Известно, что в чистом виде вода в природе практически не встречается, а представлена в основном различными по составу и концентрации водно-солевыми растворами. Великое разнообразие природных вод по этим двум показателям послужило основой для их классификации. В свою очередь, все типы природных вод разбиты на генетические классы и в целом составляют водный баланс гидросферы. При этом основным законом существования и распространения воды в природе является ее вертикальная зональность по физическим и химическим свойствам [4]. Прежде всего, в природе выделяются два основных класса вод, кардинально отличающихся по своим характеристикам: очень однородные соленые воды хлормагниевого типа и глубинные подземные воды хлоркальциевого типа. Нетрудно заметить, что оба эти класса объединяет хлор. Автономное значение имеют воды метеорного происхождения и связанные с ними поверхностные воды и воды подземного стока. Особое место в развитии гидросферы занимают термальные и минеральные воды, связанные с вулканической деятельностью на нашей планете. С выходами гидротерм формируются самые разнообразные и во многих отношениях специфические по химическому составу типы природных вод. Это хлоридно-натриевые, кислые сульфатные, смешанные хлоридно-сульфатные, а также гидрокарбонатные и др.
В дальнейшем было обнаружено, что во всех типах минеральных природных вод довольно ощутимо содержание бора, в среднем до 32 г/т [5]. При этом следует отметить исключительную устойчивость борнокислых анионов в водном растворе вплоть до выпадения хлористых солей или борных минералов. Бор-хлорное отношение может служить главным критерием различных генетических классов природных вод. Существует строгая функциональная зависимость в изменении концентраций бора и хлора от степени минерализации. Например, для подземных вод соотношение бор : хлор дает очень важную константу гидросферы, равную 254×10-6. Установлено, что в атмосферных осадках это соотношение на два порядка выше, чем в океанической воде, а в поверхностных водах, в свою очередь, вдвое выше, чем в атмосферных.
Все эти тенденции в полной мере относятся и к водам Кузбасского бассейна. Таким образом, бор как типичный комплексообразователь в виде различных борнокислых анионов является постоянным компонентом природных вод. Хлор значительно повышает устойчивость борнокислых анионов в воде и способствует их взаимным превращениям. В свою очередь содержание бора, соотношение бор : хлор, регулирует естественные процессы в системе «вода – горная порода», которые носят, как показано в работе [11], информационный характер. Формирование структур минералов контролируется так называемым равновесно-неравновесным фактором. Растворение того или иного минерала в воде изменяет степень насыщения водно-солевого раствора, сдвигает равновесие в системе и, как следствие, является причиной и источником возникновения новых минералов и последующих их превращений. Аналогичные процессы протекают и в искусственных системах, например в системе «цемент – вода» [7]. Растворимые в воде комплексы борнокислых и других типов анионов играют роль по сути катализаторов процессов в водных средах и являются движущей силой возникновения и формирования будущих структур. В некоторых случаях при избытке содержания соединений бора в воде необходимо, напротив, их удаление из воды до требуемых концентраций, например, путем баромембранного опреснения [1].
Рациональное использование воды в строительных технологиях – одна из самых актуальных проблем современного строительного материаловедения [12].
Проведенный анализ показывает, что роль высококачественной жидкости затворения должна играть не вода сама по себе, а водно-солевой раствор, например газированные и негазированные минеральные воды различного состава и происхождения. Различные способы активации воды путем физических, химических, биологических и комбинированных вещественно-полевых способов воздействий [2, 3, 6] позволяют значительно повысить качество жидкости затворения. Особый интерес представляют исследования влияния магнитного поля на воду и водо-солевые растворы, т.к. все естественные процессы протекают в условиях магнитного поля Земли.
Исходя из этого, в настоящей работе изучено влияние магнитного поля на различные типы минеральных вод и их модифицирование комбинированными добавками, содержащих анионы соединений бора и хлора, а также их комплексы.
В работе исследовались дистиллированная, водопроводная и минеральные воды разного состава как в обычном, так и в газонаполненном состоянии. Составы водных сред и их свойства приведены в табл. 1.
