С древнейших времён, со времён ледникового периода, когда толщина ледяного покрова достигала 2000 м и по нынешний день, мы можем любоваться таким интересным состоянием вещества, как лёд. Не всегда лёд является положительным явлением, зачастую нарушая хозяйственную деятельность человека и принося существенный ущерб. Но тем не менее, что же из себя представляет лёд?
Лёд — вода в твёрдом агрегатном состоянии. В настоящее время известны три аморфных разновидности и 17 кристаллических модификаций льда.
Учёные подсчитали, что на всей Земле общая масса снега и льда составляет приблизительно: 2.423х10(в 22 степени) г.
Если равномерно распределить это количество по всей поверхности Земли, то этого будет вполне достаточно, чтобы покрыть её полностью 64-метровым слоем. Если же замороженная вода разом бы растаяла, то уровень вод мирового океана поднялся бы, по сравнению с тем, который он занимает сейчас — на 64 м.
Основные ледовые запасы Земли сосредоточены в ледниках Антарктиды, где находится до 90% льда, имеющегося на Земле и оставшееся приходится на ледовый панцирь Гренландии. Совокупная площадь всех ледников на Земле составляет приблизительно 11% от всей площади суши.
Альбедо
Отражающая способность снега и льда, которая называется альбедо, представляет собой коэффициент, показывающий соотношение отражаемой энергии — к падающей, составляет приблизительно 0.34. Другими словами, можно сказать, что в антарктических широтах разность между поглощаемой и излучаемой энергией составляет отрицательную величину, благодаря чему эти области служат важнейшим средством для терморегуляции планеты в целом.
Испарение льда
Разные виды замороженной воды отличаются по своим свойствам, например, снег отличается ото льда и любых поверхностных корок кристаллизации тем, что снежинки образуются при непосредственном переходе испарённой воды в кристаллическую форму.
Многим северянам знаком эффект, когда выпавшие снежинки, изначально имеющие достаточно красивую форму, через несколько дней превращаются в шарообразные крупинки. Причиной этого служит возгонка воды прямо с поверхности снежинок, этому способствует то, что окружающий воздух имеет ещё возможности для насыщения парами воды, иначе испарение было бы невозможным.
Лёд легче воды?
Объяснение лёгкости льда заключается в том, что если мы посмотрим на схему его кристаллической решётки, то можно воочию наблюдать структуру с большими промежутками. Если попытаться выделить характерные особенности кристаллической решётки льда, то она отличается тем, что молекула воды в ней находится в окружении 4 таких же, которые образуют тетраэдр. Физики говорят, что «координационное число в этом случае будет равно 4». То есть, это количество молекул, которые находятся поблизости.
Но каково координационное число для воды? Вода представляет собой жидкость, поэтому у неё нет такой регулярной, упорядоченной структуры, как у кристаллов льда, и расположение всех её молекул с течением времени постепенно меняется. Однако, основываясь на усреднённых данных рентгеновских измерений, можно определить так называемую функцию радиального распределения.
Эта функция показывает, какова средняя концентрация молекул в окрестности рассматриваемой. Найдя максимум функции радиального распределения и форму соответствующей кривой для воды, имеющей температуру 1,5°C, можно убедиться, что при такой температуре расстояние от рассматриваемой молекулы до ближайших к ней других молекул равно 2,90 А, а координационное число — 4,4. Иными словами, в обычной воде каждая молекула окружена в среднем 4,4 другими молекулами, удалёнными от неё на 2,90 А, что превышает расстояние между любой молекулой воды и её ближайшими соседями в структуре льда (2,76 А). Таким образом, из сравнений расстояний между молекулами вовсе не вытекает, что вода плотнее льда. Но у воды координационное число больше четырёх. Это обстоятельство и играет решающую роль — в результате у воды структура оказывается более плотной, чем у льда.
Основная причина того, что у льда координационное число равно четырём, кроется в форме молекул воды. Из-за этого же, очевидно, лёд легче воды. Из-за этого же, как говорилось выше, происходит уменьшение температуры плавления льда с ростом давления.
