C02F1 / 46 - Обробка води, промислових і побутових стічних вод або відстою стічних вод (поділ взагалі B01D; спеціальні пристрої на судах для обробки води, промислових і побутових стічних вод, наприклад для отримання питної води B63J; додавання до води речовин для запобігання корозії C23F ; обробка рідин, забруднених радіоактивними речовинами G21F 9/04)
Власники патенту RU 2351546:
Андрєєв Віталій Сергійович (RU)
Винахід відноситься до області фізико-хімічних методів обробки води. Спосіб зниження окисно-відновного потенціалу води включає в себе пропускання води через електродний камеру, яка містить аноди і катоди, підключені до джерела постійного електричного напруги, і не має розділових напівпроникних мембран або діафрагм. Процес проводиться протягом 10-600 с при напруженості електричного поля в міжелектродному просторі в межах 1,5-24 В / см. Технічний ефект - зменшення змін хімічного складу води і витрат електроенергії при зниженні окислювально-відновного потенціалу води, збільшення швидкості обробки води та забезпечення попутної очищення води від сторонніх домішок. 2 з.п. ф-ли, 4 табл.
Винахід відноситься до області техніки, пов'язаної з реалізацією фізико-хімічних методів обробки води з метою поліпшення її споживчих характеристик.
Серед цих способів відомі такі, як обробка води постійним і змінним магнітними полями, кременем, шунгитом і коралами, а також пропускання води через катодні і анодні камери мембранних електролізерів (електрохімічна активація води). Найбільш вивчено позитивний вплив на організм людини або тварин «жвавої» (або просто «живий») води, в тих випадках, коли воно супроводжується цілком певним фізико-хімічним ефектом, що полягає в зниженні окислювально-відновного потенціалу (ОВП) обробленої води. Це пояснюється розробленістю теорії, що зв'язує ОВП з інтенсивністю біоенергетичних процесів в організмі, пов'язаних з перенесенням електронів по так званій дихального ланцюга, а також негативним впливом на органічно тканини окислювальних процесів.
Як відомо, окислювально-відновний потенціал (ОВП) є мірою хімічної активності елементів або їхніх сполук в оборотних хімічних процесах, пов'язаних зі зміною заряду іонів в розчинах. Іншими словами, ОВП, званий також редокс-потенціалом (Eh), характеризує ступінь активності електронів в окислювально-відновних реакціях в стані рівноваги при стандартних умовах (температура, концентрація речовин, атмосферний тиск), тобто в реакціях, пов'язаних з приєднанням або передачею електронів. Значення окисно-відновного потенціалу для кожної окислювально-відновної реакції виражається в мілівольтах і може мати як позитивний, так і негативне значення.
Метрологічній основою для кількісного визначення ОВП служить зв'язок електроднихпотенціалів інертних електродів з активностями як окисленої, так і відновленої форм речовини.
У природній воді завжди присутні речовини, які є окислювачами і відновниками, і Eh для природного та водопровідної води, як правило, знаходяться в межах від -400 до +700 мВ, що визначається всією сукупністю у ній окисних і відновних процесів. До окислювача відносяться, наприклад, такі компоненти води, як кисень, нітрат-іони, цілий ряд елементів у вищій формі своєї валентності (Fe 3+. Мо 6 +. As 5. V 5+. U 6 +. Sr 4+. Cu 2+. Pb 2+). До відновників - сірководень, аміак, метали низьких ступенів валентності (Fe 2+. Mn 2+. Мо 4+. V 4+. U 4+), гумінові кислоти і багато інших органічні сполуки. Співвідношення тих чи інших сполук багато в чому визначає окисні або відновлювальні властивості води. Разом з тим на ці властивості впливають і структурні характеристики води як жидкокристаллической системи.
