Способы активации воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способы активации воды

Вода является одновременно и средой, и участником всех жизненно важных процессов. Исследования её состояния при изменении окружающих условий, его влияния на направленность интенсивность обменных процессов играет важную роль в понимании механизмов регуляции жизнедеятельности организмов. Энергия активного воздействия - та часть энергии направленного взаимодействия, которая накапливается в веществе в форме потенциальной энергии, постепенно рассеиваясь в тепло.

В общем случае процессы активации существуют только потому, что процессы релаксации кинетической и потенциальной энергии веществ значительно отличаются друг от друга по времени, причём первый протекает гораздо быстрее. Исследования В.М. Бахира с соавторами (1983) показали, что максимально возможные величины энергии активирующего воздействия достигаются при электрохимической активации.

По мнению А.М. Клосса, тепловое, ультрафиолетовое, электростатическое, механическое и другие виды активации приводят к разобщению пары гидратированный электрон (e_aq)n - свободный радикал ОН*, затрудняя их рекомбинацию. Следствием обрыва цепей свободнорадикальных образований является появление в воде пероксида водорода и кислорода. Устанавливается стационарная концентрация Н2О2, определяемая интенсивностью воздействия и соответствующая количеству свободных радикалов.

Попытка прямого определения содержания свободных радикалов в активированной воде методом ЭПР-спектроскопии не дала оперделённого результата, хотя их наличие косвенно доказывается полимеризации акрилнитрила.

Кисловский объясняет аномальные свойства активированной воды образованием гексааквакомплексов кальция или дигидрата кислорода. В такой воде при мягких воздействиях сохраняются тетраэдрические жёсткие водородные связи за счёт дополнительной стабилизации структуры, благодаря организации части молекул в пограничных слоях в клатраты. При жёстком воздействии происходит активное взаимодействие димеров воды с молекулярном кислородом, которое приводит к деструктированию воды в условии избытка тетраэдрических молекул. Установлено интенсивная акустическая эмиссия (от 0,1 кГц до 1 МГц) возникающая при образовании или исчезновении нового фазового состояния в системе (выделение газов, выпадение осадков и т.д.

Известно так же, что акустические волны в жидкости могут образовываться в результате модуляции интенсивности ионного потока и структурные реорганизации системы. Они вызывают временные изменения плотности среды. Появление анольмальных свойств активированной воды так же может сопровождаться генерированием сверхнизкочастотных колебаний в присутствии кислорода или электромагнитного излучения.

Условиями для проявления аномальных свойств активированной воды являются: наличие примесей как органической, так и не органической природы, пульсации давления, звуки химических реакций.

В биологии, медецине и ветеринарии, в разнообразных технологических процессах наиболее часто используют следующие виды воздействия на водную систему: магнитное, термическая и электрохимическая. Рассмотрим их особенности.

Омагничивание воды

Общее представление о механизме и количественное описание процессов взаимодействия магнитного поля (МП) с водно-газо-солевыми системами отсутствует. Обширный фактический материал и его теоретический анализ представлен в монографиях В.И. Классена (1982) и Г.М. Мокроусова, Н.П. Горленко (1988). Они, в частности, систематизировали литературные данные о влиянии МП на воду и растворённые в ней ионы при перемещении воды в постоянном МП или изменяющимся МП при неподвижной воде, а также в скрещённом МП и электрическом поле. На основании данных спектрального анализа (ИК-спектров), измерения коэффициента преломления, температуры замерзания и времени кристаллизации, авторы делают выводы о процессах упорядочивания структуры воды.

Согласно представлениям, развиваемым В.И.Миненко (1970), МП вызывает ассиметрию гидратных оболочек ионов, «в результате чего возникает новая структура ближней упорядоченности». Этим объясняется уменьшение смачиваемости, изменения электропроводности и увеличение растворяемости кислорода (Саркисов, 1994; Яшкичев, 1980).

Дегазация воды термообработкой

Термически активированную воду обычно получают путем нагрева до девяноста девяти градусов Цельсия и последующего быстрого охлаждения в герметичных условиях (рис. 1).

