СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ВОДЫ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/00 C02F1/42 C02F1/48 

Изобретение относится к области очистки воды с использованием физико-химических методов и может быть применено для анализа свойств воды, подвергнутой обработке при очистке или активировании. В настоящее время обработка и активирование воды путем воздействия на нее физико-химическими агентами в целях очистки, кондиционирования, придания нужных свойств получила широкое распространение в связи с применением ресурсосберегающих технологий, замкнутых циклов водооборота, экологически чистых методов в сельском хозяйстве.

Известны способы контроля эффективности обработки воды путем воздействия на нее магнитным полем, приводящим к структурным изменениям водной среды с примесями.

Известен способ измерения магнитной активации воды (СССР, авт.св. N 1599315, C O 2 F 1/48) путем пропускания света через кюветы с обработанной и необработанной водой и регистрации фототока в приемнике. Поскольку при магнитной обработке происходит флоккуляция коллоидных частиц, обработанная вода приобретает большую прозрачность, и величина регистрируемого фототока превышает таковую для необработанной воды. Известный способ применим для характеристики макроскопических процессов в воде в результате обработки.

Известен способ контроля воздействия магнитного поля на воду путем исследования накипеобразования при термостатировании объемов обработанной и необработанной воды при температуре кипения дистиллята (СССР, авт.св. N 1638118, C 02 F 1/48). С течением времени на донышке и боковой стенке сосуда с водой оседает накипь, толщину отложений измеряют и по разности измеренных величин для стенки и донышка сосуда судят об оптимальной напряженности поля для обработки воды.

Известен способ контроля эффективности магнитной обработки воды (СССР, авт. св. N 998374, C 02 F 1/48) путем измерения скорости кристаллизации, предусматривающий смешение химического реагента с водой до и после магнитной обработки, причем в качестве реагента используют гидроокись кальция. Известный способ повышает точность контроля, поскольку процесс кристаллизации весьма чувствителен к количественному и качественному составу маточного раствора, а изменение скорости кристаллизации обусловлено структурированием водного раствора или воды в магнитном поле.

Известный способ выбран за прототип, поскольку совпадает с заявляемым способом по основным существенным признакам смешение химического реагента с обработанной водой, наблюдение реакции взаимодействия, определение характеристик реакции, по которой судят о характере воздействия на воду и эффективности ее обработки.

Известный способ позволяет весьма точно определять эффективность магнитной обработки воды, однако обладает ограниченными функциональными возможностями, т.к. не всякий водный раствор пригоден для приготовления маточного раствора и выращивания кристаллов. А поскольку на практике обработке подвергают воду различными методами (электрохимическая обработка, дистилляция, озонирование и др. ), которые позволяют получить разные pH воды ("живая" и "мертвая" вода), и, следовательно, проявление свойств обработанной воды в реальных химических и биохимических процессах будет различным, необходимо контролировать химическую активность воды, как связанную, так и не связанную с ионным составом.

Задача, решаемая изобретением, состоит в расширении функциональных возможностей анализа эффективности обработки воды на установление количественных характеристик эффективности обработки воды любым воздействием и динамики изменения свойств обработанной воды.

Задача решается тем, что в известном способе контроля эффективности обработки воды, включающем смешение химического реагента с водой до и после обработки, регистрацию реакции взаимодействия, определение характеристик реакции, по которым судят об эффективности обработки, в соответствии с изобретением, в качестве химического реагента используют систему хинон-гидрохинон, регистрируют обратимую реакцию переноса атома водорода в системе хинон-гидрохинон с определением кинетической кривой реакции, по кинетической кривой рассчитывают константу скорости реакции и по величине константы скорости, найденной для равновесного состояния системы хинон-гидрохинон в воде, контролируют эффективность обработки воды.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что умеренно прочная связь водородная между молекулами воды приводит к образованию тетраэдрических структур в жидкости, в полостях таких структур размещаются растворенные в воде неполярные молекулы, ассоциированные за счет гидрофобных взаимодействий, способствующих, в свою очередь, структурированию самой воды. Полярные молекулы или полярные фрагменты молекул, напротив, прочно взаимодействуют с водой за счет водородной связи и диполь-дипольных взаимодействий. Соединения, молекулы которых содержат как полярную, так и неполярную части, в воде образуют характерную двухслойную структуру, одна сторона которой окружена молекулами воды, а другая обращена к неполярным фрагментам молекул. Примером таких соединений являются липиды, из которых построены мембраны. Стурктурированние водных растворов биологически активных молекул имеет исключительное значение для протекания ферментативных реакций и вообще для формирования живых структур.

