Международный конкурс научно-технических работ школьников «Старт в науку» _______________________________________________________
Тема: Влияние минерализации, температуры и магнитного поля
на электропроводность воды
Автор: Бирюков Валентин, Зверьков Евгений
Научный руководитель:
Место выполнения работы: Оренбургский Государственный Университет
2012-2013
Актуальность темы.
Вода, пожалуй, самое удивительное и, несомненно, самое важное для жизни вещество на Земле. Она обладает рядом свойств, резко отличающих её от других жидкостей, и представляет собой еще не расшифрованную, чрезвычайно гибкую и изменчивую структуру, зависящую от малейших изменений давления, температуры, примесей и разнообразных энергетических полей [1-9].
Молекулы воды имеют очень простую ассиметричную структуру (см. рисунок 1), благодаря которой обладают высоким дипольным моментом. Это определяет высокую диэлектрическую проницаемость воды и способность растворять и диссоциировать многие вещества. В ней в растворенном виде могут присутствовать чуть ли не все элементы периодической таблицы Менделеева.
Рис. 1. Строение молекулы воды и водородные связи между молекулами
воды (обозначены пунктиром).
Наличие низкоэнергетических водородных связей между молекулами воды определяет её чувствительность к внешним воздействиям [3]. В связи с этим воде приписывают различные интересные, и даже удивительные свойства, приобретаемые её в результате воздействия звуковых волн (тексты, музыка, ультразвук и т. п.), электромагнитных полей, низких температур, давлений и т. д.
На протяжении многих веков эффекты энергоинформационных воздействий на воду и системы содержащие воду использовали и продолжают использовать в настоящее время, в том числе в различных оккультных, парапсихологических и магических методах, таких как лечение различных заболеваний "заряженной" водой, избавление от алкогольной зависимости, наведение порчи, приворот и т. п.
В частности, опубликовано множество статей о магнитной обработке воды и использовании «омагниченной» воды в энергетике, строительстве, сельском хозяйстве, медицине [9]. Однако до настоящего времени отсутствуют теоретически и экспериментально обоснованные модели и механизмы объясняющие кратковременные и долговременные эффекты энергоинформационных воздействий на воду.
В связи с этим представляет большой интерес выяснение реальности подобного рода явлений, их механизма и связи со структурой и свойствами воды, а также влияния на воду и водные системы электромагнитных полей и других внешних факторов, не связанных непосредственно с изменением химического состава воды и водных растворов.
Следует помнить о том, что подготовка воды к использованию (водоподготовка) – очень важная сфера народного хозяйства с много миллиардными оборотами и прибылями, в которой задействовано большое количество серьезных и ответственных фирм. При разнообразном использовании воды весьма важно иметь представление о степени её минерализации, наличии тех или иных примесей, её структурном состоянии.
Оценка качества воды перед употреблением представляет достаточно сложную и трудоёмкую проблему, которая на практике решается, как правило, лишь частично и эпизодически. Многие индивидуальные потребители воды часто не имеют ни малейшего представления о её составе, о том полезна она или вредна для организма, как улучшить её качество. Особенно это касается воды, которая поступает в наши квартиры по старым изношенным трубам.
Поэтому систематическое изучение физических параметров воды (электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости, вязкости и поверхностного натяжения и т. п.) в зависимости от различного рода примесей и воздействий может развеять многие сомнительные представления об удивительных свойствах воды, а также привести к разработке системы экономичного непрерывного мониторинга качества воды на основе непрерывного контроля её физических параметров.
Такие исследования могут также привести к созданию новых более эффективных и экономичных методов очистки воды.
Физические параметры воды весьма чувствительны к степени минерализации, примесям и внешним воздействиям, но в наибольшей степени последние влияют на электрическое сопротивление. Если идеально чистая вода является диэлектриком, то реальная вода благодаря растворенным в ней веществам, достаточно хорошо проводит электрический ток. Причем электропроводность воды в зависимости от характера и концентрации примесей, температуры, атмосферного давления может меняться в сотни и тысячи раз.
