1. О структуре воды и водных растворов

Основой всех гипотез и исследований по магнитной и электромагнитной обработки (ЭМО) воды и водных систем должны быть представления о строении молекул воды, о структуре воды и водных растворов.

Известно, что внутреннее строение молекулы воды является несимметричным. Атомы водорода по отношению к атому кислорода располагаются под углом примерно 104,5^ο при длине связи О-Н примерно 0,96Å и её энергии примерно 109,6 Ккал/моль. Атом водорода по сравнению с атомом кислорода имеет значительно меньший размер, что даёт возможность атомам водорода проникать в сферу действия оболочек атомов кислорода. Это вызывает неравномерность распределения электрических зарядовв различных точках молекулы воды, в резельтате чего молекула воды представляет собой диполь, имеющий положительный и отрицательный центры тяжести зарядов, т.е. молекула воды полярна. При этом следует подчеркнуть, что форма и размеры молекулы воды сильно зависят от состояния возбуждения молекулы (колебательного, вращательного и электронного).

Объединение молекул с образованием структуры жидкой воды основано на их способности взаимодействовать друг с другом с помощью водородных связей. Существует достаточно большое количество гипотез о структурной модели жидкой воды, начало которым было положено ещё в 30-х годах 20 века Дж. Берналом и Р. Фаулером (1934г). В настоящее время можно говорить о наличии двух больших групп гипотез о структурной модели жидкой воды: так называемых «смешанных» и «непрерывных» моделях. По смешанным моделям вода представляется как равновесная смесь определённых молекулярных образований – «истинных жидких молекул», не связанных между собой водородными связями, и кластеров, различающихся числом водородных связей на молекулу воды. По непрерывным моделям все молекулы воды включены в единую сетку водородных связей, энергетические и геометрические параметры которых описываются непрерывным распределением; вследствие этого из молекул воды образуется квазикристаллическая решётка, которая из-за термических, электростатических и других воздействий подвергается деформации, а водородные связи испытывают растяжения и изгибы.

Наиболее распространённая модель среди смешанных моделей жидкой воды дана О.Я.Самойловым (1967г). По его теории двухструктурной модели полярные молекулы воды образуют агрегаты типа (Н₂О)_n, наличие которых создаёт некоторую закономерность ближнего порядка в расположении молекул, так называемую квазикристаллическую структуру воды, малоустойчивую и зависящую от внешних факторов. Ближняя упорядоченность в воде может быть представлена как ажурная тетраэдрическая структура льда I, причём примерно 25% пустот этой структуры заполнено мономерной водой, т.е. молекулами воды, которые в процессе трансляционного движения перемещаются в основном по этим структурным пустотам. Таким образом, в воде имеются две конкурирующие между собой системы: льдоподобная структура (каркас) из молекул воды и плотноупакованные молекулы воды. Вследствие того, что энергия образования водородной связи между молекулами воды невелика (3-5 Ккал/моль), процесс взаимодействия молекул воды в дистиллированной воде протекает легко и молекулы в своём хаотичном движении приобретают наибольшее количество водородных связей. Однако, около 30% возможных водородных связей остаются разорванными.

Из непрерывных моделей воды можно отметить гипотезу Ю.И. Неберухина (1967г), согласно которой квазикристаллическая структура воды, образованная пространственной сеткой водородных связей, не распространена равномерно по всему объёму воды, а ограничена определёнными, достаточно малыми областями – глобулами, квазикристаллический характер которых проявляется в том, что их свойства изменяются при изменении внешних условий не непрерывно, а достаточно резко по достижении некоторого критического состояния. Структура глобул обеспечивает выигрыш энергии вследствие коллективных взаимодействий в ней молекул воды и образована трёхмерной сеткой водородных связей. На поверхности глобул водородные связи не разорваны, а лишь имеют другие свойства (ослаблены или искажены). Поэтому границу глобул нельзя представлять как поверхность, где водородные связи разорваны: она является границей коллективных взаимодействий молекул воды. Процесс объединения глобул обуславливается направленным характером водородных связей поверхностных молекул воды и поэтому возможен лишь при определённой ориентации их друг относительно друга. Разрушение квазикристаллической решётки воды ведёт к разрыву водородных связей между молекулами воды и к диссоциации отдельных молекул на ионы по схеме:

                                                    2Н₂О ═══ Н₃О⁺ + ОН^- 

Эти ионы скапливаются на поверхностях глобул и способствуют их переориентации друг относительно друга, что может привести к объединению глобул и процессу структурирования жидкой воды.