Другой способ, разработанный Зелепухиным (1993), связан со смешиванием равных пропорциях льда и кипятка (так называемый "холодный кипяток").

В связи с этим вода характеризуется пониженным содержанием растворённых газов (О2, СО2), сдвигом рН в щелочную область, увеличением редокс-потенциала (Зелепухин В.Д, Зелепухин И.Д., 1993). Изучение структурных изменений воды методом ПМР, по данным определения сдвиговой упругости и растворяющей способности выявило заметное увеличение сил межмолекулярных взаимодействий в водной системе (Зелепухин В.Д., Зелепухин И.Д., 1994).

Рис. 1 Получение термически дегазированной воды

Электрохимическая активация воды

вода магнитный дегазированная термический

Под ЭХАВ понимают процесс перевода водно-солевых систем в метастабильное состояние, вызванное структурно-энергетическими и электро-химическими изменениями в электрическом поле. В водной системе происходят различного рода физико-химические превращения, в результате которых растворы в течение периода релаксации проявляют аномальные свойства. ЭХАВ осуществляют, как правило, в разбавленных растворах при высоком значении внешней ЭДС.

Показано, что, если каталит и анолит заморозить, то они длительное время могут сохранять биологическую активность, которая может быть связана с низким значениями ОВП (Popova, Lobyshev, 2000).

Установлено увеличение интенсивности полос поглащения ИКСС продуктов ЭХА 0,5% раствора CaCl2, соответствующее возникновению дополнительных Н-связей (Семёнова, Саркисов, 1993). Наименьшее количество осадков выпадает из растворов на основе аналита. На наш взгляд, эти факты могут быть объяснены тем, что аналит обладает повышенной плотностью заряда и высоким содержанием кислорода и его соединений. Эти факторы ограничивают подвижность протонов, усиливают структурированность воды и повышают растворимость солей (Кемпбелл, 1994). Нами (Пасько, Семёнов, 1994) впервые описаны колебательные процессы в системе платиновый электрод - электрохимически активная вода - воздух.

Интенсивность процесса электрохимической активации зависит от концентрации солей в растворе, температуры, плотности тока на электродах и др. (Джурбаев, 1986; Дорофеев, 1997).

Электрохимическая активация является преимущественно процессом электролиза водных растворов хлорида натрия. Как установлено, (Бахир и др., 1983, 1988; Кирпичников и др., 1986; Петрушенко, Лобышев, 2001), она позволяет достичь максимально возможных величин активирующего действия. При этом протекают два параллельных окислительно-восстановительных полупроцесса: приём электронов ионами (восстановление) на катоде и отдача электронов ионами (окисление) на аноде (Гринберг, Скундин, 1985; Шретер и др., 1989).

Энергетическая реорганизация молекулярных и надмолекулярных структур растворителя проводит к накоплению высокоокисленных (в анолите) и высоковосстановленных (в католите) химических соединений. В результате водно-солевая система приобретает аномальные свойства, которые сохраняются в течение всего периода релаксации (Пономарёв, Фисенко, 2000).

В анодную фракцию может переходить до 14% хлора и создаётся его избыток. В катодную фракцию, соответственно, переходит до 14% натрия. Часть молекул воды, при электролизе, распадается на ионы Н+ и ОН-. В результате в анолите образуются молекулы перекиси водорода, некоторое количество гипохлорита натрия и соляной кислоты. В католите появляются преимущественно щелочные образования - гипохлорит натрия, хлорноватистокислый натрий, гидрат окиси натрия. На наш общий эффект электрохимической активации воды можно представить себе следующим образом (таблица 1).

Таблица 1

Характеристика ЭХАВ (Пасько, 2010)

Задачей наших исследований явилось сравнительное изучение физико-химических изменений, происходящих в воде под действием в различных способах активации, синхронно, контролируемых условиях и при использовании общих исходных проб.

