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
- Сокольский Ю.М. Омагниченная вода: правда и вымысел. Л., 1999.
- Классен В.И. Омагничивание водных систем. М., 1982.
- 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.
- Классен В.И. и др. Магнитная обработка пульпы перед пиритной флотацией // Цветные металлы. 1969. № 6.
- 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.
- 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.
- Горленко Н.П. Низкоэнергетическая активация цементных и оксидных вяжущих систем электрическими и магнитными полями: автореферат дис. … д-ра техн. наук. Томск, 2007.
- 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.
- 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.
- Stoimenova M., Dimitrov V., Okubo T. // Journal Colloid and Interface Sci. 1996. № 1. Р. 106−111.
- Vedavyasan C.V. Pontential use of magnetic fields // А perspective Desalination. 2001. V. 134. P. 105−108.
- 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.
- Ефремов И. Ф. Периодические коллоидные структуры. Л., 1971.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Казначеев А.В. Влияние электрического и магнитного полей на термотропные и лиотропные нематические жидкие кристаллы : Дис. … д-ра физ.-мат. наук. М., 2005.
- Крупнова Т.Г., Кострюкова А.М. Новые факты окрашенности оксигидратных ксерогелей иттрия и циркония. // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 11 (31). С. 2.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- Алексеенко В.А. Возможности влияния импульсного магнитного поля на структурные состояния в оксидном стекле // Журнал технической физики. 1998. Т. 68. № 10.– C. 50.
- Зюбрик А.И. Процессы конденсации тонких пленок теппури в магнитном и электрических полях // Журнал технической физики. 1980. Т. 50. № 12. C. 2607.
- Bund A., Koehler S., Kuehnlein H. H., Plieth W. Magnetic field effects in electrochemical reactions // Electrochimica Acta. 2003. V. 49. P. 147.
- 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.
- 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.
- 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.
- Hai-Tao Zhang, Xian-Hui Chen. Controlled synthesis and anomalous magnetic properties of relatively monodisperse CoO nanocrystals // Nanotechnology. 2005. № 16. P. 2288−2294.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Prené P, Tronc E, Jolivet J.P. Magnetic properties of isolated γ-Fe2O3 particles // IEEE Trans. Magn. 1993. № 29.6. P. 2658−2660.
- 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.
- Balaji G., Gajbhiye N.S., Wilde G., Weissmüller J. Magnetic properties of MnFe2O4 nanoparticles // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002. V. 242-245. Part 1. P. 617−620.
- Голосовский И. В. Дифракционные исследования атомного и магнитного порядка в антиферромагнетиках, наноструктурированных внутри пористых сред: автореферат дис. … д-ра физико-математических наук. Гатчина. 2007.
- Ge J., Hu Y., Yin Y. Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals // Angewandte Chemie International Edition. V. 46. № 39. Р. 7428−7431.
- Rottmann F, Dettmann F. New magnetoresistance sensors: Engineering and applications // Sensors and Actuators. 1991. V. 25. № 763.
- 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.
- Autenshlyus A. I., Brusentsov N. A. // J. Magn. Mat. 1993. V. 122. P.360 – 364.
- Emil M., Shtarkman J., Starkovich А., Davison W., Thomas J. Fitzgerald Fluid responsive to a magnetic field. US Patent. 1994. №. 957693.