Важным свойством воды является ее способность диссоциировать на протон H⁺ и гидроксильный ион ОН^-. Протон присоединяется к молекулам воды с образованием ионов гидроксония H₃О⁺ и более сложных агрегатов. Этими двумя своими составляющими частями протоном и гидроксильным ионом вода участвует в кислотно-основном равновесии, которое характеризуется величиной pH. Вода может также участвовать в окислительно- восстановительных реакциях, т.к. гидроксильный ион как донор электрона легко его теряет с образованием радикалов ОН, которые димеризуются в молекулу перекиси водорода H₂О₂. Эти свойства воды определяют активность воды в химических реакциях как растворителя (например, для биологических систем), так и как катализатора, запускающего биохимические реакции посредством снижения активационного барьера.

Поскольку упомянутые реакции происходят с участием воды, имеющей примеси неорганические соли, кислоты, органические компоненты, которые участвуют в процессах структурной перестройки воды в результате обработки ее физическим агентом (магнитное и электрическое поле, звук, биополе и др.), то по характеристикам протекающих реакций можно осуществлять контроль эффективности обработки воды, как на качественном, так и на количественном уровнях.

Ранее такой контроль эффективности обработки воды на основании данных о кинетике и равновесии обратимой реакции в системе хинон гидрохинон, а также применимость самой упомянутой системы в этих целях не были известны. Свойства модельной системы при взаимодействии с водой разного состава, подвергнутой обработке разными типами воздействия, впервые исследованы авторами заявки и ранее не опубликованы. Способ поясняется фиг.2-6, на которых представлены результаты исследования реакции системы хинон гидрохинон в воде, обработанной различными агентами, фиг. 1, на которой представлена структура модельной системы хинон-гидрохинон, и таблицами результатов исследования химического состава и pH исследуемых образцов воды.

В реакции переноса атома водорода в системе хинон-гидрохинон осуществляется взаимопревращение исходных (A, B) и конечных компонентов (C, D)

Кинетическое уравнение в дифференциальной форме имеет вид
dx/dt=K₁(C₀-x)²-K_-1x² (2)
где K₁ и K_-1 константы скорости прямой и обратной реакций, C₀ начальная концентрация компонентов, взятых в эквимолярном соотношении, а x_p равновесная концентрация реагентов. Константа равновесия реакции
K_p= x2p

/(C_o- x_p)² (3)
определяется стабильностью в водной среде компонентов (A, B) и (C, D), зависящей от присутствующих в воде примесей. Решение уравнения (2) в интегральной форме имеет вид

Таким образом, регистрируя кинетическую кривую обменной реакции (фиг.2), которая может быть запущена как со стороны исходных (A, B), так и конечных компонентов (C, D), и, решая уравнения (2), (3), (4) по данным измерений концентрации одного из компонентов в растворе, определяем константы скорости K₁ и константу равновесия K_p. Влияние вида обработки воды на константы реакции убедительно доказывают фиг.3 и 4, позволяющие установить, что химическая активность воды в отношении элементарной реакции переноса атома водорода чрезвычайно сильно зависит от источника (колодезная, речная, родниковая вода) и что существуют статистически достоверные эффекты обработки воды (воздействие лептонов, магнитозвуковое воздействие, дистилляция, электрохимическое воздействие установкой "Аквалон"), причем различия могут быть достоверно оценены.

Вода дистиллированная, как правило, проявляет меньшую активность по сравнению с водой водопроводной, речной или колодезной водой (фиг.3, кривые 1, 4, 6; фиг. 4, кривые 2, 3). Активность свеженабранной воды меняется во времени в ходе установления газового равновесия с воздушной средой. Обработка воды устройством для электрохимической очистки ("Аквалон") приводит к увеличению скорости реакции переноса атома водорода и существенно уменьшает содержание примесных элементов по сравнению с водопроводной водой (фиг.3, кривая 7; фиг.4, кривая 5).

Исследование природных вод, которые, возможно, прошли соответствующую "обработку" в процессе распространения в водоносных слоях, также обнаружили различия в активности. Так, один из образцов (фиг.3, кривая 6) обладал столь высокой активностью, что для измерения скорости реакции его пришлось разбавить дистиллированной водой до 0,1 от исходной концентрации. Близкими свойствами в отношении реакции (1) обладает и другой образец воды, взятой в той же местности (р. Вишерка, Ленобласть), считающаяся у местных жителей "полезной".

Прямо противоположные свойства крайне низкая активность в отношении реакции (1) обнаруживается у воды, обработанной плазменным генератором. В такой воде реакция переноса атома водорода вообще останавливается (фиг.2, кривая 1; фиг.4, кривая 1).

