ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N15/04 C02F1/48 

Изобретение относится к способам контроля физической активации жидкостей, в частности контроля степени омагниченности жидкостей сред, обработанных омагничивающими аппаратами. Может быть использовано в теплотехнике и энергетике, в производстве бетона и железобетонных изделий, в пищевой и химической отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и автомобилестроении, в медицине и фармакологии, в биологии и других областях народного хозяйства, где применяется магнитная обработка или другая физическая активация жидких сред, для отстройки омагничивающих аппаратов и оперативного контроля эффективности их работы в процессе эксплуатации.

Известен широкий применяющийся в настоящее время кристаллооптический способ контроля магнитной обработки воды [1] предложенный Бельгийской фирмой "Эпюро", единственный, который рекомендован всеми изготовителями омагничивающих аппаратов для их настройки и контроля эффективности омагничивания, заключающийся в сравнении под микроскопом размеров кристаллов, полученных на предметных стеклах при их кипячении в обработанной и не обработанной магнитным полем воде. Для осуществления контроля берут по 150 - 200 мл фильтрованной омагниченной и неомагниченной воды, разливают в два термостойких идентичных химических стакана, в которые помещают по одному предметному стеклу в наклонном положении. Обе пробы одновременно кипятят в зависимости от жесткости воды от 10 до 30 мин. После кипячения стекла извлекают из стаканов и высушивают при температуре около 100^oC. Просушенные стекла помещают под микроскоп и при 400 -600-кратном увеличении рассматривают кристаллы, возникающие в обработанной и не обработанной магнитным полем воде. Если 80% кристаллов в поле зрения микроскопа имеют одинаковые размеры (в противном случае кипячение повторяют), то качество магнитной обработки воды оценивают по изменению средне-арифметических размеров кристаллов обработанной и необработанной воды. Обработку считают удовлетворительной, если степень измельчения кристаллов составляет не менее двух раз, что соответствует значительному снижению накипеобразования. Измельчение кристаллов в три раза и более указывает на практически безнакипную работу теплоагрегатов.

К главным недостаткам этого способа следует отнести его значительную трудоемкость и капризность. Для того, чтобы провести один анализ, необходимо взятую пробу профильтровать (20 мин), нагревать на песчаной бане и кипятить (40 45 мин), просушить в жаровом шкафу (20 30 мин), исследовать и измерить величину кристаллов под микроскопом (15 -20 мин). Итого, для исследования только одной пробы необходимо затратить от 90 до 120 мин. А так как для оценки омагничивания необходимо исследовать как минимум две пробы (до и после омагничивания), то обработка или контроль одного режима требует затрат времени не менее 2 2,5 ч, не считая затрат на подготовку к исследованию химпосуды, предметных стекол и предварительного определения жесткости воды (которая и определяет время кипячения предметных стекол). В силу зависимости процесса кристаллообразования на поверхности предметных стекол от большого числа артефактов, зачастую кипячение приходится повторять два раза и более. Поэтому метод следует признать малооперативным.

Метод по существу является косвенным и качественным, так как не дает возможности выявлять изменения физико-химических свойств воды и позволяет судить лишь о результате магнитной обработки опосредованно по изменению процессов кристаллообразования, которые сами по себе являются сложными многофакторными процессами, не связанными однозначно со степенью активации воды магнитным полем. Следовательно, метод не позволяет определять количественные характеристики степени омагниченности жидкости.

Способ не позволяет выявлять интимные стороны физической активации обработанной магнитным полем среды. Способ позволяет контролировать омагниченность только воды, что исключает возможность контроля омагниченности кристаллооптическим способом других жидкостей, таких как спирты, топлива, масла и др.

Известен способ, который можно использовать для индикации степени омагниченности воды, получивший название "Реакция Пиккарди" [2] В две одинаковые пробирки вливают по 5 мл раствора, приготовленного растворением 35 г карбоната висмута в одном литре 1,5 N соляной кислоты. Затем туда же добавляют по 23 мл в одну простой, а в другую -активированной воды. Через некоторое время из раствора начинает выпадать оксихлорид висмута в виде белого нерастворимого порошка, скорость образования и осаждения которого зависят от того, идет процесс в активированной воде или в простой. Через определенный промежуток времени порошок из обеих пробирок отфильтровывают, высушивают и взвешивают. По разности масс осажденного порошка можно судить о скорости его образования и осаждения.