Если бы вода была похожа на остальные вещества, и лёд был бы тяжелее ее, а значит, тонул, то зимой при замерзании прудов лёд постепенно нарастал не с поверхности, а со дна. В этом случае водяные растения и рыбы не смогли бы пережить зиму. Природа, если вдуматься, сотворена, поистине, совершенно!
Поскольку для воды координационное число равно 4,4, её можно приближенно представлять себе веществом, обладающим тетраэдрической структурой, что можно интерпретировать как частичное сохранение у воды в жидком состоянии тетраэдрической структуры, похожей на структуру льда.
Идея считать воду в жидком состоянии псевдокристаллом возникла в 1933 г. у англичан Бернала и Фаулера. Согласно их модели, вода в жидком состоянии представляет собой смесь трёх компонент с различными структурами (структура льда, структура кристаллического кварца и плотноупакованная структура обычной воды).
В модели смешанного вещества удаётся хорошо объяснить разнообразные особенности воды. Например, максимальная плотность воды при +4 °C получает следующее толкование. Когда лёд тает, его собственная структура частично разрушается, и образуются структуры двух других типов, обладающие большей плотностью. С ростом температуры этот процесс развивается, что приводит к увеличению плотности, однако, когда температура переваливает +4 °C, более существенным становится увеличение объёма за счёт теплового движения молекул, и в результате плотность начинает уменьшаться. Максимум плотности определяется из условия баланса теплового расширения и изменения плотности в зависимости от содержания в смеси структур указанных трёх типов.
Помимо модели, в которой вода рассматривается как смесь трёх компонент с различными структурами, выдвигались и другие аналогичные модели — двухкомпонентная и пятикомпонентная. Кроме того, предлагалась так называемая однородная модель, согласно которой вода не является смешанным веществом, а представляет собой непрерывную среду со сложным образом искривлёнными водородными связями. И модели смешанного вещества, и однородная модель — это всего лишь модели, предлагающие ту или иную структуру. Но с их помощью удаётся хорошо описывать реальные свойства воды. Многие вопросы, относящиеся к структуре и свойствам воды, и по сей день еще ждут своего окончательного разрешения.
Жидкий лёд
Со временем стало известно, что, несмотря на внешний кажущийся твёрдый вид, лёд обладает определённой пластичностью, что позволяет ему течь, если к нему приложена определённая сила. Яркой иллюстраций этого факта являются ледники, которые постепенно начинают стекать в низины, если на их поверхности накапливается большое количество снега, своим весом ускоряющего течение.
В прежние времена считали, что ледники не могут течь, а просто соскальзывают. Но в настоящее время никто в этом больше не сомневается и известно, что ледники могут перемещаться с достаточно большой скоростью. К примеру, скорость передвижения ледников варьируется от десятков — до сотен метров в год, в иных случаях скорость может достигать даже 6 метров в сутки. В настоящее время современная наука основной причиной этого явления называет возможности его к пластической деформации, которая представляет собой свойство вещества, при приложении некоторого усилия (которое по своей силе превосходит предельное значение для этого вещества), начинается процесс деформации, похожий на вязкое течение мёда. Однако иногда, такое течение превращается в быстрый сход, а это уже беда…
Лёд-полупроводник?
Через некоторое время после выхода в свет пионерской работы Айртона и Перри к измерениям электропроводности льда обратился канадский учёный Джонстон. Зимой 1911 г. в университете Дал- хауз (г. Галифакс) Джонстон получил данные по электропроводности льда, которые в течение последующих сорока лет никто не ставил под сомнение и которыми все эти годы пользовались многие исследователи.
На рисунке ниже представлена зависимость электропроводности от температуры, полученная Джонстоном, а также результаты более точных измерений, выполненных впоследствии Брэдли (Англия) и Жаккаром (Швейцария).