Показник ОВП все більш широко використовується в медицині, яка спираючись на знання цієї величини, використовують воду для лікувально-профілактичних, санітарно-гігієнічних і ветеринарних цілей. Зниження ОВП води, за даними медиків і біологів, призводить до поліпшення її біоенергетичних, метаболічних і імуностимулюючих властивостей. Це забезпечує також сприятливі умови для розвитку мікроорганізмів і рослин. При регулярному вживанні води з пониженим ОВП, зокрема, поліпшується стан внутрішніх органів, шкірних покривів, слизових оболонок і волосся людини. Стимулюється розвиток нормальної мікрофлори людського організму, і як наслідок зменшуються негативні наслідки дисбактеріозу. Вважається загальновизнаним, що зрушення донорно-акцепторного рівноваги в рідинах тіла на користь акцепторів, що приводить до дефіциту реакционноспособних електронів, є ключовою ланкою великого класу патологічних процесів, що виникають в живих організмах.
Головний недолік прототипу обумовлений використанням відомого способу так званої електрохімічної активації води, який, забезпечуючи зміну ОВП, неминуче призводить до зміни хімічного складу води (тобто фактично привносить в воду сторонні речовини, що утворюються на електродах, в першу чергу, іони водню або гідроксилу . Показник рН такої води при активації змінюється на кілька од. рН. По суті справи, мова йде не про зниження ОВП, обумовленому власне структурними характеристиками води, а про отримання деяких католіта - розчинів електролітів в прікатодном просторі, що володіють інтегрально нижчим, ніж вихідна вода, ОВП. Це, природно, пред'являє жорсткі вимоги до складу оброблюваної води і не дозволяє роздільно розпоряджатися факторами ОВП, з одного боку, і факторами хімічного складу католіта, в тому числі рН.
Інші недоліки прототипу пов'язані:
- з відносно високими енерговитратами, необхідними для отримання стійких ефектів активації води (необхідні кількості електрики, виражені в кулонах на літр складають величини порядку сотень Кл / л), конструктивною складністю і низькою продуктивністю електролізерів, що, зокрема, до сих пір не дозволяє виготовляти апарати продуктивністю понад 1 м 3 / ч (частіше мова йде про десятки м 3 активованої води в годину);
- зі збільшеним часом перебування кожної взятої порції оброблюваної води в камерах електролізерів, тобто з низькою лінійною швидкістю потоків;
- з тим, що вони не забезпечують попутної очищення води від мікрочастинок, в тому числі мікробних клітин, а також від аніонів та слабоіонізіруемих, але схильних до агрегації компонентів;
- з тим, що спосіб прототипу забезпечує електрохімічний активацію води тільки при подачі її в дискретному режимі, властивому пристроям, званим диспенсерами (або кулерами);
- з тим, що електрохімічна активація, що забезпечується корисною моделлю прототипу, не гарантує придбання водою властивостей «живої» води, так як зниження ОВП останньої супроводжується наданням їй властивостей бактерицидности (тобто біотоксічності).
Завданням винаходу є створення більш ефективного способу, позбавленого перерахованих недоліків, придатного:
- для вирішення найрізноманітніших медико-біологічних проблем, коли потрібно вода з антиоксидантними властивостями, але нормальними значеннями рН,
- забезпечення постачання водою зі зниженим ОВП в будь-яких режимах: як безперервних, так і дискретних,
- для вирішення проблем очистки та знешкодження водних середовищ в різних галузях господарства з одночасним наданням їй властивостей «живої» води.
Сформульована задача вирішується за допомогою способу, що полягає в тому, що при використанні ряду відомих прийомів, що характеризують прототип, а саме пропускання води через електродний камеру, яка містить аноди і катоди, що підключаються до джерела постійного електричного напруги, на відміну від прототипу камера не містить розділових напівпроникних мембран або діафрагм, внаслідок чого обробляється вода не поділяється на анодні і катодні потоки. При цьому утворюються внаслідок електролізу води протони і гідроксильні групи мають можливість миттєво рекомбинировать, зберігаючи рН води на вихідному рівні. В результаті відбувається в основному тільки модифікація жидкокристаллической структури, що формується полярними молекулами Н2 О, схильними до того ж до утворення водневих зв'язків, безпосередньо під впливом фактора напруженості електричного поля.
