磁化水的結(jié)構(gòu)和磁性能的多極值現(xiàn)象

磁化水的結(jié)構(gòu)和磁性能的多極值現(xiàn)象

1.動(dòng)并被液化改性自20世紀(jì)中期以來(lái)，許多國(guó)家先后對(duì)磁化水理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究。其中，前蘇聯(lián)是一個(gè)開始緩慢、成果豐富的國(guó)家。自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，中國(guó)在這方面進(jìn)行了研究，取得了一些成果。例如，水沿縱向磁力線移動(dòng)，并以一定速度沿縱向磁力線移動(dòng)，其表面張力系數(shù)、粘度、密度、電導(dǎo)率和ph值發(fā)生了變化。靜態(tài)磁水化學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于鍋爐、防污染材料、混凝土砌塊、地層和油田的注水、農(nóng)業(yè)、液體化合物、醫(yī)療等領(lǐng)域，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。然而，到目前為止，磁性水的磁化機(jī)尚未完全解決。許多研究結(jié)果報(bào)告不完全統(tǒng)一。因此，作者在磁化水的一般應(yīng)用中進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磁化水的測(cè)量系數(shù)和粘度，以及磁化水的密度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度和硬化時(shí)間的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。因此，作者對(duì)磁化水磁化效果的微觀機(jī)制進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，磁化水的表面張力系數(shù)、粘度和密度隨磁化水的測(cè)量強(qiáng)度和硬化時(shí)間的變化而進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。2.實(shí)驗(yàn)2.1.靜態(tài)、流動(dòng)和攪拌狀態(tài)下的液化與中國(guó)天威集團(tuán)合作研制的專用新型大功率磁化裝置,該裝置磁極面積大,磁場(chǎng)均勻性好,磁感應(yīng)強(qiáng)度精確可調(diào),可對(duì)液體進(jìn)行靜態(tài)、流動(dòng)和攪拌狀態(tài)下的磁化;上海梭倫科技有限公司產(chǎn)A201型表面張力儀,測(cè)值分辨率為0.001mN/m;日本產(chǎn)SV-10型高精度黏度計(jì),精度為讀數(shù)的1%;日本京都電子公司產(chǎn)DA-520液體密度計(jì),密度精度為±0.00002g/cm3,溫度精度為±0.02℃,重復(fù)性為5×10-6g/cm3.2.2.實(shí)驗(yàn)材料的制備考慮磁化水技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用需求,選取沸騰冷卻自來(lái)水、自來(lái)水和去離子水以及它們被磁化后的磁化水為實(shí)驗(yàn)材料.為排除空氣等雜質(zhì)氣體的影響,將自來(lái)水在潔凈容器中放置24h,使溶于其中的氣體揮發(fā)后再進(jìn)行磁化.2.3.幾種磁法水樣品的磁儀器測(cè)量聯(lián)合取處理后的水樣品200ml盛放在專用有機(jī)玻璃容器內(nèi),置于磁化裝置兩磁極之間的間隙中.在一定溫度下,或固定磁化時(shí)間依次改變磁感應(yīng)強(qiáng)度、或固定磁感應(yīng)強(qiáng)度依次改變磁化時(shí)間,分別對(duì)水樣品進(jìn)行磁化.磁化完畢立即作該溫度下的表面張力、黏度和密度的測(cè)量,與磁化前的情況比較分析得出相應(yīng)的變化規(guī)律.每種情況在相同實(shí)驗(yàn)條件下連續(xù)重復(fù)5次,觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性,取5次結(jié)果的平均值作為最后測(cè)量結(jié)果.3.結(jié)果與討論3.1.磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系把自來(lái)水加熱至沸騰,然后自然冷卻到23℃,置于容器中在攪拌狀態(tài)下磁化,磁感應(yīng)強(qiáng)度從200mT開始,依次增加20mT,各不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的磁化時(shí)間均為60min.測(cè)得磁化前和磁化后水的表面張力系數(shù)αN和αM,用Δα=αM-αN表示磁化前后的差值,得出在不同磁場(chǎng)、相同磁化時(shí)間條件下表面張力系數(shù)的相對(duì)變化Δα/αN與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系,如圖1所示.由圖1可知,在所測(cè)范圍內(nèi)沸騰自來(lái)水冷卻磁化后的表面張力系數(shù)αM隨磁場(chǎng)變化呈不規(guī)則波動(dòng),具有多極值關(guān)系.經(jīng)數(shù)據(jù)分析表明,磁感應(yīng)強(qiáng)度在區(qū)間(204.53mT,232.23mT),(309.84mT,345.98mT)和(394.24mT,410.72mT)呈增大狀態(tài),在323.90mT時(shí)達(dá)到最大,相對(duì)增幅為13.34%;而在(232.23mT,309.84mT)和(345.98mT,394.24mT)內(nèi)呈減小狀態(tài),其中在293.78mT時(shí)達(dá)到最小,減幅為14.68%.這與某研究設(shè)計(jì)院磁化水試驗(yàn)組報(bào)道的表面張力系數(shù)減小10%—15%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.3.2.磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁粒黏度的影響把剛從水龍頭流出的自來(lái)水在容器中放置24h,待氣體揮發(fā)后測(cè)得未磁化時(shí)的表面張力系數(shù)和黏度,然后在磁感應(yīng)強(qiáng)度為200mT下分別磁化不同時(shí)間,測(cè)得相應(yīng)的表面張力系數(shù)αM和黏度ηM,再依次增加磁感應(yīng)強(qiáng)度到250,300mT等,分別重復(fù)上述過(guò)程,以上實(shí)驗(yàn)水溫均為25℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示.圖2給出了5種不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下自來(lái)水表面張力系數(shù)隨磁化時(shí)間的變化關(guān)系,基本都呈波動(dòng)狀態(tài).對(duì)于減小表面張力有顯著效果的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁化時(shí)間的優(yōu)化組合為(200mT,35min)和(400mT,50min).圖3則給出了5種不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下自來(lái)水的黏度隨磁化時(shí)間的變化關(guān)系,分析可得減小黏度的最佳優(yōu)化組合為(200mT,12min).3.3.表面張力系數(shù)與上述自來(lái)水磁化過(guò)程相同,同樣是在水溫為25℃下,測(cè)得去離子水在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的表面張力系數(shù)和黏度隨磁化時(shí)間的關(guān)系如圖4和圖5所示.由圖4可知,使去離子水的表面張力系數(shù)減幅較大的兩個(gè)優(yōu)化組合為(400mT,9min)和(400mT,50min).分析圖5可得使去離子水的黏度減小的優(yōu)化組合為(200mT,50min),其他組合減小效果不大.3.4.磁化水的磁環(huán)境特征將自來(lái)水放置24h后在25℃下磁化,1)磁感應(yīng)強(qiáng)度從200mT開始,依次增加20mT,各不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的磁化時(shí)間均為10min,分別測(cè)得磁化后水的密度,得出自來(lái)水密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示.2)取具有代表性的250mT磁感應(yīng)強(qiáng)度固定不變,依次改變磁化時(shí)間,每次增加5min,同一時(shí)刻測(cè)得同一樣品的密度、黏度和表面張力系數(shù),分別得出它們與磁化時(shí)間的關(guān)系如圖7—9所示.