Вода и окружающая среда

Система водоснабжения является неотъемлемой частью окружающей среды. Кислород и углекислый газ поступают в воду из атмосферы. Углекислый газ может вступать во взаимодействие с водой и образовывать угольную кислоту. В местах с плотным растительным покровом происходит активное потребление кислорода находящегося в составе воды. Гниение и распад растений приводят к образованию углекислых газов. В районах, где преобладают известняковые почвы, вода, содержащая угольную кислоту, вступает во взаимодействие с известняком и становится жёсткой. Жёсткая вода настолько массовое явление, что люди, говоря о плохом качестве воды, часто имеют в виду только одну эту проблему. Невидимые взгляду минеральные вещества могут сделать воду настолько жёсткой, что ее использование становится, порой, просто невозможным, или, как минимум вызывает большие сложности.

Жёсткая вода

Жесткая вода является серьёзной проблемой, которую приходится решать повсеместно. В мире существует всего лишь несколько районов, где вода настолько мягка, что не требует какой-либо обработки, очистки и может использоваться для многих нужд в домашнем хозяйстве. Однако, в природе не существует такой воды, которая не обладала бы хотя бы минимальной жесткостью. Жесткость воды - это источник многих наших проблем. Список химических элементов, обладающих высокой степенью жесткости, включает железо, медь и марганец, которые присутствуют воде в обычных или достаточно малых количествах. Кальций и магний обычно присутствуют в воде в гораздо больших количествах. При стирке жесткая вода оставляет следы на ткани. Осадки или мыльные хлопья обесцвечивают краску и придают белому материалу серый или жёлтый оттенок. Мыльная масса оседает на волокнах ткани, воздействует на её основу и уменьшает срок её использования. Кроме того, жёсткая вода требует использования дополнительного количества моющих и чистящих средств и также оставляет следы на поверхности ванн, раковин т.д. Жёсткая вода оставляет также следы на стеклянной и прочей посуде, формирует накипь и постепенно забивает трубы горячей воды, сужая их условный проход. Хлопья и наросты в электрочайниках, это тоже влияние воды с повышенной жёсткостью.

Проблема накипи

Накипь представляет собой одну из самых серьезных проблем, причиной которой является жёсткая вода и содержащиеся в ней минералы. Этот побочный продукт выводит из строя многие бытовые приборы. Накипь образуется в трубах горячей воды и создает в них пробки, заужает сечение труб и серьезно уменьшает эффективность работы систем отопления и водоснабжения. Накипь формируется при нагреве жесткой воды. Это происходит по следующим причинам: происходит разложение бикарбонатов кальция и магния. Бикарбонаты превращаются в карбонаты, но с высокой степенью нерастворимости. Бикарбонаты образуют осадок в воде, растёт их концентрация на внутренних поверхностях. При некоторых условиях осадки создают шлам. И шлам, и накипь приводят к значительному снижению эффективности водонагревательных приборов. Кроме того, поверхности труб и водной арматуры подвергаются точечной коррозии

Некоторые аспекты использования воды и экономии электроэнергии

При проведении исследований, было установлено, что газовые и электрические нагреватели при нагреве жёсткой воды потребляют энергии на 22-30% больше, чем при нагреве мягкой воды. Исследования проводились при одинаковых исходных параметрах. Данные исследования показали, что необязательно нагревать воду до высокой температуры, чтобы вызвать образование накипи. Любое повышение температуры воды, превышающее стандартное значение, способно вызвать образование накипи (котельного камня). Минерал жесткости кальций, довольно необычен, он лучше растворяется в холодной воде, чем в горячей. Использование жесткой воды может вызвать серьезные проблемы на производстве. Твёрдый осадок из минеральных веществ может стать причиной серьёзных проблем в паровых котлах, системах воздушного кондиционирования, системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

Принцип работы устройств для магнитной обработки воды

Молекулу воды можно представить как элементарный диполь - частицу с положительно заряженным и отрицательно заряженным полюсами. Под действием сил взаимного притяжения и отталкивания молекулы воды - диполи образуют так называемые кластеры. Действие сил взаимного притяжения довольно мало, поэтому диполи могут свободно отрываться от кластеров, примыкать к другим кластерам и т.д. Точно также кластеры могут образовываться вокруг примесей присутствующих в воде. При этом, несмотря на то, что молекулы воды могут свободно покидать кластеры и примыкать к соседним кластерам, в целом эта структура вполне стабильна. Таким образом, растворенные в воде соли постоянно окружены молекулами воды. В нашем случае ионы кальция не могут вступить во взаимодействие с другими примесями, чтобы осесть на их поверхности либо образовать иную химическую структуру, которая не выпадала бы в виде накипи. При нагревании кластерная структура становится нестабильной, молекулы воды больше не обволакивают примеси и растворенные соли могут свободно вступать в реакцию с другими солями. Так некоторые соли кальция при нагревании образуют карбонат кальция CaCO3, который и высаживается на нагревательных поверхностях в виде накипи. При магнитной обработке в устройстве на молекулы воды и примеси действует магнитное поле. Диполи попадают в резонанс, и кластерная структура молекул воды разрушается. Примеси освобождаются от опеки водных кластеров и могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом уже в холодной воде ионы кальция начинают осаждаться на поверхности свободных примесей - центрах кристаллизации, образуя так называемые микрокристаллы. Процесс этот лавинообразный - новые ионы кальция прикрепляются к уже высадившемуся кальцию на поверхности микрокристаллов. Таким образом, ионы кальция, уже осевшие на центрах кристаллизации, не выпадают в виде накипи на нагревательных поверхностях. Микрокристаллы остаются в толще воды и выносятся в дренаж. Более того - ионы кальция из уже выпавшей накипи начинают отрываться и присоединяются ко вновь образованным микрокристаллам. Со временем старая накипь разрыхляется и полностью вымывается с поверхности труб и нагревательных элементов. Если же устройство магнитной обработки устанавливается на новое оборудование или на оборудование после очистки, то накипь не выпадает. Кроме того, с течением времени на поверхности труб образуется тонкая оксидная пленка, защищающая оборудование от коррозии. Вода, обработанная устройством магнитной обработки, сохраняет свои свойства в течение некоторого времени - от 10 часов до 8 суток, в зависимости от состава воды и условий эксплуатации. Как правило, этого времени более чем достаточно для получения успешных результатов.

Действие магнитного поля на воду

Когда диполи воды проходят через магнитное поле устройства, на них действует так называемая сила Лоренца. Воздействие Силы Лоренца описывается следующим выражением:

F_{Лоренца} = ± Q (V x B)     где: Q - Заряд ионов, V - Скорость потока,
B - Магнитная индукция

Как устройство магнитной обработки воды использует Силу Лоренца

Когда вода течет в устройстве, она проходит через магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами. При этом под действием силы Лоренца молекулы воды начинают совершать колебательные движения. Магниты расположены определенным образом - так, чтобы магнитное поле устройства вызвало резонанс диполей воды. Вызванный таким образом резонанс, приводит к отделению молекул воды от микровключений.

Свойства используемых магнитов

В устройствах магнитной обработки МПВ MWS (magnetic water systems) применяются очень мощные постоянные магниты на основе редкоземельных металлов. Вследствие этого на молекулы воды действует гораздо большая сила Лоренца по сравнению с устройствами на магнитах из феррита Бария, керамических магнитах или электромагнитах. На рисунке справа показан сравнительный объём постоянных магнитов из различных материалов, создающих одинаковое магнитное поле в некоторой точке пространства.

