Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

РОЛЬ ПРОДУКТОВ АНОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ХОДЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ

Фомичев В.Т. 1 Ерофеев В.Т. 3 Емельянов Д.В. 3 Матвиевский А.А. 2 Митина Е.А. 3
1 ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
2 ОАО «МАКСМИР»
3 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
Показано, что одним из способов улучшения физико-технических свойств цементных композиционных материалов является активация воды затворения. В статье раскрыта проблема применения электрохимической и электромагнитной активации природной воды в технологии получения бетонных смесей и бетонов на ее основе. Показано, что основные процессы твердения вяжущего, приготовленного на электрообработанной воде, связаны с электродными (во время обработки воды) и электрокинетическими (во время твердения смеси) процессами. Приведено теоретическое обоснование и практическое подтверждение получения растворов с заданными физико-химическими свойствами. В ходе анодного растворения железного электрода генерируются ионы железа (II), которые активируют в результате процессов гидролиза и окисления образование устойчивых окисногидроокисных соединений железа, обладающих ферромагнитными свойствами. Действием внешнего магнитного поля они способны образовывать дисперсные системы с высокой удельной поверхностью. Избыток поверхностной энергии способствует формированию мицеллярных структур и, в случае процесса затворения, образованию центров кристаллизации, обеспечивающих характеристики механических свойств получаемого камня. Изложены рекомендации получения эффективных растворов в технологии получения бетонов. При этом необходимым условием обеспечения эффективности процесса электрообработки воды является точное соблюдение оптимальных параметров: напряженности электрического поля, плотности тока и продолжительности обработки воды. Оптимальные параметры режима электрообработки и достигаемая эффективность обработки воды затворения электрическим полем растворимых электродов зависят от свойств используемых материалов, физико-химических характеристик исходной воды, температуры среды и времени выдерживания обработанной воды затворения до введения ее в бетонную смесь.
природная вода
электрохимическая активация
электромагнитная активация
бетоны и другие цементные композиты
центры кристаллизации
1. Ахназарова Л.С. Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. – М.: Высш. шк., 1985. – 327 с.
2. Бахар В.М. Электрохимическая активация. – М.: ВНИИИМТ, 1992. – 627 с.
3. Ерофеев В.Т. Влияние активированной воды затворения на структурообразование цементных паст / В.Т. Ерофеев, В.Т. Фомичев, Д.В.Емельянов [и др.] // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительствово и архитектура. – 2013. – Вып. 30(49). – С. 179–183.
4. Ерофеев В.Т. Долговечность цементных композитов на активированной воде затворения / В.Т. Ерофеев, А.А. Матвиевский, Д.В. Емельянов [и др.] // Промышленное и гражданское строительство. – 2008. – № 7. – С. 51–53.
5. Ерофеев В.Т. Композиционные строительные материалы на активированной воде затворения / В.Т. Ерофеев, Е.А. Митина, А.А. Матвиевский // Строительные материалы. – М., 2007. – № 11. – С. 56–57.
6. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1982. – 296 с.
7. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. – М.: Химия, 1986. – 216 с.
8. Непримеров Н.Н. К вопросу о механизме действия магнитных полей на водную систему / Н.Н. Непримеров, У. Ш. Ахмеров, А. Л. Бильдюкевич // Тез. докл. и сообщ. Всесоюз. науч. семинара по проблеме «Магнитная обработка воды в процессах обогащения полезных ископаемых». – М., 1966. – С. 9.
9. Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. – М.: Химия, 1969. – 579 с.
10. Улазовский В.А., Ананьина С.А. Влияние омагниченной воды затворения на процессы кристаллизационного твердения цементного камня. – Волгоград: Волгоградский институт инженеров городского хозяйства, 1970. – 114 с.
11. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия. 1984 – 368 с.
12. Хаютин Ю.Г., Совалов И.Г. Методы активации цементов и влияние активации на свойства бетонов. – М.: Стройиздат., 1963. – 173 с.

В современных условиях, несмотря на разработку новых строительных материалов и изделий на полимерных и других связующих, одним из самых динамичных рынков строительных материалов является рынок потребления бетонов на основе цементного вяжущего. Совершенствование технологий в строительстве, обеспечение долговечности и надежности работы конструкций и сооружений предъявляет все более высокие требования к качеству применяемых при их возведении бетонов. В этой связи разработка эффективных композитов на цементных связующих, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей и снижение материалоемкости является важной задачей в области строительного материаловедения.

Существует широкий спектр технологических приемов, позволяющих целенаправленно регулировать структуру, а следовательно, и свойства цементных композитов, одним из которых является использование воды, применяемой для затворения, подвергнутой последовательной обработке электромагнитным и электрическим полями [2, 6]. Управляемое регулирование физико-химических свойств воды во многом определяет процессы формирования структуры цементного камня и открывает большие перспективы создания новых энергоэффективных строительных материалов на основе цементного вяжущего [10].