由圖6可知,在磁化時(shí)間和水溫一定時(shí),磁化自來(lái)水的密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度具有多極值增減變化關(guān)系.圖7—9表明,磁感應(yīng)強(qiáng)度和水溫一定時(shí),磁化自來(lái)水的密度、黏度和表面張力與磁化時(shí)間均呈現(xiàn)多極值增減變化關(guān)系,并且,同一磁化水樣品密度增大和減小的變化趨勢(shì)與黏度和表面張力同一時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)基本呈相反狀態(tài),但變化的相對(duì)幅度略有差異.該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在下面結(jié)合磁化水的磁化機(jī)理予以探討.4.磁水磁機(jī)的研究4.1.單水氫鍵的形成機(jī)理20世紀(jì)50年代初期,Duncan和Pople應(yīng)用量子力學(xué)的計(jì)算方法得出單個(gè)水分子的結(jié)構(gòu)近于四面體構(gòu)型,氧原子位于四面體中心,2個(gè)氫原子和氧原子上的兩對(duì)孤對(duì)電子位于四面體的4個(gè)頂點(diǎn)上,如圖10所示,在氧原子核與每一個(gè)氫原子核之間各有一對(duì)電子,該電子對(duì)因氧原子核比氫原子核帶有更多的正電荷而偏向氧原子一側(cè),形成氧與氫之間的強(qiáng)極性鍵O—H,氧原子上剩余的兩對(duì)孤對(duì)電子分別位于四面體上除去2氫原子占據(jù)的另外2個(gè)頂點(diǎn)上.事實(shí)上,水體的存在狀態(tài)并非全部以單個(gè)水分子的形式出現(xiàn),Narten等人由水的X射線衍射測(cè)量中發(fā)現(xiàn),液態(tài)水在常溫下以單個(gè)水分子和水分子的締合體共存的狀態(tài)存在,締合體是由若干個(gè)單個(gè)水分子通過(guò)氫鍵連接起來(lái)的整體,呈鏈狀或環(huán)狀.由于氫鍵作用較弱,氫鍵形成和破壞所需的活化能較小,加之形成氫鍵的空間條件較易出現(xiàn),在物質(zhì)內(nèi)部分子間和分子內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)條件下,氫鍵可以不斷形成和斷裂,導(dǎo)致在常溫下水分子的締合與離解同時(shí)存在,在一定溫度下而保持動(dòng)態(tài)平衡,這種雙向進(jìn)行的過(guò)程可用如下通式表示:水分子的締合度與液態(tài)水的溫度有關(guān),它隨溫度的升高而降低.這是因?yàn)闇囟壬叻肿舆\(yùn)動(dòng)加劇,分子獲得能量使部分氫鍵斷裂,單個(gè)水分子的比例增大.Pauling在1940年測(cè)得O—H鍵的鍵能為462.75kJ·mol-1,而氫鍵H…O的鍵能僅為5.4—18.8kJ·mol-1.氫鍵的鍵能介于共價(jià)鍵和范德華引力之間,它的形成不像共價(jià)鍵那樣需要嚴(yán)格的條件,它的結(jié)構(gòu)參數(shù)如鍵長(zhǎng)、鍵角和方向性等都可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化,具有一定的適應(yīng)性和靈活性.由于物質(zhì)內(nèi)部趨向于盡可能多地生成氫鍵以降低體系的能量,即在具備形成氫鍵條件的固體、液體甚至氣體中都盡可能多地生成氫鍵,稱為形成最多氫鍵原理.分子間生成氫鍵的液體,其表面張力和黏度增大.例如甘油、磷酸、濃硫酸等多羥基化合物,由于分子間生成大量氫鍵,這些物質(zhì)通常為黏稠狀液體,具有很高的表面張力和黏度.水的表面張力和黏度也比較大,同樣是因?yàn)樗写嬖诖罅康臍滏I.把水中加入表面活性劑或用磁場(chǎng)、電場(chǎng)、紅外線等外加能量破壞水分子間的氫鍵,水的表面張力將減小[11—13].液體分子間可以通過(guò)氫鍵發(fā)生分子締合,分子締合的結(jié)果將影響液體的密度.4.2.水磁干燥機(jī)4.2.1.磁化水的磁化作用機(jī)理根據(jù)電磁學(xué)理論,一切物質(zhì)都屬于磁介質(zhì).根據(jù)分子中各電子的磁矩是否完全抵消,把弱磁介質(zhì)分為抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)兩大類.