Способ является наиболее близким по технической сущности.

К главным недостаткам этого способа следует отнести его трудоемкость, капризность и значительную зависимость от внешних климатологических условий, колебаний геомагнитного поля и наличия других электромагнитных полей. Способ использовался автором именно как индикатор измерения внешних климатологических факторов. Для того, чтобы данным способом получить результат только одного режима омагничивания, необходимо потратить как минимум 2 2,5 ч, не считая времени, затрачиваемого на статистическую обработку результатов измерений. Кроме того, капризность и плохая воспроизводимость результатов позволяют получать достоверно различимые данные о скорости осаждения порошка только с помощью статистической обработки не менее 10 однотипных парных проб. Для большей достоверности автор рекомендует использовать 20 пар однотипных опытов. Не обнаружено однозначной зависимости выпадения осадка от степени активации жидкости, поэтому способ может дать информацию только о наличии или отсутствии эффекта, не давая количественной характеристики степени омагниченности жидкости. Реакция Пиккарди позволяет определять состояние омагниченности только для достаточно чистой воды. Для других жидкостей (спирты, нефтепродукты, масла, растворители и др.), а также для воды, содержащей химические примеси, данная методика неприемлема.

Данный способ является наиболее близким по технической сущности.

Цель предлагаемого изобретения экспресс-анализ количественной оценки степени физической активации (омагниченности) жидкостей путем анализа процессов оседания нерастворимого в них порошка независимо от их физико-химической чистоты, пригодный для жидкостей, имеющих достаточно широкий диапазон по химическому составу.

Цель достигается тем, что в две идентичные кюветы наливают одинаковое количество жидкости, в одну взятую до, а в другую после активации. После заполнения кювет в них насыпают одинаковое количество нерастворимого в этой жидкости порошка, тщательно взбалтывают и дают ему полностью отстояться, затем его вторично взбалтывают и измеряют разность времен его осаждения, по которой и определяют степень физической активации жидкости. Во втором варианте выполнения способа для полного исключения влияния на результаты анализа климатологических факторов, а также для повышения экспрессности способа обе кюветы с жидкостью, в которых вторично взболтан порошок, помещают одновременно в два разных плеча измерительного моста (оптико-электрического, индукционного, емкостного, резистивного или другого измерительного моста) и измеряют максимальную величину его разбаланса, возникающую по мере оседания порошка, по которой и определяют степень физической активации жидкости.

Принципиальное отличие предлагаемого способа заключается в том, что в основе его лежит факт изменения вязкостно-коагуляционных свойств жидкостей, прошедших обработку магнитным полем или подвергнутых другой физической активации. Поэтому нерастворимый в данной жидкости порошок будет оседать в ней со скоростью, которая будет изменяться в зависимости от вязкости этой жидкости и от размеров частиц порошка, как это следует из уравнения Стокса:

где r и ρ′ - плотность жидкости и порошка соответственно, η - коэффициент вязкости жидкости, r радиус частиц порошка, g ускорение силы тяжести. Поскольку омагничивание приводит к усилению коагуляции, т.е. к укрупнению размеров частиц (что равносильно увеличению радиуса частиц в формуле Стокса) и уменьшению вязкости жидкости, то оба этих эффекта будут приводить к увеличению скорости оседания частиц порошка. В отличие от реакции Пиккарди, изменение скорости оседания порошка не сопряжено с какими-либо изменениями химизма жидкости или порошка, т.е. способ основан не на физико-химическом эффекте, а на чисто физическом явлении, что делает способ более стабильным и повышает воспроизводимость получаемых с его помощью результатов.

По сравнению с аналогом и прототипом способ обладает гораздо большей экспрессностью и лучшей воспроизводимостью. Результат одного анализа можно получить в течение 8 10 мин, т.е. затраты по времени в 10 15 раз меньше. Чтобы обеспечить необходимую достоверность получаемых результатов, достаточно измерить время оседания порошка 2 3 раза (вместо 20 парных случаев, как это рекомендует Дж. Пиккарди).

Предлагаемый способ позволяет не просто обнаружить сам феномен отсутствия или наличия омагниченности жидкости, но также позволяет определить степень глубины произошедших в ней изменений, вызванных магнитной обработкой, т.е. позволяет делать количественные заключения.

