Введение

 

В данный момент научным сообществом наибольшее внимание уделяется особо важным, актуальным и проблемным вопросам современной химии и физики. Одним из таких направлений является изучение воды, объяснение ее физико-химических свойств, внутренней структурной организации. За время многолетних исследований ученые достигли значительных результатов в данной области. Однако до сих пор остаются дискуссионные темы, требующие разностороннего рассмотрения возникающих перед исследователями проблем. Согласно современным представлениям, вода является сложной динамической системой, способной к внутренней самоорганизации, зарядовой адаптации к внешним условиям и направленным физическим воздействиям [3-4, 8]. Одним из факторов, обуславливающим такие условия является электромагнитное поле (ЭМП).

Большинство исследований по воздействию ЭМП на структуру воды и обусловленные ею свойства водных систем посвящены растворам электролитов [1,2,5]. Мало изучено изменение свойств водных растворов и дисперсий полимеров природного и искусственного происхождения в результате полевых воздействий.

Предполагается, что воздействие электромагнитного поля существенно изменяет свойства воды. Исходя из того, что в любой гетерогенной системе присутствует взаимодействие компонентов друг на друга, можно предвидеть также изменение характера сольватационных процессов в облученной воде. Изменение степени сольватации, в свою очередь, способно привести к изменению конформаций макромолекул и степени их ассоциации, оказывая тем самым влияние на вязкость растворов высокомолекулярных соединений.

В качестве объекта исследования выбрана система карбоксиметилцеллюлоза - вода. КМЦ и ее натриевая соль (Na-КМЦ) являются искусственными производными целлюлозы, в которой карбоксилметильная группа (-CH2-COOH) соединяется с гидроксильными группами глюкозных мономеров. Благодаря наличию внутримолекулярных водородных связей в макроцепи и различных функциональных группировок, КМЦ способна принимать в растворе форму статистического клубка, либо линейного полимера. Карбоксиметилцеллюлозу принято относить к анионным полиэлектролитам [6, 7].

Экспериментальная часть

 

В работе использовали деионизованную воду, очищенную с помощью деионизатора воды ДВ-301, с начальной удельной электропроводностью 1.8·10-4 См/м. Для электромагнитной обработки воды использовалась ячейка емкостного типа объемом 200 мл. В качестве источника ЭМП выступал генератор ГЗ – 19А с заданным напряжением на электродах - 22 В и выходной мощностью 1 Вт. Частота ЭМП в эксперименте 170-240 МГц, Время полевого воздействия на воду – 1-5 часов.

В качестве объекта исседования использована Na-КМЦ (марка 75/400) с содержанием карбоксиметильных  групп  20.7%.  Содержание  карбоксиметильных  групп  определяли методом кондуктометрического титрования раствора Na-КМЦ в спирто-щелочном растворе соляной кислотой.

Растворы Na-КМЦ вместе с контрольными образцами готовили на следующий день после электромагнитной обработки воды. Колбы помещали в лабораторный встряхиватель. Перемешивание проводили в течение 3-х часов.

Кинематическую вязкость растворов определяли с помощью вискозиметра марки ВПЖ-2 (d = 1,31 мм) по времени истечения жидкости из капилляра. Температуру растворов Na-КМЦ поддерживали с помощью термостата ТЖ-ТБ-01. Измерение динамической вязкости растворов Na-КМЦ проводили при помощи ротационного вискозиметра Thermo VT-550. О результатах эксперимента судили по графикам зависимости динамической вязкости от скорости сдвига, построенных по данным, выданных программным обеспечением оборудования.

Обсуждение результатов

Изучена зависимость вязкости растворов полимера от концентрации. При увеличении концентрации Na-КМЦ в 5 раз ηотн возрастала практически в 2 раза как для исследуемых, так и для контрольных образцов (таблица 1).

Таблица 1 - Относительная вязкость растворов Na-КМЦ различной концентрации, приготовленных на воде, подвергшейся электромагнитной обработке (f=170 МГц, T=298 K, tобл=3ч)

Результаты определения кинематической вязкости 0,1% растворов КМЦ сравнены с данными, полученными при помощи ротационного вискозиметра Thermo VT-550. Результатом измерения являлась зависимость динамической вязкости от скорости сдвига.