В связи с этим электропроводность воды может служить удобным параметром для изучения изменений состояния воды, в частности, степени её загрязнения, минерализации, магнитной обработки и т. п. Но для этого необходимо детальное систематическое исследование зависимостей электропроводности разных видов воды от параметров внешней среды, в том числе от температуры, атмосферного давления, электромагнитных полей.
Цель исследования: изучение электропроводности воды в зависимости от степени минерализации, температуры и магнитной обработки.
Задачи исследования:
– выявить характер влияния различных примесей на электропроводность воды (солей, газов, металлов);
– изучить влияние температуры на электропроводность различных видов воды;
– определить характер изменения электропроводности под влиянием градиентного магнитного поля.
Научная новизна проводимых исследований заключается в сравнительном комплексном изучении электропроводности различных видов воды.
Методика исследования
Температура и удельная электропроводность воды измерялись с помощью кондуктометра СОМ 100 (рис.17). Погрешность измерения температуры составляла ± 0,1 оС, а удельной электропроводности ± 2% (диапазон измерений 0 – 9990 мкСм/см). Температурная зависимость удельной электропроводности снималась во всех случаях в «динамическом» режиме, то есть измерения проводились при непрерывном изменении температуры.
Выборочно контрольные измерения электропроводности осуществлялись по классической схеме с использованием многопредельного вольтметра и миллиамперметра магнитоэлектрической системы класса точности 0,2 (рис. 18).
Магнитная обработка воды проводилась в слабо неоднородном магнитном поле, которое создавалось двумя пластинами постоянных магнитов SmCo5. Исследуемая вода размещалась в кювете между пластинами и выдерживалась в магнитном поле определенное время. Изменения электропроводности фиксировались в зависимости от времени выдержки в магнитном поле.
Горизонтально направленное магнитное поле в центре между пластинами (т. е. в центре кюветы) составляло 40 мТл и у поверхности пластин (у края кюветы) – 60 мТл. Градиент поля по горизонтали составлял 0,5 мТл/мм. Градиент магнитного поля по вертикали в области нахождения исследуемой воды был близок к нулю.
Измерения магнитного поля осуществлялись измерителем магнитной индукции «Актаком АТЕ–8702». Погрешность измерения магнитной индукции составляла ± 5% (см. рис. 19).
Рис. 17. Кондуктометр для измерения электропроводности и
температуры воды.
Рис. 18. Установка по измерению электропроводности воды.
Рис. 19. Измеритель магнитной индукции (Актаком АТЕ-8702).
Объектами исследования были выбраны различные виды воды, представленные в таблице 1.
Таблица 1.
№ пп | Вид воды | Примечание |
1 | Дистиллированная | Используемая в аккумуляторных батареях |
2 | Обессоленная | Получена из химической лаборатории Сакмарской ТЭЦ |
3 | Водопроводная | Из водопровода центрального района г. Оренбурга |
4 | Водопроводная (ржавая) | Из водопровода центрального района г. Оренбурга (после временного отключения водоснабжения) |
5 | Из водозабора | Центрального района г. Оренбурга |
6 | «Живая вода» | Из торговой сети (не газированная) |
7 | «Живая вода» (газированная) | Из торговой сети |
8 | «Аква минерале» (газированная) | Из торговой сети |
9 | Минеральная вода «Хрустальный колодец» | Из торговой сети (не газированная) |
10 | Минеральная вода «Архыз» | Из торговой сети (не газированная) |
11 | Артезианская | Из артезианской скважины пос.. Кушкуль (высокая степень минерализации) |
12 | Из нефтяной скважины | Из отработанной нефтяной скважины (пос. Пономаревка Оренбургской области) |
13 | «Святая» | Вода, освященная в храме |
14 | Растворы NaCl, KCl и H2SO4 в дистиллированной воде |
Результаты исследования
Результаты измерения удельной электропроводности выбранных видов воды при комнатной температуре и разном атмосферном давлении приведены в таблицах 2, 3 и 4.
Таблица 2.
Удельная электропроводность различных видов воды
при температуре 24,5оС и атмосферном давлении 766 мм рт. ст.
