Электрическое поле и опреснение воды
К.х.н. О. В. Мосин Электрическое ПОЛЕ И ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ
(часть 1 — начало дискуссии)
Продолжение — смотрите последующие статьи этого раздела
Опреснение воды — метод её обработки с целью понижения концентрации растворённых солей до 1 г/л, при которой вода становится применимой для питьевых и хозяйственных целей. Во всём мире находится в эксплуатации около 1000 больших стационарных опреснительных установок суммарной производительностью около 1,8 млн. м3/сут пресной воды. Более большие из их имеют производительность 160 тыс. м3/сут,
Недостаток пресной воды чувствуется на местности более 40 государств, расположенных приемущественно в засушливых областях и составляющих около 60% всей поверхности земной суши (по расчётам, к началу 21 в. достигнет 120-150·109 м3 в год). Этот недостаток может быть покрыт опреснением солёных (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2-10 г/л) океанических, морских и подземных вод, припасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре. Океан является большой кладовой хим веществ. Его объем добивается 1,35 млрд кубических км. Он покрывает около 72% земной поверхности. Практически вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Примерно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет только 0,6%. Другие 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.
В каждой кубической миле морской воды содержится 1,5 -1011 кг растворенных жестких веществ. Океан настолько громаден, что если концентрация какого-нибудь вещества в морской воде составляет всего 1 миллиардную долю по весу, то его содержание в мировом океане исчисляется в 5-109 кг. Все же океан еще не достаточно употребляется как источник сырьевых материалов, так как цена извлечения нужных веществ из воды очень высока. Только три вещества получают из морской воды в промышленно широких масштабах: хлорид натрия, бром и магний. Но более ценной составной частью морской воды является пресная вода. Нехватка пресной воды больше ощущается даже в таких странах, как Соединенные Штаты, где с каждогодним уровнем осадков дело обстоит совершенно хорошо. В почти всех областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и индустрии превосходит ее имеющиеся припасы. В таких странах, как Израиль либо Кувейт, где уровень осадков очень низок, припасы пресной воды совсем не соответствуют потребностям в ней, которые; растут в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов все население земли окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды.
Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В границах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это значит, что в морской воде содержится примерно 3,5% растворенных солей. Список частей, содержащихся в морской воде, очень велик, но концентрация большинства из их очень мала. В таблице 1 указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превосходящих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько наименьших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде найдено более 50 других частей в еще более низких концентрациях.
ТАБЛИЦА 1. Ионные вещества, находящиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу
Ионное вещество Содержание, г/кг морской
Концентрация, моль/л
воды
Хлорид-ион С1-
19,35
0,55
Ион натрия Na +
10,76
0,47
Сульфат-ион SoiS2-
2,71
0,028
Ион магния Mg2+
1,29
0,054
Ион кальция Са2+
0,412
0,010
Ион калия К +
0,40
0,010
Диоксид углерода
0,106
2,3 10-3
Бромид-ион Вr-
0,067
8,3 10-4
Борная кислота
Н3ВО3
0,027
4,3 10 -4
Ион стронция Sr2+
0,0079
9,1 10-5
Фторид-ион F-
0,001
7 10-5
Высочайшая концентрация солей делает морскую воду неприменимой для питья и для большинства других целей. В Соединенных Штатах содержание солей в водопроводной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не превосходит 0,05%. Это намного меньше по сопоставлению с их 3,5%-ным содержанием в обычной морской воде либо по сопоставлению с 0,5%-ным либо около того содержанием в солоноватых подземных водах. Понижение содержания солей в морской воде либо солоноватых водах до уровня, при котором вода становится применимой к использованию, именуется опреснением воды.
Существует огромное количество методов опреснения воды, и на базе хоть какого из их могут быть построены огромные производственные предприятия. Неувязка состоит в том, чтоб проводить опреснение с малой энергозатратой и минимальными расходами на оборудование. Это требование принципиально поэтому, что цивилизация, которая обязана в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать экономическую конкурентнсть с другими цивилизациями, располагающими более обильными и дешевенькими источниками пресной воды. Такая маленькая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и практически не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить для себя роскошь зависеть от опресненной воды только поэтому, что она извлекает огромные доходы от реализации нефти.
