УДК 544.773

ДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ НА НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ (ОБЗОР)

Крупнова Татьяна Георгиевна1, Ракова Ольга Викторовна2
1ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (НИУ), кафедра экологии и природопользования, кандидат химических наук, доцент
2ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (НИУ), кафедра экологии и природопользования, кандидат химических наук

Аннотация
В работе представлен обзор литературных данных о влиянии внешних силовых полей на неорганические дисперсные системы. Рассмотрены теоретические аспекты и практическое значение взаимодействия дисперсных систем с магнитными и электрическими полями.

Ключевые слова: дисперсная система, магнитное поле, электрическое поле


THE EFFECT OF EXTERNAL FORCE FIELDS ON INORGANIC DISPERSE SYSTEM (REVIEW)

Krupnova Tatyana Georgievna1, Rakova Olga Viktorovna2
1FSFEI of HPE «South Ural State University» (NRU), The Ecology and Nature Management Department, PhD in Chemical Science
2FSFEI of HPE «South Ural State University» (NRU), The Ecology and Nature Management Department, PhD in Chemical Science

Abstract
The paper presents a review of literature data on the influence of external force fields of inorganic dispersed systems. Theoretical aspects and practical importance of the interaction of disperse systems with magnetic and electric fields are considered.

Рубрика: Химия

Библиографическая ссылка на статью:
Крупнова Т.Г., Ракова О.В. Действие внешних силовых полей на неорганические дисперсные системы (обзор) // Исследования в области естественных наук. 2014. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2014/02/6613 (дата обращения: 30.04.2017).

Давно известно, что электрические, магнитные, ультразвуковые и другие поля влияют на процессы упорядочения в молекулярных системах, в том числе вызывают процессы агрегации (иногда дезагрегации) в дисперсиях. Изучение действия внешних силовых полей позволяет получить детальную информацию о взаимодействии дисперсных частиц, в том числе, в отсутствии поля. Исследования в этой области имеют также важное практическое значение, например, магнитная обработка воды [1, 2], флотируемых рудных дисперсий [3-6], цементных и вяжущих систем [7, 8], глинистых суспензий [9, 10], использование магнитных полей в процессах очистки воды [2, 11, 12]. В настоящей работе представлен обзор литературы, посвященной исследованиям влияния полей на дисперсные системы.

Отметим, что хотя в литературе имеется большое количество публикаций, посвященных влиянию магнитного поля на вязкость, плотность, электропроводность, поверхностное натяжение воды, сведения, содержащиеся в них, весьма противоречивы, и физико-химическая сущность процессов, происходящих при магнитной обработке воды не выяснена. В литературе чаще всего рассматриваются гипотезы, связанные с изменением структуры воды, процессами массопереноса, явлением резонанса, присутствием в водном растворе примесей парамагнитной или диамагнитной природы.

При флотационной обработке водных систем обнаруживаются некоторые режимы магнитной обработки при которых изменяется. Для флотационных систем особый интерес представляют следующие наблюдения: эффективность магнитной обработки воды возрастает с повышением в ней концентрации различных ионов; в результате магнитной обработки сильно изменяется поверхностное натяжение растворов ряда флотационных собирателей и возрастает химическая активность растворенного в воде кислорода [3].

В работе [7] изучено взаимодействие электрических и магнитных полей с водой и  водно-солевыми растворами, показано влияние полей на процессы массопереноса и структурообразования в цементных и оксидных вяжущих системах, дано теоретическое обоснование обнаруженных закономерностей. По мнению автора, влияние магнитного поля на водные суспензии обусловлено возникновением в системе  областей (микроканалов) пространственного заряда. В условиях, когда  величина магнитной индукции равна 10–1…10–2 Тл, а скорость движения жидкости составляет около 1 м/с, силы действия магнитного поля сопоставимы с тепловым движением, что приводит к нарушению равновесного состояния системы и изменению характера и скорости переноса вещества. Показано, что под влиянием электрического поля происходит увеличение прочности на сжатие в конечные сроки твердения в 1,3-1,8 раза.

В водных суспензиях природной глины под действием магнитных полей происходит истинный изотропно-нематический переход, механизм формирования жидкокристаллической фазы изучен в работе [29]. В работе [10] изучено влияние низкочастотных электрических импульсов на суспензии кремнезема. Характер взаимодействия изменяется при варьировании концентрации дисперсионной фазы суспензии, напряженности и частоты внешнего электрического поля.