№ пп | Вода | Электропроводность, мкСм/см | Примечание |
1 | Дистиллированная | 3,1 – 7,9 | В зависимости от изготовителя |
2 | Обессоленная | 20 – 30 | – «» – |
3 | Водопроводная | 820 – 840 | Центральный район г. Оренбурга |
4 | Водопроводная ржавая | 860 – 890 | Центральный район г. Оренбурга |
5 | Из водозабора | 830 | г. Оренбурга |
6 | «Живая вода» | 480 | |
7 | «Живая вода» (газированная) | 385 | |
8 | Питьевая «Аква минерале» (газированная) | 85 | |
9 | Питьевая «Хрустальный колодец» | 650 | |
10 | Питьевая, «Архыз» | 288 | |
11 | Артезианская | 3920 | пос. Кушкуль |
12 | Из отработанной нефтяной скважины | 3070 | пос. Пономаревка Оренбургской области |
13 | «Святая» | 1630 | Вода, освященная в храме |
14 | Раствор NaCl (3%) в дистиллированной воде | 7060 | |
15 | Раствор NaCl (2%) в дистиллированной воде | 4500 | |
16 | Раствор NaCl (1%) в дистиллированной воде | 2250 | |
17 | Раствор NaCl (0,5%) в дистиллированной воде | 1180 | |
18 | Раствор NaCl (0,25%) в дистиллированной воде | 620 |
Из данных приведенных в таблицах 2, 3 и 4 можно сделать следующие качественные выводы:
1. В наибольшей степени увеличивает электропроводность воды растворение солей.
2. Примеси железа незначительно увеличивают электропроводность воды.
3. Понижение атмосферного давления приводит к повышению электропроводности воды.
4. Степень очистки разных видов питьевой воды реализуемой в торговой сети сильно зависит от производителя.
5. Степень очистки водопроводной воды оставляет желать лучшего.
6. Электропроводность питьевой воды может изменяться более чем на порядок.
Таблица 3.
Удельная электропроводность различных видов воды
при температуре 24,5оС и атмосферном давлении 766 и 750 мм рт. ст.
№ пп | Вода | Электропроводность мкСм/см 766 мм рт. ст. | Электропроводность мкСм/см 750 мм рт. ст. |
1 | Дистиллированная | 2,9 | 3,9 |
2 | Обессоленная | 22 | 37 |
4 | Водопроводная ржавая | 884 | 935 |
5 | Из водозабора | 965 | 1360 |
11 | Артезианская | 3920 | 4400 |
14 | Раствор NaCl (3%) в дистиллированной воде | 7060 | 7590 |
Таблица 4.
Удельная электропроводность (в мкСм/см) растворов солей
в дистиллированной воде при температуре 24,5оС и
атмосферном давлении 766 мм рт. ст.
Раствор | 2% | 1% | 0,5% | 0,25% |
NaCl | 4500 | 2250 | 1180 | 620 |
KCl | 12910 | 6390 | 3500 | 1750 |
Na2SO4 | 4060 | 2000 | 1150 | 580 |
На рис. 2 показана температурная зависимость удельной электропроводности дистиллированной воды в цикле «нагрев – охлаждение».
Уменьшение электропроводности с повышением температуры примерно от 18оС качественно соответствует аналогичным зависимостям для проводников, но в отличие от последних [10], имеет нелинейный характер.
При понижении температуры примерно от 18оС наблюдается слабое уменьшение удельной электропроводности. Более ярко понижение электропроводности при низких температурах наблюдается при охлаждении обессоленной и артезианской воды (см. рис. 3 и рис. 4).
Рис. 2. Температурная зависимость удельной электропроводности
дистиллированной воды (нагрев – охлаждение)
Сходный с представленным на рис. 2 немонотонный характер изменения электропроводности в зависимости от температуры наблюдался нами для всех исследованных видов воды.
Рис. 3. Температурная зависимость удельной электропроводности обессоленной воды при охлаждении.
Рис. 4. Температурная зависимость удельной электропроводности артезианской воды при охлаждении.
Зависимость электропроводности 0,5% растворов Na2SO4, KCl и NaCl в дистиллированной воде от температуры представлена в Приложении 1 (таблицы 6 и 7).
