.

11 .Предложенные рекомендации были успешно использованы при повышении эффективности применения магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов на ряде предприятий страны (Воркута, Шахты, Якутск, Владивосток, Орджоникидзе и др.) с большим экономическим эффектом: в строительстве — снижение расхода цемента в среднем на 10−12% без снижения прочности и качества изделийв теплоэнергетике — снижение расхода топлива на 5−10% за счет прекращения процесса накипеообразованияв сельском хозяйстве — повышение эффективности рассоления почв за счет снижения расхода промывочной воды на 10−15% .