В качестве наиболее информативных параметров были использованы: водородный показатель (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Eh), удельная электропроводность (p); концентрация газов, (кислород и диоксид углерода); ионов (хлориды, сульфаты, карбонаты и гидрокарбонаты; ионы натрия, калия, кальция и магния). Дополнительно изучали содержание ионов железа, аммония, нитратов, нитритов и свободного сероводорода (Унифицированные методы…, 1993). Исследовали органолептические свойства различных модификаций активированной воды.рН и Eh измеряли на приборе рН-673 (рН-метр-милливольтметр) между точечным платиновым ЭПВ-1 и хлорсеребрянным ЭВЛ-1МЗ электродами, погруженными в исследуемую жидкость. Плотность устанавливали методом инометрии с применением ионоселективных электродов.

Содержание растворённого кислорода определяли с помощью кислородомера КЛ-N5, содержание диоксида углерода, ионов СО3І, НСО3, Cl, MgІ, а так же общую жёсткость воды - методами объёмного анализа. Концентрацию Cl2, SO4І устанавливали турбидиметрическими, H2S, NO3, NO2, FeІ, Feі-колориметрическими методами (Пилипенко, Пятницкий, 1990).

Электролиз воды осуществляли в диафрагменном электролизёре объёмом 1,5л (рис. 2).

Рис. 2 Устройство электролизера: А. Внешний вид: 1 - корпус из оргстекла; 2 - электроды-пластины из химически чистого графита; 3 - керамическая диафрагма; 4 - сливные штуцеры; Б - устройство: 1 -корпус из оргстекла; 2 - анод; 3 - катод; 4 - керамическая пористая диафрагма; 5 и 6 - индуктивные катушки, соединенные согласно-последовательно (магнитные потоки обеих катушек складываются); 7 и 8 - вводы переменного напряжения; 9 - однофазный выпрямитель, оканчивающийся входными клеммами 10 и 11 переменного напряжения, первая из которых соединена с вводом 8, а вторая - со свободным концом индуктивной катушки 6 и двумя выходными клеммами 12 и 13 пульсирующего однополярного напряжения, соединенными соответственно с катодом 3 и анодом 2; предохранитель 14, включенный между вводом 7 и свободным концом индуктивной катушки 5; выключатель 15, осуществляющий подключение устройства к источнику переменного напряжения, и два вентиля 16 и 17, через которые производят слив католита и анолита (Пасько, 1991)

Применяли плоский графитовый анод и титановый катод и нейтральную (брезентовую) диафрагму. При проведении электролиза на электроды подавали постоянное напряжение 200В. Для получения смеси католита и анолита, имеющий важное практическое значение, свежеприготовленные растворы смешивали в соотношение 1:1.

Все измерения проводили в четырёх сериях по восемь повторностей в каждой. Результаты обрабатывали методами дисперсионного и корреляционного анализов.

Омагничивание воды производили путём воздействия на струю водопроводной воды, имеющую диаметр 1 см и скорость 3-4 м/с, постоянным МП с индукцией 0,2 Тл.

Термическую дегазацию водопроводной воды осуществляли путём её нагревания до 100°С в открытом сосуде с последующем быстрым охлаждением без доступа воздуха до 20°С. Время охлаждения соответствовало времени нагревания воды до соответствующей температуры.

Сравнительный анализ физико-химических параметров различных модификаций активированной воды показал, что наиболее глубокие изменения происходят в процессе ЭХА воды. Величина рН растворов изменялась в пределах от 3,1 до 10,4, величина Eh - от +420 до -860 мВ.

Обобщённый вывод кривой представлен на рис. 3. На самом деле колебательные процессы в системе платиновый электрод - электрохимически активированная вода - воздух во времени носит более сложный характер и представляет суперпозицию волн различной частоты и амплитуду (Пасько, Семёнов, 1994). Несмотря на гигантскую ошибку эксперимента, наши предшественники прошли мимо этого явления.

В соответствии со значениями рН изменяются форма и количество углекислоты: в католите практически полностью исчезает свободный диоксид углерода, а содержание гидрокарбонатных ионов возрастает от нуля до максимума.

В анолите содержание СО2 почти вдвое превышает исходное.концентрация ионов НСО3 становится минимальной. Изменение концентрации свободной углекислоты при термической дегазации и катодной электрообработке приводит к смещению равновесия между СО2 и СО3, к образованию свободной углекислоты, так же - малорастворимых карбонатов кальция и магния.