Опреснением морской воды люди занимаются несколько веков. За этот период времени разработаны 10-ки промышленных технологий опреснения, основанных на физико-химических процессах парообразования, замораживания, диализа, ионного обмена и оборотного осмоса. Важной из их является дистилляция воды под воздействием тепла. В различных странах мира действуют более 800 больших дистилляционных опреснительных установок общей мощностью более 7 млн. м3 в день.
Опреснение воды может быть осуществлено как с конфигурацией агрегатного состояния воды (дистилляция, замораживание), так и без конфигурации её агрегатного состояния (электродиализ, гиперфильтрация, либо оборотный осмос, ионный обмен, экстракция воды органическими растворителями, экстракция воды в виде кристаллизационной воды кристаллогидратов, нагрев воды до определённой температуры, сорбция ионов на пористых электродах, био способ — с внедрением возможности неких водных растений всасывать соли на свету и отдавать их в мгле и др.). В согласовании со методами Опреснение воды есть разные типы ОУ. Дистилляционные ОУ (однокорпусные и многокорпусные, по методу опреснения — парокомпрессионные и солнечные) используются при опреснении морской воды и солёных вод. Опреснение воды электродиализом и гиперфильтрацией (оборотным осмосом) экономно при солесодержании 2,5-10 г/л, ионным обменом — наименее 2,5 г/л. Из всего объёма получаемой в мире опреснённой воды 96% приходится на долю дистилляционных ОУ, 2,9% — электродиализных, 1% — гиперфильтрационных и 0,1% — на долю замораживающих и ионообменных ОУ. Зависимо от производительности ОУ состоит из 1-го либо нескольких включенных параллельно опреснителей.
Есть последующие способы опреснения морской воды:
ОПРЕСНЕНИЕ Методом ДИСТИЛЛЯЦИИ (ПЕРЕГОНКИ)
Воду можно отделить от растворенных в ней солей дистилляцией (перегонкой). Этот процесс основан на том принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими субстанциями. Принцип дистилляции достаточно прост, но с его фабричным внедрением связано много заморочек. К примеру, по мере выпаривания пресной воды из сосуда, в каком находится морская вода, раствор соли становится все более концентрированным, и в конце концов соль осаждается. Это приводит к образованию накипи, что в свою очередь усугубляет теплопроводимость стен сосуда, засоряет трубы и т.п. Навязывается такое решение этой трудности, при котором морскую воду после дистилляции из нее некоторого количества пресной воды нужно сбрасывать, а заместо нее набирать новую порцию морской воды. Но это следует делать аккуратненько, чтоб не утратить весь припас тепла, скопленный в нагретой морской воде, и чтоб не пришлось подводить дополнительное тепло к вновь набираемой прохладной морской воде. Утраты тепла связаны с термическим загрязнением среды и удорожанием процесса. Следует также учитывать, что, если дистилляцию проводить при атмосферном давлении, воду нужно нагревать до 100°С; при более низком давлении температура кипения воды снижается, и, как следует, дистилляция просит наименьших термических издержек.
