磁场对物质理化性质的影响

i J文章编号：1001-3830 2000) 034X)36-0636奸磁场对物质理化性质的影响芒咒西一屛贾绍义（夭津匸学化三串院广天津 300072）摘 要：介绍了磁場对水-应水嫁淹*原油、堆油和有机输警極M的理化性质韵谢响* 并简介了有关机理傲说.关键词：兰壘弦化：皀J；理化営坝一中图分0482.5文KI标识码：Aii牧稿日期：2000-04251前言磁场是一种特殊能量的场.地球本身 就是一个大磁场*只不过它的磁场强度很 弱。大自然的一切物质輟存在于磁场中。 磁场对物质理化性质的影响一直是人们感 兴趣的领域.60年代以来.人们对水及水 瘩液、原油和燃袖等物系的理化性质在磁 场中的变化进行了研究，得到了一些有益 的成果*因而.进一步加强磁场对物质理 化性质影响的研究*必将加探人们对磁现 象的认识。2磁场对物质理化性质的影响2.1对水及水溶液理化性质的影响 2AA 水水经雄感应强度为0.15T,磁程为0.3m 的磯场磁化后，理化参数均有明显的变 化-表面张力、电导率、pH值、折射率与 吸光系数变大*同时，密度、蒸发速率和 粘度变小*冰点下降。难溶性物质碳酸钙、 碳酸顿、硫酸器和硫酸凱的溶解度在磁化 水中增大.碳酸總和硫酸钙的溶解度则减 小*叫用等体积的煤油和水混合后摇匀，放 在磁场0.06-0.2T）中静置两天.测定 它们的表面张力.发现磁化后油水界面张 力有所降低*但降低幅度很小叫在有確场0,2T）和无磁场作用的情 况下 用电加热器将32dm3/h自来水从14 17P加热到6070 ,连续加热】00h后. 对加热棒表面生成的垢晶进行观寨、测 试，对比后发现，与未加磁场相比.加磁 场后，垢晶量大为减少.垢晶的结构外型 有明显差异。磁化水的垢晶呈排列较松的 矩条形樺状结构，其中搆杂有无定型的微 团。未磁化水的垢晶则为排列紧密的长条 形棒状结构，未见有无定型微团，结晶外 形呈细针状.排列紧密。电子显微镜观测 结果表明.水中无机盐鞭粒的形状和大小 的差异很大、未蹙化水中垢晶是呈有-定 晶面角的晶状体，其最大颗粒粒径为339 Um；而礎化水中垢晶近似呈圆球状.最 大粒径为0.14 nm.这说明磁场抑制了水 中垢晶的足成.并影响了垢晶的形状。用 600倍至900倍的显微镜拍摄磁化水中碳 酸钙的照片，可以看到未磁化水中的碳酸 钙结晶是有三个晶轴的方解石晶体：而磁磁性材料及器件2000年&月化水中的碳酸钙晶体是无定型的物质-用 电镜也拍摄到同样类似的照片叫2-1.2 水淳液氯化钠溶液静置磁化C0.4T） 8h后的 密度、赳导率和表面张力都明显小于磁化 前=对碳酸氢钠饱和溶液施加磁场（0-2T） 作用，不仅对晶体粒径的长大有利，而且 对增加晶体的生成量也大有益处。从总体 上讲，有磁场作用时，晶体的平均粒径比 没有加磁场时要大10%30%.晶体的生 成量処增加20%200% 91 o用静置磁化（0.07TO 13h的磁化水配 制的质最浓度为O.OLkg/L的对甲苯磺酸钠 溶液的表面张力比用蒸輛水配置的同质量 浓度的对甲苯磺酸钠溶液低6%7%。称 取氯化钠I2.35mg,硫酸钙26,58mg 硫 酸镁氐3mg、碳酸氢衲22.25mg于1L蒸憎 水中配成离子水，用此离子水配制质量浓 度为OQdgFL的十二烷基磧酸铀溶液。经 160kA/m的礦场流动磁化20h,与未磁化 相比，表面张力显著下降。在实验中，未 经磁化的溶液在22弋下静置3天析出结 晶，而经破化的溶液在同一温度F静置3 天则未有结晶析出洌27 对原油性质的形响有实验数据表明.原油流动磁化 （O-5T）25min其粘度下降50%,凝固点下降2析蜡点下降1:TC。通过 显微观测和照相发现.原油经过磁化后. 其分散相液滴直径变大。在同样的务件 下，磁化能够加快原油的脱水、脱气（天 然气連度.增加原油的脱水量以及降低 从原油中脱除出来的水中的含抽量仙.