Научные исследования. За и против

Существуют противники и сторонники магнитного метода воздействия на воду.
В 60-е годы прошлого века был произведён масштабный промышленный эксперимент в Старобешевской ГРЭС на Донбассе, где наблюдалось зарастание накипью трубок конденсаторов и турбин. После установки магнитного аппарата интенсивность отложений заметно снизилась. Скептики магнитной обработки подметили тот факт, что в 2-х летний период испытаний в поселке при ГРЭС, жители стали активно использовать стиральные порошки вместо мыла, что резко повысило в пруду-охладителе концентрацию фосфатов, которые входят в состав стиральных порошков и являются сами по себе хорошей защитой от накипи.
Публиковалось много статей о влиянии магнитной обработки на качество бетона. Через магнитные аппараты пропускалась вода, идущая на приготовление бетона, или сам бетон перед его заливкой в опалубку. Данные эксперимента были противоречивые. Магнитный аппарат установили на одном московском комбинате ЖБИ. Опять же выяснилось, что качество бетона резко улучшилось после магнитной обработки воды. Создалось такое впечатление, что была использована более дорогая марка цемента. Мнение о причинах происшедшего разошлись. Скептики заявили, что всё это было следствием того, что на комбинате ввиду эксперимента (и конечно же присутствия комиссии) стали строже соблюдаться все технологии. Естественно, как утверждали скептики, в данный период прекратились кражи сырья с данного комбината.
Появлялись сообщения о том, что полив «омагниченной» водой повышает урожайность сельскохозяйственных культур. Утверждалось, что полив растений такой водой, приводит к бурному росту на садовом участке. Институт поливного земледелия в г.Волгоград, проводил промышленный эксперимент. Одна часть опытного поля поливалась обычной, а другая водой прошедшей магнитную обработку. Для этого в поливочной машине заменили обычные форсунки (лейки) на специальные со вставками из постоянных магнитов. Были получены более чем обнадёживающие результаты - урожайность на опытной части поля повысилась на 20–30% по сравнению с обычной половиной. Скептики, опять же, подметили тот факт, что при замене обычных форсунок на «магнитные» они были заодно прочищены и откалиброваны. Раньше же, по их утверждению, поливка делалась кое-как... В свое время Госкомитет по науке и технике, Академия наук и Министерство образования создавали несколько комиссий для выяснения действия магнитной обработки воды. Научная общественность в лице физиков-теоретиков отвергала какое-либо влияние магнитного поляна чистую воду, но многочисленные статьи и книги не давали забыть о ней. Последнюю комиссию возглавлял крупнейший специалист по магнитным полям, академик, директор института физических проблем АН СССР А.С. Боровик-Романов. Комиссия поручила ряду институтов системы АН СССР проверить эффект магнитной обработки воды. Институт кристаллографии АН СССР им. А.В. Шубникова показал, что «омагничивание» воды никак не влияет на рост кристаллов в ней. Хотя в многочисленных статьях утверждалось, что «омагничивание» приводит либо к изменению растворимости солей в ней, либо к смене кристаллической формы выпадающей твердой фазы: вместо кальцита, к примеру, выпадает арагонит – более «щадящий» вид накипеобразователя CaCO3. Примерно такие же отрицательные выводы дали и другие организации. Физики-теоретики, которые также принимали участие в работе этих комиссий, подкрепили результаты этих «академических» тестов выводами о том, что если и есть какое-то влияние магнитного поля на чистую воду, то оно моментально «глушится» другими влияниями (термическим воздействием, например).
Было выявлено, что магнитотерапия помогает при переломах, сращиванию костей, которое можно ускорить, если на зону перелома воздействовать тороидальным полем постоянного кольцевого магнита. Были отмечены положительные результаты при лечении омагниченной водой больных, страдающих кожными заболеваниями. Эксперименты, проводимые врачами совместно с физиками, показали, что употребление воды, обработанной магнитным полем, повышает проницаемость биологических мембран тканевых клеток, снижает количество холестерина в крови и печени, регулирует артериальное давление, повышает обмен веществ, способствует выделению мелких камней из почек. Скептики же, частично признав этот факт, заявляют, что такая вода, наряду с выведением камней из организма, может «вымывать» заодно и кальций... Всё же стоит признать, что обработка магнитным полем положительно влияет на структуру и свойство воды. Главное подтверждение этому – борьба с накипью. Пионером в применении магнитной обработки воды можно считать Бельгию. Около 50-лет назад там стали применяться магнитные установки для борьбы с накипью. Этот метод нашел широкое распространение во многих странах мира, таких как Германия, Япония, США. В СССР проводились 4 научные конференции по использованию этого метода в различных отраслях народного хозяйства. В советский период, Московским заводом им. Войкова (ныне закрытом) было выпущено более 500000 аппаратов для магнитной обработки.
Последние годы начался новый этап в этом направлении, связанный с повышением цен на химические реагенты, используемые для умягчения воды и созданием высокоэнергетических магнитов, превосходящих по свойствам магниты предыдущего поколения. Борьба с образованием накипи может вестись как химическими, так и безреагентными методами. Химический метод связан с высокими материальными затратами и проблемами утилизации использованных реагентов (чаще всего это кислоты). Из безреагентных методов наибольшее практическое применение получил описываемый в данной статье магнитный метод. Принцип действия - магнитное взаимодействие присутствующих в воде ионов металлов, и одновременно протекающий процесс химической кристаллизации. Ферромагнитные частицы, растворенные в воде, становятся центрами электрохимической кристаллизации, под действием постоянных магнитов с сильным магнитным полем, связывая ионы кальция и магния, составляющие основу жесткой воды.