Одна из более удачных попыток обойти ряд таких проблем привела к разработке процесса многостадийной флеш-дистилляции, который схематически изображен на рисунке ниже. В камеру А поступает нагретая морская вода, которая именуется рассолом. Рассол прокачивают под давлением через витки теплообменника в камеру В, затем в камеру С и, в конце концов, в камеру D, при этом в каждой камере его температура становится все выше. Теплота поступает к рассолу от водяного пара, конденсирующегося на витках теплообменника каждой камеры. Сконденсировавшийся пар, являющийся пресной водой, собирают и откачивают из установки. В камере Е нагретый рассол нагревают еще посильнее паром, который пропускают через витки теплообменника; пар, применяемый в этой камере, приносит с собой огромную часть полной энергии, вводимой в систему. Из камеры Е жаркий рассол поступает в камеру D, где поддерживается пониженное давление. Так как давление в этой камере понижено, часть рассола испаряется и после конденсации преобразуется в пресную воду. Для испарения воды требуется энергия. Когда вода испаряется с поверхности нашего тела, происходит остывание этой поверхности. Точно так же остающийся после испарения некой части воды рассол тоже охлаждается. Потом он поступает в камеру С, где давление еще ниже, чем в камере D. Тут происходит испарение еще некого количества воды, а оставшийся рассол еще более охлаждается. На каждой следующей стадии рассол становится все более концентрированным и все более охлаждается. На последней стадии часть рассола, который содержит сейчас приблизительно 7% солей по весу, смешивается с вновь поступающей морской водой. Другая часть рассола сбрасывается в море, чтоб предупредить очень огромное повышение концентрации солей.
Рис. Схема процесса многостадийной флеш-дистилляции для опреснения воды.
На последующем рисунке показана большая промышленная установка по опреснению морской воды способом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка способна производить раз в день около 9 миллионов л. пресной воды. Эффективность работы установки многостадийной флеш-дистилляции ограничена приемущественно появлением накипи в системе циркуляции жаркого рассола. Главными причинами образования накипи являются карбонат кальция и гидроксид магния. Чтоб воспрепятствовать их образованию и тем сделать вероятной эксплуатацию системы при более больших температурах, используются разные добавки. Но при больших температурах появляется неувязка, связанная с осаждением сульфата кальция.
Рис. Установка для опреснения воды способом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка может раз в день производить примерно 9 миллионов л. пресной воды (компания «Аква-Кем» в г. Милуоки, США). Набросок из книжки Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, 1983.
Современные дистилляционные опреснители бывают одноступенчатые, многоступенчатые с трубчатыми нагревательными элементами, либо испарителями, многоступенчатые с моментальным вскипанием и парокомпрессионные. Многоступенчатый испаритель состоит из ряда поочередно работающих испарительных камер с трубчатыми нагревательными элементами. Нагреваемая солёная вода движется снутри трубок нагревательного элемента, греющий пар конденсируется на наружной их поверхности. Нагрев и испарение воды в первой ступени осуществляются паром котла, работающего на дистилляте; греющим паром последующей ступеней служит вторичный пар предшествующей испарительной камеры. В опреснителях с моментальным вскипанием солёная вода проходит поочередно, от последнего к первому, через конденсаторы, интегрированные в испарительные камеры, нагреваясь за счёт тепла конденсации, поступает в головной подогреватель, греется выше температуры кипения воды в первой испарительной камере, где вскипает. Потом пар конденсируется на поверхности трубок конденсатора, а конденсат стекает в поддон и насосом откачивается потребителю. Неиспарившаяся вода перетекает через гидрозатвор в последующую камеру с более низким давлением, где она опять вскипает, и т.д. Расход тепла на получение 1 кг пресной воды в одноступенчатом дистилляционном опреснителе составляет около 2400 кдж; рекуперация тепла фазового перехода в многоступенчатом опреснителе позволяет понизить расход тепла на 1 кг пресной воды до 250-300 кдж.
Основная часть издержек при осуществлении хоть какого варианта процесса дистилляции связана с большенными потребностями в термический энергии. Для обычной установки многостадийной флеш-дистилляции цена пара составляет примерно 40% от цены получаемой пресной воды. В связи с этим предложено огромное количество других методов опреснения воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения. В одном из методов пресную воду убирают из морской воды методом ее замораживания. При образовании льда из морской воды растворенные в ней соли не попадают в него. Но, процесс замораживания тоже просит издержек энергии. В текущее время проводятся тесты крупномасштабных установок по опреснению воды, в каких употребляется принцип замораживания.
ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ Способом Оборотного ОСМОСА
При опреснении воды способом оборотного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей с помощью мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого нужно наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Такие мембраны делаются из разных материалов, к примеру, полиамида либо ацетат целлюлозы и выпускаются в виде полых волокон либо рулонного типа. Через микроскопически малые поры этих мембран может фактически просачиваться только незапятнанная вода и растворенные в ней газы, в то время как соль, мельчайшие организмы, органические соединения и т.д. в главном задерживаются мембраной. Эффект опреснения и связанная с ним производительность по опресненной воде находится в зависимости от разных причин, сначала от общего солесодержания сырой воды, также солевого состава, давления и температуры.
Если поместить такую мембрану меж рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны принудит воду просачиваться через мембрану в рассол. Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При довольно большенном давлении проникновение воды через мембрану в рассол закончится. Давление, нужное, чтоб воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, именуется осмотическим. Для морской воды при обычных критериях осмотическое давление составляет примерно 25 атм.
Если прикладываемое к рассолу давление превзойдет осмотическое, то вода будет проходить через мембрану в оборотном направлении, другими словами, пресная вода будет выдавливаться из рассола через мембрану. Этот процесс, именуемый оборотным осмосом, схематически показан на рис. Морскую либо солоноватую воду накачивают под высочайшим давлением в камеры, стены которых сделаны из полупроницаемых мембран. При прохождении воды через мембраны локальная концентрация солей у стены мембраны увеличивается, что приводит к увеличению осмотического давления и уменьшению потока пресной воды. Чтоб воспрепятствовать этому, через камеру необходимо безпрерывно прокачивать морскую воду. Поток пресной воды через мембрану пропорционален прикладываемому давлению. Но наибольшее давление, которое можно приложить к мембране, определяется ее своими чертами. При очень высочайшем давлении мембрана может лопнуть, забиться присутствующими в воде примесями либо пропускать очень огромное количество растворенных солей.
Эффект опреснения и связанная с ним производительность по опресненной воде находится в зависимости от разных причин, сначала от общего солесодержания сырой воды, также солевого состава, давления и температуры.
Рис. Схема процесса опреснения воды способом оборотного осмоса. Давление, создаваемое насосом высочайшего давления, превосходит осмотическое давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода проникает через полупроницаемую мембрану. Чтоб предупредить скопление соли поблизости мембраны, насос должен повсевременно прокачивать по трубам соленую воду. На практике трубы обязаны иметь очень малый поперечник, и потому установку приходится изготовлять из многих тыщ труб.
В обыденных установках по опреснению воды способом оборотного осмоса трубы, изображенные на рисунке выше, изготавливают из пористого вещества, выложенного с внутренней стороны очень узкой пленкой из ацетата целлюлозы. Ацетат целлюлозы (из которого изготовляют целлофан и базу фотографической пленки) играет роль полупроницаемой мембраны. Установка состоит из огромного количества таких труб, уложенных параллельно друг дружке. Скорость проникания воды через мембрану достаточно невелика. К примеру, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм в течение суток удается получить примерно 700 л пресной воды с каждого квадратного метра мембраны. Так как для получения большой площади поверхности нужно сильно много тонких труб, процесс оборотного осмоса еще пока не употребляется для получения больших количеств пресной воды. Но этот процесс представляется перспективным, если будут разработаны усовершенствованные мембраны, в особенности для опреснения соленой воды из скважин. Эта вода имеет более низкую концентрацию растворенных солей по сопоставлению с морской водой, что позволяет проводить ее опреснение при более низких давлениях.
ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ Способом ЭЛЕКТРОМАГНИТЕОГО ПОЛЯ
Другой принципно хороший от обычных способов опреснения морской воды способом электрического поля предложил изобретатель В. М. Рофман (paragraf207.com/Perelik/Soveti/4.html). Он предложил сделать специальную генерируемую сильными электрическими полями ячейку, где вода движется в ламинарном режиме со скоростью до 2,5 м/с и на неё действуют точно подобранные соотношения величин трансформирующих магнитных и ориентирующих электронных сил. В таких критериях по воззрению В. М. Рофмана будет происходить изменение формы молекулы воды из угловой в линейную.Рис. Более сложные ассоциаты кластеров
По расчётам изобретателя, для перевоплощения 1 моля воды из угловой формы молекулы в линейную нужен электромагнит с напряженностью магнитного поля 4,6 107 А/м и величиной магнитной индукции 58 Тл. Такие условия генерации магнитного поля являются очень жесткими. На сегодня они находятся на самом пределе достигнутого технологией уровня управления электрическими взаимодействиями в сверхпроводящих магнитах. Но, как считает изобретатель уже сейчас имеются надёжные перспективы усовершенствования этой технологии на базе достижении физики высокотемпературной сверхпроводимости.