将原油在609下静置磁化0.2T IOh 后连续降温，发现原油的析蜡点至少下 降4X?,说明磁化抑制了石蜡分子的聚集 和蜡晶的析出。当抽温下降至33X：原油 凝固点）时.未磁化原油的蜡晶既多又粗， 37 呈多角片状，尺寸是磁化原油中蜡晶的 100-200倍.相互连接成的网络已完全把 油分割包围于其中，网络结构较強：磁化 原油的蜡晶既少又细，呈圆球状，蜡晶间 连接松散.网络结构较弱.这反映出磁化 使原油中的石蜡结晶形状及空间网络发生 了变化乜据测定的抑制蜡晶效果计算、平 均抑晶率可达到30%-65%.已相互连结 成大的片状的蜡晶磯化后，原来大的片状 蜡晶被分散开，蜡晶破碎变小.磁化对已 形城的蜡晶起分散x破碎作用叫23对燃油的影响从60年代开始芙国日本、加拿 大等国报道了将燃油磁化可起到减烟、提 高燃烧值的作用，同时，燃油磁化后，沸 点、表面张力、粘度、结蜡点、着火点都 有所降低.以航空燃油为例*其沸点为44$ 以Im的流速经过80kA/m的磁场磁 化盹后，沸点降为4399叭上海测试技术研究所通过光吸收扩散 实验.用0J85T磁场静置磁化6.5h的汽 油和柴油与未借化的汽袖和柴油、互为作 扩散物质和扩散介质，结果磁化汽油和柴 油的扩散系数增大，粘度降低，抽滴半径 减小f日本大兴制纸工厂对锅炉壁上的烟 尘进行光谱分析，结果发现未磁化燃油烟 尘的灼减重为2%3%,磁化油的仅为 0.20%-048%.匕述实验说明磁化油油滴 变小.磁化后的燃油，其雾化的颗粒细度要 出未磁化的燃池的雾化颗粒细一些般取四份70#汽油样品各50ml （含烷绘 52.4%,环烷疑 18,0%.芳炖 29,6%）.第 一份为原样（未破化*未注氧几 第二份 静置磁化（置于（MT磁场中礒化.未注 氧人 第三份注氧（以03L7min的流速向 样品中注氧人第四份注氧銘化（置于0.IT 磁场中磁化同时以0,3L/min的流速向样 品中注氧人注氧样注氧2乐后溶解氧量为| 维普资讯 h ttp:/-38J Mggn fttal超Vol 31 No 30.047呱而注氧橙化祥注氧25s后溶解氧量 * 0.054% e可见.磁化汽油溶解氧量增加。 静置磁化样的折光率较之原样的折光率增 大.并且静置磁化样的折光率随静置磁化 时间延长而增大，静置7天后达到最大值 不再随时间变化亠注氧硯化样的折光率较 之注氧样的折光率増大，并且注氧磁化样 的折光率随静囂磁化时间延长而增大.注 戦25s后达到最大值不再随时间变化静 置磁化7天的静*磁化样和注鞍磁化25s 的注氧磁化样密度较之原拝都增大了 0.41%.注氧磁化25s的注氧磁化样粘度较 之原样降低L59%.静置磁化7天的静置 磁化样粘度较之原样降低1.78%o磁化咖的红外吸收峰多数比未磁牝汽 油的增强.由于红外吸收带的强度与原子通 过其平衡位时偶极矩的变化呈正比叫因 此磁化汽油的红外吸收带增强.说明其分 子的稱极矩变化增大口磁化前后柴油的红 外光谱变化，与汽袖基本上是一样的.B 化汽油的喇曼光谱的强度显着增强*许雾 原来不明显的肆瞇化后变得明显了 Nahansi等网认为.喇曼光谱线的强度取 决于盧子通过基平繭垃霍时极化度的变 化+极化度可以认为是受测原子核运动时 电子云移动的快慢.因此喇曼强度系决定 于平衡前后电子云形狀的差异“由忧可 知磁化使得汽油分子极化率变大了卩叽有文章则报道？煤油磁化后，其碳氯 化合物的组成中*含11-!5个碳原子的分 子数减少.含8-10个碳原子的分子数増 氛还产生了一些个碳原子的分子 的同分异构体。2-4对有机抽理化性质的影晴在磁场中进行丙亟碘化反应 CHCOCH +15 - CHiCOCHJ + HI,随瑞 磁场强度从16kA/rn逐渐增大，反应速率 常数降低5%-15%r直到!60fcA/m后趋 于缓和.但ST场的存在并不影响本反应的 历程磁场対乙酸乙黯电牝反应的速率常 数有明显的影响，随着磁场的增强反应 速率増大,到疫2T后变化超于平缓畑 叫 磁化可以改变环氧树脂分子的两络形 态*把环氧树脂放置在0.012T的静議场 中，于IOTC进行热間化v发现固化的环 氧树脂的空间网络强化，分子排列更加规 整，分子内原子的堆砌得到改善几乎可 生庞bcc结琵点阵。