Для осуществления контроля степени омагниченности кристаллооптическим способом используют процессы образования кристаллов накипи при кипячении и испарении воды. В реакции Пиккарди используют химическую реакцию гидратации хлорида висмута в воде. И в первом, и во втором случаях подобная индикация омагниченности возможна только для воды. В других жидкостях подобные процессы невозможны. Изменение же вязкостно-коагуляционных свойств при соответствующем воздействии магнитных полей происходит и в других жидкостях. Поэтому диапазон контроля степени омагниченности различных жидких сред данным способом по химическому составу гораздо шире, чем у известных способов, т.е. его можно использовать для индикации физической активации спиртов, масел, топлив, органических растворителей и других жидких сред.

На графике представлена зависимость оседания порошка от степени "просветления" взвеси по отношению к стандартному эталону мутности для в разной степени омагниченной воды.

По вертикальной оси отложено время, прошедшее с начала отсчета до соответствующего значения степени мутности. По горизонтальной оси значение тока разбаланса моста в условных единицах. Кривая 1 построена для неомагниченной воды. Кривые 2 и 3 построены для воды, омагниченной при скорости протекания 0,175 м/с, 2 для тока в омагничивающей катушке 1 А, 3 - для тока 5 А. Кривая 4 получена для скорости 0,16 м/с и рабочего тока 5 А, 5 - для скорости 0,15 м/с и рабочего тока 2 А. Статическая обработка кривых дает следующие значения эффективности омагниченности 5 9,3% 2 18% 3 27% и 4 44% Все экспериментальные точки получены статистической обработкой 5 7 однотипных измерений.

Способ апробирован автором в лаборатории межотраслевого научно- технического предприятия физических методов воздействия на газообразные, жидкие и вязкие среды МНТП 44 "Градиент" совместно с сотрудниками кафедры физики Оренбургского государственного университета. В качестве объекта омагничивания использовали водопроводную воду, которую обрабатывали лабораторным вариантом аппарата Помазкина. Различную степень омагниченности получали, варьируя режимы омагничивания скорость протекания воды в рабочих зазорах омагничивающего аппарата и величину и градиент напряженности магнитного поля в рабочих зазорах аппарата. Для приготовления смеси использовали мелкодиспергированный порошок оксихлорида висмута и алунда. Время оседания порошка определяли по степени просветления его взвеси в воде по сравнению со специально изготовленным для этого эталоном мутности с помощью модифицированного стандартного прибора ТЛФП 679/67 М и стандартного секундомера (погрешность 0,05 с.)
Измерения проводили следующим образом. В два прозрачных химических стакана набирали по 50 мл воды до ее магнитной обработки и после прохождения через омагничивающий аппарат. Скорость прохождения определяли по расходу воды. Рабочий ток измеряли амперметром 3-514 (класс 0,5). Отвешивали две навески рабочего порошка (по 1 2 г) и высыпали в стаканы с водой. Порошок взбалтывали до тех пор, пока на дне не оставалось не-взболтанного осадка и давали ему отстояться до полного осветления смеси. Затем, взболтав порошок еще раз, помещали стакан со взвесью в одно из плеч оптико-электрического измерительного моста прибора ТЛФП 679/67 М, в другом плече которого был расположен эталон мутности. После того, как стрелка гальванометра моста начнет двигаться от максимального положения разбаланса, пускали секундомер и отмечали время, в течение которого стрелка проходит через выбранные нами реперные деления шкалы гальванометра. Каждый цикл измерений повторяли 5 7 раз. Затем помещали в плечо моста другой стакан со взвесью и повторяли весь цикл измерений. Эффективность омагничивания определяли по формуле:

где t_н и t_o время осаждения порошка до одного и того же значения мутности (реперные значения шкалы гальванометра) в неомагниченной и омагниченной воде соответственно. Предварительное взбалтывание и отстаивание порошка стабилизирует процесс его оседания. Исключение этой операции приводит к значительному увеличению разброса времен первого оседания порошка. Вариации времен второго, третьего и последующих оседаний не превышают 7 10% от времени второго оседания, т.е. процесс после первого оседания стабилизируется.

