Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительства. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Список литературы
1.Концепция безопасности и устойчивости развития планеты Земля (принята ООН в Рио-де- Жанейро в1992 году).
2.Повестка дня ООН на ХХI век.
3.Жидко Е.А., Попова Л.Г. Информационные риски в экологии XXI века: концепция управления // Информация и безопасность. 2010. Т. 13. № 2. С. 175-184
4.Жидко Е.А. Экологический менеджмент как фактор эколого-экономической устойчивости предприятия в условиях рынка: монография / Е.А. Жидко; Воронеж. гос.арх.-строит. ун-т.- Воронеж, 2009.160 с.
5.Жидко Е.А. Менеджмент. Экологический аспект: курс лекций / Е.А. Жидко; Воронеж. гос.арх.-строит. ун-т.-Воронеж., 2010.180 с.
6.СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.
7.ГОСТ 22283-88 Шум авиационный. Допустимые уровни шума на территории жилой застройки и методы его измерения.
8.Жидко Е.А., Черных Е.М. Динамика частиц золы в выбросах дымовых труб // Экология и промышленность России. 2004. № 7. С. 38-39.
9.Жидко Е.А. Управление техносферной безопасностью / Воронеж, 2013.
10.Жидко Е.А., Колотушкин В.В., Соловьева Э.В. Теоретические основы проектирования и конструкции жидкостных пылеулавливающих устройств // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 2. С. 8-11.
11.Сазонова С.А. Разработка модели структурного резервирования для функционирующих систем теплоснабжения / Вестник Воронежского института высоких технологий. 2008. № 3. С. 082-086.
12.Сазонова С.А. Результаты вычислительного эксперимента по апробации метода решения задачи статического оценивания для систем теплоснабжения / Вестник Воронежского института высоких технологий. 2010. № 6. С. 93-99.
13.Головина Е.И., Манохин В.Я.Экологические факторы среды обитания и здоровье населения Воронежской области Комплексные проблемы техносферной безопасности - материалы X Международной научно-практической конференции. Часть III. г. Воронеж, 2014, 257 с.
________________________________________________________________________________
Жидко Елена Александровна – к.т.н., профессор кафедры пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Е-mail:lenag66@mail.ru.Тел.8(910)345-46-13
Муштенко Владимир Сергеевич – к.ф-м.н., профессор кафедры высшей математики Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: moucht@inbox.ru.Тел.(473)2-22-04-26
96
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
УДК 628.162.9
В.Г. Гадиятов, О.Б. Кукина, О.В. Сибирских
РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОБОГАЩЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ КРЕМНИЕМ
Представлены данные о химическом составе природного кремня из Валуек, исследована активность природного кремня чѐрного цвета относительно водного раствора соды. Установлено, что чѐрный кремень опал-халцедонового состава может использоваться для получения активированной кремнем воды.
Ключевые слова: питьевая, активированная кремнем вода, химическая активность природного кремня.
V.G. Gadyatov, O.B. Kukina, O.V. Sibirskih
THE DEVELOPMENT OF WAYS TO ENRICH DRINKING WATER
WITH SILICON
Presents data on the chemical content of the natural silicon from Valuyek, the activity of the black natural silicon has been researched with regard to the water solution of soda. Established that black silicon with opal-chalcedony content can be used to achieve silicon activated water.
Keywords: drinking, silicon activated water, chemical activity of natural silicon.
Введение. Ещѐ в двадцатых годах прошлого столетия академик В.И. Вернадский говорил: «Никакой организм не может существовать без кремния». Около 70 элементов не усваивается в организме человека, если в нѐм не хватает кремния. Кремний необходим для минерализации костной ткани, построения эпителиальных нервных клеток, способствует свѐртыванию крови, предохраняет от атеросклероза, развития мочекаменной болезни и др. Недостаток кремния в организме вызывает выпадение волос, приводит к расстройству некоторых функций головного мозга, заболеваниям суставов, кожи, хрусталика глаз [1,2]. Поэтому так важно постоянно пополнять организм человека этим биогенным микроэлементам, принимающим участие в жизнедеятельности клеток и многих органов.
Теоретическая часть. Наиболее удобным источником кремния в организме человека считается кремниевая вода. Для получения насыщенной кремнием воды можно применять лекарственный препарат «Полисорб» [3], представляющий собой высокодисперсный кремнезѐм (неорганический, неселективный, полифункциональный энтеросорбент). Однако этот препарат довольно дорогой и предназначен не для обогащения организма кремнием, а для того, чтобы выводить из него токсические вещества, вследствие чего его применение для этих целей нецелесообразно. Существуют также другие способы, основанные на применении химических веществ (препаратов).