Уменьшение электропроводности воды при низких температурах можно связывать:
- с увеличением плотности воды;
- с повышением концентрации растворенных в воде газов.
Результаты измерения электропроводности воды при разном атмосферном давлении (см. таблицу 3) показывают уменьшение её электропроводности с ростом атмосферного давления, т. е. с ростом концентрации газа в воде.
В области низких температур резко увеличивается растворимость газов в воде, особенно кислорода (см. рис. 5), т. е. растет концентрация растворенных газов в воде. Это позволяет связать уменьшение электропроводности воды при низких температурах с повышением концентрации растворенных в воде газов.
Рис. 5. Зависимость растворимости некоторых газов в воде
от температуры [2].
Для подтверждения этого вывода было проведено исследование изменения электропроводности газированной воды «Аква минерале» от времени выдержки на воздухе (т. е. в процессе выделения газа из воды).
На рис. 6 показана зависимость электропроводности газированной воды «Аква минерале» от времени выдержки на воздухе.
Рис. 6. Зависимость удельной электропроводности питьевой воды
«Аква минерале» от времени выдержки на воздухе (пунктиром показан тренд изменения удельной электропроводности).
Как видно из зависимости, представленной на рисунке 6, быстрый рост электропроводности, связанный с выделение углекислого газа, происходит в первые 10 – 15 минут. Скачки электропроводности обусловлены по нашему мнению оседанием на электродах кондуктометра пузырьков газа.
Влияние растворенного в воде газа на её электропроводность можно видеть на примере газированной и не газированной «живой воды» (см. таблицу 2), а также на температурной зависимости электропроводности газированной «живой воды» (см. рис.7).
Из рисунка 7 видно, что максимум электропроводности смещается в область более высоких температур. При нагревании от комнатной температуры электропроводность растет, что можно объяснить выделением из неё газа. И только при температурах выше 40оС происходит падение электропроводности. Это падение электропроводности с ростом температуры можно объяснить усилением влияния теплового движения молекул воды, препятствующего направленному перемещению ионов, растворенных в воде.
В результате нагрева и последующего охлаждения электропроводность воды возрастает вследствие её дегазации.
Рис. 7. Температурная зависимость электропроводности газированной «живой воды» (нагрев и охлаждение)
На рисунках 8 и 9 представлены зависимости удельной электропроводности от температуры водопроводной воды и питьевой воды «Хрустальный колодец», соответственно.
Рис. 8. Температурная зависимость электропроводности водопроводной воды (центральный район г. Оренбурга)
Рис. 9. Температурная зависимость электропроводности воды
«Хрустальный колодец»
В результате нагрева концентрация газов в воде уменьшается и при охлаждении восстанавливается постепенно. Поэтому кривая зависимости электропроводности при охлаждении идет несколько выше, чем при нагреве.
На рис. 10 показана зависимость электропроводности артезианской воды при охлаждении и последующем нагреве после заморозки.
Рис. 10. Зависимость удельной электропроводности артезианской воды при охлаждении и последующем нагреве после заморозки
(пунктиром показана область температур, при которых в воде содержался лед).
Резкий скачок электропроводности при температурах (1 – 2) оС, видимо связан с тем, что в процессе таянья льда, газ из него выделяется в воздух, а в воде находится незначительная концентрация газа.
Для сравнения на рис. 11 показано изменение электропроводности «святой» воды при охлаждении и последующем нагреве, но без замораживания.
Рис. 11. Зависимость удельной электропроводности «святой» воды
при охлаждении и последующем нагреве (без заморозки воды)
Таблица 6.
Зависимость электропроводности ( мкСм/см) 0,5% растворов Na2SO4, KCl и NaCl в дистиллированной воде от температуры при охлаждении.
25˚C | 30˚C | 40˚C | 50˚C | 60˚C | 70˚C | 71,7˚C | |
KCl | 3500 | 3400 | 2970 | 1140 | 630 | 72 | 0 |
NaCl | 1220 | 1200 | 1110 | 887 | 520 | 95 | 0 |
Na2SO4 | 1150 | 1100 | 1020 | 743 | 443 | 56 | 0 |
Таблица 7.