Из графика видно, что процесс оседания порошка в неомагниченной воде имеет три хорошо выраженные стадии: до значения мутности, соответствующие току разбаланса от 0 до 2,5 условных единиц, от 3 до 6 и от 6 до 8 условных единиц тока. С увеличением степени омагниченности воды эта дифференциация стадий оседания в значительной степени нивелируется (кривые 3 и 4). На различных стадиях различие времен оседания в омагниченной и неомагниченной воде не одинаково. Наиболее стабильны эти различия в интервале тока разбаланса от 2,5 до 6,5 условных единиц тока. Именно этот интервал и был взят нами в качестве рабочего диапазона. Эффективность омагничивания определялась усреднением ее значений, рассчитанных по формуле (2), для тока разбаланса моста, соответствующих 3, 4, 5 и 6 условным единицам тока. Сравнение нашего способа с принятым в настоящее время в качестве стандартного кристаллооптическим методом [1] показало, что значение эффективности 18 25% (по нашей методике) соответствует коэффициенту измельчения кристаллов в 1,5 1 раза, что, как это указывается в [1] "соответствует значительному снижению накипеобразования". Эффективность омагниченности 30% и более соответствует измельчению кристаллов накипи в три раза и более, что обеспечивает "практически безнакипную работу теплоагрегатов" (цитируется по [1]).

Была апробирована методика, по которой обе пробивки с омагниченной и неомагниченной водой, в которых вторично был взболтан порошок, помещались одновременно в два разных плеча оптико-электрического моста прибора ТЛФП 679/67 М. Омагниченность определяли по максимальной величине тока разбаланса моста. Результаты, полученные этим способом, вполне коррелируют с измерениями, проводимыми по первой методике.

Метод был апробирован для определения степени омагниченности автобензина А-76. С помощью лабораторной модели омагничивающего аппарата Помазкина была достигнута степень омагниченности 34%
Из вышеизложенного видно, что заявляемый экспресс-анализ физической активации жидкостей по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
1. Позволяет в течение 8 10 мин определять степень активации (в частности, омагниченности) жидких сред, что в 10 15 раз быстрее, чем существующими способами, т. е. данный способ позволяет вести оперативный контроль работы омагничивающих аппаратов.

2. Способ позволяет не только устанавливать сам феномен активации жидкости, но дает также количественную характеристику глубины произошедших в ней изменений.

3. Способ в гораздо меньшей степени подвержен влиянию различных артефактов, что делает его менее капризным и значительно повышает воспроизводимость получаемых с его помощью результатов.

4. Способ позволяет определять эффективность активации не только воды, но и других жидкостей, что невозможно сделать существующими методами, т.е. способ обладает большей универсальностью к химическому составу контролируемых сред.

Изобретение может быть использовано в тех областях народного хозяйства, где применяется магнитная обработка или какая-либо другая физическая активация жидкостей. Суть экспресс-анализа физической активации жидкостей заключается в анализе процессов оседания нерастворимого в них порошка до и после их физической активации. Для этого в две идентичные кюветы наливают равное количество жидкостей, взятое до и после их физической активации, затем в эти кюветы насыпают одинаковое количество порошка, тщательно взбалтывают и дают ему полностью отстояться, после чего вторично взбалтывают и измеряют разность времен его оседания в кюветах, которое и определяет степень их физической активации. Для полного исключения влияния на результаты измерений климатологических факторов обе кюветы с жидкостью после вторичного взбалтывания одновременно помещают в два разных плеча измерительного моста и по максимальной величине его разбаланса, возникающего по мере оседания порошка, определяют степень физической активации жидкостей. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Экспресс-анализ физической активации жидкостей путем анализа процессов оседания не растворимого в ней порошка, заключающийся в том, что в две идентичные кюветы наливают равное количество жидкости, в одну взятую до, а в другую после активации, отличающийся тем, что после заполнения кювет в них насывают одинаковое количество порошка, тщательно взбалтывают и дают ему полностью отстояться, после чего вторично взбалтывают и измеряют разность времен его оседания, по которой определяют степень физической активации. 2. Экспресс-анализ физической активации жидкостей путем анализа процессов оседания не растворимого в ней порошка, заключающийся в том, что в две идентичные кюветы наливают равное количество жидкости, в одну взятую до, а в другую после активации, отличающийся тем, что после заполнения кювет в них насыпают одинаковое количество порошка, тщательно взбалтывают и дают ему полностью отстояться, после чего вторично взбалтывают и одновременно помещают в два разных плеча измерительного моста, измеряют максимальную величину его разбаланса, возникающего по мере оседания порошка, по которой и определяют степень физической активации.