Значительное и возрастающее потребление пресной воды при ограниченности и неравномерности распределения её источников, при обилии засоленных вод привело к появлению разнообразных схем опреснения. «Их использование дает возможность получать из соленой воды годную для жизни людей питьевую воду. В промышленности опреснение производится по разным технологиям. Большинство таких процессов основывается на применении громоздких энергозатратных установок. К ним относятся специальные дистилляторы и фильтры различных видов» {1}.
Существуют следующие типы опреснителей:
– химические;
– дистилляционные;
– ионные;
– на обратном осмосе;
– электродиализные;
– кристаллизаторы.
Часть из них, такие как химические, ионные, на обратном осмосе, требуют дорогостоящих компонентов для осуществления опреснения. Другая же часть опреснителей требует значительных затрат энергии на парообразование ли, охлаждение, или создание значительных электрических полей. Вследствие этого применение многие из указанных методов ограничено, особенно при необходимости получения больших объёмов пресной воды.
Вместе с тем, процесс опреснения вполне возможно сделать существенно менее энергоёмким, учитывая то обстоятельство, что «большинство солей присутствуют в морской воде в виде ионов, незначительная часть соединений находятся в коллоидной или суспензионной форме. К главным ионам принято относить такие, концентрация которых в морской воде превышает 0,001%, а именно: анионы Cl-, SO42- , HCO3-, Br-, CO32- , F- и катионы Na+, Mg2+, Ca2+, K+ и Sr2+» {2}.
С учётом этого, если создать поток, в котором присутствуют указанные ионы и поместить его в магнитное поле определённой конфигурации, задаваемой на основе продвинутого представления о магнитном поле {3}, то они будут отклоняться от исходного направления движения, тем самым производя поперечную сепарацию солей в потоке.
Схема, позволяющая осуществить подобное расслоение катионов и анионов, представлена на рис. 1
Рис. 1 Схема расслоения анионов и катионов морской воды в потоке морской воды под действием внешнего магнитного поля; 1 – прямоугольный входящий патрубок, 2 – магниты, 3 – прямоугольные патрубки выхода солевого раствора, 4 – прямоугольный выходной патрубок для опреснённой воды, несколько смещённый в область действия магнитов.
Данная схема основана на взаимодействии токов анионов I– и катионов I+ с эквивалентными токами постоянных магнитов Iэм. В связи с тем, что по закону Ампера однонаправленные токи притягиваются, а противонаправленные – отталкиваются и ток анионов направлен противоположно потоку, поскольку принято считать, что ток обусловлен положительными зарядами, анионы будут отталкиваться нижним по схеме магнитом и притягиваться верхним, а катионы – наоборот. Именно для этого верхний и нижний магниты установлены однонаправленными полюсами.
То, что однонаправленные магниты отталкиваются, в данном случае может быть устранено, если осуществить магнитное замыкание так, как показано на рис. 2. или другими аналогичными схемами.
Рис. 2. Схема магнитного замыкания магнитов.
В представленной на рис. 1 схеме есть несколько особенностей, которые следует учитывать при технологической разработке процесса.
Прежде всего, при данной ориентации магнитов, распределение эквивалентных токов магнитов имеет «мёртвую точку» по оси потока. Однако, при взаимодействии эквивалентных токов магнитов с тем же током катионов данная точка отсутствует.
Рис. 3. Схема для расчёта токов взаимодействия
Действительно, согласно Амперу сила взаимодействия бесконечных токов (в первом приближении) равна на единицу длины тока {4} (в символах рис. 3)
(1)
Здесь μ=1+γm – магнитная проницаемость; γm – магнитная восприимчивость, jэм – линейная плотность эквивалентного тока постоянного магнита. «Морская вода является диамагнитной средой . В ней происходит экранирование внешнего магнитного поля встречным внутренним магнитным полем, которое в свою очередь возникает за счет индуцированных незатухающих электрических макроскопических вихревых токов. Физическая природа этих токов связана с тем, что электроны в атомах и нуклоны в ядрах приобретают добавочную угловую скорость под действием внешнего магнитного поля и прецессируют вокруг него. Добавочный магнитный момент пропорционален полю и направлен всегда против него (по правилу Ленца). Для воды и всех ее модификаций магнитная восприимчивость очень мала и слабо зависит от температуры» {5}. В жидком состоянии при 273º К γm = -12,93•10-6 {6}. Отсюда μ = 0,999987030
Для определения количества зарядов анионов и катионов, образующих ток, взаимодействующий с эквивалентным током магнитов, будем исходить из количества ионов в морской воде. «Солёность вод Мирового океана изменяется в основном в пределах 33–37%» {7}. Ионный состав морской воды (при содержании солей 35 г/кг) представлен в таблице 1. {7}.
табл 1
Расчёт количества грамм-молей производился с помощью онлайн калькулятора {8}, Кi – концентрация i-го иона в одном килограмме морской воды; nмi – количество молей i-го иона в килограмме раствора.
Плотность катионов и анионов рассчитывалась на основе того, что средняя плотность морской воды составляет ρмв = 1027,54 кг/м3, а следовательно, плотность каждого катиона и аниона (из учитываемых) в общем количестве морской воды будет определяться выражением
(2)
Количество заряда каждого иона может быть определено на основе формулы:
(3)
где Nqi – количество зарядов i-го иона в единице объёма; Nм = 6,02214076⋅1023 моль−1 – число Авагадро; nqi – зарядность i-го иона;
На основе найденных параметров, количество заряда qli в сечении трубы потока определится выражением:
(4)
где b – толщина трубы, е – заряд электрона. Данные для удельного сечения 1 м2 приведены в таблице.