Наиболее интенсивно эти реакции протекают в процессе ЭХАВ, что выражается в существенном снижении её электропроводности и жёсткости (таблица 2).

После термической и магнитной обработки воды её рН смещается в щелочную область, ОВП и электропроводность снижаются. Снижается также содержание О2 и СО2

Рис. 3 Изменение редокс-потенциала водопроводной воды в процессе обработке воды физическими факторами (А) и после окончания их действия (Б)

Дисперсионный анализ данных изменения физико-химических параметров исследуемых модификаций активированной воды позволил установить наличие достоверных различий между изученными вариантами за исключением следующих пар: «Омагниченная вода - ЭХАВ» по содержанию О2, «Омагниченная вода - дегазированная вода» по содержанию СО2, «Водопроводная вода - дегазированная вода» - по удельной электропроводности, «Омагниченная вода - водопроводная вода» и «Омагниченная вода - дегазированная вода» - по Eh. Достоверные различия по рН в большинстве вариантов отсутствовали.

Таблица 2

Физико-химические показатели активированной воды

Примечание:* температура исследуемой жидкости в конце активации

Статистическая обработка данных методом дисперсионного анализа показала, что максимальное влияние на формирование различий между исследуемыми модификациями активированной воды оказывало содержание кислорода (58 %), более слабым являлось влияние содержания С0₂ (28 %), еще менее выражено было влияние Eh и рН (15 % и 11 % соответственно).

Корреляционный анализ показал наличие высокой положительной связи между содержанием растворенных газов 0₂ и С0₂ (0,946) и между рН и Eh (0,980), между содержанием 0₂ и рН (0,680), а также наличие высокой отрицательной связи между концентраций С0₂ и рН воды (-0,888). Химический анализ содержания ионов позволил определить направленность и дать количественную оценку изменениям, происходящим под влиянием различных способов активации воды (таблица 3).

По итогам этого этапа исследований можно сделать следующие выводы. Омагничивание воды способствует снижению концентрации ионов HC0₃, Са²⁺, NQ₃, а ЭХА (католит) - снижению Сl, S0₄^2, Са²⁺, N0_3, Mg²⁺, полному удалению НС0₃ и появлению в растворе С0₂. ЭХА (анолит) также способствует снижению содержания ионов НС0_3, Са²⁺, Mg²⁺ при существенном повышении концентрации ионов S0₄² и Сl. В дегазированной воде химические изменения выражены более слабо: достоверно зафиксировано лишь уменьшение концентрации ионов Mg²⁺ и суммы ионов Na⁺ и К⁺.

Таблица 3

Химический состав активированных жидкостей (Пасько, 2010)

Примечание: в исследуемых пробах воды не обнаружены ионы железа, аммония, нитратов, молекулярный сероводород.

Изменения в химическом составе проб воды влекут за собой изменение их органолептических свойств, особенно в модификациях ЭХАВ, позволяющих идентифицировать их даже на основании внешнего вида и вкуса (рис. 5, таблица 4).

Таблица 4

Органолептические свойства активированной воды

В процессе активации водно-газо-солевой среды происходят дегазация и диссоциация или разложение воды с образованием ионов, солей, свободных радикалов, водорода, кислорода, и перекисных соединений. Следствием активации являются изменения измеряемых показателей. Естественно, что наибольшие изменения в составе воды происходят при ее разложении в процессе ЭХА.

Изменение величины Eh активированной воды свидетельствует об изменении ее термодинамических свойств. Проведенные нами оценочные расчеты свидетельствуют о том, что максимальной энергией активированной системы обладает католит, минимальной - анолит (рис. 6). Эти изменения достоверны и существенны.

Рис. 6 Энергия активированных различными способами систем, % к исходной воде

Изменение газового состава происходит при всех способах активации воды. Для омагниченной, изотермически дегазированной воды, а также католита характерна дегазация. В анолите О2 и СО2 накапливаются. Известно, что при рН менее четырех, ионы НС0₃² должны отсутствовать, а именно такие значения рН характерны для этой модификации.