Основные процессы твердения вяжущего, приготовленного на электрообработанной воде, связаны с электродными (во время обработки воды) и электрокинетическими (во время твердения смеси) процессами. Вяжущая система (цемент + вода) рассматривается как дисперсная, характер которой меняется во времени. Структурообразование системы, связанное с коагуляцией дисперсной фазы, приводит к потере агрегативной устойчивости системы. Свободнодисперсная система переходит в связнодисперсную с конденсационно-кристаллизационной структурой, которая образуется за счет коагуляции частиц и непосредственного химического взаимодействия между ними с образованием жесткой объемной структуры.

Различают природную и пресную воду. Природная вода представляет собой растворы неорганических соединений. Пресная вода содержит в основном катионы кальция, магния, железа, в качестве анионов выступают карбонаты, фосфаты. Наличие ионов натрия и хлора выводит воду из классификации пресной воды. В производстве бетонных смесей используется, как правило, вода с различной степенью жесткости, определяемой суммой концентраций ионов кальция, магния, сопряженных с карбонат- и сульфат-ионами. Катионы кальция и магния в электрическом поле мигрируют в направлении отрицательно заряженного электрода (катода). Так как на катоде при этом происходят процессы восстановления ионов водорода, в результате которых в прикатодном пространстве накапливаются гидроксид-ионы, то возможно взаимодействие ионов Са2+ и Mg2+ с ионами ОН– с образованием гидроксидов магния и кальция с выделением образующейся твердой фазы в дисперсной форме наноразмерных объемов (без добавок поверхностно-активных веществ, молекулы которых, сорбируясь на поверхности частиц дисперсной фазы, резко понижают их поверхностную энергию). В результате консервируются наноразмеры образущихся продуктов электрохимического взаимодействия. Применение такой электроактивированной воды в процессах затворения позволяет использовать полученные частицы в качестве своеобразных центров кристаллизации через образование гелевых структур с гидратированными компонентами цементов. При отсутствии стабилизирующих факторов может наблюдаться кинетическая устойчивость дисперсных частиц нерастворимых соединений металла, преимущественно гидроксидов и основных солей, возникающих в электролите за счет изменения рН в ходе электрохимических процессов, протекающих на электродах [11].

В ходе анодного растворения железного электрода генерируются ионы железа (II), которые активируют в результате процессов гидролиза и окисления образование устойчивых окисногидроокисных соединений железа, обладающих ферромагнитными свойствами. Действием внешнего магнитного поля они способны образовывать дисперсные системы с высокой удельной поверхностью. Избыток поверхностной энергии способствует формированию мицеллярных структур и, в случае процесса затворения, образованию центров кристаллизации, обеспечивающих характеристики механических свойств получаемого камня.

С целью проверки данной гипотезы проведены исследования дисперсий, получаемых электроактивацией природной воды с использованием железного анода. В качестве методики исследования использовались оптические методы анализа дисперсных систем [7].

В течение 10 минут под действием тока плотностью 1 А/дм2 производился электролиз воды с добавкой 5 % раствора сульфата натрия (для повышения электропроводности воды). После чего вода подвергалась спектрофотометрированию для определения оптической плотности раствора при длинах волн 560 и 620 нм. Для определения средних размеров образующихся золей – частиц пользовались эмпирическими соотношениями, предложенными Геллером [7].

В свежих порциях регистрировались частицы диаметром 30–45 нм. Отстаивание электроактивированной воды приводит к укрупнению частиц. По истечении суток размеры частиц достигают размеров 1200–1600 нм.

Совместное действие электрического и магнитного поля различной интенсивности позволяет активно влиять на структуру образующихся дисперсных частиц и их активность, что позволяет ожидать активного воздействия электроактивированной воды на процессы, обеспечивающие качественные характеристики получаемых бетонных изделий.