純水屬于抗磁質(zhì),但近年來(lái)的研究表明,磁化水具有某些順磁質(zhì)的特性,如磁飽和性和記憶效應(yīng),如果水中有較多的順磁性雜質(zhì)或氣體,也將改變水的磁性.事實(shí)上,磁介質(zhì)的磁化過(guò)程即為外磁場(chǎng)與磁介質(zhì)的相互作用過(guò)程.就磁化的微觀本質(zhì)來(lái)講,液態(tài)水的磁化與一般固態(tài)磁介質(zhì)應(yīng)該相同,只是水分子具有流動(dòng)性,而固態(tài)介質(zhì)分子只在平衡位置附近作微振動(dòng).理論和實(shí)驗(yàn)表明,電子軌道運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速率為106m/s的數(shù)量級(jí),遠(yuǎn)大于水分子宏觀流動(dòng)的速率,因此,電子所受外磁場(chǎng)的洛倫茲力因水分子流動(dòng)而產(chǎn)生的影響甚微.4.2.2.溫度對(duì)熱膨脹的影響根據(jù)筆者對(duì)水的表面張力、黏度和密度的上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以及部分其他文獻(xiàn)的報(bào)道[16—20],表明磁化水的表面張力、黏度和密度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化時(shí)間均呈現(xiàn)多極值增減變化關(guān)系.但由于水的磁化機(jī)理還不十分清楚,對(duì)這種多極值增減變化關(guān)系至今尚無(wú)法解釋.下面從水的分子結(jié)構(gòu)和氫鍵特點(diǎn)出發(fā),分析水的磁化機(jī)理,討論磁化對(duì)水的物理性質(zhì)變化的影響.如前所述,液態(tài)水在常溫下以單個(gè)水分子和水分子的締合體共存的狀態(tài)存在,締合體由若干個(gè)單個(gè)水分子以氫鍵連接.首先必須明確,根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)中關(guān)于氫鍵理論的結(jié)論,在物質(zhì)內(nèi)部分子間和分子內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)條件下,氫鍵可以不斷形成和斷裂,因此在常溫下水分子的締合與離解同時(shí)存在,在一定溫度下而保持動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)水體具有確定的表面張力、黏度和密度.理論和實(shí)驗(yàn)表明,水的密度在4℃時(shí)最大,在0—4℃水體發(fā)生反常膨脹,密度隨溫度升高而增大,溫度大于4℃時(shí)水的密度隨溫度升高而減小.原因是由于導(dǎo)致水的密度改變的因素有兩種:一種是溫度升高時(shí)部分氫鍵斷裂,生成的單個(gè)水分子和雙分子締合水分子填補(bǔ)原來(lái)四面體結(jié)構(gòu)中的空隙或嵌入大的締合水分子中間,使水的密度增大;另一種是隨著溫度的升高,分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,分子間的平均距離增大而發(fā)生熱膨脹,使水的密度減小.當(dāng)溫度升高時(shí),以上兩種過(guò)程同時(shí)發(fā)生,只是在0—4℃間,因溫度較低,分子熱運(yùn)動(dòng)較弱,同時(shí)由于溫度較低時(shí)水中線度較大的締合水分子所占比例較大,隨著溫度升高有較多的氫鍵斷裂,因此第一種因素占優(yōu)勢(shì),總體上使水的密度增大;當(dāng)溫度大于4℃時(shí),隨著溫度升高水中線度較大的締合水分子所占比例減小,氫鍵斷裂的數(shù)目相對(duì)減小,而分子熱運(yùn)動(dòng)隨溫度升高在加劇,故第二種因素開始占優(yōu)勢(shì),總體上使水的密度減小.以上分析的是水的密度隨溫度的變化關(guān)系及機(jī)理,已作為成熟理論寫于現(xiàn)行熱學(xué)教程中.此處引用是要說(shuō)明氫鍵斷裂是導(dǎo)致水的密度變化的兩種因素之一.當(dāng)水在一定溫度下被磁場(chǎng)磁化時(shí),由于磁化過(guò)程中水的溫度保持不變,因此,分子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度不變,不存在因熱膨脹而使水的密度減小的因素.但電子受到磁場(chǎng)作用或擾動(dòng),狀態(tài)發(fā)生變化,影響了電子間的相互作用,使部分氫鍵斷裂,致使水的密度增大,同時(shí)由于氫鍵被破壞使得分子間作用力減弱而使水的黏度和表面張力減小.