В работе [11] магнитные поля используются для очистки морской воды на мембранном модуле от коллоидных твердых частиц и биологических загрязняющих примесей. Это позволяет снизить энергетические затраты на 18 %, а также ускорить процесс очистки воды. Под действием магнитных полей ускоряются процессы коагулирования и соосаждения примесей.

Известно [13], что переменное электрическое поле вызывает образование цепочек из капель эмульсии, а также ускоряет тиксотропное восстановление разрушенных гелей. В работе [14] установлено, что высокочастотное электромагнитное поле влияет на оптические свойства золя гидроксида алюминия, а также на его устойчивость. Поле приводит к изменению размера коллоидных частиц, меняется строение ДЭС на границе раздела фаз, происходит пептизация осадков Al(OH)3.

Существуют исследования влияния магнитных полей на процессы образования аморфных осадков. В работе [15] показано, что магнитное поле, 7 Тл, существенно влияет на процесс старения аморфного гидроксида железа (3+). Также обнаружено, что однородное магнитное поле, 7 Тл, или неоднородное магнитное поле, В = 0,8 Тл, gradВ = 7 Тл/м, не влияют на полиядерные гидроксокомплексы акваионов железа (3+).

Исследованы растворимость и ионное состояние железа в насыщенных растворах системы KOH – K2CO3 – H2O и с использованием методов УФ и ЭПР спектроскопии изучено влияние на эти процессы магнитных полей в зависимости от продолжительности их воздействия и напряженности. Показано, что в растворах с высокой концентрацией СО32–-ионов преобладают карбонатные комплексы железа возможного состава [Fe(H2O)4(CO3)2], а в растворах с высокой концентрацией ОН-ионов образуются преимущественно моно- и полиядерные аквогидроксокомплексы и гидроксокатионы и гидроксоанионы железа. Авторами предполагается, что в карбонатных растворах снижение растворимости железа при магнитной обработке обусловлено выделением карбонатных соединений, а в растворах с высокой концентрацией ОН-ионов связано с усилением полимеризации аквогидроксокомплексных ионов железа [16].

Влияние полей на коллоидные системы все чаще связывают с открытием в последние 10…15 лет процесса формирования в неорганических системах жидкокристаллических фаз [17]. Известно, что влияние электрического и магнитного поля вызывает множество различных эффектов в органических жидких кристаллах. Так, например, молекулы нематиков стремятся выстроиться параллельно магнитному полю. В холестериках под воздействием поля возникают либо эффект нестабильности, либо эффект раскручивания спирали. Хиральный смектик может иметь электрический дипольный момент, который способствует возникновению ферроэлектрической жидкости.

В работе [18] исследовано влияние магнитного поля на нематическую фазу системы V2O5 – вода. Обнаружено, что магнитное поле, приложенное перпендикулярно планарному слою нематика переориентирует поле директора по своему направлению. Прямым доказательством влияния магнитного поля на исследуемую систему являются магнито-гидродинамические домены 1-го рода: взаимодействие поля директора с границей тактоида приводит к изменению его формы.

В цикле работ авторов статьи показано влияние внешних полей на окрашенность [19], сорбционные [20-22], реологические [20], электрофоретические [20, 23], термогравиметрические [24] характеристики мезофазоподобных гелей оксигидратов иттрия, циркония, иттербия, ниобия, железа, а также силикагелей [25].

Влияние магнитных полей на ксерогели в пленочной форме изучено в работе [26]. Под действием полей уменьшалось количество пленочной воды и увеличивалась гомогенность поверхности.

В [27] отмечалось, что на формирование структуры и свойства оксидных пленок иттрия влияет наложение магнитного поля. В литературе особенности и механизм данного процесса не рассматривался, но в химии и молекулярной физике показано [28], что слабые магнитные взаимодействия носят спиновую, а не энергетическую природу. Обнаружено также [29], что под воздействием слабых переменных и импульсных магнитных полей наблюдается перемещение дислокаций. В [30] магнитопластические эффекты рассмотрены с точки зрения спиновой микромеханики.