При рН, равному 6-10, ионы НС0₃ становятся основной формой углекислых соединений, что наблюдается у омагниченной, дегазированной воды, смеси католита* и анолита. При рН больше восьми, в растворе появляются ионы С0₃², концентрация которых при повышении рН возрастает. В католите, при рН больше 10,5, они становятся главной формой производных угольной кислоты. Белый хлопьевидный осадок, выпадающий в католите, вызван образованием нерастворимых карбонатов кальция и магния.

При ЭХАВ в анодной камере происходят реакции:

2Н₂О --> О₂ + 4Н⁺ + 4е,

2СL --> С1₂ + 2е,

CI₂ + Н₂0 --> НС1 + НОС1,

2ОН - 2е -->0₂ + 2Н⁺.

Раствор приобретает кислую реакцию и обогащается свободным кислородом.

В катодной камере происходят следующие реакции:

2Н₂0 + 2е --> Н₂ + 20Н",

20Н" + С0₂ --> С0₃² + Н₂0,

ОН" + С0₂ --> НС0₃²",

0₂ + 2Н₂0 + 2е-->20Н + Н₂0₂.

Католит насыщается водородом, содержание кислорода в нем снижается, рН сдвигается в щелочную сторону.

В соответствии с изменением содержания растворенных солей Mg²⁺ и Са²⁺, изменяется и жесткость активированной различными способами воды. Термическим или химическим путем осуществляется перевод ионов кальция и магния в труднорастворимые соединения, выпадающие в осадок (умягчение воды). О снижении общей минерализации свидетельствует также уменьшение удельной электропроводности растворов по направленности совпадающие с уменьшением жесткости.

Таким образом, в результате проведенных исследований были выявлены общие закономерности изменения физико-химического состояния воды при воздействии на неё магнитным полем, напряжением, нагревом и охлаждением, а также проведен сравнительный анализ параметров активированной воды: водно-газо-солевой состав, рН, Eh и ор- ганолептических показателей.

Фликкер-шум активированных жидкостей

Исследовали изменение во времени ОВП католита, полученного в катодной камере диафрагменного электролизера с равными объемами катодной и анодной камер (0,75 л) (Пасько, Семенов, 1994). Диэлектрический корпус электролизера имел прямоугольную форму. Катод был выполнен из листового титана и имел прямоугольную форму, анод - из графита в форме прямоугольной пластины, диафрагма - из брезента.

Католит в первом случае получали из бидистиллированной воды, во втором случае - из водопроводной воды. Перед экспериментом поверхности электродов механически очищали и вместе с диафрагмой помещали в раствор соляной кислоты. Затем тщательно промывали водопроводной водой.

За сутки до электрохимической обработки бидистиллята в электролизер наливали деионизованную воду, которую перед началом эксперимента выливали из электролизера. Водопроводную воду перед началом опыта отстаивали в открытом сосуде в течение суток. На электроды подавали постоянное напряжение 600 В при электролизе бидистиллята и 200 В при электролизе водопроводной воды. Время электролиза бидистиллята и водопроводной воды составляло соответственно 30 и 10 мин.

Измерение ОВП во времени проводили с помощью каскадно соединенных рН-673 и КСП-4. К выходным гнездам рН-673 подключали хлорсеребряный электрод ЭВЛ-1МЗ (опорный электрод), платиновый электрод ЭВП-1 (для измерения Eh) и стеклянный электрод ЭСЛ-63-07 (для измерения рН). Жидкость наливали в стеклянные цилиндрические стаканы объёмом 200 мл. В нее погружали указанные измерительные электроды. Запись ОВП осуществляли на бумажную ленту самописца.

В результате проведения эксперимента установлено, что значение ОВП католита содержит сверхмедленную, изменяющуюся во времени, составляющую. Она имеет S-образную форму и состоит из трех фаз: первой и третьей - относительно медленного роста ОВП во времени и второй - относительно быстрого изменения.

На медленный рост Eh накладываются относительно быстрые сверх низкочастотные электрические и акустические фликкер-шумовые (СНЧ ФШ) колебания, верхние частоты которых не превышают 1 Гц. Подобные СНЧ ФШ колебания генерируют, в частности, биологически активные точки и биологические мембраны.

В анолите при такой схеме измерения наблюдается только плавное изменение ОВП во времени (спектры плавных изменений каких- либо процессов во времени также имеют шумовой характер).