同时固化树脂的体积 电阻值也增大了 12亍数童级.外磁场 对襄异戊二烯接枝微结拘会产生影响.通 常在异戊二烯的自由基聚合反应中.识结 枸较为稳定的b 聚合反应为主.特别 是反式b 4一棄合产物构成的.但是当外 加證场1.2T）时、对异戍二烯接枝粧中 3, 4-要合的量可高达87編鬧叫正戊烷、正己烷*正庚烷円正戊醉、正己醇和正庚醇经磁场0.05-0.287）嫌 动LSh后，表面张力有不同程度的下 降.醇类的表面张力隔低值一般比相应的 烷烽要大切口2,5对其它!#察理化性履的审昭25.1沥膏冋经过0.015T磁场静磁化Oh后的轻 质沥青，用显微镜观察*发现大块高分子 聚合物有龟裘为小块及变薄的现象.出现 了高分子量转变曲低分子量的现象* 2-5,2帖井液1同用低固相聚丙烯酰胺鮎井液作为实验 样品.使之议L!4m/s的流速流经永磁式 議牝器出磁轉应强度55囲为006P.5T 实验结果表明.与未磁化的钻井液相比. 磁化稱井粧的剪切力降低，且降幅较大， 探性粘度降低*但畸幅较小在合适实验 条件下、较高的降切幅度能够超过18.5%, 较高的降粘幅度能沁过4.9%。磁化钻井 液还具有抑制泥页岩造浆、膨胀的作用，|维普资讯 rrnp: www. |磁性材料及器件2000年6月经较强磁场磁优的钻井液使岩屑的水化造 浆速度大大降低。2.53 水泥浆闵丫水泥浆磁化后改变了水泥颗粒的表面 性质和胶体的电动特性.使水泥顆粒吸附 减水剂蔡磺酸盐和木质素碱酸钙的量明显 增加*流动电势提高& A级r G级水泥浆 磁化后.流动性提高12码20殊，剪切应 力平均降低14% r表观粘度平均降低 1L8%：水泥石的胶结强度提高.卷透率 平均降低27%30%：水泥浆的失水率降 低5%10%；水泥的水化反应速度加快. 水化产物数量增多，结晶、沉淀德更完善. 水泥石变致密 2.5.4酒切以新酿制的”泰山特曲”为酒基.精 心勾兑.放人中心磁场强度大于0.035T的 磁场中静置磁化20天。磁化酒理化性质 发生变化*含氧量.电导率明显增大*粘 度、表面张力略宥降低，经检Mb酒经磁 化后-其有机酸和有机酯含量增加，甲醇、 杂醇油降低，而且杂醇油的含量明显滅 少。磁化可加速酒的酯化反应，缩短酒的 陈化时咼。3磁场对物质理化性质影响机理简介磁场对物质理化性质影响的研究.已 有几十年的历史.但由于影响因素太多” 过程复杂.实验的重复性和可靠性都较 差，因实验上的阴难，致使fiS场对物质理 化性质影响的机理问题一直没有搞淸楚， 多年来国内外许多学耆在机理研究方面进 行了不懈的努力，做了大量的实验，取得 了许多宝贵实验数据，各自提出了一些见 解和看法.其中有许多合理而科学的成 分。当前机理研究基本上处在对各种具体 物系.提出定性假说阶段.到目前为止. 还没有一种理论能比较圆満地解眸磁场对39 物质理化性质影响的作用机理对机理深 人地、细致地、广泛地进行研究.必将提 高人类对磁现象的认识，进一步促进磁技 术的蓬勃发展。针对各种具体物系+曾提出的理论假 说有：洛仑兹力原理、电磁感应原理、交 变电场论、共振模型、结晶学理论”磁力 键理论、磁致胶体效应氢键断裂模型、 三重态理论和自由基对理论等等。下面着 重介绍磁力键理论、三策态理论和自由基 対理论。3.1礪力理论初该理论认为物质结构中有普遍的磁力 键存在.所谓磁力键.是指组成物质的粒 子如电子质子等）所产生的N极波和 S极波阖的强烈吸收作用电和磁是不可 分割的统一体.每个电荷粒子都可视为具 有磁N扱和磁S极的磁体.不同磁极间的 作用，便形成磁力键.换言之.所有的化 学质点都可看作是小磁体或数个小磁体构 成的较大磁体.磁体之间相互以磁力键结 合、从而产生化学反应.磁力键的方向、 强度或剩余键力的多寡，又决定化学反应 的过程和结果，决定于化学反应的多样 性。