Вода незамерзающая: ВОДА НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ | это… Что такое ВОДА НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ?

Антифриз (незамерзающая жидкость) для системы отопления дома

Учитывая особенности наших климатических условий, зимой температура может опускаться до отметки 20-30, а то и 40 градусов по Цельсию. А это значит, если отопление не будет функционировать, а в системе будет вода, она замерзнет. Казалось бы, что в это плохого? А дело все в том, что при замерзании (переходе в твердую фазу) вода увеличивается в объеме на 9%. Следовательно, если жидкость замерзает в системе отопления, есть высокая вероятность, что многие составляющие выйдут из строя: трубы, сам котел, краны и прочие элементы.

Антифриз – как незамерзающая жидкость для системы отопления

Бытовой антифриз представляет собой особый теплоноситель, который применяется в различных системах, включая отопительные. В результате существует несколько разновидностей таких смесей, в основе которых лежат водные растворы разных веществ: спиртов, солей, пропиленгликоля, этиленгликоля и прочих. К таким элементам в обязательном порядке добавляются специальные присадки, которые улучшают характеристики растворов. И важным свойством является пониженная температура замерзания.

Антифризы на основе этиленгликоля

В нашей стране популярностью пользуются составы на базе водного раствора этиленгликоля. Во многом такая любовь потребителей к подобному виду антифриза вызвана его доступностью. Ведь на деле такой состав является вредным для здоровья, поэтому нужно исключать его попадание на кожу, тем более в организм. Токсичными являются даже пары смеси. Смертельная доза этиленгликоля для человека – до 5 мл на один килограмм массы тела. Как правило, такой антифриз реализуется в двух видах, отличающихся температурой замерзания:

• -65°С
• -30°С

Чтобы получить требуемую температуру кристаллизации, состав разбавляется водой, желательно, конечно, дистиллированной. Самые часто встречающиеся бренды в России — Hot Blood, Dixis, Nort.

Добавляя определенное количество воды, температура замерзания может находиться в диапазоне от -10°С до -65°С. И нужно понимать, что даже при наступлении температуры кристаллизации есть еще немалый температурный диапазон, при котором сохраняется и жидкость, и лед. Подобное состояние именуется шуга. При таких условиях исключается разрыв системы.

Состав антифризов

В основном антифризы включают разного рода присадки, необходимые для придания раствору необходимых качеств. Например:

• предотвращение разрушение уплотнителей системы;
• растворение и вывод накипи и осадков, которые накапливаются в системе со временем;
• коррозийная защита металлов, которые входят в состав системы отопления.

Заливай и пользуйся?

Казалось бы, если есть проблема – риск замерзания воды в системе отопления — незачем медлить, нужно заливать антифриз. Ведь в наших условиях отключение электроэнергии на продолжительное время – обычное дело, причем без предупреждения.

А значит, в зимнее время могут возникнуть серьезные проблемы в частных домах. Но есть еще одна сложность. Многие производители отопительных котлов категорически не рекомендуют применять антифризы в системах, в которых участвуют их устройства. Возникает резонный вопрос, почему?

Причины, по которым производители котлов отказывают в использовании антифриза

Производитель «Протерм» (Словакия) заявляет о том, что не несет ответственности за последствия, вызванные применением антифризов. Чугунные котлы, изготавливаемые компанией, не предназначены для взаимодействия с незамерзающими жидкостями. Vaillant (Германия) еще более категоричен, заявляя о том, что в настенных котлах использовать незамерзающие жидкости нельзя! Что касается иных производителей, то здесь все запутаннее. Некоторые из них информируют об использовании в конструкции котлов специальных прокладок из паронита, которые подходят ко многим видам антифризов. Однако при этом не афишируется обратная сторона медали: сложности с уплотнителями – не единственная проблема при применении антифризов.

Какие существуют проблемы при использовании незамерзающей жидкости в отопительных системах?

Проблема №1

Поскольку вода и антифриз имеют различные физические показатели, при проектировании системы отопления следует учитывать, будет использоваться та или иная жидкость. Базовые расчеты делаются, конечно, для воды. Если же планируется использование антифриза, потребуется изменить некоторые параметры системы:

• мощность котла;
• на 60% увеличить напор циркуляционного насоса;
• на 50% увеличить объем расширительного бака;
• на 50% увеличить тепловую мощность радиаторов.

Проблема №2

Антифризы на базе этиленгликоля имеют одну особенность – «не любят» перегрева системы. Например, если в любой точке системы температура превысит критическую для данной марки смеси, произойдет разложение этиленгликоля и присадок, в результате реакции образуются твердые осадки и кислоты.

При выпадении осадков на нагревательные составляющие котла появляется нагар, в результате чего снижается теплообмен, стимулируется появление новых осадков, увеличивается вероятность перегрева.  

Образованные при разложении этиленгликоля кислоты вступают в реакцию с металлами системы, в результате чего возможно развитие коррозийных процессов. Разложение присадок способно вызвать снижение защитных характеристик состава по отношению к уплотнителям, что может вызвать течь в местах соединения. Если система имеет цинковое покрытие, использование антифриза недопустимо. При перегреве появляется повышенное пенообразование, а это значит, что гарантировано завоздушивание системы. Следовательно, чтобы все эти явления исключить, нужно жестко контролировать отопительный процесс. Поскольку производителям котлов неизвестны физические свойства используемых теплоносителей (кроме воды), они исключают их применение.

Проблемы №3

Антифризы имеют повышенную текучесть. Следовательно, увеличение количества соединительных мест и элементов влечет за собой рост вероятности образования протечек. Причем в основном такая проблема появляется при остывшей системе, когда отопление выключено. При охлаждении объем металлических соединений уменьшается, появляются микроканалы, по которым и сочится состав. Поэтому важно, чтобы все соединения системы были доступны. Учитывая токсичность антифризов, их нельзя применять для нагревания воды в системах ГВС. В противном случае смесь может попасть в точки разбора горячей воды, что представит опасность для жильцов.

Какой выбрать теплоноситель?

Сейчас набирают популярность, хотя и являются более дорогими, антифризы на основе экологически чистого пищевого пропиленгликоля. Такой состав не вреден для человека, может использоваться в двухконтурных системах. Их гидравлические и теплотехнические характеристики сопоставимы со свойствами этиленгликолевых смесей. Примечательно, что многие производители котлов одобрили использование такого теплоносителя. Стоит также сказать, что оба вида антифризов под разными марками уже изготавливаются в России.

Есть ли альтернатива антифризам?

1. Создание отопительной системы с электронезависимыми котлами.
2. Задействование резервных источников электропитания: аккумуляторных и электрогенераторных.

Последние представляют собой мини-электростанции, которые работают на горючем. Требуют определенных навыков при эксплуатации, а также отдельного помещения. Когда электроэнергия пропадает, аккумуляторное устройство включается, обеспечивая функционирование отопительной системы на восемь и более часов. Когда электроснабжение возобновляется, устройство отключается, начинается зарядка. Цена подобных приборов начинается с отметки в 100 у.е. Для их использования не нужны особые навыки и отдельные комнаты.

Итоги: вода или антифриз?

Сначала нужно определить, насколько высока вероятность продолжительного (больше 24 часов) отключения подачи электроэнергии в загородном доме. Если подобные явления маловероятны, тогда однозначно в систему отопления нужно заливать воду, дополнив ее аккумуляторным источником бесперебойного питания. Если же отключения электроэнергии не просто вероятны, а и происходят регулярно, рекомендуется использовать антифриз. Однако это решение нужно соотносить с характеристиками элементов системы. Также перед использованием смеси рекомендуется сначала проверить, не выпадает ли она в осадок, когда смешивается с водой.

Если такое происходит, тогда стоит использовать дистиллированную жидкость. Как уже отмечалось, использовать антифриз в оцинкованных системах запрещено. Также не следует разбавлять состав более чем на 50 процентов, что снижает антикоррозийные характеристики смеси. Нужно помнить и о старении антифриза, поэтому его придется менять через какое-то время. Обычно срок около пяти лет. Поэтому можно сделать вывод. Нельзя однозначно ответить на вопрос, стоит ли заливать антифриз в систему отопления дома, он лучший теплоноситель. Придется соотнести свои условия с описанными выше, на основании чего и принять решение. Напоследок можно лишь отметить, что с момента активного использования антифризов в отоплении не было отмечено ни одной серьезной аварии. Поэтому статистика говорит о том, что на практике все может быть не так страшно.

Незамерзающая жидкость для системы отопления дома: какую выбрать?

Автономные системы отопления в загородных домах могут работать на различных принципах. Очень популярной конструкцией для создания частных отопительных систем является оборудование с жидким теплоносителем.

Частный дом с незамерзающей жидкостью в системе отопления

Она состоит из нагревательного котла, системы трубопроводов и отопительных радиаторов.

Обычно в качестве теплоносителя используется обычная вода. Для того, чтобы предотвратить образование накипи в такую «техническую» воду зачастую добавляют химические присадки. Но такая система требует постоянного нагрева – в случае замерзания воды внутри трубопроводной системы последняя выходит из строя. Для того, чтобы обеспечить возможность пауз в работе используется незамерзающая жидкость для отопления.

Содержание

• Почему в системе отопления лучше использовать незамерзающую жидкость, а не воду?
• Можно ли использовать антифриз?
  • Что такое промывочная жидкость для отопительной системы и нужно ли ее промывать?
  •  Как выбрать жидкость для отопительной системы?
  • Использование спирта в качестве теплоносителя
• Какую марку антифриза выбрать?
  • Последствия применения незамерзайки с этиденгликолем
  • Какие присадки добавляются в незамерзающую жидкость?
  •  Преимущества и недостатки теплоносителя на основе антифризов
  • Обучающее видео по незамерзающим жидкостям для систем отопления в частных домах

Почему в системе отопления лучше использовать незамерзающую жидкость, а не воду?

Незамерзающая жидкость (или антифриз) в системе отопления существенно упрощает работу с оборудованием. Если вы используете в качестве теплоносителя обыкновенную воду, то отопительную систему приходится оборудовать дополнительными устройствами, например крана для выпуска воздуха из расширительного бачка. Кроме того, в варианте не постоянно используемого загородного дома – воду в отопительную систему придется сливать или заливать при каждом посещении, иначе зимой она просто замерзнет.

С одной стороны вода обладает большей теплоемкостью и при перемещении по трубопроводам системы отопления дольше сохраняет тепло. Именно это обуславливает более широкое применение воды, как теплоносителя в частных загородных домах.

Можно ли использовать антифриз?

схема теплоснабжения с антифризом вместо воды

Антифризы или незамерзающие жидкости известны практически каждому. Они широко используются в системах охлаждения автомобилей в зимний период. В автомобильном двигателе антифриз переносит излишнее тепло от двигателя, охлаждая его. При этом даже в самые сильные морозы он не замерзает. Именно эти свойства – способность переносить тепло даже в самые низкие температуры и обусловили использование антифризов для строительства систем отопления. Особенно актуально применение такого теплоносителя в системе, часть трубопровода которой проходит по открытой местности.

Хорошей особенностью «незамерзайки» является и то, что она меньше, чем обычная вода провоцирует образование коррозии на внутренней поверхности трубопроводных систем. Еще одним несомненным плюсом является отсутствие в незамерзающих жидкостях взвешенных растворов известняка – таким образом вы можете не беспокоиться по поводу возможного образования накипи.

Существует несколько модификаций незамерзающих жидкостей, которые можно использовать в отопительных системах .Выбор конкретной разновидности производится с учетом климатических условий и конфигурации системы отопления вашего дома.

Что такое промывочная жидкость для отопительной системы и нужно ли ее промывать?

Кроме собственно теплоносителя – при эксплуатации отопительной системы вам придется еще приобрести жидкость, предназначенную для промывки трубопроводом и радиаторов отопления.

Конечно, в крайнем случае можно провести промывку внутренней поверхности труб и обычной водопроводной водой, но лучше это сделать все-таки с помощью специальных жидкостей, в которые введены специальные химические добавки.

промывка отопления

Альтернативным вариантом промывки может являться использование воды с добавленным в нее раствором каустической соды. Такая смесь заливается в систему отопления и примерно в течении часа остается внутри ее. Раствор соды вступает в контакт с накипью на внутренней поверхности системы и растворяет ее. Кроме того, раствор соды растворит участки с коррозией.

 Как выбрать жидкость для отопительной системы?

• Прежде всего необходимо определить рабочие параметры системы. Здесь вам будут важны два крайних значения – максимальная температура теплоносителя при нагреве в котле и минимальная температура окружающего воздуха.
• Далее вам необходимо внимательно изучить технические характеристики вашей отопительной системы. Собственно, основное внимание нужно обратить на характеристики теплообменника в котле. Некоторые производители могут не допускать использование незамерзающих жидкостей.
• И, наконец, после определения допустимости использования незамерзающей жидкости и ее возможных температурных параметров – приступайте непосредственно к выбору марки жидкости, делая упор на ее наименьшую токсичность. Все-таки отопительная система будет расположена в жилом помещении, и возможные утечки жидкости не должны приводить к отравлениям.

Использование спирта в качестве теплоносителя

Как бы не кощунственно это звучало для мужского уха – но допускается использование спирта в качестве теплоносителя. Спирт не замерзает и может использоваться в широком диапазоне температур. Естественно в таком качестве используется технический спирт, который для человека является смертельным ядом. Однако многие производители котлов и теплообменников критические относятся к использованию в качестве теплоносителя таких жидкостей как бишофит или этиленгликоль.

бишофит

Минусом использования чистого спирта в качестве теплоносителя является его высокая испаряемость – примерно пять литров за год у вас будет испаряться через микроскопические поры в системе.

Какую марку антифриза выбрать?

Немаловажным фактором при выборе незамерзающей жидкости для отопительной системы станет подбор совместимости жидкости с материалом изготовления трубопроводной системы. Так, в качестве материала изготовления труб в системах отопления могут использовать полипропилен, алюминий, сталь или чугун. С каждым из материалом определенные марки незамерзающих жидкостей могут вести себя по-разному.

незамерзайка «Теплый дом»

Кроме того очень важен и максимальный температурный режим, которому будет подвергаться жидкость-теплоноситель. Этот параметр во многом зависит от топлива, используемого в отопительной системе. Так жидкие сорта топлива, например солярка имеют гораздо большую температуру горения, нежели обычные березовые дрова. Соответственно и жидкость-теплоносителя в таких системах будет нагреваться в большей степени.

При использовании антифриза необходимо учитывать и его повышенную текучесть и проницаемость, вызванную небольшим коэффициентом поверхностного натяжения. Вследствие этого антифризы могут просачиваться буквально сквозь мельчайшие поры в соединениях. Таким образом использование антифриза предусматривает тщательную ревизию всех соединительных узлов в системе отопления вашего дома.

Учтите, что разные марки антифризов от разных производителей могут иметь разный химический состав. «Антифриз» — это просто общее название рода незамерзающих жидкостей. Соответственно поведение каждой жидкости с индивидуальным химическим составом будет также индивидуальным.

Последствия применения незамерзайки с этиденгликолем

Очень часто в состав незамерзающей жидкости производителями вводится этиленгликоль. Помните, что этиленгликоль представляет собой агрессивное и ядовитое химическое вещество. Вследствие этого при эксплуатации систем отопления с теплоносителем-антифризом необходимо соблюдать ряд мер безопасности. В любом случае при использовании незамерзающих жидкостей система теплоснабжения и система горячего водоснабжения вашего дома должны быть физически разделены, чтобы не допустить смешивания используемых в них жидкостей. В крайнем случае, при реальной возможности попадания теплоносителя в систему горячего водоснабжения необходимо использовать пропиленгликоль. Он обладает меньшей эффективностью, чем этиленгликоль, но гораздо менее токсичен.

Перед первой заливкой незамерзающей жидкости в отопительную систему не забудьте провести промывку внутренней поверхности трубопроводов.

Как производят антифриз?
Основным компонентом незамерзающих жидкостей является обычная вода. И от ее качества и чистоты во много зависит эффективность работы отопительной системы. Дело в том, что мельчайшие примеси загрязнения в воде являются теми участками, вокруг которых начинается ее замерзание. Хорошо очищенная, дистиллированная вода не замерзает даже при небольших минусовых температурах.

Кроме того, примеси в воде – это и есть накипь, которая образуется на внутренних стенках трубопроводах. Чем чище будет вода, используемая при производстве незамерзающей жидкости – тем меньше вероятность образования накипи, тем меньше

Для снижения негативных эффектов при производстве «незамерзайки» используются различные химические присадки. Они полностью растворяются в воде и препятствуют началу коррозии металлических поверхностей, играя в происходящих химических реакциях роль ингибиторов.

Какие присадки добавляются в незамерзающую жидкость?

Среди химических присадок, используемых при производстве «незамерзаек» можно выделить следующие:

• Ингибиторы, то есть вещества, тормозящие химические реакции с металлом. К нем можно отнести силикаты и фосфаты.
• Гибридные присадки, выполняющие одновременно несколько функции. Эти смеси бывают на органической и на неорганической основе.
• Добавки на основе карбосиликатов. Это довольно свежее решение в этой отрасли и оно имеет широкую перспективу в развитии.

 Преимущества и недостатки теплоносителя на основе антифризов

Самым главным преимуществом жидкостей на основе антифризов при их использовании в отопительных системах является из способность сохранять текучее состоянии при отрицательных температурах. Даже при очень низкой температуре такая жидкость не становится твердым веществом а образует субстанцию, напоминающую кашицу, которая не сможет повредить трубопроводы и оборудование вашей системы. Кроме того, при низкой температуре и частичном замерзании антифриз не увеличивается в размерах. После повышения температуры он полностью восстанавливает свои свойства.

Но за такую эффективность при низких температурах антифризу приходится расплачиваться пониженной теплоемкостью, которая снижена на величину до 15 процентов относительно обычной воды. Это приводит к повышенному расходу энергоносителей для нагрева жидкости в отопительной системы. Также при использовании «незамерзаек» придется использовать более мощные радиаторы отопления, с большим количеством секций. Антифриз более вязок, чем вода и перемещать его по системе придется более мощными насосами.

Учтите, что после заполнения системы отопления незамерзающей жидкостью ей необходимо дать выстояться в течении двух-трех часов. За это время из жидкости выйдет присутствующий в ней воздух. Только после этого в системе можно создавать рабочее давление.

Чтобы избежать подсоса воздуха в жидкость в ходе работы системы – в ней необходимо установить расширительный бачок. По сравнению с системами, работающими на воде бачок должен иметь больший объем, что связано с большим коэффициентом расширения от тепла для «незамерзаек». Также незамерзающая жидкость может иметь склонность к вспениванию, что также должно компенсироваться бачком расширения.

При эксплуатации отопительной системы с антифризом недопустимо допускать ее перегрева, что может привести к необратимым последствиям и потребовать полной замены жидкости в системе.

Обучающее видео по незамерзающим жидкостям для систем отопления в частных домах

незамерзающая вода в мерзлоте — Наука и культура

Вода – основа жизни на нашей планете. Это все мы усвоили ещё в школе. Вода – самое распространённое на Земле химическое соединение. Около 95% её приходится на моря и океаны, менее 2% существует в виде льдов и снега Арктики, Антарктики и высокогорных ледников, примерно столько же составляют грунтовые воды, несколько меньше воды находится в реках и озёрах и лишь совсем небольшая часть – это водяные пары в атмосфере (облака, тучи и туманы). Но очень редко люди вспоминают о том, что ещё некоторая часть воды (в основном, в виде льда) присутствует в вечной мерзлоте. Да, количество её несущественно, по сравнению с водой в форме ледников, однако вполне сопоставимо с общим количеством воды в реках и озёрах нашей планеты.

Что ещё мы хорошо помним о воде из школьного курса, так это то, что пресная вода переходит в лёд при 0^оС. А если в воде растворить какие-нибудь соли, то замерзать она будет уже в спектре отрицательных температур. И чем выше минерализация этого раствора, тем ниже будет его температура замерзания. Поэтому логично предположить, что в мерзлоте, характеризующейся отрицательной температурой, не вся вода будет находиться в виде ледяных кристаллов. И это действительно так. В ней всегда существует незамёрзшая вода. Только увидеть эту незамёрзшую воду невооружённым глазом можно далеко не всегда, потому что она существует не только на макро-, но и на микроуровне.

Температура замерзания воды в природных условиях зависит от соотношения и количества растворённых в ней веществ. Замерзание морской воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана (35‰), происходит при температуре около −1,8°C. Морская вода солёностью 10‰ замерзает при температуре 0,5°C, а солёностью 40‰ уже при температуре –2,2°C.

Большие объёмы незамерзающей воды в мёрзлых толщах обычно приурочены к водонасыщенным грунтовым линзам и прослоям и имеют общее название – криопэги. И хотя существуют они столько же, сколько и вся мерзлота, специальное их исследование началось относительно недавно, в середине XX века; тогда же появился и термин «криопэги». В ту пору среди геокриологов (называвшихся в те времена мерзлотоведами) шла бурная дискуссия по вопросам терминологических определений всего, что связано с вечной мерзлотой. Именно в этот период в научный обиход вошли определения «многолетне- и сезонномёрзлых» горных пород, как содержащих лёд. Породы же, не содержащие воды и льда, но имеющие отрицательную температуру, стали называть «морозными». А горные породы с температурой ниже 0°С, насыщенные незамёрзшими солёными водами и рассолами, получили название «охлаждённых». Но вот такие названия, как «мокроморозные породы» или «жидкая мерзлота», не прижились и оказались за бортом научной терминологии. Хотя по мнению некоторых учёных, например, Владимира Романовича Алексеева, доктора географических наук, профессора, работающего в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, термин «жидкая мерзлота» отражает самое главное – тепловое состояние вещества и его «консистенцию» — и вполне мог бы стать российским аналогом термина «криопэги».

Криопэги – природные засолённые воды (рассолы), имеющие отрицательную температуру, но находящиеся в жидком состоянии. Чаще всего этот термин применяется к подземным природным водам, но может использовaться и в более широком смысле.

Первую развёрнутую классификацию отрицательно-температурных природных вод (криопэгов) ещё в 70-х годах прошлого века предложил выдающийся гидрогеолог и мерзлотовед Нестор Иванович Толстихин. Им были выделены три главные категории криопэгов – озёрные, морские и подземные. Каждая из этих категорий подразделялась на более дробные единицы, что в совокупности давало представление о масштабности распространения криопэгов и их разнообразии на земном шаре. В последующие годы учёные продолжили работы над классификацией криопэгов, учитывающей основные идеи Н.И. Толстихина, разделяя их по времени существования и температуре, а также по положению относительно вмещающей среды (горных пород, льдов и воды).

И здесь мы хотели бы, обращаясь к названию нашей статьи, начать говорить о парадоксах. Первым из них, и наиболее очевидным для человека, изучавшего основы физики в средней школе, является наличие солёных вод во льдах. Мы знаем, что природный лёд обычно значительно чище, чем вода, из которой он образуется, так как при кристаллизации воды в первую очередь в ажурную решётку выстраиваются молекулы воды, поэтому одиночные кристаллы льда должны быть ультрапресными, а из растаявшего льда получается самая чистая вода, лишённая примесей. Но что же происходит с механическими примесями и растворёнными в замерзающей воде солями? Они отжимаются вовне растущими кристаллами льда. Так в формирующихся массивах ледяных покровов появляются прослои воды с повышенной минерализацией вплоть до рассолов в сотни граммов на один литр – криопэги, которые иногда образуют настоящие «залежи» солёных вод среди многометровых ледяных толщ.

Морские криопэги существуют далеко за пределами границы распространения плавучих льдов (фото из открытых источников).

Ещё один парадокс – существование криопэгов в водной среде: солёные воды с температурой ниже 0^оС. Морские криопэги по общему объёму составляют значительную часть мирового океана и существуют далеко за пределами границ распространения плавучих льдов. К районам с морскими криопэгами относится практически весь Северный Ледовитый океан, северные части Тихого и Атлантического океанов и, конечно, океанические воды вокруг Антарктиды. Вероятно, более плотные солёные воды с температурой до –1,5° С стекают по материковому склону на дно Мирового океана на глубину более 3 км и распространяются далеко от места своего формирования в сторону экватора. Учёные не исключают, что именно с этими морскими криопэгами генетически связана перестройка течений в экваториальной части Тихого океана, влияющая на климат нашей планеты. Общая масса отрицательно-температурных морских вод не подсчитана, недостаточно изучены законы их существования во времени и пространстве. Тем не менее, с уверенностью можно утверждать, что океаническая «жидкая мерзлота» по объёму в несколько раз превышает свой континентальный аналог.

Подземные криопэги в толщах мёрзлых горных пород не столь грандиозны по объёму, как морские отрицательно-температурные воды, но вполне могут конкурировать с криопэгами в поверхностных морских льдах. И именно о них нам хотелось бы поговорить более подробно в связи с их широким распространением в российской Арктике.

Распространение подземных криопэгов по площади совпадает с границами криолитозоны, а происхождение связано со следующими процессами:

— проникновением морских вод в толщу прибрежных горных пород;

— растворением солей, содержащихся в составе вмещающих подземную воду горных пород;

— криогенным концентрированием (вымораживанием) веществ, растворённых в подземных водах вследствие процессов их промерзания.

Морской тип засоления грунтов распространён по всему побережью Северного Ледовитого океана, как на арктических островах, так и на территории плейстоценовых морских трансгрессий на евразийском и северно-американском континентах. Здесь криопэги формировались при насыщении осадков морскими водами. При промерзании осадков часть солей из их поровых растворов отжималась вниз по разрезу по мере движения фронта промерзания горных пород и концентрировалась там, подвергаясь в последующем неоднократным криогенным преобразованиям (метаморфизации). Глубина залегания криопэгов в соответствии с мощностью криолитозоны сегодня может достигать нескольких сотен метров. Минерализация их непостоянна как по площади, так и по глубине, и может изменяется в широких пределах. Так, на полуострове Ямал она варьируется от 5 до 150 г/л. Местоположение криопэгов также непостоянно – они могут мигрировать в толщах мёрзлых пород. А температура начала их замерзания может опускаться на несколько десятков градусов ниже 0°C. Характерной особенностью криопэгов является их способность охлаждать вмещающие горные породы в процессе просачивании в нижние горизонты и тем самым понижать общую температуру массива, увеличивая мощность криолитозоны.

По температуре криопэги в природе могут разделяться на несколько категорий, от умеренно холодных (с температурой от 0 до -2^оС) до сверх-холодных (с температурой ниже -36^оС). Криопэги не замерзают даже при низких температурах в результате высокой минерализации (до 200 — 300 г/л).

Целенаправленное изучение подземных криопэгов началось сравнительно недавно, в последние 40-50 лет. Выяснилось, что они оказывают негативное влияние на фундаменты инженерных сооружений, построенных на мерзлоте, и создают различные осложнения при разработке полезных ископаемых в арктическом регионе. Оказалось, что арктическая мерзлота изобилует солёными водами, которые могут встречаются в различных частях разреза криолитозоны: в верхнем сезоннопротаивающем слое (надмерзлотные криопэги), в нижележащей многолетнемерзлой толще (внутри- или межмерзлотные криопэги), в подмерзлотных водоносных горизонтах (подмерзлотные криопэги).

Здесь нам хочется обратить внимание на ещё один момент, который также можно отнести к парадоксам существования незамерзающих подземных вод в вечной мерзлоте. В естественных условиях криопэги обычно не причиняют ущерба и вреда, поскольку все компоненты экосистемы северной природы находятся в определённом равновесии. Однако вмешательство человека, его непродуманная деятельность может вызвать настоящую агрессию со стороны мерзлоты вообще и криопэгов в частности. Например, криопэги в верхних горизонтах криолитозоны, если не учитываются их характерные свойства, могут ухудшать функционирование подземных коммуникаций, разрушать фундаменты зданий и сооружений, снижать устойчивость опор линий связи и электропередачи, вызывать коррозию заглублённых трубопроводов, а также ухудшать экологические условия существования почв, растительности, животного мира и человека. 

Да и сам человек способен сформировать криопэги там, где их ранее не было, и где остальная природная среда не готова к равновесному взаимодействию с внезапно возникшим новым элементом. В отличие от природных криопэгов, формирующихся в течение сотен лет, техногенные криопеэги, возникающие в условиях интенсивной хозяйственной деятельности человека, а также химического загрязнения территории при сбросах бытовых и техногенных вод, могут образоваться в течении первых 10 – 15 лет.

В криолитозоне различают естественные и техногенные криопэги. Естественные криопэги часто залегают ниже подошвы многолетнемёрзлых пород, но встречаются также в виде прослоев и линз внутри мерзлоты. Техногенные криопэги обычно залегают на небольших на глубинах, исчисляемых первыми десятками метров от поверхности. Их минерализация может составлять от 1 до 10 г/л.

Глубоко залегающие межмерзлотные и подмерзлотные криопэги тоже могут начать «мстить» человеку за вмешательство в жизнь вечной мерзлоты. Например, проходку карьеров, вскрывающих криопэги, невозможно осуществить без откачки солёных вод. В первоначальный период горных разработок рассолы часто сбрасывали в речную сеть, некогда славящуюся своей чистотой и ценными породами промысловых рыб, тем самым нанося невосполнимый урон природе. Позже стали строить специальные бассейны-накопители, однако из хранилища рассолов продолжались утечки сквозь плотину, а нередко случались и аварийные сбросы. Потом появилась идея закачивать дренажные рассолы в толщу вечной мерзлоты или подмерзлотные горизонты, поскольку в процессе разведочного бурения там фиксировались зоны повышенной проницаемости, которые могли служить коллекторами. Однако дренажные рассолы, закачанные в толщу горных пород, могли возвращаться обратно в горную выработку, проникая через противофильтрационную завесу, откуда их снова приходилось откачивать, а потом находить новые резервуары для захоронения, как это было, например, в Западной Якутии при разработке алмазов.

    Выход захороненных рассолов сквозь противофильтрационную завесу карьера трубки «Мир». Фото отсюда.

А вот ещё один парадокс криопэгов: несмотря на высокую минерализацию и низкую отрицательную температуру, в криопэгах, оказывается, существует жизнь! Конечно, нам сразу вспоминаются морские криопэги. Да, условия жизни в холодных водах не очень благоприятны, однако морские экосистемы Арктики и Антарктики занимают одно из ведущих мест в структуре природных комплексов земного шара. Основу жизни в морских криопэгах составляет фито- и зоопланктон. Его активность зависит от продолжительности существования ледяного покрова: зимой продуктивность затухает, весной резко увеличивается. В Арктике относительно тёплое, хотя и короткое, лето приносит оживление и изобилие. Морская вода над континентальным арктическим шельфом в это время года буквально кишит живыми существами. Они почти неразличимы человеческим глазом, но это не мешает им быть хорошей кормовой базой для рыб и птиц, китов и тюленей.

Но ещё более удивительным явлением представляется способность подземных криопэгов консервировать и длительное время сохранять жизнеспособные микроорганизмы в вечной мерзлоте! Учеными были обнаружены микробы в мёрзлых отложениях самого разного состава и происхождения, имеющих среднегодовую температуру до –18°С в Арктике и до –38°С в Антарктиде. Количество микроорганизмов в 1 г мёрзлой породы может изменяться от 100 тыс. до 100 млн., что на несколько порядков больше, чем во льду. Помимо бактерий, там могут встречаться водоросли, грибы и даже высшие растения. Примерно 20% микробных сообществ, выделенных из образцов мёрзлой породы, растут при температуре ниже –10°С, активны до –40°С, причём многие микроорганизмы выносят температуру –60°С и ниже. Видовой состав жизнеспособных существ в обособленных линзах криопэгов, а также в мёрзлых грунтах, где их сохранность при низких температурах обеспечивается во многом за счёт плёнок незамёрзшей воды, условия распределения и индикаторные свойства микроорганизмов в настоящее время активно изучают российские и зарубежные учёные. Это обусловлено тем, что сообщества микроорганизмов, адаптированных к условиям жизни в вечной мерзлоте, могут нести информацию не только о её эволюции в четвертичный период, но и пролить свет на более отдалённые эпохи, вплоть до начала возникновения жизни на Земле.

В отложениях Колымской низменности вскрыты линзы криопэгов с жизнеспособными редкими микроорганизмами, возраст которых составляет четверть миллиона лет. Справа стоит доктор геолого-минералогических наук Давид Гиличинский. Фото отсюда.

Сегодня изучением криопэгов занимаются учёные различных специальностей: геокриологи и инженеры-строители, геохимики и экологи, географы и гидрологи, биологи и почвоведы. И каждая научная дисциплина вносит свой вклад в познание этой парадоксальной «жидкой мерзлоты».

А мы, продолжая свой рассказ о незамерзающей воде, спустимся от макроуровня криопэгов на микроуровень жидкой фазы в монолитной и внешне достаточно прочной мёрзлой породе.

И здесь мы сталкиваемся с очередным парадоксом, заключающимся в том, что мёрзлая порода, имеющая температуру ниже 0^оС, кроме органо-минерального скелета и льда всегда содержит в своём составе и какое-то количество незамёрзшей воды. То есть, при достижении грунтом отрицательной температуры, не вся вода в поровом пространстве переходит в лёд – часть её остается в жидком состоянии. Это и есть так называемая незамёрзшая вода, количество которой зависит от величины отрицательной температуры и нелинейно убывает с понижением температуры. Здесь следует упомянуть известный «принцип Цытовича» о равновесном состоянии воды и льда в мёрзлых грунтах, сформулированный ещё в середине ХХ века профессором Николаем Александровичем Цытовичем, крупнейшим советским специалистом в области механики мёрзлых грунтов. Суть этого принципа состоит в том, что содержание незамёрзшей воды в конкретном мёрзлом грунте является, при фиксированной отрицательной температуре, постоянной величиной.

Количество незамёрзшей воды в грунте зависит от многих факторов и прежде всего – от состава частиц и агрегатов, которые слагают скелет породы, а также от количества растворённых в поровом растворе солей. Известно, что грунтовая вода в поровом пространстве энергетически неоднородна. Различают свободную воду, которая практически не связана со скелетом, и связанную воду, которая, в свою очередь, подразделяется на капиллярную и плёночную.

Свободная вода, которая содержится в трещиноватых скальных, крупнообломочных породах и песках, обладает обычными свойствами жидкой фазы – передвигается под действием силы тяжести, заполняет почти все крупные пустоты. Пресная свободная вода замерзает практически вся при 0^оС, однако с увеличением её минерализации температура замерзания постепенно понижается. Теоретически температура грунтовой воды может понизиться до эвтектической (например, для NaCl она будет соответствовать -21.2^оС), когда начинается выпадение солей из раствора.

Несколько сильнее связана с грунтом капиллярная вода, которая содержится в грунтах большей дисперсности (пылеватых и глинистых), передвигается и удерживается в них за счёт капиллярного натяжения и силы тяжести, начинает вымерзать в зависимости от уменьшения размеров капилляров при температурах от -1^оС до -12^оС и даже ниже. По своей природе капиллярная вода занимает промежуточное положение между свободной и связанной. Она может относиться как к той, так и к другой, в зависимости от размера (диаметра) капилляра и, соответственно, силы взаимодействия с поверхностью скелета грунта.

Расположение различных категорий поровой воды относительно поверхности грунтовой частицы: 1 – минеральная частица; 2 – прочносвязанная вода; 3 — рыхлосвязанная вода; 4 – свободная вода.

Следующая по силе взаимодействия с грунтом — связанная вода, которая удерживается на грунтовых частицах за счёт поверхностной энергии этих частиц. Чем ближе молекула воды к частице грунта, тем сильнее она к ней притягивается за счёт водородных связей. Прочносвязанной водой являются первые несколько слоёв молекул воды на поверхности частиц или даже отдельные островки молекул. Рыхлосвязанная вода образует плёнки, которые вымерзают в спектре отрицательных температур в зависимости от их толщины.Прочносвязанная вода имеет повышенную плотность и замерзает самой последней при очень низких отрицательных температурах – около -80°С. И если в реальности такие температуры для воздуха ещё возможны, например, в Антарктиде, то столь низких значений температуры мёрзлых пород в естественной природе не существует (их можно смоделировать только в лабораторных условиях). Поэтому мы можем вполне обоснованно утверждать, что в любых мёрзлых породах в Арктике на микроуровне всегда содержится какое-то количество незамёрзшей воды!

 

Основные компоненты мёрзлой породы: 1 – минеральные частицы; 2 – лёд; 3 – незамёрзшая вода.

Тут справедливости ради надо сказать, что всё же основная часть воды в мёрзлых породах замерзает и присутствует в виде твёрдой фазы – льда, который является важнейшим породообразующим минералом в мёрзлой породе. Весь этот лёд принято называть подземным, независимо от особенностей его образования и характера залегания. Лёд может присутствовать в мёрзлой породе в виде текстурообразующего не различимого невооружённым глазом льда-цемента, в виде отдельных визуально различимых включений (линз и прослоек), а также в виде крупных и даже гигантских скоплений и пластов. Но в любом льду, как в ультрапресном, так и в засолённом, обязательно присутствует незамёрзшая вода либо в виде плёнок вокруг отдельных кристаллов, либо в виде локализованных в порах, пустотах и карманах скоплений воды, обычно имеющих повышенную засолённость – это своего рода «криопэги в миниатюре».

Обнажение залежей подземного пластового льда (фото из открытых источников)

Итак, мы убедились в том, что в любой мёрзлой породе всегда присутствует какое-то количество незамёрзшей воды. И если бы не её наличие в мёрзлой породе, пусть даже в виде тонких плёнок, то свойства и поведение мёрзлых пород были бы несколько иными, поскольку именно количество незамёрзшей воды влияет почти на все физические и механические свойства мёрзлых пород. Очевидно, что чем меньше становится количество незамёрзшей воды в мёрзлой породе, тем порода делается прочнее, что обычно происходит при понижении отрицательной температуры. Однако внешнее воздействие на мёрзлую породу, например, давление, может приводить к таянию льда, то есть переходу части молекул воды в более подвижное состояние, в результате чего плёнки незамёрзшей воды на поверхности минеральных частиц и кристаллов льда утолщаются. И мёрзлая порода начинает вести себя как более высокотемпературная и вязкая среда, приближаясь по своим механическим характеристикам к талой (немёрзлой) породе. При этом, если воздействие на мёрзлую породу, пусть даже весьма существенное, производится короткое время, она сопротивляется нагрузкам, как прочная скальная порода, поскольку плавление льда и сдвиг грунта по плёнкам незамёрзшей воды не успевают произойти. Но под действием длительной и возрастающей нагрузки в мёрзлых породах с течением времени начинают развиваться деформации и явление ползучести, когда порода проявляет пластические свойства и как бы течёт под нагрузкой, что может привести к потере прочности и полному её разрушению. Эти реологические свойства мёрзлых пород должны всегда учитываться при проектировании инженерных сооружений в Арктике и планировании хозяйственной деятельности на северных территориях. А основная причина всех этих проблем – уже знакомая нам незамёрзшая вода!

Мёрзлые грунты по своему агрегатному состоянию являются твёрдыми телами, однако наличие в них незамёрзшей воды и льда обусловливает проявление реологических свойств.

Реология — (от греческого «rheos» — течение) — наука об изменениях во времени напряжённо-деформированного состояния любой сплошной среды.

О незамерзающей воде в мёрзлых породах можно было бы рассказать ещё много интересного. Например, о том, что при вымерзании насыщенных солями водных плёнок на их месте образуются новые криогенные минералы. Или о том, как по неизолированным (сообщающимися друг с другом) рыхлым плёнкам незамёрзшей воды мигрируют ионы солей или микроорганизмы, и иногда на значительные расстояния от места своего проникновения в плёночную воду. А ещё – о том, как высокое содержание незамёрзшей воды «стирает» разницу в показателях для талых и мёрзлых пород при интерпретации данных геофизических исследований (акустических, электрических), в результате чего часто невозможно провести границу между талыми и мёрзлыми породами.

Но все это, и ещё много другое мы вынуждены оставить за рамками этой ознакомительной статьи. И мы будем рады, если то немногое, что нам удалось рассказать, сможет пробудить в читателях интерес к такому парадоксальному, на первый взгляд, явлению, присущему Арктике, как существование в мёрзлых породах незамерзающей воды.

Авторы: Чувилин Е. М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.

Что такое незамерзающая вода? Это то же самое, что связанная вода или вода гидратации?

Понижение точки замерзания из-за гидратации было количественно изучено совсем недавно. Вода в пределах примерно одного нанометра (0,000001 мм) от гидрофильной поверхности (той, которая притягивает воду) замерзает при более низкой температуре, чем вода, не затронутая поверхностями. Чем ближе к поверхности, тем ниже температура замерзания. «Последние» несколько слоев воды, молекулы воды, расположенные ближе всего к поверхности, очень трудно заморозить или удалить. Это частично связано с эффектом равновесной гидратации, который мы сейчас обсуждаем, и частично из-за неравновесных эффектов, обсуждаемых позже. Но важно то, что равновесная точка замерзания воды падает по мере уменьшения содержания воды и что этот эффект можно измерить количественно.

Каким образом эффекты гидратации вызывают понижение точки замерзания? На воду вблизи поверхности влияет эта поверхность. Поверхность биомолекул обычно влияет на энергию и ориентацию близлежащих молекул воды. Некоторые поверхности заряжены или диполярны, и их электрическое поле влияет на ориентацию и энергию близлежащих молекул воды. Некоторые из них могут образовывать водородные связи с водой, что мешает близлежащей воде. Большинство поверхностей не имеют водородных связей с водой, но это тоже мешает воде: вода водородными связями сама с собой, поэтому поверхность, которая не образует водородных связей, как вода, вызывает большие разрушения. Фактически даже граница раздела вода-воздух вызывает значительную локальную поляризацию воды.

Это возмущение притягиваемой воды распространяется на несколько молекулярных диаметров от гидрофильной поверхности. Это порождает силы гидратации: когда вы пытаетесь сблизить две гидрофильные поверхности, вам приходится удалять молекулы воды между ними. Это становится все труднее и труднее делать по мере того, как поверхности становятся ближе, а активность воды становится все меньше и меньше. Этот эффект создает отталкивание гидратации, которое было описано многими исследователями, в том числе Адрианом Парсегяном, Джейкобом Исраэлачивили и их группами. Требуемая сила возрастает экспоненциально по мере сближения поверхностей с характерным расстоянием обычно 0,2 нм.

Увеличение энергии, необходимой для удаления молекул воды, находящихся ближе к гидрофильной поверхности, также приводит к большему понижению точки замерзания. Невозмущенная объемная вода замерзает при своей нормальной температуре (которая зависит от концентрации растворенного вещества). Чем сильнее удерживается вода у поверхности (т.е. чем ближе она к поверхности), тем ниже температура, при которой она замерзает. См. Wolfe et al, 2002 (ссылка ниже) для дальнейшего объяснения и количественных деталей.

Неравновесные эффекты

Высокая вязкость препятствует уравновешиванию . В биологических системах присутствуют растворенные вещества. Когда часть воды замерзает, растворенные вещества концентрируются в оставшейся незамерзшей воде, образуя высококонцентрированные растворы. Они вязкие и становятся более вязкими при более низких температурах. Это имеет несколько последствий. Во-первых, молекулы воды медленнее диффундируют и вращаются, поэтому вероятность образования ядер льда меньше, а переохлаждение более вероятно. Во-вторых, вода не может быстро диффундировать из области вблизи гидрофильной поверхности в область, где уже начал формироваться лед. Таким образом, количество незамерзшей воды больше, чем можно было бы ожидать при равновесии.

Высокая вязкость и низкая температура могут привести к образованию стекла . Стекло – это некристаллическое твердое вещество. Например, оконное стекло. Стекла образуются, когда вязкость жидкости становится настолько высокой, что она может противостоять сдвиговым напряжениям (сопротивляться изменению формы) в течение очень длительного времени. Когда вода в клетках образует стекло, диффузия, замерзание и биохимия практически прекращаются.

Насколько жестко связана «вода гидратации»? Термин «связанная вода» часто понимается неправильно и часто используется вводящим в заблуждение образом. Если не произошло витрификации или если водная среда не имеет очень большой вязкости, вода гидратации может довольно быстро обмениваться с любыми другими соседними молекулами воды. Однако даже умеренно повышенная вязкость в водной фазе системы с низкой гидратацией может сделать уравновешивание очень медленным. То, что экспериментатору трудно удалить воду из образца, не означает, что она связана. Для дальнейшего обсуждения загрузите этот документ.

Какие растворы лучше всего предотвращают замерзание?

Ответ на этот FAQ обычно включает в себя несколько конкретных деталей, поэтому я сделаю лишь несколько общих замечаний. Более подробно они рассматриваются Вулфом и Брайантом (2001) (см. ссылки ниже).

Во-первых, растворенное вещество должно быть растворимым и для достижения высоких концентраций может потребоваться высокая растворимость. Перенасыщение часто происходит при отрицательных температурах, но помогает, если вы начинаете с высокой концентрации. Для понижения осмотической точки замерзания прямое влияние небольших растворенных веществ довольно похоже при низкой концентрации. Если считать диссоциирующие растворенные вещества (MgCl ₂ в растворе представляет собой три растворенных иона), понижение точки замерзания приблизительно пропорционально концентрации. При высокой концентрации осмотические эффекты солей могут быть менее чем пропорциональны концентрации. И наоборот, осмотический эффект многих растворенных веществ, таких как сахара, увеличивается при высокой концентрации более чем пропорционально.

Если растворенное вещество кристаллизуется, это ограничивает концентрацию, которую вы можете достичь, и, следовательно, вязкость. Таким образом, для достижения больших неравновесных эффектов вам нужны растворенные вещества, которые плохо кристаллизуются . Один из способов сделать это — поискать в справочниках растворенные вещества, которые не кристаллизуются по отдельности до очень высокой концентрации. Проще и часто намного дешевле использовать смесь двух или более растворенных веществ .

Высокая вязкость помогает по причинам, рассмотренным выше. Некоторые растворенные вещества оказывают большее влияние на вязкость, чем другие. Большие молекулы растворенных веществ часто оказывают большее влияние на вязкость, чем маленькие.

Если вы хотите предотвратить замерзание биологических образцов, вас также может заинтересовать, является ли растворенное вещество токсичный . Кроме того, вы можете захотеть, чтобы он проникал через мембрану. (Если этого не происходит, клетка будет сокращаться осмотически с потенциально опасными физическими и биохимическими эффектами.) Растворенные вещества, которые проникают через мембрану, обычно токсичны в высоких концентрациях, поэтому обычно необходимы некоторые компромиссы: можно использовать коктейль из проникающих растворов и, после оттаивания промойте их как можно быстрее.

Какие растворы лучше всего сохраняют ультраструктуру?

Это еще один тонкий часто задаваемый вопрос, и он усложняется тем фактом, что некоторые люди в индустрии криоконсервации имеют денежный интерес к определенным растворенным веществам. Далее, цитоплазма представляет собой достаточно особую среду, и ультраструктурные элементы (мембраны и макромолекулы) часто стабилизируются воздействиями, которые в некотором смысле уравновешивают друг друга. Тем не менее, можно сделать некоторые общие замечания.

• Большая часть ультраструктуры стабилизируется поверхностным натяжением воды: она удерживает мембраны вместе и играет важную роль во вторичной, третичной и четвертичной конфигурации многих белков. Таким образом, растворенные вещества, которые существенно снижают поверхностное натяжение воды (например, сильнодействующие моющие средства), имеют тенденцию разрушать ультраструктуру.
• Ионы (особенно поливалентные ионы) экранируют электростатическое взаимодействие, а также в некоторой степени диполярное взаимодействие. Увеличение концентрации растворенных ионов может уменьшить электростатическое отталкивание и сделать возможным осаждение. Поэтому легко представить ультраструктурные конфигурации, чувствительные к концентрации ионов.
• Растворимые в мембране молекулы потенциально опасны. Стабильность липидного бислоя зависит от геометрии его гидрофобной области, поэтому гидрофобные молекулы могут нарушать полупроницаемость и даже структуру бислоя. Это серьезная проблема в криобиологии, потому что часто хотят, чтобы растворенное вещество проникло через мембрану, но не хотят ее разрушать.
• Некоторые растворенные вещества взаимодействуют с мембранами, особенно при сильном обезвоживании. Это утверждение очевидно: когда достигается содержание воды, скажем, 20% или меньше, почти все молекулы растворенного вещества находятся очень близко к границе раздела вода-мембрана или вода-макромолекула.
• Некоторые молекулы влияют на силы гидратации между мембранами (и поэтому могут влиять на силы гидратации между макромолекулами). Это потенциально важно, потому что напряжения, вызванные силами гидратации при низком содержании воды, могут нарушить ультраструктуру. Yoon et al (1998) изучали в этом отношении влияние диметилсульфоксида (ДМСО), сорбита, сахарозы и трегалозы. Эффекты ДМСО и сорбита соответствовали тому, что можно было бы ожидать только от их осмотических свойств. Сахароза и трегалоза оказали большее влияние на снижение стресса из-за сил гидратации.

Вода, которая никогда не замерзает — ScienceDaily

Процесс приготовления кубиков льда прост: вы берете пластиковый лоток для кубиков льда, который можно найти в большинстве домов, наполняете его водой и ставите в морозильную камеру. Вскоре вода кристаллизуется и превращается в лед.

Если бы вы проанализировали структуру кристаллов льда, вы бы увидели, что молекулы воды организованы в правильные трехмерные решетчатые структуры. В воде, напротив, молекулы неорганизованы, поэтому вода течет.

Стекловидная вода

Под руководством профессоров Раффаэле Меззенга и Эхуда Ландау группа физиков и химиков из ETH Zurich и Цюрихского университета обнаружила необычный способ предотвратить образование кристаллов льда в воде, поэтому даже при экстремально низких температурах -нулевых температур сохраняет аморфные свойства жидкости.

На первом этапе исследователи разработали и синтезировали новый класс липидов (жировых молекул) для создания новой формы «мягкой» биологической материи, известной как липидная мезофаза. В этом материале липиды спонтанно самособираются и агрегируют, образуя мембраны, ведущие себя так же, как молекулы природного жира. Затем эти мембраны принимают однородное расположение, образуя сеть связанных каналов, диаметр которых составляет менее одного нанометра. Температура и содержание воды, а также новая структура спроектированных липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.

Нет места для кристаллов воды

Что особенного в этой структуре, так это то, что, в отличие от лотка для кубиков льда, в узких каналах нет места для воды, чтобы образовывать кристаллы льда, поэтому она остается неупорядоченной даже при экстремально минусовых температурах. Липиды также не замерзают.

реклама

---

С помощью жидкого гелия исследователям удалось охладить липидную мезофазу, состоящую из химически модифицированного моноацилглицерина, до температуры минус 263 градуса Цельсия, что всего на 10 градусов выше температуры абсолютного нуля, и при этом кристаллы льда не образуются. При этой температуре вода становилась «стекловидной», что исследователи смогли продемонстрировать и подтвердить при моделировании. Их исследование этого необычного поведения воды, находящейся в пределах липидной мезофазы, было недавно опубликовано в журнале 9.0092 Природа Нанотехнологии .

«Ключевым фактором является соотношение липидов и воды», — объясняет профессор Раффаэле Меззенга из Лаборатории пищевых и мягких материалов Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Соответственно, именно содержание воды в смеси определяет температуры, при которых изменяется геометрия мезофазы. Если, например, смесь содержит 12 процентов воды по объему, структура мезофазы будет переходить примерно при минус 15 градусах Цельсия из кубической лабиринтной в пластинчатую структуру.

Натуральный антифриз для бактерий

«Что делает разработку этих липидов такой сложной, так это их синтез и очистка», — говорит Эхуд Ландау, профессор химии Цюрихского университета. Он объясняет это тем, что молекулы липидов состоят из двух частей; гидрофобный (отталкивает воду) и гидрофильный (притягивает воду). «Поэтому с ними чрезвычайно трудно работать», — говорит он.

Мягкий биоматериал, сформированный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными частями и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями.

Исследователи смоделировали новый класс липидов на мембранах некоторых бактерий. Эти бактерии также производят особый класс самособирающихся липидов, которые могут естественным образом удерживать воду внутри себя, позволяя микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.

«Новинка наших липидов заключается во введении сильно напряженных трехчленных колец в определенные положения внутри гидрофобных частей молекул», — говорит Ландау. «Они обеспечивают необходимую кривизну для создания таких крошечных водных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов».

Мягкая материя для исследований

Эти новые липидные мезофазы будут служить главным образом инструментом для других исследователей. Их можно использовать для неразрушающего выделения, сохранения и изучения больших биомолекул в среде, имитирующей мембрану, например, с помощью криогенной электронной микроскопии. Биологи все чаще обращаются к этому методу для определения структуры и функций больших биомолекул, таких как белки или большие молекулярные комплексы.

«При нормальном процессе замораживания, когда образуются кристаллы льда, они обычно повреждают и разрушают мембраны и важные крупные биомолекулы, что не позволяет нам определить их структуру и функции, когда они взаимодействуют с липидными мембранами», — говорит Меззенга.

Но не с новой мезофазой, которая является неразрушающей и сохраняет такие молекулы в их исходном состоянии и в присутствии другого ключевого строительного элемента жизни, то есть липидов. «Наше исследование прокладывает путь для будущих проектов, чтобы определить, как белки могут сохраняться в своей первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах», — говорит профессор ETH.

Незамерзающие поилки для животных | Кармод Пластик

Важнейшее преимущество поилки для животных, которую также называют Резервуар для питьевой воды для коров , предназначен для защиты от неблагоприятных погодных условий для питьевой воды для животных в течение четырех сезонов. Этот специальный продукт облегчает работу животноводам, предотвращая замерзание воды в холодную погоду при отрицательных температурах. Точно так же он предотвращает нагревание воды благодаря специальной системе обслуживания в самые жаркие дни лета. №

Незамерзающая поилка для животных обеспечивает эту защитную характеристику панельной конструкцией, заполненной пеной, и системой производства с двойными стенками. С помощью этой инновационной системы она обеспечивает чистую и здоровую питьевую воду в любом климате для животных, которых кормят на промышленных животноводческих фермах. Обладая теми же характеристиками, незамерзающий резервуар для воды, который также используется в пастбищном животноводстве, поддерживает комфорт воды, не подвергаясь влиянию климатических изменений.

Как использовать эргономичную незамерзающую поилку для животных?

Изолированный резервуар для хранения воды, разработанный и изготовленный с использованием опыта Karmod, имеет эргономичную форму, позволяющую двум животным пить воду одновременно. Резервуар с незамерзающей водой, который также может быть подключен к центральной водопроводной сети, может удовлетворить потребность в воде 25 голов крупного рогатого скота благодаря подключению к сети с давлением в два бара. Благодаря широкому резервуару объемом 80 литров и широкой верхней части его можно использовать в качестве поилки для двух животных, не мешая друг другу во время питья. 9№ 0008

Незамерзающая поилка для животных упрощает процесс питья благодаря двойной системе поения для животных без замерзания. При условии, что это ровная поверхность, резервуар для питьевой воды для коров можно установить на любом типе земли, независимо от того, находится ли он в помещении или на открытом воздухе. Он может быть установлен на фиксированном месте с помощью фиксируемого винтового соединения. Он очень практичен благодаря тому, что он портативный и сделан из очень легкого материала, и его можно легко использовать в полевых условиях или в помещении, перенося его в разные места.

Изолированный резервуар для хранения воды Опыт, отраженный в специальных продуктах

Резервуар для незамерзающей воды , предназначенный для животноводства и относящийся к специальной продукции Karmod, отличается производственным превосходством. Продукт, разработанный с максимальной эргономикой, с учетом потребности в поливе в животноводстве, изготовлен с производственным превосходством изолированного резервуара для хранения воды по специальной технологии. Специальные формы, получаемые благодаря гладкой скользкой поверхности, изготавливаются с использованием технологии вращения нового поколения на современном оборудовании. Многие продукты изготавливаются в короткие сроки и отправляются в хозяйства, которые в них нуждаются.

Ступени с двойными стенками и заполнение пенопластом, реализованные с опытом производства, незамерзающие поилки для животных достигают наилучшего качества. Этот продукт, который безопасно используется в течение многих лет благодаря своей ударопрочности даже в сложных наземных условиях, всегда приносит животным здоровую питьевую воду с климатической устойчивостью, как в первый день.

Самая безопасная цистерна для питьевой воды для коров с использованием сырья пищевого

Незамерзающая поилка для животных «Кармод» изготовлена ​​из полиэтиленового сырья пищевого происхождения. Он сохраняет свое соответствие пищевым продуктам, так как в первый день при его употреблении проходят даже годы. Сырье, которое используется, такое же, как и в полиэтиленовых резервуарах для хранения воды, которые обычно используются для хранения питьевой воды.

Резервуар для незамерзающей воды был протестирован и одобрен

Незамерзающая поилка для животных Karmod, которая была протестирована с точки зрения ее использования перед производством, была протестирована и одобрена с точки зрения ее незамерзающей прочности. Было протестировано и подтверждено, что продукт не замерзает при температуре -21°C.

Незамерзающая поилка для животных Кармод имеет легко открывающуюся систему крышки

Верхняя крышка незамерзающей поилки для животных легко открывается благодаря дизайнерскому превосходству Кармод. Благодаря этой системе продукт может использоваться в качестве поилки для животных или кормушки для животных, а также в качестве питьевой воды, особенно в весенние и летние месяцы.

Почему следует отдавать предпочтение баку для незамерзающей воды Karmod?

Незамерзающая поилка для животных «Кармод» благодаря превосходному дизайну облегчает поение животных, вносит важный вклад в здоровое кормление животных чистой водой. Благодаря своим незамерзающим свойствам он устраняет проблему поения животноводов, особенно в зимние месяцы, и позволяет им получать удовольствие от содержания животных. Помимо безморозной поилки, у нас есть современный продукт, известный как пластиковая кормушка и корыто для кормления животных на животноводческих фермах. Кормушка для животных, которая обычно используется на фермах, обеспечивает простой способ приготовления здорового питания для скота.