Пропонований винахід забезпечує ефективне рішення і найбільш складною з поставлених завдань. Якщо потрібно не тільки зниження ОВП, а й очищення води від сторонніх включень, обидва ефекту можна досягти одночасно при пропущенні води через розглянуту електродний камеру з межелектродним простором, заповненим поляризованість гранульованими матеріалами.
Особливості та практична застосовність запропонованого способу ілюструється такими прикладами.
Вода для обробки бралася з міського водопроводу Санкт-Петербурга. Обробка води проводилася в протоці з лінійними швидкостями потоку, зазначеними в табл.1. Значення напруги на електродах і струму через осередок також наведені в табл.1.
З табл.1 випливає, що при всіх взятих швидкостях потоку: від 6 см / хв (200 л / ч) аж до значень близько 310 см / хв (10 м 3 / год) має місце ефект зниження ОВП при незмінному рН, що відповідає пропущеним через воду кількостей електрики відповідно від 13 до 0,26 Кл / л. Лише тільки в разі найвищій швидкості потоку при взятому напрузі 12 В ефект стає незначним. Наведені дані свідчать про переважно електрофізичними, а не електрохімічному механізмі ефекту.
Приклад 2. Для обробки водопровідної води була застосована електродний камера, як в прикладі 1. Аноди і катоди підключалися до джерела постійної напруги з регульованим виходом в межах від 1,0 до 96 В. Лінійна швидкість пропускається через осередок води підтримувалася на рівні 6 см / хв.
Напруга на електродах, В
Напруженість ел. поля, В / см
Значення ОВП води, мВ
З табл.2 видно, що при збільшенні напруги на електродах (напруженості електричного поля в міжелектродному просторі) і, відповідно, величини пропускається через воду електричного струму зрушення ОВП в сторону негативних значень в дослідженому діапазоні напруг зростає.
Приклад 3. Для обробки води була застосована циліндрична електродний камера електрокондіціонера води «КАСКАД» АВЕ-1,3 / 5, що серійно випускається фірмою «ЕлЕкоТех». Камера має коаксіальні електроди висотою 350 мм. Діаметри: анода - 80 мм, катодів - 34 і 129 мм. У камері відсутні які б то не було міжелектродні перегородки. Обсяг камери - 5 л. Анод, а також внутрішній і зовнішній катоди підключалися до джерела постійної напруги 12 або 24 В. Нижня частина межелектродного простору (3 л), яка може заповнюватися кварцовим піском, в даному експерименті була незаповненою.
Вода для обробки бралася з міського водопроводу Санкт-Петербурга. З метою виявлення ролі таких чинників, як напруга і кількість електрики, пропущеного через воду, обробка води проводилася протягом різного часу перебування води в робочій камері при двох різних значеннях напруги на електродах 12 і 48 В, як показано в таблиці 3, 4.
Напруга на електродах - 12 В, струм - 0,45 А.
Значення ОВП води, мВ
Напруга на електродах - 48 В, струм - 1,77 А.
Час обробки, з
Значення ОВП води, мВ
З наведених даних видно, що:
- збільшення часу обробки, тобто кількості пропущеного через воду електрики, починаючи з деяких значень при фіксованій напрузі мало збільшує ефект зниження ОВП, приводячи навіть до зменшення ефекту в кінці взятого інтервалу (за рахунок накопичення в воді продуктів електролізу);
ефект пропускання певної кількості електрики при більш низькій напрузі на електродах (наприклад, при 12 В, см. стовпець 4 в табл.3):
- ефект пропускання певної кількості електрики при більш низькій напрузі на електродах (наприклад, при 12 В, 0,45А · 60 з · 10 = 270 Кл), виявляється меншим, ніж при пропущенні меншої кількості електрики (1,77А · 60 з = 106, 2 Кл, см. стовпець 4 в табл.4), але при більш високій напрузі, наприклад 48 В. Це свідчить про переважання польового (тобто фізичного) впливу на воду над електрохімічними ефектами (узгоджуються з відомим законом Фарадея), які використовуються при реалізації способу прототипу.