Зависимость электропроводности льда
по постоянному току от температуры
Как видно из рисунка, электропроводность льда с понижением температуры спадает по экспоненциальному закону. Иными словами, чем ниже температура, тем хуже лёд проводит ток. На первый взгляд, кажется, что в этом нет ничего необычного, но на самом деле такой результат далеко не очевиден.
Чтобы понять сказанное, надо вспомнить другие окружающие нас вещества. Так, электропроводность металлов, являющихся представителями проводников, с понижением температуры обычно растёт, т. е. чем ниже температура, тем лучше они проводят ток. А вот электропроводность так называемых полупроводников (к которым относятся, например, германий и кремний, применяемые в транзисторах и интегральных схемах) с понижением температуры, наоборот, падает.
Почему у металлов, которые являются проводниками, и у полупроводников германия и кремния зависимости электропроводности от температуры имеют совершенно противоположный характер? Объясняется это различием механизмов проводимости.
Кристаллы металлов буквально переполнены электронами, которые могут свободно перемещаться во всех направлениях. Движению свободных электронов препятствуют искажения кристаллической решётки, а также примеси. С повышением температуры тепловые колебания решётки увеличиваются, и электросопротивление растёт, а значит, электропроводность снижается.
Что же касается полупроводников германия и кремния, то в обычном состоянии свободные электроны внутри них отсутствуют. Однако, получив, совсем незначительную энергию, электроны могут оторваться от атомов, к которым они привязаны, и стать свободными.
Таким образом, с повышением температуры получаемая электронами тепловая энергия увеличивается, свободных электронов появляется всё больше и электропроводность возрастает.
По типу температурной зависимости электропроводности лёд похож на полупроводники. Кроме того, как видно из рисунка ниже, величина электропроводности льда лежит на границе области полупроводников и диэлектриков, но всё-таки попадает в область полупроводников.
Электропроводности различных веществ
по постоянному току. Для большей наглядности
масштаб по оси ординат не соблюдается
C точки зрения механизма проводимости лед, подобно германию и кремнию, можно отнести к полупроводникам. Такое представление о льде оформилось в 1950-е годы, главным образом, благодаря трудам швейцарских и немецких учёных. Нужно, однако, оговориться, что в отличие от германия и кремния, являющихся электронными полупроводниками, лёд представляет собой протонный полупроводник.
Почему лёд прозрачный?
В металлах и полупроводниках электрический ток вызван движением свободных электронов. Но вызван ли движением свободных электронов электрический ток в кристаллах льда? Оказывается, нет.
Прояснит сказанное ответ на вопрос о том, почему лёд прозрачен. Рассмотрим результаты измерений коэффициента поглощения света льдом.
В видимой области спектра коэффициент поглощения практически равен нулю, поэтому лёд прозрачен. Однако в инфракрасной и ультрафиолетовой областях коэффициент поглощения принимает очень большие значения.
В силу своего устройства человеческий глаз способен остро реагировать на электромагнитные волны видимой части спектра, длины которых близки к 0,55 мкм (5500 А). Если бы наш глаз мог воспринимать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, то мы бы увидели лёд абсолютно черным.
Если бы лёд не был прозрачным, то и снег не выглядел бы белым. Рассматривая снег под микроскопом, можно убедиться, что он состоит из частиц прозрачного льда. Тем не менее комки снега имеют белый цвет, что объясняется той же самой причиной, по которой мелко истолченное прозрачное стекло превращается в белый порошок.
Белизна снега объясняется тем, что свет, в котором представлены все длины волн, испытав многократное отражение и преломление на поверхностях снежинок, несмотря на сложный путь, почти не поглощается и вновь выходит на поверхность.
Если бы частицы, из которых состоит снег, хоть немного поглощали свет, снег не выглядел бы белым. Вспомним, что эталоном абсолютно черного тела служит платиновая чернь. Между тем она представляет собой порошок платины. Дело в том, что платина обладает чрезвычайно высоким коэффициентом поглощения света на всех длинах волн. В результате из-за сильного поглощения падающий свет больше не возвращается на поверхность.