圖7—9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了這一點(diǎn).比較圖7—9可知,從t=0時(shí)刻開始磁化,密度增大而黏度和表面張力系數(shù)減小,大約經(jīng)過(guò)10min,密度到達(dá)極大值而黏度和表面張力系數(shù)到達(dá)極小值,以后各自向相反方向變化,且基本上每隔10min到達(dá)各自的下一個(gè)極值,但三者的變化幅度略有差異.根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及氫鍵和概率理論,可對(duì)圖7—9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出如下分析:在25℃下對(duì)自來(lái)水樣品進(jìn)行磁化,磁化過(guò)程中氫鍵的斷裂和形成過(guò)程同時(shí)存在,在t=0的開始時(shí)刻,氫鍵的斷裂和形成處于平衡狀態(tài),此時(shí)水的密度、黏度和表面張力系數(shù)分別對(duì)應(yīng)于各自的曲線與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo).加入磁場(chǎng)后,從t=0到t≈10min這段時(shí)間內(nèi),由于磁場(chǎng)作用使氫鍵逐漸斷裂,使得氫鍵斷裂較氫鍵形成過(guò)程占優(yōu)勢(shì),致使水的密度增大而黏度和表面張力減小,直到t≈10min密度達(dá)極大值而黏度和表面張力達(dá)極小值.此后由于大量氫鍵斷裂后水中的單個(gè)水分子和線度較小的締合水分子所占比例遠(yuǎn)大于線度較大的締合水分子的比例,因此,氫鍵形成的概率遠(yuǎn)大于氫鍵斷裂的概率,導(dǎo)致氫鍵形成較氫鍵斷裂過(guò)程占優(yōu)勢(shì),故從t≈10min開始直到t≈20min,水的密度減小而黏度和表面張力增大并分別達(dá)到各自的極值.同理,在t≈20min開始直到t≈30min,由于大量氫鍵形成后水中線度較大的締合水分子所占比例遠(yuǎn)大于單個(gè)水分子和線度較小的締合水分子的比例,因此,氫鍵斷裂的概率遠(yuǎn)大于氫鍵形成的概率,導(dǎo)致氫鍵斷裂較氫鍵形成過(guò)程占優(yōu)勢(shì),致使水的密度增大而黏度和表面張力減小,直到t≈30min密度達(dá)極大值而黏度和表面張力達(dá)極小值.以后隨時(shí)間作近于周期性變化.物理量變化的幅度取決于氫鍵斷裂和形成的強(qiáng)弱程度以及該物理量對(duì)氫鍵斷裂形成的響應(yīng)程度,具有一定的隨機(jī)性.這里需要指出,圖2和圖3是磁化自來(lái)水的表面張力系數(shù)和黏度隨磁化時(shí)間的變化關(guān)系曲線,由圖中曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可知,表面張力和黏度的變化有時(shí)并不同步.分析原因,一方面是由于表面張力和黏度的形成機(jī)理不同,二者對(duì)氫鍵斷裂與形成的反應(yīng)速度和響應(yīng)時(shí)間有差異,更可能是由于二者的數(shù)據(jù)采集時(shí)間不同,實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一磁化后的水樣品,先測(cè)量表面張力系數(shù),接著測(cè)量黏度,兩者讀數(shù)時(shí)間相隔約5min,在這期間磁化水的狀態(tài)發(fā)生變化所致.圖4和圖5去離子水亦存在以上原因,而圖7—9的一組實(shí)驗(yàn)中,密度、黏度和表面張力系數(shù)是在同一時(shí)刻測(cè)得的,三者的變化基本同步,這間接說(shuō)明了磁化水在離開磁場(chǎng)后其物理性質(zhì)隨時(shí)間變化較快.分別比較圖2與圖4以及圖3與圖5發(fā)現(xiàn),去離子水與自來(lái)水在相同實(shí)驗(yàn)條件下的變化規(guī)律不同,說(shuō)明磁化效果與水體的組成成分和雜質(zhì)含量有關(guān).5.磁化水磁化機(jī)理隨磁環(huán)境的變化1)根據(jù)筆者和其他文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,綜合應(yīng)用電磁學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和熱學(xué)的相