Группой исследователей кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета исследовались пленочные наноразмерные оксиды, в том числе иттрия [31]. Исследован процесс формирования оксида иттрия и показано влияние на перенос ионов в сильном электрическом поле магнитного поля. Измерения электрической прочности показали, что более высокие поля выдерживают оксиды, электрохимический синтез которых проводился при совместном воздействии электрического и магнитного полей. Для получения пленочных оксидов использовался метод электрохимического окисления металла при постоянной плотности тока 10 А/м2. По мере увеличения толщины слоя оксида, положительный потенциал металла возрастал до 100…120 В. В качестве кислородсодержащей среды, использовался водный раствор пентабората аммония в этиленгликоле. Ортогонально электрическому полю во время роста пленки накладывалось магнитное поле постоянной величины с индукцией до 0,133 Тл. Исследователи полагают, что магнитное поле участвует в образовании оксида как дополнительный энергоноситель, способствующий не только сформированности структуры, о чем свидетельствует отсутствие недостроенных октаэдров и появление координации, характерной для фаз, образующихся при высоких температурах и давлениях. В то же время, сохраняется некристаллическая структура оксида.

В последние годы сильно возрос интерес к магнитным наночастицам. Множество работ [32-42] посвящено направленному синтезу наноматериалов на основе антиферромагнитных оксидов переходных металлов, в частности MnO, CoO, α-Fe2O3 (гематит) и ферримагнитного оксида γ-Fe2O3 (маггемит).

Исследователи из калифорнийского университета в Риверсдэйле [43] показали, что суперпарамагнитные нанокристаллические кластеры суспензии наночастиц оксида железа Fe3O4 в воде могут самостоятельно собираться в коллоидные фотонные кристаллы (colloidal photonic crystal), которые могут быть магнитно настроены через весь видимый спектр. Благодаря высокой намагниченности, коллоидные фотонные кристаллы показывают быстрый, двусторонний, и перестраиваемый оптический отклик на воздействие внешних магнитных полей. Открытое явление имеет большой потенциал использования в различных фотонных устройствах, например в телекоммуникациях, сенсорах и лазерах, а также в производстве цветных отражающих дисплеев: из подобных фотонных кристаллов можно сделать миллионы крошечных пикселей, контролируя цвет каждого пикселя с помощью магнитного поля.

За последнее время значительно вырос интерес к магнитоуправляемым дисперсным системам, в частности, к магнитным жидкостям, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Для их получения проводят химическую конденсацию солей двух- и трёхвалентного железа с образованием магнетита и маггемита (гамма-оксида железа), после чего магнитные осадки стабилизируют поверхностно-активными веществами или полимерами и пептизируют их в водной среде. Свойства магнитных жидкостей во многом определяются свойствами её составляющих: магнитной дисперсной фазы, применяемого стабилизатора и дисперсионной среды (жидкости-носителя). Изучение этих свойств может предопределить поведение данной коллоидной системы в конкретных условиях её эксплуатации [44-46]. Среди магнитных жидкостей существуют реологические жидкости чувствительные к магнитным полям – это электрореологические магнитные жидкости [47]. Они используются в муфтах, амортизаторах и других устройствах.