Такая необыкновенная вода должна кипеть не при +100 С, а при минус 80 С. Это позволило бы использовать в технологическом процессе дистилляции термическую энергию самой морской воды и рассеянное тепло среды. С другой стороны конденсация пара в дистиллят пресной воды, при снятии магнитного воздействия с диполей её молекул, происходит за счёт оборотного самопроизвольного образования водородных связей при температуре среды, что исключает какие-либо дополнительные энерго издержки при проведении этих технологических операций.
Сейчас из-за больших энергетических издержек цена получения пресной воды на наилучших дистилляционных установках составляет $2,3 на 1 м3. Завышенная энергоёмкость процесса опреснения связана с тем, что вода обладает рядом не нормальных физико-химических параметров – высочайшими значениями температуры кипения (+100 С), удельной теплоёмкости (1 кал/г.град при 15 С) и сокрытой теплоты парообразования (586 кал/г при 20 С).
Эти физико-химические аномалии обоснованы строением её молекулы. Понятно, что молекулы воды имеют очень ординарную хим/физическую структуру — стороны угла 2-ух атомов водорода находятся по отношению к атому кислорода под углом 104,7°. Молекула воды представляет собой небольшой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Конкретно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится большая геометрическая фигура — верный тетраэдр.
Рис. Структура молекулы воды: а) угловая; б) шаровая; в) тетраэдрическая
Из восьми электронов, составляющих наружный слой атома кислорода в молекуле воды, две электрические пары образуют ковалентные связи О – Н, а другие четыре электрона представляют собой две неподелённые электрические пары. По этой причине в молекуле воды имеется четыре полюса электронных зарядов – два положительных и два отрицательных. Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp2-гибридизации. Потому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О—Н, сдвинуты к более электроотрицательному атому кислорода. В итоге атомы водорода получают действенные положительные заряды, так как на их создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электрических пар атома кислорода, находящиеся на гибридных — орбиталях, сдвинуты относительно ядра атома и в свою очередь делают два отрицательных полюса.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в верхушке — ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние меж ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих наружный электрический слой атома кислорода в молекуле воды две электрические пары образуют ковалентные связи О—Н, а другие четыре электрона представляют собой две неподеленных электрических пары.
Молекула воды является диполем (с дипольным моментом 1,84D), что придаёт ей способность ассоциироваться в более сложные агрегаты за счёт образования дополнительных водородных связей типа О…..Н.
Благодаря наличию водородных связей любая молекула воды образует водородную связь с 4-мя примыкающими молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Но, в водянистом состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи — спонтанные, короткоживущие, стремительно рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.
Рис. В кристалле льда (понизу) любая молекула воды образует водородную связь с 4-мя примыкающими молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас (вверху)
То, что вода неоднородна по собственному составу, было установлено издавна. Издавна понятно, что лёд плавает на поверхности воды, другими словами плотность кристаллического льда меньше, чем плотность воды. Практически у всех других веществ кристалл плотнее водянистой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает возрастать и добивается максимума при 4°C. Наименее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления прямо до 40°C она миниатюризируется, а потом возрастает. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно. Не считая того, при температуре ниже 30°C с повышением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды миниатюризируется, а коэффициент самодиффузии — параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг дружку растёт. Для других жидкостей зависимость оборотная, и почти нигде не бывает, чтоб некий принципиальный параметр вёл себя не монотонно, т.е. поначалу рос, а после прохождения критичного значения температуры или давления уменьшался. Появилось предположение, что на самом деле вода — это не единая жидкость, а смесь компонентов-ассоциатов, которые различаются качествами, к примеру плотностью и вязкостью, а как следует, и структурой. Такие идеи стали появляться в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.
