Обессоливание воды и водных растворов электролитов.

В феврале 1968 г. выдан Австралийский патент [1] на имя AlaindeVillegas на «Способ извлечения минеральных солей из растворов и устройство для его осуществления».

На рис. 1 представлена схема этого устройства (на рисунке сохранена патентная нумерация позиций).

Рис. 1

В соответствии с текстом патента засоленная вода нагнетается в камеру 1, в которой подвергается воздействию «пучка» (или потока) электронов, создаваемого парой электродов 3 и 4, «для увеличения заряда ионов», содержащихся в растворе солей, затем эти соли под действием направленного магнитного поля, создаваемого соленоидными катушками 7 и 8, отклоняются к выходному отверстию 5, тогда как основной поток обрабатываемой жидкости вытекает через выходное отверстие 6. Таким образом на выходе получают концентрированный раствор солей (на выходе 5) и обессоленный исходный раствор (на выходе 6). Из описания электрической части обретения следует, что напряжение на катушках 7 и 8 составляет 350 В, на электродах 3 и 4 – 250 В, в обоих случаях имеет место выпрямленный полупериодный ток с частотой от 80 до 160 КГц мощностью 25 Вт.

Хотя в патенте и не упоминаются силы Лоренца, но вполне очевидно, что именно в результате их воздействия на движущиеся ионы соли (в составе анионов и катионов) последние отклоняются к отверстию 5. Однако, направления действия сил Лоренца анионы и катионы при их однонаправленном движении противоположны. Однонаправленное отклонение анионов и катионов под действием сил Лоренца имеет место только в электрохимических системах, в которых анионы и катионы мигрируют между анодом и катодом в противоположных направлениях. Следовательно, в патенте имеется в виду именно этот вариант – миграция анионов и катионов в электрическом поле электродов 3 и 4. Но направление действия сил Лоренца (т. е. направление отклонения ионов под их действием) определяется абсолютной скоростью ионов в магнитном поле. И хотя скорости движения потока жидкости в камере 1 в патенте не оговариваются, представляется, что скорости миграции ионов в электрическом поле создаваемом электродами 3 и 4, несопоставимы со скоростью их движения с потоком, жидкости в камере 1. Если это так, то никакого эффекта обессоливания (или концентрирования солей) ожидать не приходится. И даже если это не так, то все равно есть серьезные возражения против наличия эффекта отклонения солей в сторону выхода 5. Об этом будет сказано позже.

Электрод 25 соединен с контуром автоматической регулировки электрической части и служит для контроля однородности потока в камере 1.

В патенте ничего не говорится ни о конструкции катода 3, ни о его величине, поэтому трудно судить о степени ионизации солей «пучком» электронов, хотя принципиально при указанном напряжении на электродах отрицательный потенциал катода будет велик и эмиссия электронов в раствор возможна. Однако, известно [2], что стабильность сольватированных электронов при катодной эмиссии имеет место только в некоторых растворителях (в аммиаке, в некоторых аминах, амидах и эфирах), в водных же растворах сольватированные электроны крайне неустойчивы. Кроме того, ионизация или «подзарядка» атомов, ионов, молекул и радикалов растворенных примесей происходит за счет потери ими электронов внешней оболочки, например, при бомбардировке их «пучком» электронов, но происходит это для каждого элемента при определенных потенциалах ионизации [3, 4]. Однако, эти условия ионизации в патенте не оговорены.

Несмотря на все отмеченное, автор патента обещает высокий эффект обессо­ливания воды и концентрирования солей в патентуемом устройстве, и приводит пример, когда в одной из серий экспериментов за один проход через камеру 1 потока воды, содержащей 35 г/л солей, на выходе 6 наработан большой объем воды с содер­жанием солей менее 9% (?!). Следует обратить внимание, что 35 г/л – это 3,5%. Толи это досадная ошибка в тексте патента, то ли ...?