Заслуживает внимания и ещё одно предположение о структуре воды – гипотеза К.С.Тринчера (1971, 1975гг) о полимикрофазной структуре воды, согласно которой в температурной зоне от 0^οС до 44^οС вода состоит из макроструктурных образований, имеющих характер термодинамических микрофаз: микрофрагментов льда – I, кристаллических микрофаз - II, жидких микрофаз – III. Каждая микрофаза состоит из примерно 10¹⁰ – 10¹¹ молекул и имеет, соответственно, объём порядка 3•10^-13- 3•10^-12 см³. В зависимости от температуры осуществляются постоянные микрофазные переходы, носящие флуктуативный характер, и поэтому возможно существование как всех трёх микрофаз, так и двух микрофаз (кристаллической и жидкой) и даже одной микрофазы (жидкой).

Достаточно близко к гипотезе полимикрофазной структуры воды и предположение Ярославского З.Я. и Долгоносова Б.М. (1971г), по которому в воде присутствуют три структурные формы:

                              льдоподобная  структура I      ══     разупорядоченная структура II

                                                            ║                                          ║    

                                               структура с укороченными водородными связями     

В зависимости от внешних условий между этими формами осуществляется взаимный переход в ту или иную сторону, что и определяет физико-химические свойства воды.

Структура водного раствора, т.е. воды с примесями, существенно усложняется, хотя, вообще говоря, вода без примесей практически не существует. Особенно велико влияние растворимых в воде примесей, которые находятся в растворе в виде ионов. Установлено,что явление гидратации ионов в воде – результат взаимодействия их с молекулами воды. Образуется гидратная оболочка ионов, состоящая из многих молекул воды. При этом имеет значение как взаимодействие ионов с молекулыми воды, составляющими непосредственное окружение ионов в растворе, так и их взаимодействие с остальными молекулами воды. В связи с этим рассматривают два вида гидратации – ближнюю и дальнюю. Первую следует рассматривать как действие ионов на тепловое и, прежде всего, трансляционное движение ближайших молекул воды. Именно с ближней гидратацией главным образом связаны кинетические свойства растворов и механизм протекания в них ряда процессов. Дальняя же гидратация заключается в основном в поляризующем действии поля иона на молекулы воды окружающих объёмов. Она всегда сопровождается выделением больших количеств энергии при переходе ионов в раствор.

Кроме этого, по предложению О.Я.Самойлова (1957г) применительно к ближней гидратации можно говорить о положительной и отрицательной гидратации. Тепловое трансляционное движение молекул воды в зоне ближней гидратации иона характеризуется тем, что молекулы воды колеблются в некоторых равновесных положениях в ближайшем окружении иона  i, и выход из этого положения определяется изменением энергии активации ∆Е_i  этих молекул воды.  Если ∆Е_i>0, то можно говорить о положительной гидратации, т.е. молекулы воды в этом случае испытывают довольно устойчивое связывающее воздействие со стороны иона. Если же ∆Е_i<0, то имеет место отрицательная гидратация, характеризующаяся большей (чем в чистой воде) подвижностью молекул воды в ближайшем окружении этого иона.

Существует так называемый гипотетический радиус иона ri 0, определяющий границу между положительной и отрицательной гидратацией иона i. По некоторым данным r_i⁰ =1,08 Å для однозарядных ионов и r_i⁰ = 1,4 Å для двухзарядных ионов. Естественно, что и природа иона имеет в этом случае большое значение.

Движение ионов в растворе сопровождается постоянным обменом ближайших к ним молекул воды. В общем случае можно принять, что ион движется в растворе, совершая активированные скачки, частично вместе с гидратной оболочкой, частично без неё. Связь ионов с молекулами воды ближайшего окружения определяется ион-дипольным и ковалентным (донорно-акцепторным) взаимодействиями, при этом вклад последнего велик по отношению к вкладу первого и характеризуется резким спадом при увеличении расстояния между ионом и молекулой воды. Экспериментально установлено, например, что ионы Mg²⁺ и  La³⁺ движутся активированными скачками в основном вместе со своими гидратными оболочками, а ионы  Li⁺, Na⁺,                  

K⁺, Cs⁺, Cl^-, Ca²⁺, SO₄^2- и некоторые другие движутся, в основном, без гидратных оболочек. При этом оценка изменения энергии активации ∆Ei показала, что ионы Li+, Na+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, La3+, F-, SO42- свойственна положительная гидратация, а ионам K⁺, Cs⁺, NH₄⁺, Cl^-, HCO^₃-, Br^-, NO^₃-, ClO₄^- - отрицательная гидратация.