Выясним теперь, почему лёд прозрачен. Если бы в кристаллах льда существовали свободные электроны, то это, очевидно, означало бы, что их появление вызвано колебаниями молекул.
Однако из рисунка выше видно, что пороговая длина волны, на которой начинается поглощение ультрафиолетового излучения, равна 0,17 мкм. В пересчете на энергию это соответствует 7,3 эВ. Иными словами, свободные электроны в кристаллах льда не возникают до тех пор, пока подаваемая энергия не превысит 7,3 эВ. Энергия же тепловых колебаний по порядку величины может составлять самое большее 10-2 эВ, поэтому тепловые колебания в кристаллах льда не могут привести к появлению свободных электронов. Но раз так, то видимый свет не может поглощаться свободными электронами.
По аналогичным соображениям, свободных электронов нет и в кристаллах поваренной соли, хлорида калия и в алмазах. В связи с этим в учебниках физики часто пишут, что перечисленные кристаллы прозрачны потому, что являются электрическими изоляторами.
Объяснять подобным же образом прозрачность льда нельзя. Дело в том, что лед, как мы уже говорили, проводит ток.
Итак, лёд прозрачен, но проводит ток. Сейчас мы покажем, что электрический заряд в кристаллах льда переносят не электроны, а протоны.
Результаты измерений поглощения света в ультрафиолетовой области (рисунок ниже) привели исследователей к выводу о том, что проводимость льда вызвана не электронами (1936 г.). В связи с этим было высказано предположение, что проводимость льда так же, как и проводимость воды, носит ионный характер и обусловлена движением чрезвычайно малого количества ионов водорода Н+ (на самом деле — ионов гидроксония Н3О+) и ионов гидроксила ОН-, возникающих за счёт диссоциации (рисунок ниже).
Экспериментально проверить данное предположение поставили своей целью американские учёные Уокман, Торби, Дрост и Хансен (1954 г.), а также Деклори, Гранихер и Жаккар из Цюрихского технологического института (1957 г.). Метод, который они применили, заключался в непосредственном электролизе льда.
В те же годы чрезвычайно красивые исследования электропроводности льда выполнили Эйген, де Мейер и Шпатц, работавшие в Институте им. Макса Планка (г. Гёттинген, ФРГ). Они исходили из того, что протекающий по льду ток не может быть больше некоторой величины насыщения (т. е. максимального значения). Иными словами, они считали, что коль скоро электрический заряд в кристалле льда переносят ионы, и раз ионы образуются за счёт тепловых колебаний молекул в результате их диссоциации (рисунок ниже), то вызвать ток, превышающий величину, определяемую скоростью диссоциации, невозможно.
И в самом деле, сначала с ростом напряжения ток постепенно увеличивался, но после того как напряжение превысило некоторую величину, ток достиг определенного значения и в дальнейшем уже не менялся. Итак, ток насыщения, несомненно, существовал. Учитывая этот результат и пользуясь данными других измерений электропроводности, Эйген, де Мейер и Шпатц получили концентрацию ионов в кристаллах льда, скорость диссоциации, подвижность ионов и другие характеристики.
Найденная ими подвижность ионов Н3О+, т. е. скорость движения этих ионов при приложении электрического поля единичной напряженности, оказалась равной 0,075 см2/(с-В). Для подвижности ионов это очень большая величина. (Подвижность ионов Н3О+ в чистой воде равна 0,0021 см2/(с-В), т. е. примерно в 40 раз меньше, чем во льду.)
Группа Эйгена объяснила столь высокую подвижность тем, что в кристаллах льда молекулы воды соединены совершенными водородными связями и вдоль этих связей могут легко перемещаться протоны. Проще говоря, в кристаллах льда повсюду растянута сеть водородных связей, и протоны могут свободно проноситься по ним, как по рельсам.