Более простой способ пополнения дефицита кремния в человеческом организме - употребление активированной кремнем воды (АКВ) - воды, настоянной на природном кремне. Кремень – природное минеральное образование, состоящее из кристаллического и аморфного кремнезѐма – халцедона, кварца и опала. В волокнах халцедона, занимающего основное место в его составе, находятся микропоры или трубчатые каналы, вытянутые вдоль волокон. Благодаря этому минерал обладает высокой пористостью и более низкой (по сравнению с кварцем) плотностью. Способ насыщения воды кремнем был рекомендован белорусским ученым А.Д. Малярчиковым [4] и быстро нашѐл последователей [5,6].
К сожалению, в рекомендации по употреблению кремня не нашли отражения его технические параметры (минералого-геохимический состав, размер кусочков, способы насыщения воды и др.).
________________________________________________________________________________
© Гадиятов В.Г., 2015
97
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Экспериментальная часть. Ранее был изучен природный кремень из Валуек [7], имеющий следующий химический состав (табл. 1, массовые доли %): SiO2 – 91,59 – 99,3; Al2O3 – 0,43 - 0,9; Fe2O3 – 0,03 – 0,29; СаО – 0,19 - 5,14; BaO – 0,003 - 0,04. Кроме того, в виде примесей присутствуют V, Zn, Ni, Sr, установлены включения апатита, калиевого полевого шпата и сульфидов. В чѐрных кремнях содержания кремнезѐма (99,02 – 99,3 массовые доли, %), Al2O3(0,43 – 0,52) и Fe2O3 (0,08 – 0,1) соответствуют содержаниям аналогичных компонентов в кремнях из разных районов мира [8, 9]. По данным рентгеноструктурного анализа чѐрные кремни характеризуются практически кварцевым составом с незначительным количеством опала [10].
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
Химический состав кремней из Валуек, массовые доли, % |
|
|
||||||
Компо |
|
|
|
|
Номера проб |
|
|
|
|
|
ненты |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
7 |
8 |
|
SiO2 |
98,57 |
91,59 |
97,96 |
99,02 |
99,25 |
|
99,3 |
99,09 |
99,27 |
|
Al2O3 |
0,63 |
0,9 |
0,55 |
0,52 |
0,46 |
|
0,46 |
0,49 |
0,43 |
|
Fe2O3 |
0,063 |
0,29 |
0,066 |
0,1 |
0,08 |
|
0,034 |
0,1 |
0,08 |
|
MgO |
0,011 |
- |
- |
- |
- |
|
- |
0,001 |
- |
|
CaO |
0,68 |
5,14 |
1,41 |
0,34 |
0,19 |
|
0,19 |
0,26 |
0,20 |
|
V2O5 |
- |
0,013 |
- |
- |
- |
|
- |
- |
0,01 |
|
BaO |
0,02 |
0,013 |
0,003 |
0,004 |
- |
|
0,015 |
0,045 |
0,003 |
|
NiO |
0,01 |
0,013 |
0,005 |
0,007 |
0,005 |
|
0,006 |
0,006 |
0,006 |
|
ZnO |
0,008 |
1,99 |
0,005 |
0,001 |
0,008 |
|
0,009 |
0,007 |
0,005 |
|
SrO |
0,007 |
0,05 |
0,006 |
0,003 |
0,003 |
|
0,005 |
0,012 |
0,003 |
|
∑ |
99,999 |
99,999 |
100,005 |
99,995 |
99,996 |
|
100,019 |
100,011 |
100,007 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номера проб: 1 – кремень серого цвета; 2 – кремень светло-серый; 3 – кремень серого цвета; 4-8 – кремень чѐрный.
Мониторинг содержания кремния в питьевой воде – сложная физико-химическая задача. Оксид кремния, который содержится в природном кремне, обладает кислотным характером, а значит, может проявлять химическую активность по отношению к щелочным и амфотерным системам. Это свойство может быть использовано как для разработки способа насыщения кремнием питьевой воды, используемой в лечебно-профилактических целях, так и получения АКВ для получения наностуктурированных строительных систем твердения минерального и органо-минерального происхождения.