Гидратные слои молекул воды образуются также на границах раздела воды с воздухом и с твёрдыми телами. Толщина таких слоёв доходит по Дерягину Б.В. (1966г) до 50 – 100 Å, по Слесареву В.И. (2015г) – до 300 мкм. Эти слои находятся в сфере действия поверхностных сил, что сказывается на механических свойствах этих слоёв, в частности, на возрастании сопротивления сдвигу.

Примеси, находящиеся в воде в молекулярной форме, также значительно влияют на структуру воды.

Таким образом, проблема изменения физических и физико-химических свойств водных систем, связанная с их структурными характеристиками, несомненно, сложна не только для теоретического обоснования, но и для реализации целенаправленного воздействия на эти системы.

2. Классификация гипотез о механизме воздействия магнитных полей на воду и водные системы.

Сотрудниками нашего предприятия (Герасимов Г.Н., Ризо Е.Г. и др.) составлен подробный аналитический обзор гипотез о механизме воздействия магнитных полей на воду и водные системы. Совершенно очевидно, что все входящие в обзор гипотезы и соображения имеют лишь предварительный характер для создания теории магнитной и электромагнитной обработки воды и водных систем. Они не всегда дают чёткий ответ на главный вопрос этой теории, недостаточно строго теоретически обоснованы и часто противоречат друг другу. Однако, их можно всё же разделить на несколько групп.

Первая группа гипотез объединяет те из них, согласно которым внешнее МП воздействует на свойства и связи собственно молекул воды: изменяется ориентация дипольных молекул воды, нарушается ориентация ядерных спинов водорода в молекулах воды, происходит перестройка молекулярных ассоциатов, т.е. происходят изменения в структуре воды и, как следствие, водной системы.

Во вторую группу гипотез входят те из них, которые объясняют эффект ЭМО воздействием внешних магнитных полей на практически всегда присутствующие в воде ионы растворённых веществ: происходит деформация и поляризация ионов, появляются ионные ассоциаты, изменяется траектория движения ионов под действием сил Лоренца и т.д., что, в конечном счёте изменяет структуру водной системы.

Третью группу составляют гипотезы, которые объясняют эффекты ЭМО водных систем результатом двух глубоко взаимосвязанных процессов воздействия внешнего магнитного поля на молекулы воды и их ассоциаты, а также на ионы растворённых веществ и их ассоциаты.

Четвёртая группа гипотез объединяет те, по которым эффекты ЭМО вызваны действием внешнего магнитного поля на тончайшие частицы микроскопических и субмикроскопических (коллоиды) размеров, находящихся в природной и технической воде веществ с ферромагнитными свойствами. Главное, что объединяет все эти гипотезы – это несомненность таких структурных изменений в водных системах под действием магнитных полей, которые сказываются на макросвойствах этих систем. Следует отметить, что большинство охваченных в обзоре работ посвящено скорее качественному определению эффектовЭМО и попыткам найти им применение в различных технологических процессах без строго теоретического обоснования. Об этом говорит хотя бы тот факт, что почти не проводились исследования с абсолютно чистой водой (с электропроводностью порядка 10^-8ом^-1•см^-1), ибо вода с электропроводностью 10^-8-10^-6 ом^-1см^-1 уже содержит достаточное количество примесей, чтобы рассматривать её как сложную водную систему, в которой не установлена до конца однозначная связь между структурными изменениями и макросвойствами. К тому же, состав примесей в этих случаях как правило не фиксировался, что неизбежно сказывалось на точности экспериментальных результатов.

Отсутствие строгого теоретического обоснования ЭМО водных систем и определённая противоречивость экспериментальных данных вызывает известное недоверие  не только у производственников, но и у некоторых учёных. Левич В.Г. (1966г.), рассматривая воду как термодинамически равновесную систему, подчёркивает низкое значение её магнитной восприимчивости (~10^-5 – 10^-6) ед.СГСМ), которая является количественной характеристикой изменения функции состояния системы при помещении её в МП. Основываясь на общих положениях статистической физики и термодинамики равновесных систем, автор считает, что вода не может «помнить» те возможные, но весьма малые изменения, которые могут произойти в ней под действием МП напряжённостью до нескольких десятков тысяч Гаусс.

Энергия водородных связей между молекулами воды (5 Ккал/моль) на несколько порядков превышает сообщаемую воде энергию магнитных полей с напряжённостью порядка 12000 Гаусс, что делает невозможным разрыв этих связей и изменение структуры воды. Кроме того, автор считает невозможным существование какого-либо механизма релаксации в воде со временем порядка секунд: по его мнению оно не превышает порядок 10-9сек. Присутствие примесей в воде мало способствует, по мнению Левича В.Г., возможности чёткого обнаружения эффектов ЭМО и значительно усложняет возможность теоретического расчёта этих эффектов.