Рис. 2

В 1970 г сотрудник Нью-Йоркского университета Dominic С. Avampato получил патент [3] на «Способ и устройство для извлечения ионов из воды». Принципиальная схема процесса и устройства приведена на рис. 2. Запатентованный способ включает последовательную обработку соленой воды или водных растворов электролитов облучением раствора лучистой энергией, длина волны которой находится в УФ или рентгеновской областях спектра, с целью воздействия на заряды ионов растворенного вещества и последующую обработку магнитным полем с целью перемещения облученных ионов в определенные зоны сечения потока для разделения обрабатыва­емого раствора на два потока – с повышенной и пониженной концентрацией солей. При облучении лучистой энергией ставится цель увеличения заряда извлекаемых ионов по крайней мере на единицу по сравнению с тем зарядом, который они имели в исходном растворе (в патенте – «в природной морской воде»). В патенте приводится также схема многоступенчатой обработки раствора в двух параллельных трубчатых реакторах с многократными перетоками концентрируемых и обессоливаемых частей раствора из одной трубы в другую (рис. 3).

Рис. 3

В этом патенте автор отмечает, что для ионизации каждого из веществ существует предпочтительная длина волны при воздействии лучистой энергии, однако, практичнее выбрать длину волны для ионизации сразу ряда растворенных в воде веществ. Необходимая длина волны определяется по формуле (1), вытекающей из основопола­гающих уравнений физики: 

L = c×h/q×V, (1)
где с – скорость света (3×10⁸ м/с),
h – постоянная Планка (6,63×10^-34),
q – заряд электрона (1,6×10^-19 Кулон),
V – потенциал ионизации (в эл·В).

Например, для ионов натрия, чтобы «придать им «восприимчивость к магнитному полю» (терминология автора патента), в соответствии с формулой (1) по расчетам автора патента требуется УФ-облучение с длиной волны I = 263 Å.

В рассмотренной части патента, т. е. в части подготовки ионов к воздействию магнитного поля никаких вопросов и сомнений не возникает. Во второй части, как и в первом рассмотренном патенте, утверждается, что концентрирование ионов должно происходить под действием сил Лоренца в периферийной зоне реакционной камеры, а в центральной зоне камеры 10 предусмотрена труба 18 (в двухкамерном устройстве на рис. 3 – это трубы 46 и 52, 46а и 52а, 46b и 52b) для отвода обессоленного (в какой-либо степени) потока. В этой части возражения будут те же, что и к патенту первому, и сформулированы они будут позже.

П.В. Иванов в статье [5] изложил результаты проведенных в Оренбургском Политехническом институте исследований по деминерализации растворов «в поле сил Лоренца». На рис. 4 приведено устройство К.Ф. Иванова по А.с. [6] (который в списке литературы к статье поименован Ивановым Н.Н.), а на рис. 5 – схема процесса, приведенная в статье [5] П.В. Ивановым. В А.с. приводится даже формула для расчета длины омагничиваемого канала

 , (2)

где I– длина магнитного поля, определяемая длиной полюса,
h– ширина потока раствора,
v– скорость раствора,
В – «индуктивность» (?) магнитного поля,
к – обратная величина (?) удельного заряда иона извлекаемого вещества.

Скорость протока раствора через канал рекомендуется не более 1 м/с (?).

Рис. 4.

Рис. 5.

К.Ф. Иванов утверждает, что «магнитное поле отклоняет в противоположные стороны разнозаряженные ионы, создавая по бокам потока преобладание ионов одного заряда, что равносильно увеличению концентрации вещества». Так, он в канале длиной 220 мм и шириной 18 мм при скорости потока раствора медного купороса 0,4 м/с и «расчетной индуктивности» (по физическим понятиям – маг­нитной индукции) магнитного поля 9000 Гс увеличивает концентрацию меди (т. е. катиона меди) с1116мг/л до 1564 мг/л (за 220/0,4×10³= 0,55 секунды). П.В. Иванов еще более акцентирует своим рисунком значимость этого эффекта, названного им «селективной деминерализацией». Таким образом, двоим Ивановым достаточно просто удалось сделать невероятное и невозможное в физхимии – разделить электролит на раствор катионов и раствор анионов.