Чтобы определить ионный ток, следует определить скорость морской воды в трубе и учесть распределение скоростей потока по его сечению. В первом приближении это можно оценить по формуле Стокса {9} для ламинарного потока в круглой трубе:
(5)
где vr – значение локальной скорости на удалении r, м, от геометрической оси трубы, м/с; vmax – максимальная локальная скорость жидкости в сечении потока (скорость на оси трубы), м/с; R – внутренний радиус трубы, м.
Учитывая, согласно рис. 3, что для оценки можно принять
(6)
С учётом (6) выражение (5) примет вид
(7)
Также следует учитывать, что «ограничение скорости потока в трубах вызвано гигиеническими нормами допустимого эквивалентного уровня шума дБ. Максимально допустимые скорости воды в трубопроводах системы отопления зависят от диаметра труб и колеблются в диапазоне от 0.8 до 1.5 м/с, а в трубопроводах системы водоснабжения ограничены значением 3 м/с» {10}. Турбулентность потока будет в значительной степени блокироваться резким увеличением солёности воды возле стенок, а значит, увеличением вязкости в области зарождения самих вихрей турбулентности, препятствуя возникновению этих вихрей. В связи с учётом всех ограничений, разумно принять максимальную скорость, равной vmax = 3 м/с, чтобы столь существенно не отклоняться от режима ламинарного потока.
С учётом этого и (4), (7) ионный ток в трубе будет определяться выражением:
(8)
Третьим параметром, требующим определения, является эквивалентный ток магнитов. «Для материалов с прямоугольной петлей гистерезиса (феррит бария, феррит стронция, неодим-железо-бор, самарий-кобальт и т. п.):
(9)
f09
где Br – остаточная индукция, μ0 = 4π ∙ E-7 Гн/м – магнитная постоянная. Таким образом, линейную плотность намагничивающего тока можно выразить приближенной формулой:
(10)
f10
«Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов Br — порядка 1 Тесла» {12}.
С учётом указанных параметров плотность намагничивающего тока может быть оценена величиной jэм =7,96•E+5 А/м
Согласно {12} поверхностный ток намагничивания магнита Iэм связан с плотностью тока соотношением
(11)
где b — высота боковой стороны магнитов, примыкающих к трубе и равная высоте самой трубы.
Подставляя формулы (8) и (11) в (1), получим
(12)
где q+ – количество положительных зарядов по сечению потока.
Для анионов получается аналогичная зависимость:
(13)
где q- – количество отрицательных зарядов по сечению потока.
Как мы видим, с учётом распределения скорости самого потока, в данной схеме все анионы и катионы находятся в однородном силовом поле, смещающим их к противоположным стенкам трубы, величина которого зависит от остаточной индукции магнитов, скорости потока, ширины Н и в идеальном случае не зависит от высоты трубы b, а также от обилия ионов в потоке. Причём, сила возрастает с уменьшением ширины трубы Н.
«При рассмотрении движения ионов обычно не возникает необходимости учитывать ускорения, по крайней мере до перехода к сильным или высокочастотным полям. Под действием поля ионы почти мгновенно ускоряются, однако движение это тормозится силами вязкого трения. Энергия, сообщенная ионам электрическим полем, диссипируется благодаря наличию вязкости. Далее ионы движутся с постоянной скоростью, которая прямо пропорциональна приложенному полю, если оно достаточно мало» {13}.
При столь значительных плотностях тока можно оценить скорость поперечного движения ионов величиной v = 2 см/c. Следовательно, длина трубы, необходимая для полного обессоливания морской воды может быть оценена величиной l = 45 м при Н = 30 см. Этого достаточно, чтобы, например, при b = 60 см обеспечивать получение пресной воды 1080 л/мин.
При этом, длина трубы тоже не столь принципиальна. При необходимости она может быть значительно длиннее, как и сечение, поскольку связывает забор морской воды с накопительным бассейном, из которого питьевая вода уже перераспределяется по объектам. Поэтому расстояние может быть выбрано из соображений необходимости качественного опреснения и требуемого количества потребляемой воды. Затрачиваемая энергия будет в основном определяться мощностью насосов и необходимостью периодического восстановления намагниченности магнитов не чаще раз в месяц.
Также длина трубы не существенно влияет на размер магнитов, поскольку они могут быть сделаны составными при сохранении направления намагниченности с каждой из сторон трубы. Также данная схема может быть объединена с ускорением движения ионов в высоковольтном внешнем электрическом поле за счёт зарядов самих ионов, отделяемых от воды в установке, что значительно уменьшит длину трубы. Более подробные сведения могут быть получены после заключения соответствующих договоров с заинтересованными в реальном технологическом внедрении организациями.
Литература:
1.
2. М. Г. Деев
3. Каравашкин С.Б., Каравашкина О.Н.
4
5. К.В. Показеев, Т.О. Чаплина, Ю.Д. Чашечкин
6.
7. – Большая российская энциклопедия
8.
9.
10.
11. Слободянюк А.И. Физика п. 13.2.
12. - виды и свойства, формы, взаимодействие магнитов
13. Р. Робинсон , Р. Стоке , Издательство иностранной литературы, М., 1963 г,
Рис. 1 Схема расслоения анионов и катионов морской воды в потоке морской воды под действием внешнего магнитного поля; 1 – прямоугольный входящий патрубок, 2 – магниты, 3 – прямоугольные патрубки выхода солевого раствора, 4 – прямоугольный выходной патрубок для опреснённой воды, несколько смещённый в область действия магнитов.
Рис. 2. Схема магнитного замыкания магнитов.
Рис. 3. Схема для расчёта токов взаимодействия
Также следует учитывать, что 
где q- – количество отрицательных зарядов по сечению потока.