Евдокимов В.Б. и Зубарев В.А. провели (1969г) исследование влияния однородного постоянного МП с напряжённостью 1000-2000 э на свойства чистой воды и установили (при точности результатов ±2% и на доверительном уровне 95%), что такого влияния нет. К таким же результатам пришли Соколов В.М. и Киргинцев А.Н. (1966г), которые, рассматривая чистую воду как термодинамически равновесную систему, считают невозможным изменение макросвойств воды (плотность, оптические свойства, теплоёмкость и др.) под действием внешнего МП с напряжённостью 8•10⁴ - 8•10⁵ А/м  (1000 – 10000 э).

Серьёзность этих высказываний заставила провести исследования для проверки ряда положений. Было проверено положение о термодинамической равновесности чистой воды. Установлено, что, по-крайней мере, дистиллят и бидистиллят не являются термодинамически равновесными системами, т.к. обнаружена их структурная релаксация. Сикорским Ю.А. и др. (1959г) показано, что у талой воды за счёт структурных изменений возможно увеличение времени релаксации на 12 порядков. Экспериментально показано, что диэлектрическая проницаемость свежей талой, ранее дистиллированной воды, выдержанной при температуре 0^οС±0,005^ο, самопроизвольно возрастает, достигая свойственного обычной воде значения лишь через 750 сек. Сходные данные в отношении магнитной восприимчивости получил  R.Cini (1962г). Миллер Э.В. и др. (1969г) установили, что свежесконденсированная дистиллированная вода имеет повышенную плотность, которая лишь в течение примерно 20 минут по мере увеличения степени ассоциации молекул воды падает до значения, свойственного обычной воде. Были проведены эксперименты. Дерягиным Б.В. и др. (1966, 1967 гг) были проведены эксперименты, показавшие возможность существования совершенно различных модификаций воды при одних и тех же температуре и давлении. Большое значение в этом плане имеют работы, в которых установлено изменение после ЭМО ИК-спектра поглощения воды в области частот, ответственных за структуру системы.Это временное изменение постепенно и самопроизвольно исчезает. Таким образом, можно говорить о термодинамической неравновесности воды, в частности, дистиллята.   

Несомненно большое значение имеет тот факт, что во всех случаях получения положительных результатов при ЭМО водных систем имело место протекание воды через зону МП. Действительно, при движении воды в МП меняется характер протекания в ней целого ряда процессов. В.К.Погодин, например, считает невозможным применение равновесной термодинамики в случае ЭМО. При наложении на движущуюся водную систему возникает направленное движение ионов (дрейф ионов) под действием сил Лоренца, которое накладывается на равновесное тепловое движение ионов и приводит к нарушению их равновесного распределения в системе, к их столкновениям, изменению энергетического уровня, образованию ионных ассоциатов, локальных флуктуаций концентрации и других медленно релаксирующих процессов. Возможно, именно неподвижность воды в процессе ЭМО у Левича Б.Г. и Евдокимова В.Б. с Зубаревым В.А. не позволила придти к положительной оценке возможности получения эффектов после ЭМО. Кстати, в своей более поздней работе Евдокимов В.Б. и Зубарев В.А. уточняют (1969г), что изменяющееся МП (при включении) несомненно вызывает в водопроводной воде, находящейся неподвижно в зоне МП, появление разницы в подвижности «броунирующих» частиц в направлениях вдоль и поперёк силовых линий МП, и при этом эта разница сохраняется в постоянном МП в течение значительного времени. Здесь же авторы отмечают зависимость результатов экспериментов от таких факторов, как вид освещения (электрический и солнечный свет), температура, рН.

Таким образом, использование методов равновесной термодинамики к процессам ЭМО водных систем находится под сомнением.  

3. О невоспроизводимости эффектов ЭМО водных систем.

В большинстве работ, посвящённых экспериментальному исследованию процесса ЭМО водных систем, авторы отмечают довольно высокую степень невоспроизводимости эффектов, которая объясняется и так называемыми внутренними причинами, связанными со свойствами самой воды, с параметрами процесса ЭМО и с качеством применяемых методик измерений, и внешними причинами, которые связаны с влиянием независящих от экспериментатора факторов, трудно поддающихся учёту. Такое обобщение было сделано В.И.Классеном (1971г) в Москве на семинаре «Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем».