Далее П.В. Иванов сообщает об осуществленном им с сотрудниками процессе «магнитодиализа» на роторном магнитогидродинамическом деминерализаторе (РМГДС на который на его имя в 1985 г. выдано авторское свидетельство СССР [7]. На рис. 6 приведен продольный разрез аппарата по авторскому свидетельству, на рис. 7 пространственная схема несколько упрощенной конструкции (видимо, экспериментальной модели) аппарата.

Рис. 6

Нет смысла подробно описывать конструктивное устройство аппарата, хотя при его рассмотрении возникает масса сомнений и вопросов. Коснемся лишь принципа и режима работы устройства. Имеется неподвижный соленоид, создающий осевое магнитное поле; имеется ротор, вращающийся на валу; ротор разделен двумя (на рис. 7) концентрическими полупроницаемыми перегородками на три зоны; каждая концентрическая зона (между полупроницаемыми перегородками и снаружи от них) разделена радиальными непроницаемыми перегородками на рис. 7 – на 4, в авторском свиде­тельстве – на 8 (этот разрез не приведен) отдельных продольных каналов. Через приспособления ввода 15 вся система заполняется обрабатываемым раствором, затем включается соленоид и привод ротора. По мнению автора изобретения в каналах между коаксиальными полупроницаемыми и радиальными непроницаемыми перегородками «формируются продольные ламинарные потоки», параллельные оси соле­ноида, а вращение этих потоков вокруг оси соленоида вместе с каналами «создает радиально направленные силы Лоренца, действующие на ионы, находящиеся в растворе», и последние «перемещаются радиально из центральной зоны в зоны концентрации сквозь полупроницаемые перегородки». В статье [5] так прямо и говорится, что «зоны 6 и 7 являются приемниками ионов соответствующего знака» (рис. 7), а на рис. 6 показаны 3 патрубка выпуска соответствующих потоков, т. е. автор упорно настаивает на сделанном открытии. Правда, в конце описания какое-то смутное чувство толкнуло автора «объединить потоки концентрированных вод на выходе из РМГДД» (на всякий случай еще раз уточним, что име­ется в виду концентрированный поток катионов и концентриро­ванный поток анионов). А напрасно! Если уж удалось разделить, то пугаться не надо – это открывает неоценимые перспективы для практики обработки и питьевых вод, и сточных вод, и различных растворов электролитов. Слегка спасовав, автор тут же сообщает, что наткнулся еще на одну «золотую жилу». Шутка ли, даже при ограничениях в связи «с механической прочностью ротора» автор достигает «скорости вращения сточных вод на максимальном радиусе вместе с ротором... порядка 150 м/с». По известной формуле V=ωR, связывающей окружную скорость с вращательной, подсчитываем, что максимальном радиусе 3,5 см приведенная скорость соответствует  ω = 4030 об/с или 240000 об/мин, при радиусе 5 см  ω = 3000 об/с или 180000 об/мин. Для сравнения: трубчатая ультрацентрифуга диаметром 100 мм имеет максимальную скорость вращения 15000 об/мин. Таким образом, «взята» еще одна немыслимая высота в технике.

Рис. 7

Примерно того же содержания и третье изобретение [8], о котором сообщает П.В. Иванов, поэтому нет смысла в комментариях к нему. Отметим только, что здесь при многоступенчатом магнитодиализе было снижено солесодержание сточных вод Оренбургского газоконденсатного месторождения с 45 до 2,5 г/л при магнитной индукции поля до 1,0 Тл.

В чем же заключаются основные возражения против заложенных идей и приведенных результатов во всех описанных выше публикациях?

Во всех приведенных изобретениях эффект обессоливания или концентрирования минеральных солей или ионов основан на действии сил Лоренца. Основная же ошибка всех авторов приведенных публикаций в том, что все они в своих изображениях используют в голом виде сам факт появления сил Лоренца при перемещении ионов в магнитном поле не параллельно (а эффективнее всего – перпендикулярно)магнитным силовым линиям и факт действия их перпендикулярно вектору скорости ионов и вектору напряженности (или магнитной индукции) магнитного поля. Механизм же действия сил Лоренца и картина поведения при этом ионов и всего окружающего их в растворе никем из авторов не рассматривается и не учитывается. Последствия этого – использование мнимых, желаемых, но на самом деле не существующих эффектов от воздействия этих сил.