Итак, для объяснения проводимости льда надо допустить наличие ионов внутри его кристаллов. Правда, если для абсолютно всех протонов в кристаллах льда справедливы правила Бернала — Фаулера, то ионы существовать не могут, поскольку наличие ионов противоречит первому правилу Бернала — Фаулера (нарушается совершенство молекул воды). Однако то обстоятельство, что лёд проводит ток, говорит о существовании в реальных кристаллах льда некоторого количества областей, где правила Бернала — Фаулера нарушены.
Проводимость льда также возможна лишь при наличии в нем вполне конкретных дефектов решётки, для которых не выполняется первое правило Бернала— Фаулера. Об устойчивом существовании в кристаллах льда определенного, зависящего от температуры количества ионных дефектов говорит и теория. Некоторые физические характеристики ионных дефектов чистого льда приведены в таблице ниже.
Жидкость на поверхности льда?
Важное обстоятельство, о котором не следует забывать при рассмотрении физических свойств льда, заключается в особенностях его поверхности. При температурах, близких к точке плавления льда, его поверхность покрывается тонкой жидкой пленкой. Такая пленка носит название квазижидкого или переходного слоя.
Первым мысль о существовании на поверхности льда квазижидкого слоя высказал английский физик Фарадей (1850 г.), открывший явление «перезамораживания» льда. Спустя примерно 100 лет американский химик Уайл, воспользовавшись аналогией с двойным электрическим слоем, который образуется на поверхности ионных кристаллов, дал теоретическое обоснование возможности существования на поверхности льда квазижидкого слоя (1951 г.). Это послужило толчком к публикации ряда экспериментальных работ, доказывающих наличие такого слоя.
Рассуждения Уайла носили чисто качественный характер. Количественную теорию построил австралийский учёный Флетчер. Исходя из того, что на поверхности обычной воды достаточно большое число её дипольных молекул расположены упорядоченным образом, Флетчер высказал предположение о наличии упорядоченного слоя и на поверхности льда.
Поверхность кристалла — это такое место, где внезапно обрывается нормальный порядок в расположении молекул. Как уже говорилось выше, координационное число кристаллического льда равно четырём. Следовательно, всякая молекула воды, находящаяся в толще кристалла, тетраэдрически связана с четырьмя другими окружающими её молекулами. Но для молекул воды, которые находятся на поверхности, соседей с одной стороны нет, и какое-то количество линий водородных связей остается неиспользованным.
В результате на поверхности накапливается повышенная энергия. Мерой её величины служит поверхностная энергия (в случае жидкости — энергия поверхностного натяжения).
Не следует думать, что повышенная энергия поверхности характерна только для льда. Неверно также считать это свойство причиной образования квазижидкого слоя.
Существование у льда в отличие от других веществ такого слоя объясняется тем, что молекулы воды представляют собой электрические диполи.
Поскольку расположение протонов в кристалле льда не упорядочено, его дипольные молекулы воды ориентируются в произвольных направлениях. Если допустить, что такая же структура сохраняется и на поверхности, то вероятность ориентации дипольных молекул воды положительными полюсами (т. е. протонами) в сторону поверхности окажется равной 0,5. Такой же будет и вероятность ориентации отрицательными полюсами в сторону поверхности.
Однако подобная структура поверхности энергетически неустойчива и на самом деле реализоваться не может. Флетчеру удалось теоретически показать, что структура термодинамически устойчивой поверхности льда характеризуется в определенной мере упорядоченным расположением дипольных молекул воды. В структуре квазижидкого слоя и в его свойствах многое еще неясно, в схематичном же виде результаты, вытекающие из теории Флетчера, представлены на рисунке ниже.
На поверхности квазижидкого слоя расположение дипольных молекул воды в достаточной мере упорядочено. При 0 °C степень ориентации составляет 0,74. Иными словами, 74 % молекул воды ориентированы протонами наружу. По мере продвижения вглубь от поверхности степень ориентации экспоненциально спадает и в толще кристалла льда принимает характерное для неупорядоченного расположения значение 0,5.