 Суммируя, можно сказать, что невоспроизводимость эффектов ЭМО водных систем связано с тем, что:

• водная система является так называемой «открытой» системой, т.е. она является весьма чувствительной по отношению к внешней среде, с которой она обменивается энергией и веществом;
• имеется большое количество условий, которые требуют тщательного контроля и стабилизации в процессе эксперимента: напряжённость магнитного поля, градиент напряжённости (возможно, и пространственный, и временной), скорость перемещения обрабатываемой водной системы в МП, солевой состав и степень насыщения водной системы, её температура и другие характеристики, а также параметры внешней среды;
• существует отмечаемая большинством исследователей полиэкстремальная зависимость конечных результатов воздействия МП от ряда параметров: H, dH/dx, v  и солевого состава водной системы; 
• отмечается существование у воды признаков структурной памяти;
• отмечается ещё непознанное влияние таких факторов, как, например, геомагнитное поле Земли, солнечная активность, время года и даже атмосферные явления.

Естественно, что для получения истинных и хорошо воспроизводимых результатов в исследованиях по ЭМО водных систем необходимо учитывать все эти причины невоспроизводимости, принимая во внимание характер эксперимента, его цели и задачи. Важным является установленный факт, что в условий лабораторных исследований, особенно на воде высокой чистоты, явление невоспроизводимости имеет место в 25-30% экспериментов, в то время как в условиях производственных исследований и практического применения ЭМО, когда имеют дело с большими объёмами технической воды и растворов, явление невоспроизводимости почти исчезает.

Магнитная и электромагнитная обработка воды и водных растворов в наших технологиях 

1. Использование устройств с постоянными и электромагнитами для  снижения солеотложений в котельных, системах охлаждения различного оборудования и т.п.

Все существующие аппараты и устройства для осуществления омагничивания воды можно различать по нескольким признакам:

• по типу применяемых магнитов (постоянные и электромагниты);
• по количеству магнитных зон (от одной до нескольких десятков);
• по типу электромагнитов (С-образные, Ш-образные или соленоиды);
• по виду обрабатываемой водной системы (вода, раствор, суспензия, осадок, эмульсия);
• по форме потока обрабатываемой жидкости через зону омагничивания (прямолинейная, спиральная, турбулентная);
• по качественной характеристике создаваемого электромагнитами магнитного поля (постоянное, переменное, пульсирующее, вращающееся и т.п.).

2. Использование электромагнитных полей для интенсификации химических реакций при смешении сточных вод с реагентами.

Разработаны и используются два типа смесителей-реакторов гидроциклонного типа с омагничиванием, предназначенные для смешивания сточных вод с реагентами за счёт создания в аппарате высокой турбулентности при вращении жидкости вокруг оси аппарата и одновременном перемещении вдоль оси. Вращательное движение создаётся за счёт тангенциального ввода сточной воды в аппарат (гидроциклонный эффект).

С помощью соленоидных катушек, надетых на корпус аппарата, в нём создаётся продольное магнитное поле, направленное перпендикулярно вектору вращательной скорости жидкости, что вызывает дополнительную турбулентность потока, интенсификацию происходящих химических реакций и процессов коагуляции находящихся в потоке взвешенных частиц.

При необходимости введения в качестве коагулянта ионов  железа или алюминия (например, при обработке потоков, загрязнённых ионами меди, никеля, кадмия и содержащих недостаточное количество ионов железа) гидроциклонный смеситель может работать в режиме электрокоагуляции. В этом случае стальной корпус его является катодом, вставляемые вдоль оси трубка или стержень – растворимым анодом.

Смеситель рассчитан на рабочее давление 2,5•10⁵ Па. Максимальная рабочая производительность составляет 8,33•10^-3м³/с, время пребывания сточной воды в гидроциклоне при этом составляет 6,6 с (рабочий объём смесителя с учётом вставляемого цилиндрического электрода составляет 0,053 м³, без электрода – 0,0554 м³). Род тока – постоянный, допустимый ток – до 2,5 А, допустимое напряжение – до 12 В. Масса гидроциклона – 200 кг. Параметры магнитной системы не зависят от фактической производительности аппарата.

Второй гидроциклонный смеситель-реактор с омагничиванием конструктивно отличается от первого тем, что его корпус выполнен из полипропилена, сливной патрубок (отводящий) находится внутри корпуса и выходит не вверх, а вниз из смесителя.

Вода, проходя через гидроциклонный смеситель, пересекает магнитные силовые линии, направленные вдоль оси смесителя, сначала в восходящем вращательном движении, затем в нисходящем, тоже вращательном ( в сливной вставке). Максимальная рабочая производительность этого смесителя такая же, как и у металлического (8,33•10-3м3/с). Время пребывания сточной воды в гидроциклоне –т2,9с. Смеситель рассчитан на максимальное рабочее давление 2,5•105 Па. Род тока – постоянный, допустимый ток в катушке – до 30А, допустимое напряжение – до 210В, масса обмотки – 156 кг, общая масса гидроциклона – 200 кг.