Сопоставление полученных результатов константы скорости реакции и величины pH воды показало, что активная вода имеет pH в области 7-9, а неактивная, медленная кислая вода. Зависимость между логарифмом константы скорости реакции K₁ и pH носит линейный характер в узком интервале величин pH, а для более широкого интервала, включающего воды с существенными различиями по составу, зависимость нельзя считать линейной (фиг.5, 6), а следовательно, активность воды не может быть адекватно оценена лишь по измерениям pH.

Известные биологические данные о влиянии "живой" и "мертвой" воды на живой организм свидетельствуют, что в кислой среде биохимические процессы протекают медленнее по сравнению со средой щелочной при оптимуме pH (в сильнощелочной среде белки деструктируют). Перенос атома водорода в реакции (1) происходит подобным образом тормозится в кислой среде и ускоряется в щелочной, причем граничным значением pH в кислой области является величина pH 4 во всех случаях.

На фиг.3, 4 видно, что обработка водопроводной воды магнитозвуковой установкой или т. н. лептоновым генератором увеличивает скорость реакции в 1,5-2 раза. Эффект устойчиво повторяется и может служить в целях контроля обработки воды. Вода дистиллированная в меньшей степени подвержена влиянию подобной обработки. Воздействие на образец воды электромагнитным полем лишь слегка изменяет pH, увеличивая его, что вызывает ускорение реакции, а обработка дистиллированной воды с помощью плазменного генератора, напротив, понижает значение pH до 4, что и приводит к полной остановке реакции переноса атома водорода (1) (фиг.4, кривая 1).

Таким образом, использованная в способе характеристика процесса обменной реакции переноса атома водорода в системе хинон-гидрохинон адекватно отражает физико-химические изменения воды в результате обработки, измеряется путем расчета констант скорости реакции, воспроизводима и повторима, а следовательно, может быть использована как средство контроля эффективности обработки воды, а также биохимических свойств воды.

Способ осуществляется следующим образом. В качестве системы "хинон- гидрохинон" выбирают одну из трех систем: 1) "фенилгидрохинон - парабензохинон", 2) "фенилгидрохинон парахлорбензохинон" и 3) "фенилгидрохинон параметилбензохинон" в зависимости от ожидаемой скорости реакции в исследуемом образце воды. Приготавливают концентрированные растворы хинона и гидрохинона в смеси дистиллированной воды со спиртом, микропипеткой добавляют растворы в исследуемую воду, инициируя обменную реакцию (1). Равновесие смещается в зависимости от состава воды. Так как равновесие устанавливается в течение короткого промежутка времени, то берут предельно разбавленные растворы компонентов для ведения реакции с возможностью регистрации кинетической кривой (10-60 мин до установления равновесия). Оба компонента берутся в эквимолярном соотношении при их концентрации в растворе около 5•10^-5 моль/л.

Контроль за ходом реакции и ее регистрацию осуществляют с помощью спектрофотометра на частоте поглощения фенилбензохинона 27000 см^-1. Для регистрации достаточно прибора среднего класса (спектрофотометры Beckman, M40 и т. п.).

Регистрация хода реакции основана на изменении оптической плотности на величину порядка 10^-3-10^-2 в полосе поглощения, ход реакции характеризуется кинетической кривой изменения концентрации во времени C=C(t), которую регистрируют и используют для определения константы скорости реакции. Данная величина, определенная для равновесных условий, является молекулярной характеристикой системы и постоянна для идентичных условий. Перед проведением анализа образцы воды выдерживают при комнатной температуре в течение некоторого времени (0,5-1 часа) для исключения влияния на результат изменения газосодержания в воде. Для надежных количественных оценок целесообразно создать стандартные образцы и по ним оценивать эффективность обработки воды путем сравнения показателей.

Примеры конкретного выполнения
Для исследования возможности применения способа были взяты образцы воды из плавательного бассейна. Образцы исследовались в растворе системы "фенилгидрохинон парабензохинон" (концентрация действующего вещества компонент 5•10^-5 моль/л) сначала в необработанном виде, а затем после обработки физико-химическим агентом (воздействие внешним полем, частицами, электрохимическое бытовыми приборами очистки). Исследования кинетики обменной реакции проводили на спектрофотометре М40 фирмы Karl Ceiss. Дополнительно определяли pH образца для сопоставления с константой скорости реакции.

При анализе в качестве базы сравнения принимали дистиллированную воду с ее характеристиками обменной реакции в модельной системе.