Зависимость электропроводности ( мкСм/см) 0,5% растворов Na2SO4, KCl и NaCl в дистиллированной воде от температуры при нагревании.
T, оC | Na2SO4 | KCl | NaCl |
0 | 908 | 2800 | 923 |
2 | 990 | 2920 | 971 |
4 | 1040 | 3030 | 1010 |
6 | 1090 | 3300 | 1030 |
8 | 1150 | 3400 | 1080 |
10 | 1180 | 3600 | 1090 |
12 | 1200 | 3700 | 1150 |
14 | 1220 | 3720 | 1150 |
16 | 1230 | 3750 | 1150 |
18 | 1260 | 3760 | 1230 |
20 | 1250 | 3800 | 1290 |
22 | 1260 | 3760 | 1250 |
24 | 1280 | 3750 | 1220 |
На рис. 12 приведена зависимость электропроводности ржавой воды от времени выдержки в магнитном поле.
Рис. 12. Зависимость удельной электропроводности ржавой воды от времени выдержки в магнитном поле
Изменение электропроводности воды в магнитном поле можно связывать с:
- изменением структуры воды;
- изменением структуры примесей;
- изменением концентрации газов в воде.
На рис. 13 и 14 показаны аналогичные изменения со временем электропроводности в магнитном поле воды из водозабора и водопроводной, соответственно. Также как и в случае ржавой воды, наблюдается медленный рост электропроводности в течении 2,5 – 4,5 часов.
Инерционность изменения электропроводности воды в слабых магнитных полях отмечалась в работе [11]. Она свидетельствует в пользу изменения структуры примесей или изменения концентрации газов в воде.
Согласно работе [3] электромагнитные поля способствуют росту, коалесценции и всплытию нанопузырьков из растворенного в воде воздуха, что приводит к дегазации воды. В работе [5] приходят к выводу о том, что под действием магнитного поля ферромагнитные коллоидные частицы намагничиваются и увеличиваются до размеров, позволяющих им становиться центрами кристаллизации. Этот процесс тоже может вызывать рост электропроводности если в центрах кристаллизации собираются нанопузырьки воздуха.
Водопроводная вода, вода из водозабора и ржавая вода содержат достаточно много железа (см. таблицу 5), поэтому изменение электропроводности воды можно связывать с её дегазацией в результате воздействия магнитного поля на примеси железа.
Рис. 13. Зависимость удельной электропроводности воды из водозабора от времени выдержки в магнитном поле
Рис. 14. Зависимость удельной электропроводности водопроводной воды от времени выдержки в магнитном поле
Таблица 5.
Содержание железа в отдельных видах воды
(было определено в химической лаборатории Сакмарской ТЭЦ)
Вода | Содержание Fe мг/дм³ |
Обессоленная | 0,08 |
Водопроводная (центральный район) | 0,154 |
Водозабор | 0,294 |
Ржавая | 3,28 |
В работе [13] было установлено, что в результате выдержки воды в градиентном магнитном поле её прозрачность увеличивается, что также свидетельствует в пользу коагуляции примесей в воде.
Для уточнения этого предположения было проведено исследование раствора NaCl (3%) в дистиллированной воде. На рис. 15 Приведена температурная зависимость удельной электропроводности этого раствора.
Рис. 15. Температурная зависимость удельной электропроводности раствора NaCl (3%) в дистиллированной воде
Затем после охлаждения раствора до 23оС его поместили в магнитное поле. На рис. 16 показана зависимость удельной электропроводности от времени выдержки в магнитном поле.
Результаты исследования удельной электропроводности раствора NaCl (3%) в дистиллированной воде свидетельствует о том, что воздействие градиентного магнитного поля сохраняется и при отсутствии заметного количества примесей железа.
В то же время заметного изменения электропроводности дистиллированной воды при выдержке в магнитном поле не наблюдается.