На данный момент существует огромное количество разных теорий и моделей, объясняющих структуру и характеристики воды. Общим у их является представление о водородных связях как основном факторе, определяющем образование структурированных ассоциатов. Вода – это кооперативная система, в ней есть цепные образования водородных связей. При всем этом всякое воздействие на воду распространяется эстафетным методом на тыщи межатомных расстояний..
Рис. Современная клатратно-фрактальная модель воды. На рисунке представлены как отдельные кластерно-ассоциативные структуры молекул воды, так и отдельные молекулы воды, не связанные водородными связями.
На данный момент наукой подтверждено, что особенности физических параметров воды и бессчетные короткоживущие водородные связи меж примыкающими атомами водорода и кислорода в молекуле воды делают подходящие способности для образования особенных структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.
Согласно расчётам, отдельный кластер воды состоит из 57 молекул воды и ведет взаимодействие с другими кластерами за счет свободных водородных связей. Это приводит к возникновению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. При всем этом характеристики кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Конфигурация частей воды реагирует на хоть какое наружное воздействие и примеси, что разъясняет очень лабильный нрав их взаимодействия. В обыкновенной воде совокупа отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% — это кластеры (структурированная вода).
Рис. Отдельный кластер воды
Структурной единицей таковой воды является кластер, состоящий из отдельных молекул воды, природа которых обоснована далекими кулоновскими силами. В структуре кластеров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В аква кластерах за счёт взаимодействия меж ковалентными и водородными связями меж атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в границах кластера.
Рис. Ассоциация 5 отдельных кластеров в клатрат.
Вода, состоящая из огромного количества кластеров разных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может принимать и хранить большие объемы инфы.
На рисунке в качестве примера приведены схемы нескольких простых кластерных структур.
Для каждой температуры в аква системе имеет место равновесие:
Н2О (Н2О)2 (Н2О)3 (Н2О)n
С увеличением температуры равновесие сдвигается в сторону образования одиночных молекул, а с снижением – ассоциированных. Ассоциация молекул воды через водородные связи является предпосылкой её не нормальных параметров по показателям температуры кипения, теплоёмкости, теплоты парообразования и др, считает изобретатель. Если б вода не была ассоциированной жидкостью, то, как мономолекулярная окись водорода, она имела бы температуру кипения около минус 80 С.
Под воздействием физического фактора, препятствующего формированию водородных связей и ассоциации молекул воды в димеры, триммеры и полимеры, вода в этой ячейке начинает перебегать в парообразное состояние при температуре минус 80 С с насыщенной дистилляцией воды за счёт тепла среды. Когда пар выйдет из зоны деяния этого физического фактора и войдёт в конденсатор, вода вновь приобретёт способность к ассоциации и, соответственно, начнёт конденсироваться в жидкость при температуре среды.
Лед и пар — разные агрегатные состояния воды, и потому разумно представить, что в водянистой промежной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в спектре меж значениями в жесткой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи слабеют, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол миниатюризируется. При нагревании водянистой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5о.
Но если это угол изменяется от температуры, то, может быть он поменяется и при воздействии на воду сильного электрического поля?
Изобретатель В. М. Рофман считает, что средством управления процессами электрического взаимодействия можно убрать зарядовую асимметрию и угловую форму молекулы воды трансформировать в симметричную, линейную структуру, не образующую ассоциаций. Такое изменение конфигурации молекулы воды можно выполнить считает В. М. Рофман, если к её положительному и отрицательному зарядовым центрам сразу приложить деформирующие силы, направленные обратные стороны, используя узнаваемый физический эффект генерации сил Лоренца в неизменном магнитном поле.
При всем этом сам изобретатель признаётся, что никаких существенных конфигураций в степени ассоциации молекул воды при её магнитной обработке не происходит. При термическом движении дипольной молекулы воды перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, повдоль оси Y (см. вектор V), будет появляться момент сил F1, F2 (сила Лоренса), пытающихся развернуть молекулу в горизонтальной плоскости. При движении молекулы в горизонтальной плоскости, повдоль оси Z , будет появляться момент сил в вертикальной плоскости.