3. Использование электромагнитных полей для интенсификации ионообменных методов очистки сточных вод 

На основании собственных исследований, а также результатов исследований ряда других организаций (институт КАЗМЕХАНОБР, Алма-Ата, Томский Университет, ХИИКС УССР, Институт химии воды АН УССР и др. ) по интенсификации ионообменных процессов при деминерализации природных и очистке промышленных сточных вод с помощью магнитных и электромагнитных полей используем омагничивание потоков перед ионообменными колоннами, омагничивание ионообменных смол в колонне на стадиях  сорбции, регенерации и отмывки регенерированных смол. Это позволяет увеличить динамическую обменную ёмкость ионитов в пределах 10 – 15%, производительность ионообменных узлов на 15 – 20%, увеличить продолжительность фильтроциклов, сэкономить время на регенерацию смол и уменьшить объёмы  вод при отмывке ионитов.

Для предварительного омагничивания воды перед ионообменными колоннами можно и удобно использовать один из приведённых в п.2 смесителей-реакторов гидроциклонного типа с омагничиванием. Для омагничивания ионитов внутри колонн при рабочей фильтрации, регенерации и отмывке регенерированных ионитов следует рассчитывать и изготавливать специальные соленоиды. 

4. Интенсификация электродных процессов полиградиентными магнитными полями

Сотрудниками ООО «НПФ АКВАПРОМ» разработана и используется  в практике электрохимической обработки сточных вод и концентрированных отработанных технологических растворов технология интенсификации электродных процессов ( как катодных, так и анодных) за счёт наложения полиградиентных магнитных полей на приэлектродные слои. Эффект интенсификации основан на том, что при наложении полиградиентного поля на приэлектродный слой электролита приводит к возникновению множества макро- и микровихревых конвекционных потоков вдоль поверхности электрода, что приводит к снижению концентрационных и других видов поляризаций, возникающих из-за диффузной кинетики электродных процессов и тормозящих электродные окислительно-восстановительные процессы.

Преимущество полиградиентного неоднородного магнитного поля перед однородным основано на том, что интенсивность циркуляции помещённого в скрещённые электрическое и магнитное поля  электропроводного раствора под действием объёмной  силы Лоренца определяется степенью неоднородности одного из этих полей.

Полиградиентные магнитные поля в приэлектродных зонах создаются путём спаривания электродов, на которых течение окислительно-восстановительных реакций тормозится наличием того или иного вида поляризации (например, пассивацией анодов в электрокоагуляторах) с ферритовыми пластинами, в которых в результате предварительного намагничивания созданы чередующиеся магнитные и немагнитные зоны (в виде квадратов, кругов и т.п.).

Намагниченные пластины должны быть размещены вне межэлектродных пространств.

Для различных электрохимических процессов обработки сточных вод и отработанных растворов экспериментально установлены оптимальные напряжённости полиградиентных полей и градиенты напряжённости между магнитными зонами.

На рис.1 приведён один из примеров использования электролизёра с вращающимися катодами для извлечения цветных металлов (кадмия, меди, цинка) из отработанных технологических растворов с наложением на прикатодные зоны полиградиентных магнитных полей.

5. Высокоградиентная магнитная сепарация (ВГМС) и фильтрация (ВГМФ)

Если ввести частицу магнитного вещества в однородное магнитное поле, то силы магнитного поля, действующие на два полюса этой частицы, по абсолютному значению будут равны, а по направлению противоположны. Результирующая сила будет равна нулю.

Если магнитное поле не является пространственно однородным (т.е. существует градиент напряжённости магнитного поля), результирующая сил, действующих на частицу, не будет равна нулю.

Величина магнитной результирующей силы притяжения, воздействующей на частицу в неоднородном магнитном поле, пропорциональна трём величинам: намагниченности частицы М в поле, объёму частицы V и градиенту (перепаду) магнитного поля grad H:

                                          F_m = M ● V ● grad H    

Для того, чтобы отделить магнитную частицу от потока, необходимо на эту частицу наложить достаточную магнитную силу Fm, величина которой должна быть больше физической результирующей двух сил – силы лобового гидродинамического сопротивления F_d и силы тяжести частицы F_g, т.е.  F_m > F_d + F_g.  В этом неравенстве F_d = 6πηrV0  и  F_g = ρgV,  

               где         ρ  -   плотность частицы,

                            g  -   ускорение силы тяжести, 

                            V₀ -   скорость потока жидкости, 

                            η   -   вязкость жидкости, 

                            r    -   радиус частицы              

Эффект, обеспечиваемый высоким градиентом магнитного поля, визуально виден при погружении постоянного магнита в железные опилки – огромная масса опилок прилипает к острым рёбрам магнита, где разница в плотности магнитного потока наибольшая.