Приклад 4. Для обробки води була застосована електродний камера електрокондіціонера води "КАСКАД» АВЕ-1,3 / 5, як в прикладі 3. Нижня частина електродної камери (3 л) була заповнена кварцовим піском з розміром зерен 0,3-0,6 мм.
Через електродний камеру пропускалася вода з підземної свердловини в районі пос.Токсово, (Лен. Область), що містить підвищену концентрацію іонів заліза (близько 15 мг / л).
Лінійна швидкість потоку підтримувалася на рівні 12 см / хв. Величина ОВП вихідної води дорівнювала (182 ± 5) мВ, рН 7,1
Після пропускання води через електродний камеру величина ОВП знижувалася до (-50 ± 1) мВ. При цьому концентрація іонів заліза зменшувалася до значень (0,2-0,3) мг / л, тобто поряд з ефектом зниження ОВП до фізіологічно більш сприятливих значень мав місце ефект очищення води від іонів заліза і приведення цього показника у відповідність з діючими гігієнічним нормами (СанПіН 2.1.4.1074-01. «Питна вода. Гігієнічні вимоги до якості води централізованих систем питного водопостачання»). рН води в результаті обробки зростав незначно на 0,1 од. - від 7,1 до 7,2.
Приклад 5. Для обробки води була застосована електродний камера електрокондіціонера води "КАСКАД» АВЕ-1,3 / 5, як в прикладах 3, 4. Міжелектродні простір був заповнений сферичними гранулами на основі сополимера стиролу і дивинилбензола діаметром 0,3-1,0 мм.
Через електродний камеру пропускалася вода з річки в районі пос.Севастьяново (Лен. Область), що має внаслідок утримання великої кількості зважених часток показник каламутності, значно перевищує необхідний стандартом СанПіН 2.1.4.1074-01, а саме 23,7 мг / л, замість необхідних 1,5 мг / л.
Лінійна швидкість потоку підтримувалася на рівні 12 см / хв, напруга на електродах - 24 В. Величина ОВП вихідної води дорівнювала (396 ± 10) мВ.
Після пропускання води через електродний камеру величина ОВП знижувалася до (-10 ± 1) мВ. При цьому показник каламутності зменшувався до значень (0,8-0,9) мг / л, тобто поряд з ефектом зниження ОВП мав місце ефект очищення води від зважених часток і приведення цього показника у відповідність з діючими гігієнічним нормами (СанПіН 2.1.4.1074 -01). рН води в результаті обробки зберігався на рівні 6,9.
Приклад 6. Для обробки води була застосована електродний камера електрокондіціонера води "КАСКАД» АВЕ-1,3 / 5, як в прикладах 3-4.
Через електродний камеру пропускалася вода зі свердловини, має питому електропровідність 240 мкСм · см -1. що відповідало загальній мінералізації води близько 120 мг / л.
Лінійна швидкість потоку підтримувалася на рівні 12 см / хв, напруга на електродах - 24 В. Величина ОВП вихідної води дорівнювала (366 ± 10) мВ. Після пропускання через електродний камеру ОВП становив (280 ± 10) мВ.
Вихідна вода була піддана деионизации методом дистиляції. При цьому електропровідність води знизилася до 2-3 мкСм · см -1. а значення ОВП після електрообработкі зменшилася до -90 мВ, тобто ефект зниження ОВП вельми істотно зріс рН води в результаті обробки впало незначно, всього на 0,1 од. - від 7,2 до 7,1.
1. Спосіб зниження окисно-відновного потенціалу води, що включає в себе пропускання води через електродний камеру, яка містить аноди і катоди, підключені до джерела постійного електричного напруги, що відрізняється тим, що пропускання води виробляють через камеру, що не має розділових напівпроникних мембран або діафрагм, а процес здійснюють при напряженностях електричного поля в міжелектродному просторі в межах 1,5-24 в / см, при часу перебування води в міжелектродному просторі від 10 до 600 с.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що воду пропускають через електродний камеру, заповнену поляризованість гранульованими матеріалами.
3. Спосіб за пп.1 і 2, що відрізняється тим, що воду перед обробкою піддають деионизации, а потім пропускають через електродний камеру.