Следовательно, квазижидкий слой можно назвать переходным: на его глубине от поверхности до границы с кристаллом льда происходит непрерывное изменение расположения диполей и в результате образуется двойной электрический слой. Подобное явление внутри самого кристалла невозможно, поскольку там действуют правила Бернала — Фаулера. Название «квазижидкий» дано этому слою потому, что он и не жидкий, и не кристаллический. Природа такого слоя многими понимается неверно. В действительности расположение молекул воды внутри него хаотично, как в жидкости, но ориентация диполей по сравнению с самим кристаллом льда отличается упорядоченностью.
Как следует из теории Флетчера, квазижидкий слой возникает мгновенно при температуре около —6 °C (рисунок ниже).
Его толщина изменяется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ангстрем, причем при приближении к точке плавления она резко возрастает.
Теория квазижидкого слоя основывается на нескольких гипотезах, и результаты, следует рассматривать только как одно из следствий, позволяющих судить об истинности исходных посылок. Тем не менее, имея представление об описанной выше кристаллической структуре льда и о его свойствах, можно утверждать, что в общем, ошибок в теории Флетчера нет.
Кстати говоря, именно благодаря этому явлению, можно кататься на коньках по льду, так как при повышении давления, возрастает температура (локально, в месте предложения давления), что в свою очередь, вызывает появление квазижидкого слоя, по которому и скользит остриё конька!
Внеземной лёд
▍ Земля
71 % поверхности которой покрыта водными океанами, является на данный момент единственной известной в Солнечной системе планетой, содержащей воду в жидком состоянии. Имеются научные данные, что на некоторых спутниках планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) вода может находиться под толстой корой льда, покрывающей небесное тело. Однако однозначных доказательств наличия жидкой воды в Солнечной системе, кроме как на Земле, на данный момент нет.
▍ Луна
Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленным на индийском лунном аппарате Чандраян-1, всего в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн тонн воды, большая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров вечной тени. Вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьируется от 2 до 15 км. Сейчас у учёных уже нет никаких сомнений в том, что найденный лёд — это именно водный лёд.
▍ Европа
Поверхность спутника полностью покрыта слоем воды толщиной предположительно 100 километров, частью в виде ледяной поверхностной коры толщиной 10—30 километров.
Две возможные модели внутреннего строения Европы
▍ Ганимед
Поверхность Ганимеда также покрывает кора из водяного льда толщиной 900—950 километров. Водяной лёд расположен практически на всей поверхности, и его массовая доля колеблется в пределах 50—90 %.
Внутреннее строение Ганимеда
▍ Каллисто
.
Спектроскопия выявила на поверхности Каллисто водяной лёд, массовая доля которого составляет от 25 до 50 %.
Внутреннее строение Каллисто
▍ Энцелад
Энцелад преимущественно состоит из водяного льда и имеет самую чистую в Солнечной системе ледяную поверхность.
Спектрозональный снимок «Кассини» — водяной пар в южном полушарии Энцелада.
▍ Титания
Спутник состоит предположительно на 50 % из водного льда. С помощью инфракрасной спектроскопии, сделанной в 2001—2005 годах было подтверждено наличие водного льда на поверхности спутника. По одной из моделей Титания состоит из каменного ядра, окружённого ледяной мантией. Текущее состояние ледяной мантии остаётся неясным.
▍ Рея
Низкая средняя плотность Реи (1233 кг/м³) свидетельствует, что каменные породы составляют менее трети массы спутника, а остальное приходится на водяной лёд. Заднее полушарие спутника помимо тёмных участков имеет сеть ярких тонких полосок, которые предположительно образованы не в результате выброса воды или льда на поверхность (например, в результате криовулканизма), а просто являются ледяными хребтами и обрывами, как и на спутнике Диона. Кроме того, Рея покрыта разреженной атмосферой в виде тонкой оболочки, содержащей кислород и углекислый газ. Водяной лёд расщепляется мощным магнитным полем Сатурна и пополняет атмосферу кислородом. Общая потенциальная масса кислорода во льду Реи оценивается в 40 тысяч тонн.