Каков же на самом деле механизм действия сил Лоренца и чего можно от их действия ожидать?

Известно, что на проводник конечной длины с током, находящийся в постоянном магнитном поле и расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, по закону Ампера действует сила

F=klBL, (3)
где к – коэффициент, зависящий от выбора системы единиц,
I– величина тока в проводнике,
В – магнитная индукция,
L– длина проводника.

Из электронной теории электропроводности известно, что величина тока представляется в виде

I = kevSn, (4)
где е – заряд электрона,
v – средняя скорость направленного движения электронов,
S – площадь поперечного сечения проводника,
n – число электронов в единице объёма проводника.

Если подставить (4) в (3), то получим

F =kevBnSL, (5)

В выражении (5) произведение nSI представляет собой число электронов, движущихся в объеме SL проводника с током.

Тогда сила, действующая на один электрон, равна

F = kevB, (6)

Эта сила и называется силой Лоренца. Направление ее действия определяется правилом левой руки (с учетом, что направление движения электронов противоположно направлению тока).

Аналогично на движущийся в магнитном поле перпендикулярно магнитным силовым линиям ион действует сила Лоренца, равная

F_Л = kqvB, (7)

где q – заряд иона, равный q = ± nе, т. е. выражается числом, кратным величине заряда электрона, где n – валентность иона.

Сила Лоренца перпендикулярна направлению движения иона во все время его движения. Следовательно, ион без учета других действующих на него сил и связей в однородном магнитном поле будет двигаться по окружности, что легко доказывается аналитически [9]. Таким образом, сила Лоренца является центростремительной и механически может быть выражена как

 F_Л = kmv²/r, (8)

где m– масса иона,
r – радиус окружности, которую он описывает в магнитном поле.

Но выражения (7) и (8) описывают одну и ту же силу. Приравняв их, определяем радиус окружности, по которой вращается ион под действием силы Лоренца,

r=mv/qB, (9)

Период вращения иона «Т» равен частному от деления длины окружности на скорость его движения. Тогда с учетом (9)

 , (10)

т. е. период вращения иона не зависит от радиуса вращения и скорости движения иона в магнитном поле.

Т. к. сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно вектору скорости и направлению перемещения движущегося иона, то она не совершает работы и не изменяет энергию движущегося иона. Это очень просто доказывается математически. Здесь это доказательство опускается, т. к. оно имеется во многих источниках, например, в [9]. Но именно эта особенность действия магнитного поля на движущиеся ионы не учитывается всеми авторами приведенных выше изобретений и публикаций.

Вторая грубая ошибка всех авторов – подмена факта перемещения ионов под действием сил Лоренца по круговой траектории (называемой в магнитной гидродина­мике «циклотронной» или «ларморовской» окружностью) фактом «отклонения их всторону от основного движения перпендикулярно к вектору первоначальной скорости ионов» (что у всех авторов и должно обеспечивать концентрирование ионов у стенок камер или каналов).

Кроме того, ни один автор не ведет речи о величине этих «отклонений» или «перемещений». На самом же деле во многих источниках давно оценены величины ларморовских радиусов для различных ионов. Так, Г.А. Семёнов [10] в 1975 г. опубликовал рассчитанные радиусы циклотронных окружностей для ионов кальция и ионов SO₄^2-:

r_ц^Са(2+) ≈ 1,7×10^-7 м, r_ц^SO4(2-) ≈ 4×10^-7 м

Таким образом, рассчитывать на концентрирование ионов за счет отклонения их из объема раствора к стенкам канала под действием только сил Лоренца, к сожалению, нет оснований. Кроме того, картины перемещений и взаимодействий ионов в магнитных полях под действием сил Лоренца усложняются наличием целого ряда различных явлений (гидратация ионов, возникновение электрических полей и токов, коллективный дрейф ионов, возникновение микро- и макровихрей и конвектив­ных токов и, как следствие, турбулизация водных потоков). Желающим разобраться с имеющими место явлениями и некоторыми их закономерностями необходимо ознако­миться с многочисленными публикациями результатов теоретических и эксперимен­тальных исследований по этим вопросам Е.З. Гак, Н.Ф. Бондаренко и др., массой статей, опубликованных в материалах нескольких Всесоюзных семинаров по вопросам теории и практики магнитной обработки воды и водных систем, с книгой Ю.М. Соколь­ского «Омагниченная вода: правда и вымысел». Л., «Химия», 1990 г.

На фоне изложенного и рекомендованного для ознакомления выявляется несостоятельность рассмотренных изобретений. Кроме того, следует отметить некорректность в использованной П.В. Ивановым терминологии. В заголовке статьи и многократ­но в тексте используется термин «поле сил Лоренца (ПСЛ)». «Поле» зависит только от величин, относящихся к источнику сил. Силы же Лоренца зависят от характеристики магнитного поля (напряженности или магнитной индукции) и от характеристик субъекта, на который они действуют (скорость иона). Тем более некорректен использованный им термин «градиент ПСЛ», непонятна суть выражения «градиент ПСЛ ограни­чен турбулизацией потока» и происхождение «электрического поля напряжённостью Е = U×B (где U – скорость иона), воздействующего на ион, перемещаемый вместе с некоторым объемом сточных вод перпендикулярно силовым линиям магнитного поля». 

Если преобразовать предложенную для расчетов формулу (2) с учетом выражения циклотронного радиуса (9), то получим

, (10)

откуда видно, что расчетная формула не имеет абсолютно никакого физического смысла.

Следует заметить, что патент D.C. Avampato [2] в 1973г был отмечен как «привлекающий внимание» В.И. Классеном [11] (правда, со ссылкой не на сам патент, ана сообщение о нем в зарубежном журнале) и в 1974 г. – как «весьма интересный метод безреагентной обработки» Л.А. Кульским и В.В. Даль [12] со ссылкой на книгу В.И. Классена [11]. Этот факт послужил одной из причин написания данной статьи. В обоих источниках приведена одна и та же схема установки, которая не в полной мере отражает содержание патента. Несмотря на недостаточную, видимо, информацию о патенте, авторы обеих книг справедливо отмечают, что силы Лоренца «...отклоняют и закручивают... «подзаряженные ионы».

Литература

1. Патент Австралии №289991. Опубл. 15.02.1968.
2. Патент США №3 511 776. 12.05.1970.
3. И. Корыта, И. Дворжак, В. Богачкова. Пер. с чешского. «Мир», М., 1977.
4. В.И. Веденеев, Л.В. Гурвич, В.Н. Кондратьев, В.А. Медведев, Е.Л. Франкевич. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. Справочник. Издат АН СССР. М., 1962.
5. Иванов П.В. Деминерализация электролитов в поле сил Лоренца. – В кн.: Очистка сточных вод в системах водоотведения и оборотного водопользования; Межвуз. темат.сб.тр. Л.: ЛИСИ, 1985, стр. 136 – 140.
6. Ас. № 254423 (СССР). Способ обработки растворов в постоянном магнитном поле/ Иванов К.Ф. – Б.И. №32, 1969.
7. А.с. № 1137083 (СССР). Устройство для деминерализации жидкости / Иванов П.В. –Б.И. №4, 1985.
8. А.с. № 1081129 (СССР). Устройство для обессоливания растворов / Иванов П.В., Малков В.П., Сперанский Б.В.
9. Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Том 1. Механика. Пер. с англ. М., «Наука», 1971, стр.133.
10. Семёнов Г.А. Теории электромагнитной обработки воды. // Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. Материалы 3-го Всесоюзного семинара. 

Новочеркасск, 1975.
11. Классен В.И. Вода и магнит. Наука, М., 1973.
12. Кульский Л.А., Даль В.В. Проблемы чистой воды. Наукова думка, Киев, 1974.