Цикловая магнитная обработка воды проводилась в устройстве с индукцией магнитного поля в центре канала перемещения жидкости, равной 40 мТл, согласно технологическому регламенту, описанному в [10]. Измерения значений рН проводили на микропроцессорном лабораторном рН-метре рН-211 производства HANNA Instrumtnts.
Результаты исследований приведены в табл. 2.
При охлаждении воды рН возрастает, а при нагревании, наоборот, снижается. Следовательно, можно предположить, что рост рН водной среды – признак структурирования, а повышение кислотности – показатель разрушения водородных связей. Для всех типов исследуемых вод цикловая магнитная обработка в подавляющем большинстве случаев приводит к росту рН, т.е. к процессу структурирования. Это означает, что цикловая магнитная обработка должна приводить к повышению плотности водородных связей или к повышению оптической плотности исследуемой жидкой среды. Этот вывод полностью подтверждается данными (рис. 1), полученными ранее методами УФ-спектроскопии исследуемых объектов до и после цикловой магнитной обработки.
Таблица 1
Химический состав жидких сред
Тип воды |
Химический состав, мг/л |
||||||
анионы |
катионы |
примеси, мг/л |
|||||
Cl- |
HCO3- |
SO42- |
Mg2+ |
Ca2+ |
Na+/+R+ |
||
Хлоридно-гидрокарбонатная натриевая (газированная) |
300–600 |
900–1100 |
150–250 |
≤ 50 |
≤ 25 |
500–800 |
– |
Гидрокарбонатная натриевая (газированная) |
0–19 |
170–300 |
0–19 |
0–6 |
1–10 |
90–140 |
Н2SiO3 25–50 |
Хлоридно-карбонатная (газированная) |
220–600 |
440–700 |
– |
0,5–25 |
6–30 |
320–410 |
Н2SiO3 10–25 |
Гидрокарбонатная хлоридная натриевая (газированная) |
65–75 |
25–35 |
≤ 10 |
≤ 75 |
≤ 50 |
800–1100 |
– |
Гидрокарбонатная хлоридная натриевая (среднегазированная) |
1000–1800 |
100–900 |
≤ 10 |
≤ 10 |
≤ 50 |
1000–1400 |
– |
Гидрокарбонатно-сульфатная кальциево-натриевая (газированная) |
300–500 |
1000–2000 |
900–1700 |
≤ 100 |
300–400 |
700–1200 |
Н2SiO3 30–90 |
Таблица 2
Изменения рН водных сред после различных циклов магнитной обработки
t, °C |
Тип воды |
Число циклов |
||||
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
||
23,5 |
Дистиллированная вода |
6,31 |
6,38 |
6,28 |
6,23 |
6,33 |
23,7 |
Водопроводная вода |
7,69 |
7,79 |
7,95 |
8,06 |
8,120 |
22,5 |
«Касмалинская вода» |
5,98 |
6,36 |
6,56 |
6,82 |
7,10 |
22,6 |
«Каинская» (содержит природный йод) |
6,62 |
6,62 |
7,05 |
7,27 |
7,50 |
22,5 |
Санаторий «Чажемто» |
6,41 |
6,65 |
6,82 |
7,04 |
7,08 |
21,8 |
«Благая весть» |
7,17 |
7,45 |
8,25 |
7,83 |
7,97 |
22,0 |
«Дальний ключ» (Ag) |
8,16 |
8,34 |
7,82 |
8,27 |
8,26 |
21,1 |
Contrex |
7,59 |
7,67 |
7,91 |
7,87 |
8,03 |
21,4 |
Vittel |
7,77 |
7,84 |
9,51 |
7,97 |
8,02 |
34,0 |
«Омега» (негазированная) |
9,55 |
9,51 |
– |
9,50 |
9,49 |
11,0 |
«Омега» (негазированная) |
9,63 |
– |
– |
9,46 |
– |
21,0 |
«Омега» (негазированная) |
9,59 |
9,48 |
9,42 |
9,42 |
9,42 |
10,0 |
«Омега» (газированная) |
5,34 |
5,32 |
5,45 |
5,59 |
5,78 |
22,1 |
«Омега» (газированная) |
5,92 |
6,13 |
6,33 |
6,56 |
6,67 |
23,6 |
«Карачинская» |
6,66 |
6,88 |
7,11 |
7,37 |
7,65 |
23,6 |
«Новотерская» |
6,93 |
7,17 |
7,50 |
7,80 |
7,87 |
23,6 |
«Меркурий» |
6,22 |
6,51 |
6,75 |
6,98 |
7,20 |
23,7 |
Чистая питьевая вода (г. Бердск) |
7,57 |
7,61 |
7,60 |
7,72 |
7,67 |
23,4 |
BonAqua негазированная |
6,68 |
6,80 |
6,82 |
6,78 |
6,77 |
23,4 |
BonAqua среднегазированная |
5,29 |
5,39 |
5,94 |
5,96 |
6,95 |
23,4 |
BonAqua сильногазированная |