Налачие такого эффекта означает, что в фильтрационную зону магнитного фильтра должна быть помещена такая загрузка (ферромагнитная матрица), которая обеспечит высокую степень неоднородности поля, т.е. высокие значения градиента напряжённости.

Имеется целый ряд способов получения высоких градиентов магнитного поля в рабочем пространстве магнита – матрицы шарообразные, стержневые, решётчатые, из стальных волокон. Эти тела создают при намагничивании непосредственно вблизи себя градиенты магнитного поля, которые пропорциональны линейным размерам элементов матрицы. Можно записать приблизительное равенство:  grad H̅ = M̅/2r. 

Для каждого случая промышленного применения ВГМФ должен выбираться свой тип ферромагнитной матрицы в соответствии с поставленными задачами. Например, при обогащении парамагнитных железных руд требования к величине намагничивающей силы не очень значительны и при эксплуатационной величине магнитной индукции около 0,5-1,0 Тесла для создания полиградиентного поля используются стержни или цельнотянутые решётки с миллиметровыми размерамиэлементов матрицы.

При очистке каолина от двуокиси титана и окислов железа предъявляются высокие требования к величинам как магнитной индукции, так и градиента напряжённости, поэтому матрица создаётся из стальных волокон.    

С начала семидесятых годов прошлого века начались исследования и внедрения высокоградиентных фильтров и сепараторов (ВГМС) в области очистки сточных вод (в США, Швеции, Чехословакии, Китае), первоначально для очистки стоков сталелитейных и сталепрокатных производств.

До появления технологии высокоградиентной магнитной сепарации можно было сепарировать материалы, содержащие один–три сильномагнитных элемента – железо, никель, кобальт. Сегодня с помощью мощных высокоградиентных сепараторов можно сепарировать 55 слабомагнитных элементов таблицы Менделеева, находящихся в бесчисленных количествах соединений.

Очистка природной воды и сточных вод с помощью ВГМС делится на 2 категории: «прямое» фильтрование и «непрямое» или «допинговое» фильтрование.

В первом случае вещества, подлежащие удалению, являются ферромагнитными или парамагнитными и могут быть непосредственно задержаны намагниченной матрицей сепаратора.

Во втором случае удаляемые частицы являются немагнитными (диамагнитными) и должны быть предварительно обработаны для превращения их в агрегаты, обладающие магнитными свойствами.

«Прямое» фильтрование используется в очистке сточных вод от производства стали и проката, от механической обработки металлов, при подпитке котлов и тонкой очистке конденсата.               Первое успешное внедрение в производство ВГМС с «прямым» фильтрованием было осуществлено в Японии фирмой Кавасаки Стил Корпорейшн для очистки отмывочных вод сталелитейных цехов. Вода с загрязнениями в основном в виде окислов железа и марганца с размерами зёрен 5-20 мкм очищалась в сепараторе диаметром 2,1м. При величине матричной индукции 0,3 Тл, скорости фильтрования 270 м/ч и производительности 900 м³/ч сепаратор снижал концентрацию взвеси со 100 мг/л до 20 мг/л и менее.

Уже в 1978г на тепловых и атомных электростанциях в эксплуатации находилось около 50 электромагнитных фильтров, предназначенных для очистки воды от ферромагнитных продуктов коррозии. 

Большой объём теоретических, исследовательских и конструкторских работ по разработке и внедрению высокоэффективных ВГМС для удаления из воды ферромагнитных частиц был выполнен в 70-80-е годы в СССР в Ровненском институте инженеров водного хозяйства (А.В.Сандуляк, В.И.Гаращенко).

Особое направление применения ВГМС представляет очистка сточных вод (в том числе хозбытовых самостоятельно или в сочетании с ливневыми), природных подземных и поверхностных вод от немагнитных загрязнений, т.е. «допинговое» фильтрование.Громадный объём исследований по очистке хозбытовых сточных вод раздельно и в сочетании с ливневыми водами методом «допингового высокоградиентного магнитного фильтрования был выполнен в 70-е годы сотрудниками фирмы Sala Magnetics (США, Массачусетс). При этом взвешенные вещества удалялись на 95-98%, БПК₅ - на 98%, ХПК – на 75-85%, цветность – на 92,8% в среднем (с 600-800 до 41-53 PCU), мутность – на 88-93%, водоросли – на 99,9%, вирусы (бактериофаги) – на 100%, вирусы полиомиэлита) – на 99-100%, коли-бактерии – на 99,9%.