Для целесообразного использования ресурсов (в частности электроэнергии), затрачиваемых на проведение электрохимических реакций, зачастую приходится обращаться к графику зависимости плотности тока электрода от величины потенциала. В связи с этим положением были проведены эксперименты, на основании которых построена кривая зависимости (рисунок).

pic_24.tif

Зависимость тока железного электрода от потенциала электрода

На рисунке кривую можно разбить на несколько характерных участков, из которых можно сделать выводы о том, что при переходе из отрицательного значения потенциала электрода к положительному нарастает ток ионов, переходящих в прианодное пространство, – возрастает концентрация ионов (участок ab), приводящее к снижению скорости растворения (участок вс), достигая в пассивном состоянии некоторого минимума на участке cd. Дальнейшее увеличение положительного значения потенциала приводит снова к росту скорости процесса (участок de). Пассивное состояние обусловлено образованием очень тонкой пленки окисла, представляющей собой отдельную фазу хемисорбированного, кислорода, а может быть и других частиц, тормозящих анодный процесс [9]. Этот процесс происходит при потенциалах, достигающих процесса окисления гидроксила и выделение кислорода:

4 ОН– → 2 Н2О + О2 + 4е. (1)

Вместе с этим возможно образование кислородных образований на поверхности металла, в частности железа:

Fe + 2ОН– → FeО + Н2О + 2е

и Fe + H2O →FeО + 2Н+ + 2е. (2)

Из этого следует, что потенциал пассивации Ем, отвечающий равновесному состоянию обеих реакций и, следовательно, должен зависеть от величины рН раствора. Считая, что активность металла равна активности оксида и активности воды и вместе они равны единице, получим

fomich01.wmf (3)

Выразим fomich02.wmf через КН20 и Н+. Тогда при 25 °С:

Еп = const – 0,059 рН. (4)

Отсюда следует, что повышение рН должно сдвигать Еп в сторону более отрицательных значений, т.е. облегчить переход металла в пассивное состояние. Если используется источник тока с малой стабилизацией амплитуды тока – это может служить возникновению колебаний тока, в результате чего нарушается устойчивость пассивной пленки и ускоряются процессы, ведущие к выходу металла в форме ионов в рабочий раствор [8].

При электромагнитной обработке природной воды, наряду с влиянием на молекулярные структурные характеристики воды, значительное влияние на изменение ее свойств оказывают электрохимические процессы, протекающие на электродах: аноде, находящемся под положительным потенциалом, на котором происходят реакции окисления как самого металла электрода, так и ионов, имеющих отрицательные значения потенциалов и катоде – электроде, находящемся под отрицательном потенциале и на котором протекают реакции восстановления ионов, имеющих положительный потенциал. При обработке воды затворения электрическим полем растворимых электродов основным фактором, влияющим на дисперсии в области слабых напряженностей электрического поля, являются электрохимические процессы растворения электродов и образования гидроксида металла [1]. Гидроксид алюминия или железа, образовавшийся в результате растворения электродов при наложении электрического поля, многовалентного и обладающего перманентным дипольным моментом с повышенным содержанием ионов Н + и ОН- , влияет на формирование кристаллогидратной решетки твердого тела. За счет введения в раствор многовалентных ионов алюминия или железа, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность оказывать влияние на период индукции и тем самым способствовать возникновению центров кристаллизации. Кроме этого, скорость растворения минералов вяжущего увеличивается за счет «обновления» растворителя, в котором полимеризующиеся цепочки гидроксида металла находятся в движении и способствуют перераспределению ионов, за счет чего и увеличивают продолжительность процесса растворения вяжущего [3, 4, 5, 12]. Получающиеся при этом соединения, находящиеся в ультрадисперсной фазе (наноразмеры от 1 до 100 нанометров), определяют активность воды, используемой в процессах затворения строительных растворов. Дисперсная фаза оксидов и гидрооксидов железа (анодные продукты) и гидрооксидов кальция и магния – за счет катодного восстановления молекул воды образуют временно устойчивую систему центров кристаллизации в ходе процессов перехода растворов цемента в фазу образования гелиевых структур и образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой.

Регулирование параметров процесса электрообработки, таких как напряженность поля, плотность тока, продолжительность обработки, дает возможность управлять твердением и физико-механическими свойствами вяжущих материалов через использование воды, подвергнутой обработке электрическим током.

Необходимым условием обеспечения эффективности процесса электрообработки воды является точное соблюдение оптимальных параметров: напряженности электрического поля, плотности тока и продолжительности обработки воды. Оптимальные параметры режима электрообработки и достигаемая эффективность обработки воды затворения электрическим полем растворимых электродов зависят от свойств используемых материалов, физико-химических характеристик исходной воды, температуры среды и времени выдерживания обработанной воды затворения до введения ее в бетонную смесь.

Рецензенты:

Фокин Г.А., д.т.н., профессор кафедры «Физика и химия», Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза;

Монастырев П.В., д.т.н., профессор, директор института архитектуры, строительства и транспорта, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов.

Работа поступила в редакцию 06.03.2015.


Библиографическая ссылка

Фомичев В.Т., Ерофеев В.Т., Емельянов Д.В., Матвиевский А.А., Митина Е.А. РОЛЬ ПРОДУКТОВ АНОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ХОДЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-6. – С. 1194-1197;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37003 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074