Вода является основным технологическим производственным сырьевым компонентом и необходимым веществом для поддержания жизни растений, животных и человека на Земле. Благодаря своему особому строению за счет сети водородных связей она обладает рядом особых известных физико-химических свойств [1]. Однако требования к воде, используемой в различных отраслях промышленности и в конкретных производствах, существенно различаются. Поэтому на большинстве промышленных объектов в настоящее время ведутся интенсивные исследования по изучению свойств воды, обработанных различными внешними физическими факторами (электрический ток, вакуумирование, электромагнитное поле и др.) [2].
Проведены исследования по изучению влияния механических воздействий на дистиллированную воду, в которых в качестве основного параметра выбран показатель рН, т.к. по этому показателю можно оценить объемную плотность положительного заряда. Для этого партию дистиллированной воды интенсивно перемешивали на магнитной мешалке при угловой скорости 1400 об/мин в течение разного времени, чтобы получить активированную воду. Активированная вода – такая вода, у которой структурная сетка водородных связей разрыхляется, молекулы воды обретают дополнительные степени свободы. При этом кроме изменения рН установлено изменение электропроводности и окислительно-восстановительного потенциала [3].
Особое внимание уделяется воздействию на воду и водные системы микроволн (МВ) в нетепловом режиме, т.е. без ее нагрева [4]. Для создания инновационных промышленных технологий необходимы работы по поиску доступных приемов управления физико-химическими и химическими свойствами воды.
Целью представленной работы являлась оценка величины изменения поверхностного натяжения растворов неионогенных ПАВ, приготовленных на воде, предварительно обработанной микроволнами с частотой 2,45 ГГц в бытовой микроволновой печи «Samsung». Такая частота является резонансной частотой для молекул воды, которые интенсивно поглощают энергию микроволн.
Вода при воздействии микроволн меняет свои свойства – наблюдается ее структурирование (активирование). При этом происходит образование дополнительных количеств перекиси водорода из растворенного кислорода и молекул активированной воды. Удельное количество энергии, передаваемое воде с помощью бытовой микроволновой печи, рассчитывалось исходя из ее максимальной мощности (700 Вт/ч) и составляло 0,39 Вт/50 мл воды. Связь O–O в молекуле перекиси водорода непрочная, поэтому соединение H2O2 неустойчиво и легко разлагается и диссоциирует с выделением активных анионов (О2)2–, которые далее могут легко окислять различные органические компоненты [4].
В качестве ПАВ взята смесь неионогенных ПАВ, состоящая из простых эфиров на основе пропиленгликоля (дипропиленгликоль – 60 %, трипропиленгликоль – 20 %, полипропиленгликоли – остальное), которая является кубовыми остатками ректификации производства пропиленгликоля.
Для испытаний использованы растворы двух видов:
1 – растворы ПАВ на дистиллированной воде без обработки МВ;
2 – растворы используемых ПАВ, приготовленные на воде, предварительно обработанной МВ.
Содержание поверхностно-активных веществ в серии исследуемых растворов изменялось в пределах 0,1–0,7 %, чтобы проследить наиболее точный диапазон изменения поверхностного натяжения водных растворов без обработки МВ и с обработкой МВ в динамике. Поверхностное натяжение исследуемых водных растворов определялось по известной методике с помощью стеклянного капиллярного вискозиметра типа Убеллоде с диаметром капилляра 0,68 мм. Капиллярные вискозиметры (типа Уббелоде) позволяют определять кинематическую вязкость жидкости в диапазоне от 0,6 до 104 мм2/с при температуре не выше 100 °С. Измерение вязкости сводится к определению времени истечения через капилляр заданного диаметра определенного количества жидкости из измерительного резервуара [3].
Результаты экспериментов в виде изотермы поверхностного натяжения представлены графически на рисунке и в таблице.
Из рисунка следует, что изотермы поверхностного натяжения двух типов рассматриваемых растворов имеют разный геометрический вид: поверхностное натяжение растворов ПАВ на воде, обработанной микроволнами, заметно ниже, чем у подобных растворов на обычной воде без их предварительной обработки микроволновой энергией. Это можно объяснить изменением основной структуры воды в нетепловом режиме за счет образования сетки водородных связей с повышенной энергией водородных связей, за счет внешнего воздействия микроволн [5–6]. Образовавшаяся сеточная структура воды выталкивает молекулы ПАВ на поверхность жидкости, тем самым увеличивая избыточную адсорбцию на границе раздела фаз. Вещество, поверхностно-активное на одной границе раздела фаз, может быть неактивным на другой, и наоборот, что в свою очередь может использоваться для очистки сточных вод промышленных предприятий.
Результаты эксперимента по определению поверхностного натяжения раствора
|
Номер раствора |
Концентрация ПАВ, % |
Поверхностное натяжение раствора (σ∙10–3, Н/м) |
|
|
Без обработки МВ |
С обработкой МВ |
||
|
0 |
0 |
72 |
68 |
|
1 |
0,1 |
66 |
62 |
|
2 |
0,2 |
60 |
56 |
|
3 |
0,3 |
55 |
54 |
|
4 |
0,4 |
52 |
51,5 |
|
5 |
0,5 |
51,5 |
50,7 |
|
6 |
0,6 |
51 |
50,5 |
|
7 |
0,7 |
50,5 |
50,2 |
Изотерма поверхностного натяжения водных растворов: а – без МВ; б – с МВ
Имеются публикации по изучению и объяснению изменений физико-химических свойств водных растворов в присутствии органических и неорганических веществ [3].
При проведении процесса адсорбции ПАВ из их растворов на биологически активированном угле (БАУ) установлено, что степень адсорбции на нем была на 30–40 % выше из растворов, обработанных МВ по сравнению с растворами без микроволновой обработки.
Такие особенности изменения свойств растворов ПАВ могут быть в перспективе использованы для интенсификации целевых промышленных технологических процессов, очистки промышленных стоков, а также, например, для увеличения конечной прочности (марки) затвердевшего материала, его плотности, морозостойкости, водонепроницаемости. Исследования в данном направлении будут продолжены.
Выводы
1. Изучены поверхностно-активные свойства растворов неионогенных ПАВ в воде, обработанных микроволнами.
2. Получена структурированная (активированная) вода с измененными свойствами.
3. Установлено снижение поверхностного натяжения у растворов, обработанных микроволнами.
4. С помощью адсорбционных испытаний доказано повышение поверхностной активности ПАВ из растворов с предварительной микроволновой обработкой.
5. Исследована возможность применения полученных растворов для получения типа брикетов, предназначенных для биологической рекультивации нарушенных земель, за счет снижения поверхностного натяжения растворов, добавляемых к связующим.
Рецензенты:
Кучер Н.А., д.т.н., профессор кафедры «Математика», ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет», г. Кемерово;
Ульрих Е.В., д.т.н., профессор кафедры «Обогащение полезных ископаемых», ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», г. Кемерово.