4,92 |
5,16 |
5,39 |
5,60 |
5,65 |
Как видно из рис. 1, с увеличением числа циклов магнитной обработки воды оптическая плотность системы в УФ-диапазоне повышается, что означает увеличение количества водородных связей и повышение степени связывания активированной воды по сравнению с обычной, не обработанной магнитным полем. На основании этих данных следует ожидать смешения эндоэффектов в сторону более высоких температур на дериватограммах в системах «цемент – вода». Такие исследования были проведены (рис. 2), и они полностью подтвердили сделанные предположения.
Как видно из рис. 2, смещение эндоэффектов первого и последующих составило 7,78 °С, что прямо указывает на повышение прочности связывания воды с цементными минералами. Это обусловлено, по-видимому, увеличением плотности водородных связях и числа контактов срастания гидратных фаз.
Таким образом, магнитное поле стимулирует процессы самоорганизации в минеральных водах, приводя к смещению рН среды в щелочную область, резко снижая разницу в значениях рН водно-солевого раствора и цементно-водной матрицы. Подкисление газированной воды 0,1 М растворами борной и соляной кислот в количестве 1 мл на 100 мл воды приводило к резкому изменению рН среды и потере устойчивости из-за периодических физико-химических превращений в системе. Это обусловлено, на наш взгляд, способностью комплексных многозарядный борат-ионов в присутствии ионов щелочных и щелочноземельных металлов переходить друг в друга в зависимости от величины рН среды определяющих их устойчивость. Но после цикловой магнитной обработки эти процессы стабилизируются.
Известно, что магнитное поле неодинаково воздействует на холодную и горячую, соленую или дистиллированную воду, на предварительно обработанную акустическими или другими воздействиями. Изменения температуры поверхностного слоя воды, подвергнутой указанным комбинированным воздействиям, фиксировали с помощью тепловизора с точностью 0,1 °С. Эти данные представлены на рис. 3.
Как видно из рис. 3, акустически обработанная вода при разных температурах среды в магнитном поле ведет себя неодинаково. Представляет особый интерес неравномерность распределения температуры в поверхностном слое активированной воды [9]. Так колебания температур составляют от 19,3 °С до 23,7 °С (рис. 3). Выяснение физической природы температурной неоднородности поверхностного слоя воды представляет как теоретический, так и практический интерес и является предметом дальнейших исследований.
Рис. 1. УФ-спектры воды при циклической магнитной обработке воды
Рис. 2. Термогравиметрические кривые дегидратации системы «цемент – вода»: а – контрольный образец, б – активированный магнитным полем
Рис. 3. Вариации температур на поверхности дистиллированной воды в зависимости от количества циклов магнитной обработки
Взаимодействие цемента с таким образом подготовленной жидкостью затворения протекает более активно на протяжении всего процесса структурообразования, а прочность структур твердения в 28-суточном возрасте увеличивается в 1,5–2 раза [8].
Библиографическая ссылка
Саркисов Ю.С., Горленко Н.П., Сафронов В.Н., Ковалева М.А., Рахманова И.А., Цветков Н.А. ГЕОНИКА: ОТ ГЕОХИМИИ ВОДЫ К СОЗДАНИЮ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ ЖИДКОСТИ ЗАТВОРЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 7. – С. 71-76;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41587 (дата обращения: 17.08.2024).