Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 490, № 1, стр. 9-12

Максимально очищенная деионизированная вода, имеющая сопротивление 18 МОм/см, тем не менее является водным раствором, содержащим как минимум атмосферные газы, которые даже в небольших количествах способны влиять на свойства жидкости. Известно, что под действием внешних физических факторов свойства водных растворов также могут существенно изменяться. Так, в начале 1960-х гг. А.М. Прохоровым с сотрудниками экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения гидравлического ударного импульса при поглощении внутри жидкости излучения лазера [5]. Было показано, что ударная волна образуется в результате кавитации пузырей, индуцированных лазерным излучением. При этом, как оказалось в дальнейшем, образуется молекулярный кислород, молекулярный водород и пероксид водорода [6].

Возникновение в жидкости пузырей происходит не только при воздействии лазерного излучения, но и при механических воздействиях [7]. Естественно предположить, что последствия могут быть аналогичными. Действительно, показано, что в водных растворах при турбулентном перемешивании происходит генерация пероксида водорода [8]. В [9] феномен образования пероксида водорода подтвержден при распылении капель микрометрового размера. Сведения об изменении концентрации молекулярного кислорода и водорода в водных растворах при механическом воздействии на них нам не известны.

В настоящей работе исследуются концентрационные зависимости молекулярного кислорода и водорода в водных растворах при многократных разбавлениях и турбулентных перемешиваниях, сопровождающих процедуру разбавления. Деионизированную воду насыщали молекулярным водородом путем барботации. В качестве источника молекулярного водорода использовали генератор водорода ГВЧ-6 (водород в генераторе получается путем электролиза, чистота получаемого водорода 99.995%). Барботирование проводили до полного насыщения водного раствора молекулярным водородом, также готовились растворы, содержащие необходимые концентрации молекулярного водорода. Контроль концентрации молекулярного водорода в водных растворах осуществляли с помощью портативного анализатора водорода АВП-02 (амперометрического сенсора).

В качестве растворов, насыщенных молекулярным кислородом, использовались образцы деионизированной воды, барботированные молекулярным кислородом. Концентрация молекулярного кислорода в насыщенных растворах достигала 800 мкМ. Измерение концентрации молекулярного кислорода проводили полярографическим методом с использованием кларковского электрода [10].

При насыщении молекулярным водородом воды максимум концентрации газа достигается за времена порядка 30 мин (рис. 1). При этом происходит вытеснение водородом растворенного в воде воздуха и, соответственно, уменьшение концентрации молекулярного кислорода до 10 мкМ. После отключения генератора (время порядка 60 мин) концентрация молекулярного водорода в воде начинает уменьшаться линейно с течением времени. Через 4 ч концентрация молекулярного водорода уменьшается с 700 до 50 мкМ, в то же время концентрация молекулярного кислорода монотонно увеличивается от 10 мкМ и достигает примерно 100 мкМ.

Рис. 1.

Изменение концентрации растворенных в воде молекулярного водорода и молекулярного кислорода с течением времени при насыщении молекулярным водородом (до 60 мин) и после прекращения подачи молекулярного водорода. Механическое воздействие отсутствует.

На рис. 2 представлены результаты, иллюстрирующие многократное разбавление водного раствора, насыщенного молекулярным водородом, водным раствором с фиксированным содержанием молекул водорода. Естественно, что концентрация примеси в конечном продукте не может быть меньшей, чем в растворителе, что и подтверждается в случае с молекулярным водородом. При этом возможность регистрации выхода на “плато” определяется чувствительностью аппаратуры, принципиально он должен иметь место всегда, так как идеальных растворителей не существует.

Рис. 2.

Многократное разбавление водного раствора, насыщенного молекулярным водородом, водным раствором с фиксированным содержанием молекул водорода. Механическое воздействие отсутствует.

Рисунок 3 демонстрирует процесс многократного разведения водного раствора, насыщенного молекулярным кислородом. Концентрация молекулярного кислорода в растворяемом образце 800 мкМ. Заметно различие в концентрационной зависимости молекулярного кислорода от количества двукратных разбавлений при различном способе перемешивания. В частности, турбулентное перемешивание растворов, в отличие от ламинарного перемешивания, характеризуется большим значением концентрации молекулярного кислорода в растворе, при котором происходит выход на “плато”. Из приведенных на рис. 3 данных следует, что установившиеся концентрации молекулярного кислорода при многократном перемешивании в случае турбулентного и ламинарного промешивания составляют приблизительно 20 и 5 мкМ. Такое различие в концентрации можно связать с дополнительным растворением некоторой концентрации окружающего воздуха при турбулентном перемешивании.

Рис. 3.

Концентрационная зависимость молекулярного кислорода в одном растворе при многократных разбавлениях в условиях механического воздействия, приводящего к турбулентному или ламинарному движению жидкости (концентрация молекулярного кислорода в разбавителе менее 1 мкМ).

Процесс увеличения концентрации молекулярного кислорода продемонстрирован на рис. 4. Для сравнения приведены данные по насыщению кислородом растворов: а) с концентрацией молекулярного кислорода, равной 100 мкМ, б) с концентрацией молекулярного кислорода, равной 5 мкМ. Установлено, что за счет диффузии концентрация молекулярного кислорода увеличивалась в контрольном образце с течением времени. Турбулентное перемешивание, в отличие от ламинарного, приводит к более быстрому изменению концентрации молекулярного кислорода в образце. Таким образом, при механическом воздействии на водные растворы примеси могут накапливаться в конечном продукте. Механизмы накопления могут быть различными, в случае молекулярного кислорода – это захват газа из атмосферы, в случае пероксида водорода – это генерация за счет аналога светогидравлического эффекта [8–10], для высокомолекулярных примесей накопление может происходить за счет процессов флотации [11] и агрегации [12].

Рис. 4.

Насыщение воды молекулярным кислородом воздуха. Интервалы, в которых происходило турбулентное и ламинарное перемешивание, обозначены вертикальными стрелками. а – изначальное содержание молекулярного кислорода 100 мкМ, б – изначальное содержание молекулярного кислорода 5 мкМ.

Из представленной работы можно сделать несколько выводов. Во-первых, при достижении некоторого числа разбавлений водного раствора концентрация примесей в водном растворе перестает зависеть от числа разбавлений. Возможность наблюдения этого эффекта определяется чувствительностью метода измерения. Во-вторых, в водных растворах в условиях механического воздействия может происходить изменение их состава, наблюдается изменение концентраций таких молекул, как кислород, а также его активных форм. Механизмы накопления различны, например, перемешивание стимулирует захват молекулярного кислорода из атмосферы. При турбулентном перемешивании эффект выражен сильнее, чем при ламинарном. За генерацию пероксида водорода отвечает механический аналог светогидравлического эффекта [8].