Библиографический список
  1. Сокольский Ю.М. Омагниченная вода: правда и вымысел. Л., 1999.
  2. Классен В.И. Омагничивание водных систем. М., 1982.
  3. Черных С.И., Рыбакова О.И., Лебедев Н.М., Жирнова Т.И. К вопросу изучения влияния ультразвука, магнитных полей и электрического тока на флотацию золота // Цветная металлургия. 2003. № 6. С. 15.
  4. Классен В.И. и др. Магнитная обработка пульпы перед пиритной флотацией // Цветные металлы. 1969. № 6.
  5. Классен В.И., Орел М.А., Цапков Н.Т., Кабирова Р.А. Об улучшении флотации несульфидных минералов магнитной обработкой водных ратворов реагентов // Известия вузов. Цветная металлургия. 1968. №1.
  6. Классен В.И., Щербакова С.В. Структура воды и возможности изменения с ее помощью процессов обогащения // Новые исследования в области обогащения мелких классов углей и руд: сборник статей. М., 1965.
  7. Горленко Н.П. Низкоэнергетическая активация цементных и оксидных вяжущих систем электрическими и магнитными полями: автореферат дис. … д-ра техн. наук. Томск, 2007.
  8. Щербань Е.М., Ткаченко Г.А., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А. О влиянии обработки пенобетонной смеси переменным электрическим полем на свойства пенобетона // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 1. С. 170.
  9. Laurent J. Michot, Isabelle Bihannic, Solange Maddi, Sérgio S. Funari, Christophe Baravian, Pierre Levitz, and Patrick Davidson. Liquid–crystalline aqueous clay suspensions // Proc Natl Acad Sci U S A. 2006. 103(44). Р. 16101–16104.
  10. Stoimenova M., Dimitrov V., Okubo T. // Journal Colloid and Interface Sci. 1996. № 1. Р. 106−111.
  11. Vedavyasan C.V. Pontential use of magnetic fields // А perspective Desalination2001. V. 134. P. 105−108.
  12. Скрябин А.Ю., Бутко Д.А., Лысов В.А., Крюков С.В., Нечаева Л.И. О влиянии магнитных полей на процесс уплотнения осадка, полученного при осветлении природных вод / Водоснабжение и канализация. 2010. Т. 1. № 2. С. 100−103.
  13. Ефремов И. Ф. Периодические коллоидные структуры. Л., 1971.
  14. Репейкова Л.Ю., Стась И.Е. Исследование влияния электромагнитного поля на оптические свойства и устойчивость золя гидроксида алюминия // Известия Алтайского государственного университета. 2011. № 3. С. 137−141.
  15. Федотов М.А., Тарабан Е.А., Зайковский В.И., Игнашин С.В., Буянов Р.А. Изучение влияния магнитного поля на процессы образования гидроксида железа (III) // Журнал неорганической химии. 1998. №.3. С. 451−457.
  16. Данилина А.Е. Растворимость и комплексообразование железа в системе KOH − K2CO3 −Fe2O3 −H2O при 25°С и воздействие на эти процессы магнитных полей // Журнал неорганической химии. 1981. Т. 26. Вып. 2. С. 420−427.
  17. Крупнова Т.Г., Кострюкова А.М. Генезис коллоидно-химических представлений о гелевом состоянии неорганических веществ (обзор литературы) // Исследования в области естественных наук. 2014. № 1 (25). С. 8.
  18. Казначеев А.В. Влияние электрического и магнитного полей на термотропные и лиотропные нематические жидкие кристаллы : Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М., 2005.
  19. Крупнова Т.Г., Кострюкова А.М. Новые факты окрашенности оксигидратных ксерогелей иттрия и циркония. // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 11 (31). С. 2.
  20. Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Апаликова И.Ю., Бережная Ю.В., Лазаренко И.С. Влияние магнитного поля на сорбционные и реологические свойства оксигидратных гелей железа // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2005. № 2. С. 73−77.
  21. Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Апаликова И.Ю., Юдина Е.П., Маркус М.В. Эффект запаздывания при воздействии магнитного поля на оксигидратные гели иттрия и железа // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2005. № 3. С. 59−63.
  22. Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Ракова О.В. Влияние магнитного поля на сорбционные свойства гелей оксигидрата ниобия // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2005. № 4. С. 130−133.
  23. Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Апаликова И.Ю., Юдина Е.П., Маркус М.В. Влияние импульсного магнитного поля на реологические свойства оксигидратных гелей железа и иттрия // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2005. № 3. С. 53−58.