Для образца на облученной воде вязкость оказалась существенно выше контрольного и при увеличении скорости сдвига в 10 раз изменялась лишь на 2,6%, в то время как для контрольного образца – на 19%.

Наклон прямой в координатах напряжение сдвига – скорость сдвига, характеризующий среднее значение динамической вязкости, для исследуемого образца она также существенно выше. Из анализа зависимость напряжения сдвига 0,1% растворов Na-КМЦ от скорости сдвига следует также отметить характер вязкого течения. Полученные зависимости отвечают реологической кривой ньютоновской жидкости, что характерно для разбавленных растворов высокомолекулярных соединений.

Рисунок 1 - Зависимость динамической вязкости 0,1% растворов Na-КМЦ от скорости сдвига;

 

 Рисунок 2 - Зависимость напряжения сдвига 0,1% растворов Na- КМЦ от скорости сдвига

Поскольку проведенные ранее исследования с низкозамещенной КМЦ показали зависимость вязкости 0,2% растворов от частоты ЭМП поля, то аналогичные исследования были проведены для наших образцов. Установлено максимальное изменение вязкости для частот 170 и 240 МГц.

Таблица 2 - Зависимость вязкости 0.2% растворов Na-КМЦ от частоты ЭМП, использованной для обработки воды

Также методом турбидиметрии изучены оптические свойства растворов полимера при различных длинах волн. Установлено, что мутность растворов, так же, как и вязкость, зависела от частоты поля, достигая максимальных значений при 170 и 240 МГц (таблица 3).

Таблица 3 - Зависимость мутности 0.2% растворов Na-КМЦ от частоты ЭМП, использованной для обработки

Это может быть обусловлено снижением растворимости Na-КМЦ и образованием агрегатов макромолекул полимера.

Полученные результаты позволяют предположить об усилении когезионных сил между молекулами воды, что приводит к ослаблению взаимодействия между водой и макромолекулами полимера, в том числе с его ионогенными группами. В результате ослабляются силы отталкивания между макромолекулами полимера, что способствует их ассоциации в реорганизованном растворителе.

Выводы

 

1.      Установлено увеличение кинематической и динамической вязкости разбавленных растворов Na-КМЦ, приготовленных на воде, подвергшейся электромагнитной обработке.

2.      Показано, что степень изменения вязкости раствора зависит от его концентрации и частоты электромагнитного поля. Растворы Na-КМЦ, приготовленные на воде, подвергшейся  электромагнитной  обработке  характеризуются  более  высокой вязкостью и мутностью, причем максимальный эффект достигается при облучения ЭМП частотами 170 и 240 МГц

3.      Увеличение вязкости и мутности растворов полимеров является результатом изменения конформации макроионов полимера, что может указывать на изменение межмолекулярного взаимодействия в реорганизованном вследствие воздействия электромагнитного поля растворителе

 

 

Список литературы

 

 

 

1.      Бессонова А.П. Влияние электромагнитного поля на кристаллизацию хлорида кобальта из водных растворов / И.Е. Стась, А.П. Бессонова // Матер. ХI Всерос. науч.-практ. конф. «Химия и хим. технология в ХХI веке». - Томск, - 2010. Т. 1. - с. 5-6.

2.      Гердт А.П. Сравнение эффективности воздействия электромагнитного поля на поверхностные и объемные свойства растворов хлоридов щелочных металлов / И.Е. Стась, А.П. Гердт // Тез. докл. ХI Международная конференция «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах». - Иваново, - 2011. - с.45-46.

3.      Епанчинцева О.М. Структура воды / О.М. Епанчинцева // наука и современность. –2016. - № 43. – с. 21-27

 4.      Классен В.И. Вода и магнит. / В.И. Классен. - М.: Наука, - 1973. - 112 с. 

5.      Классен В.И. Омагничивание водных систем. / В.И. Классен. - М.: Химия, - 1982. -296 с. 

6.      Маркин В.И. Карбоксиметилирование растительного сырья / В.И. Маркин. – Барнаул. -2010. - 56с

7.      Никитин H. И. Химия древесины и целлюлозы./Н.И. Никитин. - М.; Л., - 1961.- 711с. 

8.      Стехин А.А. Структурированная вода: Нелинейные эффекты / А.А. Стехин, Г.В. Яковлева. - М.: Изд-во ЛКИ, - 2008. - 320 с.