Нами были проведены исследования по изучению химической активности чѐрного кремня различных классов крупности для самопроизвольного насыщения раствора соды кремнием. Исследуемый чѐрный кремень был измельчѐн на щековой дробилке и с помощью стандартного набора сит разделѐн на 5 следующих классов крупности (мм): >5; 2,5-5; 1,25- 2,5; 0,63-1,25; <0,63. Известно, что химическая активность кремния увеличивается с увеличением щелочности растворителей, поэтому оценка химической активности кремня в зависимости от степени измельчения определялась по способности реагировать с раствором
Na2CO3. В основе химического анализа лежит реакция:
SiO2 + 2OH - → SiO32- + H2O
К одному грамму навески кремня каждого из указанных 5-ти классов крупности добавляли по 100 см3 раствора Na2CO3, тщательно перемешивали и оставляли на 1-1,5 часа, встряхивая каждые 10 мин. Полученные суспензии фильтровали. Для анализа отбирали пипеткой 10 см3 фильтрата, переносили в соответствующую мерную колбу на 100 см3, добавляли к раствору молибдат аммония и восстановительную смесь. Концентрацию перешедшего в раствор SiO2 определяли по оптической плотности с помощью спектрофотоколориметра КФК-2 методом калибровочного графика [11, 12]. Для построения калибровочного графика готовили 7 мерных колб объѐмом 100 см3 и отмеряли в них из бюретки 1, 2, 4, 6, 8, 10 см3 стандартного раствора силиката натрия с титром 0,0100 мг/см3
98
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
SiO2, в седьмую колбу - растворитель (нулевой раствор), при отсутствии силиката натрия. Во все семь колб наливали по 50 см3 дистиллированной воды, 5 см3 раствора молибдата аммония, перемешивали и выдерживали в течение 10 мин. Затем заливали по 5 см3 раствора восстановителя, доводили до метки дистиллированной водой, перемешивали и давали настояться 15 мин. до образования комплексного соединения, окрашенного в синий цвет
(рис. 1).
Рис. 1. Стандартные и исследуемые растворы для определения химической активности природного кремня
Результаты химического анализа по определению химической активности природного кремня представлены в табл. 2, 3 и на рис. 2, 3.
Таблица 2 Зависимость оптической плотности растворов, насыщенных кремнием от
концентрации стандартного раствора силиката натрия
Объем стандартного раствора |
Концентрация SiO2 в стандартном |
Оптическая |
силиката натрия, мл |
растворе,мг/дм3 |
плотность, А |
0 |
0 |
0 |
1 |
0,1 |
0,025 |
2 |
0,2 |
0,040 |
4 |
0,4 |
0,150 |
6 |
0,6 |
0,240 |
8 |
0,8 |
0,390 |
10 |
1,0 |
0,420 |
Рис. 2. Калибровочный график для определения оптической плотности стандартных растворов силиката натрия
99
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Таблица 3 Результаты определения оптической плотности исследуемых растворов
с природным кремнем по калибровочному графику
Номер |
Класс крупности, мм |
А(оптическая |
Концентрация активного |
пробы |
|
плотность) |
кремня, перешедшего в |
|
|
|
раствор, мг/дм3 |
1 |
>5 |
0,07 |
0,15 |
2 |
2,5-5 |
0,25 |
0,55 |
3 |
1,25-2,5 |
0,3 |
0,65 |
4 |
0,63-1,25 |
0,34 |
0,74 |
5 |
<0,63 |
0,6 |
1,3 |
Концентрация химически активного кремня в растворе Na2CO3, мг/л
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
>5 |
2,5-5 |
1,25-2,5 0,63-1,25 <0,63 |
Классы фракций природного кремня по крупности, мм
Рис. 3. Зависимость концентрации химически активного кремня в растворе Na2CO3 от крупности фракций измельченного природного кремня
Обсуждение результатов. Как видно из приведѐнных данных, природный кремень взаимодействует с раствором соды. При этом степень насыщения зависит от размера частиц применяемого кремня, и выражается обратно пропорциональной зависимостью по отношению к его крупности. Максимальное насыщение питьевой воды кремнием (1,3 мг/л) в течение 1-1,5 часа достигается при взаимодействии раствора соды с кремнем фракции <0,63 мм. Содержание кремния в растворе Na2CO3, настоянном на кремне фракций (мм): 2,5-5; 1,25-2,5; 0,63-1,25 различаются незначительно. Соответственно, оно равно (мг/л): 0,55; 0,65; 0,74), минимальное значение кремния (0,15 мг/л) установлены в растворе, насыщенном кремнем фракции > 5мм. Вследствие этого фракции кремня 2,5-5; 1,25-2,5; 0,63-1,25 можно не выделять, а применять одну усреднѐнную фракцию 5,0 – 0,63 мм. Для быстрого обогащения раствора соды кремнием следует использовать фракцию < 0,63 мм.
Заключение. Таким образом, можно предположить, что для насыщения питьевой воды кремнием, применяемой в лечебно-профилактических целях и для получения наностуктурированных строительных систем твердения минерального и органоминерального происхождения, можно использовать чѐрный кремень опал-халцедонового состава. При настаивании воды на кремне происходит еѐ обогащение кремнием, при этом получается активированная кремнем вода. Для быстрого получения АКВ оптимальным является кремень размером до 5 мм. Максимальное насыщение питьевой воды кремнием достигается при использовании самой мелкой фракции кремня размерностью < 0,63 мм.
100