Рис. 16. Зависимость удельной электропроводности раствора NaCl (3%) в дистиллированной воде от времени выдержки в магнитном поле
Можно предполагать, что рост электропроводности воды в магнитном поле происходит благодаря её частичной дегазации или коагуляции примесей. Учитывая необратимый рост электропроводности воды в магнитном поле, его следует связывать с коагуляцией примесей.
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Вода, используемая нами, как правило, является достаточно хорошим проводником.
2. Удельная электропроводность реальной воды в отличие от обычных проводников имеет немонотонную зависимость от температуры с максимумом при (18 ± 4) оС.
3. Немонотонная зависимость удельной электропроводности воды от температуры обусловлена изменением растворимости газов в воде. При низких температурах уменьшение электропроводности связано с повышением концентрации растворенных газов. Уменьшение электропроводности воды при высоких температурах определяется влиянием теплового движения молекул воды, затрудняющего упорядоченное движение ионов.
4. Величина удельной электропроводности воды является хорошим индикатором степени её очистки от различных примесей.
5. Градиентное магнитное поле вызывает коагуляцию примесей, что приводит к повышение её удельной электропроводности.
6. Для выявления механизма воздействия магнитного поля на различные виды воды требуются дополнительные систематические исследования в условиях постоянства температуры и давления газов.
Следующим этапом наших исследований предполагается изучение вязкости, поверхностного натяжения, диэлектрической и магнитной проницаемости различных видов воды в зависимости от температуры, атмосферного давления, магнитного поля. Это позволит нам получить более полное представление о влиянии примесей и внешних факторов на свойства воды и оценить потенциальные возможности и целесообразность магнитной обработки воды.
Список использованной литературы
1. Ввозная, воды и микробиология / . – М.: Высшая школа, 1979. – 340 с.
2. Аликберова, свойства растворов / , . – М.: МИТХТ, 2012.
3. Шаталов, биожидкостей как механизм биологического действия слабых электромагнитных полей / // Біофізичний вісник. – 2009. – Вип. 23 (2). – С. 92–99.
4. Букатый, физико-химических характеристик воды при различных физических воздействиях с учетом переходных процессов / , // Ползуновский вестник. – 2010. – № 2. – С. 60-64.
5. Маленков, и динамика жидкой воды / // Журнал структурной химии. – 2006. – Т. 47. – С. 5-35.
6. Саркисов, модели воды / . // Успехи физических наук. – 2006. – Т.176, №8. – С. 833-845.
7. Акопян, удельной электропроводности воды при воздействии постоянного магнитного поля, электромагнитного поля и низкочастотных механических колебаний / , . – Биофизика. – 2005. – Т. 50. – Вып. 2. – С. 265-269.
8. Бецкий, свойства воды в слабых электромагнитных полях / , , . // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2003. – №1. – С. 37-44.
9. Очков, обработка воды: история и современное состояние / . – Энергосбережения и водоподготовка. – 2006, № 2.
10. Кабардин, : Справочные материалы / . – М.: Просвещение, 1991. – 367 с.
11. Санкин, изменения электропроводности в слабых постоянных магнитных полях / , // ЖТФ. – 2000. – Т. 70, вып. 3. – С. 64-65.
12. Кабардин : Справочные материалы: Учеб. Пособие для учащихся. – 3-е изд. - М, Просвещение 1991. – 367с.: ил. - ISBN 5-09-003008-1.
13. , , Чакак магнитной обработки при очистке воды от железа // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры [Электронный ресурс]: Материалы Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием), 30 января 1 февраля 2013 г. / Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: «Университет», 2013. – С. 1096-1099. – ISBN 978-5-4417-0161-7
14. Глобальное значение воды [Электронный ресурс]: электронный ресурс о воде питьевой воде – режим доступа к журн.: http://kristalnaya. ru/encycl/vvtviv/gzv/
15. Вода [Электронный ресурс]: электронная энциклопедия. – режим доступа к энциклопедии: http://ru. wikipedia. org/wiki/Вода
16. Таблица насыщенных растворов [Электронный ресурс]: таблица: http://www. dpva. info/Guide/GuideChemistry/Solvents/SolidsSolvents/
15. Кислород, его распространенность в природе. Атмосфера. http://www. hemi. nsu. ru/ucheb161.htm.