  24. Sukharev Y.I., Krupnova T.G., Yudina E.P., Lebedeva I.Yu., Prohorova A.Yu. Concerning the interconnections of some parameters of self-organizing oxyhydrate gels and their experimental determination // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2007. Т. 300. № 3 SPEC. ISS.. С. 281−286.
  25. Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Зиганшина К.Р. Способ получения сорбентов на основе ксерогеля кремниевой кислоты. Патент на изобретение RUS 2296617 10.10.2005
  26. Carlos A. Brunello, Carlos F. O. Graeff. Magnetic and thermal induced ordering in V2O5 xerogel films // Journal of Non-Crystalline Solids. 2002. V. 304, Issues 1-3. P. 265−270.
  27. Pergament А.L., Malinenko V.Р., Aleshina L. A., Tulubaeva O.I. Electroforming and switching effects in yttrium oxide // Phys. stat. sol. 2004. V. 20. № 7. P. 1543.
  28. Алексеенко В.А. Возможности влияния импульсного магнитного поля на структурные состояния в оксидном стекле // Журнал технической физики. 1998. Т. 68. № 10.– C. 50.
  29. Зюбрик А.И. Процессы конденсации тонких пленок теппури в магнитном и электрических полях // Журнал технической физики. 1980. Т. 50. № 12. C. 2607.
  30. Bund A., Koehler S., Kuehnlein H. H., Plieth W. Magnetic field effects in electrochemical reactions // Electrochimica Acta. 2003. V. 49. P. 147.
  31. Логинова С.В., Малиненко В.П., Тихонов Н.Д., Фофанов А.Д. Формирование структуры аморфных анодных оксидов иттрия при получении их в присутствии магнитного поля // Исследовано в России. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/095.pdf.
  32. Szabo D., Czako-Nagy I., Zriniy M., Vertes A. Magnetic and Mössbauer studies of magnetite-loaded polyvinyl alcohol hydrogels // Journal of colloid and interface science. 2000.  V. 221. № 2. P. 166−172.
  33. Chitu L., Chushkin Y., Luby S. Effect of magnetic field on self-assembling of colloidal Co magnetic nanoparticles // Applied surface science. 2006. V. 252. № 15. P. 5559−5562.
  34. Hai-Tao ZhangXian-Hui Chen. Controlled synthesis and anomalous magnetic properties of relatively monodisperse CoO nanocrystals // Nanotechnology. 2005. № 16. P. 2288−2294.
  35. Bruno J. Lemaire, Patrick Davidson, Jacques Ferré. The complex phase behaviour of suspensions of goethite (α-FeOOH) nanorods in a magnetic field // Faraday Discuss. 2005. № 128. P. 271 – 283.
  36. Tronc Е., Prené Р, Jolivet J.P. Magnetic behaviour of γ-Fe2O3 nanoparticles by Mössbauer spectroscopy and magnetic measurements // Hyperfine Interact. 1995. № 95. P. 129−148.
  37. Tronc Е., Jolivet J.P. Formation of magnetic spinel iron oxide in solution // Vayssieres Nanophase Materials ed. G.C. Hadjipanayis and R.W. Siegel 260.NATO ASI Series E, Kluwer Acad. Pub., Dordrecht. 1994. P. 45−48.
  38. Cherkaoui R., Nogues М., Dormann J.L. Static Magnetic properties at low and medium field of gamma-Fe2O3 particles with controlled // IEEE Transactions on magnetic. 1994. № 30.2. P. 1098.
  39. Prené P, Tronc E, Jolivet J.P. Magnetic properties of isolated γ-Fe2O3 particles // IEEE Trans. Magn. 1993. № 29.6. P. 2658−2660.
  40. Lemaire B.J., Davidson P., Ferré1 J. Outstanding Magnetic Properties of Nematic Suspensions of Goethite ( α-FeOOH) // Nanorods Phys. Rev. Lett. 88. 2002. Issue 12.
  41. Balaji G., Gajbhiye N.S., Wilde G., Weissmüller J. Magnetic properties of MnFe2O4 nanoparticles // Journal of Magnetism and Magnetic Materials2002. V. 242-245. Part 1. P. 617−620.
  42. Голосовский И. В. Дифракционные исследования атомного и магнитного порядка в антиферромагнетиках, наноструктурированных внутри пористых сред: автореферат дис. … д-ра физико-математических наук. Гатчина. 2007.
  43. Ge J., Hu Y., Yin Y. Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals // Angewandte Chemie International Edition. V. 46. № 39. Р. 7428−7431.
  44. Rottmann F, Dettmann F. New magnetoresistance sensors: Engineering and applications // Sensors and Actuators. 1991. V. 25. № 763.
  45. Atarashi T., Imai Т., Shimoiizaka Yu. On the preparation of the colored water-based magnetic fluids (red, yellow, blue and black) // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1990. V. 85. P. 3 – 6.
  46. Autenshlyus A. I., Brusentsov N. A. // J. Magn. Mat. 1993. V. 122. P.360 – 364.
  47. Emil M., Shtarkman J., Starkovich А., Davison W., Thomas J. Fitzgerald Fluid responsive to a magnetic field. US Patent. 1994. №. 957693.


Все статьи автора «olgarakova»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: