W wielu instalacjach przemysłowych bardzo dużym problemem jest powstawanie węglanu wapnia na wewnętrznych powierzchniach rur i kotłów. W efekcie zmianie ulegają zoptymalizowane warunki, w jakich dana aparatura ma pracować. To zaś wpływa wymiernie nie tylko na wydajność procesu, ale także bezpieczeństwo jego przeprowadzania (choćby ze względu na zaburzenie transportu ciepła przez warstwę węglanu wapnia). Nic więc dziwnego, że od dawna prowadzone są intensywne prace naukowe, które mają na celu opracowanie możliwie nieinwazyjnych i tanich rozwiązań mogących przeciwdziałać wytrącaniu węglanu wapnia. Jednym ze zbadanych potencjalnych rozwiązań było wystawienie układu na działanie pola magnetycznego – w tym podrozdziale pokrótce zostaną omówione kluczowe odkrycia na tym polu badań.
I tak Higashitani wraz ze współpracownikami [77] pokazał, że statyczne pole magnetyczne wymiernie wpływa na szybkość nukleacji, co przyspiesza wzrost kryształów węglanu wapnia. W badaniu tym, podobnie jak wielu innych proces wytrącania został zainicjowany poprzez zmieszanie ze sobą dwóch roztworów – węglanu sodu i chlorku wapnia. W tej samej pracy opisano także, że w porównaniu do układu odniesienia osad otrzymany w polu magnetycznym zawierał więcej aragonitu, który jest, moglibyśmy powiedzieć, bardziej pożądany w kontekście problemów przemysłowych związanych z powstawaniem kamienia w instalacjach przemysłowych. Dużo słabiej przylega on bowiem do powierzchni ciał stałych, przez co może być potencjalnie bezinwazyjnie usuwany z instalacji. Kiedy badacze prowadzili wybiórczą magnetyzację – to znaczy przed procesem wystawiali na działanie pola magnetycznego tylko jeden z roztworów, zauważyli nie tylko opisany w poprzednim podrozdziale „efekt pamięci” (trwający nawet do 6 dni!), ale także pewne wysycenie efektu – po pewnym czasie dłuższa ekspozycja na pole magnetyczne nie przekładała się na większe zmiany właściwości układu.
57 | S t r o n a Podobne badania przeprowadzone w kolejnych latach [79-90] pokazały, że efekt rzeczywiście może być odtworzony oraz, że ważnym czynnikiem wpływającym na to jak duży efekt uzyskano był rodzaj „urządzenia magnetyzującego”, geometria pola magnetycznego oraz sposób ekspozycji na to pole. Można również spotkać się z pracami wykazującymi brak jakiegokolwiek efektu. Takie sprzeczne wnioski mogą być związane z nieprecyzyjnością określenia „w polu magnetycznym”, które używane jest ciągle w pracach naukowych. Tan sam układ może zachowywać się inaczej w polu magnetycznym, jeżeli to pole jest inne (np. co do siły), oraz jeżeli sposób magnetyzacji jest inny. Zagadnienie to szerzej przedyskutowano w rozdziale 3.1. niniejszej pracy.
W ciągu ostatnich 20 lat ukazały się także prace, wykazujące wpływ pola magnetycznego na potencjał dzeta, szybkość koagulacji oraz dyfuzję w układach koloidalnych (a więc i potencjalnie również w układzie, w którym zachodzi wytrącanie ciała stałego z roztworu) [85, 112]. Ważnym, w kontekście omawianego zjawiska, jest również to, iż eksperymentalnie udowodniono wpływ pola magnetycznego na szybkość parowania wody. Można, więc sformułować ogólny wniosek, iż ekspozycja układu na pole magnetyczne wpływa na równowagę pomiędzy fazami.
Pole magnetyczne wpływa również na przewodnictwo roztworów [111] – na przykład zwiększając przewodnictwo wody. W przypadku roztworów elektrolitów efekt działania pola magnetycznego silnie zależy od rodzaju jonów, które znajdują się w roztworze. Prace Chibowskiego i współpracowników [79] wykazały zmniejszenie adhezji świeżo wytrąconego węglanu wapnia do różnych powierzchni ciał stałych, co jest spójne ze wspomnianym już wpływem pola magnetycznego na formę krystalograficzną wytrąconego węglanu wapnia. Część badaczy sugeruje, że wystawienie układu na działanie pola magnetycznego sprawia, że zachodzące w nim wytrącanie przebiega w sposób bardziej homogeniczny [90].
Według Lundagera Madsena, który w wielu swoich pracach badał procesy krystalizacji i wytrącania szerokiej gamy nieorganicznych soli [2, 113-114], pole magnetyczne w mierzalny sposób wpływa na te procesy tylko w wypadku związków diamagnetycznych jonów metali w roztworach anionów słabych kwasów. Warto w tym miejscu podkreślić, że węglan wapnia jest właśnie solą diamagnetycznego kationu i anionu słabego kwasu, w związku z tym należy się spodziewać wpływu pola magnetycznego na wytrącanie i krystalizację tego związku. Wracając jednak do ogólnych wniosków
58 | S t r o n a postawionych przez Lundagera Madsena, można przyjąć, że mechanizm, który tłumaczyłby oddziaływanie pola magnetycznego, opiera się o przeniesienie protonu (jonu wodorowego) z wody do soli [113]. Pole magnetyczne oddziałuje ze spinem protonu w zauważalny sposób wpływając na czas jego relaksacji. Badania te poparte ponadto stosownymi obliczeniami, wyjaśniają również, dlaczego w ogromnej większości prac, porównujących wpływ pola magnetycznego na układy ze zwykłą i ciężką wodą, pole magnetyczne nie wpływa na układy, w których znajduje się deuter zamiast protu. Co więcej – zmiana czasu relaksacji protonu każe zakładać, iż pole magnetyczne może wpływać na kinetykę procesu wytrącania węglanu wapnia. To zagadnienie zostało zbadane w ramach eksperymentu opisanego i zinterpretowanego w dalszej części niniejszej pracy.
Alternatywne wyjaśnienie zostało zaproponowane przez Higashitaniego i jego współpracowników [77-78], którzy postulowali, iż eksperymentalnie obserwowane zmiany są konsekwencją zaburzeń w obrębie podwójnej warstwy elektrycznej. W szczególności wskazują oni na zmianę organizacji dipoli wody w warstwie hydratacyjnej jonów obecnych w roztworze. Oczywiście wyjaśnienie takie nie wyklucza tego zaproponowanego przez Lundagera Madsena25, jest jednak w pewien sposób bardziej użyteczne. Przy jego pomocy można bowiem wyjaśnić różnice w zachowaniu się różnych jonów obecnych w roztworze wystawionym na działanie pola magnetycznego.
Teoretyczne modele opierające się o mechanikę kwantową są w stanie zaproponować także wyjaśnienie efektu pamięci [115-116]. Niektóre uzyskane wyniki eksperymentalne mogą stanowić potwierdzenie prawdziwości przyjętych mechanizmów zgodnie, z którymi energia pola magnetycznego może być „zmagazynowana” w istniejących koherentnie molekularnych rotorach składających się z cząsteczek wody [117]. Zaburzenie tej spójnej struktury przy pomocy ultradźwięków lub na skutek podwyższenia temperatury, (o czym wspominano w rozdziale 2.2) będzie znosiło tego typu efekt. Jednocześnie w ten sposób można tłumaczyć „wysycenie” działania pola magnetycznego – im dłuższa jest ekspozycja na pole tym mniej cząsteczek wody nie znajduje się we wspomnianym stanie koherentnym.
25 Choć bardzo długo w środowisku badającym wpływ pola magnetycznego na wytrącanie węglanu wapnia panowało przekonanie graniczące z pewnością, iż oba mechanizmy wzajemnie się wykluczają. Ostatecznie zostały one w pewnym sensie pogodzone dzięki wynikom prac zespołu Chibowskiego i współpracowników [6, 110-111], którzy udowodnili, iż oba mechanizmy są wzajemnie komplementarne.
59 | S t r o n a W efekcie spada liczba cząsteczek dołączających do tego stanu z czasem do momentu, w którym niemal wszystkie się w nim znajdują. Dlatego skala efektu magnetycznego rośnie coraz wolniej wraz z czasem ekspozycji na pole magnetyczne. Dzieje się tak do momentu, w którym dodatkowy czas (niezależnie jak długi) spędzony w polu magnetycznym przestaje zmieniać właściwości fizykochemiczne układu. To kwantowo-mechaniczne wyjaśnienie prowadzi do kolejnego ciekawego wniosku – opisana zmiana wpływa również na termodynamikę procesów zachodzących w układach wystawionych na działanie pola magnetycznego. To również wydaje się być spójne ze wspomnianymi już obserwacjami eksperymentalnymi poczynionymi przez Higashitaniego, który zauważył znaczący wpływ pola magnetycznego na szybkość nukleacji w czasie wytrącania węglanu wapnia.
Podsumowując, wpływ pola magnetycznego na wytrącanie węglanu wapnia został udowodniony w wielu pracach eksperymentalnych. Istnieją jednak publikacje, w których nie udało się odtworzyć zjawisk opisywanych przez część środowiska naukowego. W związku z tym ciągle pozostaje otwartymi wiele pytań dotyczących wpływu pola magnetycznego na precypitację w roztworach wodnych. Zagadnienia te mają szczególne znaczenie, jeśli chodzi o zastosowanie wszelkiego rodzaju magnetyzerów jako nieinwazyjnych metod przeciwdziałania wytrącaniu węglanu wapnia w instalacjach przemysłowych. Nie mniej jednak z publikacji opisujących istnienie wymiernych efektów pola magnetycznego można wysunąć spójny opis mechanizmu tłumaczącego obserwowane zmiany.