На рис. 7 показаны формы колебаний разности потенциалов Eh между электродами ЭПВ-1 и ЭВЛ-1МЗ, погруженными в католит из би- дистиллята (А) и водопроводной воды (б). Из этих рисунков видно, что католит, полученный из бидистиллята, релаксирует значительно быстрее (на рисунках показаны фрагменты колебаний в первый час после приготовления католита из бидистиллята и в четвертый час после приготовления католита из водопроводной воды).

Eh, мВ Eh, мб

Рис. 7 Формы колебаний Eh между электродами ЭПВ-1 и ЭВЛ-1МЗ, погруженными в католит из бидистиллята (а) и водопроводной воды (б)

На рис. 8 приведены две зависимости Eh от времени релаксации католита, полученного из водопроводной воды в названном электролизере, но при электролизе воды, длившимся 20 мин: кривая 1 - при открытом доступе воздуха в стакан к католиту, кривая 2 - при изолированном католите от воздуха. Доступ воздуха перекрывали полиэтиленовой плёнкой, имевшей форму круга с двумя отверстиями под измерительные электроды (пленка прилегала как к внутренней поверхности стеклянного стакана, так и к внешней поверхности измерительных электродов). Поверх полиэтиленовой пленки наливали слой растительного масла.

Рис. 8 Зависимость Eh от времени релаксации католита, полученного из водопроводной воды, при электролизе длившего 20 мин: при свободном доступе воздуха к католиту (1) и без доступа воздуха к католиту (2)

Из рис. 8 следует, что при «длительном» времени электролиза водопроводной воды образуется более устойчивая структура жидкости, чем при «нормальном» времени электролиза. Изоляция католита от воздуха (кислорода воздуха) существенно замедляет релаксацию католита, в том числе и в первую фазу релаксации.

Барботирование католита кислородом (0₂) в считанные минуты приводит значение ОВП католита к значению ОВП исходной воды.

На рис. 2.9 показана форма колебаний Eh смеси католита и ано- лита при значении рН, равном значению рН исходной воды (7,2). Амплитуда колебаний Eh во время четвертого часа релаксации достигла 20 мВ. Смесь католита релаксирует медленнее, чем католит.

Если быстро заморозить католит и анолит (за время, не превышающее длительность медленной стадии релаксации), то свойства като- лита и анолита сохранятся. В частности, при размораживании католита в жидкости будут происходить СНЧ ФШ колебания несколько меньшей амплитуды, чем в исходном католите (при некотором смещении значения ОВП в положительном направлении).

В зависимости ОВП католйта и смеси католита с анолитом от времени есть составляющие ФШ, образуемые на границах с платиной. При этом Pt, по-видимому, ведет себя как катализатор. Амплитуды ФШ колебаний в католите достигают 100 мВ и более, в смеси католита и анолита - 20 мВ.

Если снимать ФШ-колебания в католите с помощью двух мало- шумящих хлорсеребряных электродов ЭВЛ-1МЗ, то амплитуды ФШ- колебаний становятся всего сотни мкВ. Поэтому, на наш взгляд, платиновый электрод не подходит для снятия значений Eh электрохимически активированных жидкостей.

На рис. 10 приведена зависимость разности потенциалов между двумя хлорсеребряными электродами ЭВЛ-1МЗ, находящимися в католите из водопроводной воды, от времени (первый час релаксации жидкости).

Рис. 10 Зависимость разности потенциалов между двумя хлорсеребряными электродами, находящимися в католите из водопроводной воды, от времени (первый час релаксации)

Схема снятия ФШ-колебаний с помощью двух хлорсеребряных электродов, отличалась от схемы снятия ФШ колебаний с помощью одного хлорсеребряного и одного платинового электрода тем, что дополнительно между рН-673 и КСП-4 включали усилитель микровольтмик- роамперметр Ф116/2. Антиоксиданты, получаемые из католита, генери- ровали ФШ-колебания, амплитуда которых достигала порядка 100 мкВ.

Большое внимание вопросам активации воды уделяется в журнале "Вода: химия и экология".

Размещено на Allbest.ru