Установлено, что 100%-ное удаление бактерий Escherichia Coli в ВГМС достигается при величине магнитной индукции В=0,1 Тл и концентрации магнетита 300-500 мг/л.

Сотрудниками НПФ Аквапром на основе анализа приведённых выше данных и патентных исследований был проведён цикл экспериментов на лабораторной установке, схема которой приведена ниже.

В установке использовался электромагнитный фильтр соленоидного типа с объёмом камеры фильтрования 200 мл.

Программой исследований было изучение поведения природного и искусственно полученного из отработанных травильных растворов магнетита, который является, как следует из вышеописанного, основой, обеспечивающей эффект извлечения любых видов немагнитных загрязнений из сточных и природных вод. Особое внимание было уделено совместному поведению обоих видов магнетита в диапазоне концентраций 50-100 мг/л с сернокислым алюминием (30-250 мг/л) при рН 6-8, а также указанных смесей с добавками флокулянтов. Изучение проводилось при напряжённостях магнитного поля в диапазоне 70-130 кА/м и скоростях фильтрования 50-300 м/ч. Наполненность матричного пространства ферромагнитной загрузкой в экспериментах составляла 3, 5, 10 и 20%. Варьировался и диаметр проволоки магнитной матрицы. Результаты проведённых экспериментов подтвердили высокий эффект задержания агрегатированных комплексов магнетита (как природного, так и искусственно полученного) с коагулянтом и флокулянтом и, тем самым, перспективность использования метода ВГМС с учётом высокой удельной производительности.  

На основе принципа ВГМС в ООО «НПФ АКВАПРОМ» разработаны и испытаны в промышленных условиях в схемах ферритной технологии обработки сточных вод цеха гальванопокрытий два аппарата – высокоградиентный магнитный сепаратор барабанного типа с использованием постоянных магнитов для отделения ферритов тяжёлых металлов от воды (ВГМС-М)  и высокоградиентный магнитный фильтр соленоидного типа с ферромагнитной матрицей для глубокой доочистки сточной воды от остатков ферритов и гидроксидов тяжёлых металлов, а также нефтепродуктов (ВГМФ-М). Фотографии обоих аппаратов в промышленных условиях показаны на рис. 5.1 и 5.2.

6. Обессоливание воды с использованием магнитных полей  

Большую роль в процессе ЭМО водных растворов играют силы Лоренца, непосредственно действующие на движущиеся во внешнем постоянном МП заряженные частицы – ионы:

                     F̅_л = q • (V̅ • H̅) = q • v • H • cosϕ,

где               F̅_л    -  сила Лоренца,

                    q     -  заряд частицы (иона),

                    V̅  -   скорость движения заряженной частицы,

                    H̅   -   напряжённость внешнего МП,

                    ϕ   -   угол между векторами V̅ и H̅   

В случае соленоидального постоянного и однородного магнитного поля заряженная частица осуществляет под действием силы Лоренца движение по винтовой линии, складывающееся из перемещения частицы вдоль направления МП и равномерного вращения по Ларморовой окружности в плоскости, перпендикулярной направлению МП.

Направление движения частицы определяется знаком заряда частицы, а траектория движения – углом между векторами V̅ и H̅. В случае  V̅_┴H̅ сила Лоренца максимальна и определяется правилом левой руки (см.рис.6.1):

Рис. 6.1   

При движении электролита в соленоидальном постоянном магнитном поле разноимённые ионы, испытывая отклоняющее действие сил Лоренца, совершают встречные вращательные движения, благодаря чему в электролите возникают многочисленные локальные изменения концентрации растворённого вещества и появляются предпосылки для возникновения центров кристаллизации солей и ионных ассоциатов. Одновременно появляются возможности для ускорения химических реакций во всей массе электролита.

Если же движение электролита происходит в поперечном магнитном поле, то может в принципе иметь место так называемое явление разгонки разноимённых ионов в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной векторам V̅ и H̅.  В таком случае в середине потока в зоне действия магнитного поля образуется зона относительно чистой воды, а в плоскости отклонения ионов поперечно потоку электролита возникает ЭДС (см. рис. 6.2).

 Рис. 6.2 

Такое явление может служить основой для создания аппаратов, обессоливающих растворы с использованием МП.  В 1968 – 1985 гг  по рассматриваемому предмету было выдано 5 патентов и авторских свидетельств. С их содержанием и анализом можно ознакомиться в приведённой ниже статье Е.Г.Ризо.

Е.Г.Ризо. «ОЦЕНКА РЕАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД. ЧАСТЬ 2». «Вода и экология: проблемы и решения»,- 2003, №4, с.46-54.