▍ Титан
Согласно расчётам, Титан имеет твёрдое ядро, состоящее из скальных пород, диаметром около 3400 км, которое окружено несколькими слоями водяного льда.
Предполагаемая внутренняя структура Титана
Большинство из тысяч обнаруженных внесолнечных планетных систем сильно отличаются от нашей, что позволяет считать нашу Солнечную систему принадлежащей к редкому типу.
Использование льда
▍ Техника
В конце 1980-х годов американская лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (ice slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5—7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10—15 до 30—45 минут.
В настоящее время многие научно-исследовательские центры, фирмы производители ледогенераторов, изобретатели стимулируют прогресс в ТПЛ (технологиях перекачиваемого льда). Благодаря высокой эффективности использования энергии, относительно небольшим размерам кристаллизаторов перекачиваемого льда, снижению требуемой массы хладагента, а также тому, что ТПЛ может быть адаптирована к конкретным техническим и технологическим требованиям в различных отраслях промышленности, существует много применений этой технологии.
▍ Очистка сточных вод
ТПЛ может быть рекомендована для очистки (осветления) осадков сточных вод. В этом случае используется метод «замораживания-плавления». Этот метод основан на двух процессах: «правильное» (с заданной скоростью) замораживание (превращение в лёд) осадков с последующим плавлением и разделение жидкой и твёрдой фаз. «Замораживание и плавление» приводит к изменению физико-химической структуры осадков. Этот метод реализуется за счёт перераспределения любых форм связи влаги с твёрдыми частицами осадков. Очевидно, что этот метод предпочтительнее химической коагуляции (физико-химический процесс слипания коллоидных частиц) осадков реагентами.
Замораживание осадка способствует увеличению свободного количества воды в осадках и улучшает эффективность осаждения осадка. Таким образом, если скорость выращивания кристаллов не превышает 0,02 м/ч, молекуле воды достаточно времени, чтобы выйти из коллоидных клеток к поверхности, где она замёерзает. После оттаивания быстроосаждённые твёрдые частицы удаляются шнеком для последующей эффективной фильтрации.
Очищенная вода готова к сбросу в водохранилище.
▍ Опреснение морской воды
К существующим коммерческим методам опреснения морской воды относятся различные дистилляционные методы, обратный осмос и электродиализ. Теоретически, замораживание имеет некоторые преимущества по сравнению с вышеуказанными методами. Эти преимущества включают более низкую потребность в электроэнергии, минимальный потенциал для коррозии и отсутствие зарастания накипью поверхностей теплообменников. Недостатком является то, что замораживание подразумевает производство лёдо-водяных смесей, перемещение и обработка которых весьма затруднительна. Небольшое количество опреснительных станций было построено за последние 50 лет, но процесс не имел коммерческого успеха при производстве пресной воды для муниципальных нужд. Вместе с тем, ледогенераторы ПЛ (ЛПЛ) предлагают доступную альтернативу благодаря высокой эффективности процесса кристаллизации. Существующие модели, однако, не имеют необходимого потенциала для промышленных опреснительных установок большой мощности, но небольшие ЛПЛ достаточны и удобны для малых потребностей в опреснении.
▍ Системы накопления и хранения энергии
Системы накопления и хранения энергии (СНХЭ) на базе ТПЛ могут быть использованы в централизованных системах кондиционирования воздуха с водяным охлаждением. СНХЭ с ТПЛ позволяет снизить эксплуатационные расходы здания, потребность в новых электростанциях и линиях электропередач, потребление энергии электростанцией, загрязнение атмосферы, выбросы парниковых газов. Срок возврата инвестиций при использовании СНХЭ с ТПЛ составляет 2 — 4 года.
Для статьи использованы материалы wikipedia.org, а также книги Н.Маэно «Наука о льде» — Москва, Изд-во «Мир», 1988г.
P/s а знаете ли вы ещё какое-то альтернативное использование льда?..