Но полюса магнита будут всегда препятствовать повороту молекулы, а как следует и тормозить хоть какое движение молекулы перпендикулярно линиям магнитного поля. Таким макаром, в молекуле воды, помещённой меж 2-мя полюсами магнита остаётся только одна степень свободы – это колебание повдоль оси X — силовых линий приложенного магнитного поля. По всем остальным координатам движение молекул воды будет тормозиться. Таким макаром, молекула воды становится вроде бы «зажатой» меж полюсами магнита, совершая только колебательные движения относительно оси X.
Рис. Молекула воды в магнитном поле
Из этих рассуждений видно, что поменять структуру молекулы сила Лоренца никак не может, а действует она только на передвигающуюся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля молекулу. Когда мы говорим об ассоциации молекул воды, эти физические апелляции к силе Лоренца вообщем лишены всякого смысла и абсурдны. Тем паче абсурдны выводы о том, что сила Лоренца растягивает молекулу. Так как сила Лоренца всегда ориентирована перпендикулярно скорости движения молекулы, она не создаёт работы и не изменяет энергии заряженной частички. Она только изменяет направление её движения – отклоняет её с её линии движения, ни каким образом не изменяя её энергии и тем паче она не может вызвать молекулярные перестройки.
Но, как считает изобретатель, если заряды диполей воды сориентировать наружным электронным полем строго часто, под углом 90 относительно вектора магнитной индукции, то можно получить нужный эффект резкого понижения степени ассоциации в аква среде. Хотя совсем неясно каким образом это можно добиться? Ведь сила Лоренца не способна поменять ни энергию ни структуру молекулы и тем паче вызвать перераспределению внутренней энергии меж разными видами хим связей — ковалентной и водородной.
Если даже допустить, что при наложении сильного электрического поля на передвигающиеся диполи молекул воды в электрической ячейке будет происходить генерация собственных электрических полей и наложение — супериндукция поля в итоге чего валентный угол в молекуле будет изменяться так, что на теоретическом уровне могут создаваться молекулы с разными валентными углами, то всё равно это изменение валентного угла будет очень малым и непостоянным. А эффект конфигурации валентного угла будет таким малозначительным, что это не будет влиять на характеристики воды. И совсем неясно, как такое маленькое изменение валентного угла скажется на ассоциативность молекулы. К примеру, в самой ассоциативной структуре твёрдой воды – кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи слабеют, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол миниатюризируется. При нагревании водянистой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии воды, где вода присутвует в виде отдельных молекул валентный угол составляет 104,5о, т.е. происходит уменьшение на 5 градусов. Но это уменьшение во первых непостоянное, стоит воде вновь сконденсироваться в жидкость – валентный угол становится примерно равным 106о, т.е. возрастает на несколько градусов и когда вода кристаллизуется в лёд он становится снова близок к правильному тетраэдр, т.е. 109,5о. Но представление о молекуле воды как о линейной структуре для химика – полнейший бред, так как как понятно конкретно такое строение молекулы воды обосновано электростатическими силами притяжения и отталкивания меж 2-мя положительно заряжёнными атомами водорода и негативно заряженной неподелённой парой атома кислорода. Эта самая свободная пара электронов и разворачивает молекулу в пространстве.
Таким макаром, эта модель совсем не разъясняет каким образом под воздействием электрического поля происходят внутримолекулярные конфигурации и пока только остается прекрасной догадкой, одной из не многих и менее этого.
Литература: Апельцин И. Э., Клячко В. А., Опреснение воды, М., 1968; Павлов Ю. В., Опреснение воды, М., 1972: Слесаренко В. Н., Современные способы опреснения морских и соленых вод, М., 1973, Spiegler К. S. [е. d.], Principles of desalination, N.Y. — L., 1966., Рофман В. М. paragraf207.com/Perelik/Soveti/4.html