这就是磁力键理论的要点3.2三豎态理论】回以磁化石油为例石油是抗磁性的物 质其分子內部的碳氢键上有一对自旋相 反的电子，这种状态称为单重态.当有外 磁场存在时，绕核旋转的电子受到电鑑力 的作用，它们旋转的角速度将有所改变 当外磁场足够强时.就会有一个电子的自 旋向量发生倒转.变成两个自旋相同的电 子.这种状态称为三重态由单重态变为三重态或由三里态变为 单重态叫系间窜越*系间窜越要满足两个 条件。第一整个体系的总自旋角动量要 守恒.也就是说在一个电子自旋向量反| 维普资讯 h ttp:/40J Magn Mater DevicesVoJ 31 No 3转的同时.碳氢犍中必須有一个原子核的 自廡向量同时反转；第二、进行系间窜越 的两种状态的能量必须相等.婭分子由单 重态变肯三輩态时二者能量相同.可以转 变而变为三重态以后，在外織场的作用 下.发生塞曼分裂减慢三重态转变掬单 重态的速度.使三重态越积越多.単重态转变为三重态后对分子的性质 产主影响第一”根据Pauli不相容原理， 自旋相同的电子倾向于尽可能地彼此远 离、这种倾向在抉定分子形状和性质的诸 因素中是最重要的，分子形态的改变会影 响分子间的件用力，龙其是溶液里存在氢 锥时出分子形状的改变会使氧镶破裂.从 而大大改变溶液的性盛（如粘度、表面张 力、溶解度等叽 第二根据量尹力学的 观点化孝变化主要取决于化学粒子的电 子自旅状态-磁场正是通过影响电子的自 旋状态从而影响物质的性质和化学反应 的进行.33 自由基对理论曲】自由基对理论是磁动力化学的核心, 磁动力化学（又称磁场化学）主要研究磁 场对化学反应的作用。目前.磴动力化学 的研究主要集中于自由基反应。自由基理论是建立在电子及原子核在 化学反应中的自旋取向的理论基础之上 的.是目前唯一较为成熟的磁动力化学理 论.具体地说.当自由基对在化学反应中 产生之后.它们的自旋状态就会以一定形 式在空间取向，或称为极化。自由基对的 闻个自旋矢量的不同取向.构成了自由基 对的不同状态，自由基对通常可以以单重 态或三重态的状态存在，并可以在一定条 件F互相转变系间窜越人在化学反应中，自由基总是成对产生 的“初生的一对自由基构成一个“笼” Ccagc）n在反应过程中，初始自由基还会 派生出新的自由基，这些自由基依然可以 成对存在円构感新的“笼S占笼初的存在 还需借助于一定的外界条件例如在溶液 反应中.溶剂分子将自由基对包阖住*产 生杯笼效应匕促成了 “笼”的形成.自由基反应在笼內发生还是在笼外发 生，会直接影响反应速度与反应产物洌 如 两个自由基在笼内发生反应-称为“重 结合“重结合若发生于两亍初始自由基 上.就意味着引发的无效*势必影响反应 速度。重结合若发生于髙分子集合反应 中.则意味着反应的響止。值得注意的是. 自由基的重结合只能发生在单重态自由基 对之间。换言之只要尽可能防止自由基 对以单重态的狀态存在*自由基对就无法 重结合，自由基反应就只能在笼外进行 了募防1上或减少自由基对以单輩态的状 态存在，就要控制自由基对的系间窜越， 而磁场作用怡怡町以影响系间窜越，住某 些化学反应中施加一个外加磁场，可以使 系间窜越谒到揑制、使自由塵对尽可能地 保持在三重态，从酣增加笼外反应的可能 性*磁化学的主要作用也就在于此. 鑫琴文I赵击看.閒老应用披术* I和，、2912超描购，张蠻才.孙詰動零，石油人学学报自燃科 学版1902, 16 T）： 36-M.13卢贵此 同开学 石盘大挙学摊-.4撼科学版I- 1098.23 112.HJ 杨根荣，的軽.黄永祥一琏崩应用按术，I颗.I丨：I5J 率抹直能应用技杓曲I. ）,： 口、炸切 耿BI雨.赵在刚.対狡.汙一磕能陨用菇母，198取| 1*21 5-8.PJ 哦禹陈谍歸碗应用掘术，LW. 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