1. Взяли образец дистиллированной воды в количестве 6 г, разделили на две части, к одной части добавили последовательно по 100 мкл растворов вначале фенилгидрохинона, а затем парабензохинона (концентрация растворов 2•10^-3 моль/л), поместили образец в рабочий пучок, и стали регистрировать кинетическую константу скорости реакции и константу равновесия. Получили lg K₁= 0,6, pH 6,20. Повторение опыта дало те же показатели, которые были взяты на базу сравнения.

2. Дистиллированную воду обработали лептоновым генератором и далее использовали обработанный дистиллят для приготовления модельной системы, как в примере 1, и исследования образца согласно способу по примеру 1. Получили, что константа скорости реакции существенно возросла и составила 6,9 л/моль/с (lg K₁=0,84).

3. Взяли образец водопроводной воды и, не проводя обработку, применили для приготовления раствора модельной системы как в примере 1. Получили: K₁= 84,8 л/моль/с, lg K₁=1,93, pH 6,94.

4. Взяли образец водопроводной воды, обработали магнитозвуковой установкой и использовали далее как в примере 1. Получили: K₁=148,9 л/моль/с, lg K₁=7,27.

5. Взяли образец водопроводной воды, пропустили через установку "Аквалон" электрохимической очистки и далее использовали как в примере 1. Получили: K₁=291,4 л/моль/с, lg K₁=2,47, pH 6,63.

6. Взяли образец воды из плавательного бассейна три пробы последовательно по дням, воздействовали на воду в бассейне (предварительно) магнитозвуковой установкой, а анализ проводили как в примере 1. Получили следующее: lg K₁= 0,78; 1,47; 1,60 и pH 5,76; 6,42; 6,65 соответственно, что указывает на изменение во времени активности воды после соответствующей обработки магнитным полем.

7. Взяли образец родниковой воды (д.Поддубье) считающейся "полезной" и обладающей высокими органолептическими свойствами, и разбавили дистиллятом в 10 раз. Использовали ее как в примере 1. Измерение величины константы скорости реакции К₁ дали величину K₁=302,8 л/моль/с, что в расчете на исходную воду более чем в 20 раз превышает аналогичную величину для водопроводной воды, обработанной как магнитозвуковой установкой, так и установкой "Аквалон". Измерения pH этой воды дает величину 8,5 (в среднем по времени).

8. Взяли образец водопроводной воды. Использовали ее как в примере 1 по методике измерения, но взяли системы "фенилбензохинон парабензохинон", "фенилгидрохинон парахлорбензохинон" и "фенилгидрохинон - параметилбензохинон". Получили соответственно константы скорости К₁ и константы равновесия К_p: 30,2, 3,5; 774,9, 9,0; 112,6, 0,07.

9. Взяли образец водопроводной воды как в примере 8 и провели реакцию как в примере 1. Получили K₁=30,2 л/моль/с, (lg K₁=1,48), К_p=3,5. Затем с тем же образцом воды провели обратную реакцию с системой "гидрохинон парафенилбензохинон". Получили близкую по величине константу равновесия К_p=3,7, но меньшую константу скорости K₁=12 л/моль/с, в соответствии с рассматриваемой кинетической схемой (уравнения 1-3). Результаты исследований, изложенные в примерах, сведены в таблицу для удобства восприятия.

Приведенные примеры показывают, что свойства обработанной воды в отношении биологических систем могут быть различными, несмотря на идентичный химический состав и определяются активностью в отношении кинетической кривой. В настоящее время вопрос о применимости обработанной воды чаще всего решается опытным путем, без контроля различий в последствиях обработки воды. На практике допускается применение воды после обработки с широким интервалом pH, что, как показано выше, может служить как промотером, так и ингибитором биохимических процессов. Так, широко применяются дистиллированная вода для приготовления лекарственных форм, а ее активность в отношении действующего начала в лекарстве также должна быть учтена. Широко применяются методы водолечения, основанные на примерах нетрадиционной медицины, которые пока не имеют достаточного научного обоснования, и последствия которых еще не определены. Предлагаемый способ дает возможность количественной оценки изменения активности воды после обработки, но его широкое использование, очевидно, потребует разработки новых стандартов на применение активных средств очистки воды.

Примечание: данные экспериментов отражены на графиках:
на фиг. 2: 1 дистиллированная вода + плазма, 2 дистиллированная вода, 3 водопроводная вода (прямая реакция), 4 дистиллированная вода (обратная реакция), 5 водопроводная вода + "Аквалон";
на фиг. 3: 1 дистиллированная вода, 2 дистиллированная вода + лептоны 5, 1 час обработки, 3 дистиллированная вода + лептоны 9, 10 мин. обработки, 90В, 4 водопроводная вода, 5 водопроводная вода + магнитнозвуковая обработка, 6 талая вода из Поддубья Лен. обл. 7 водопроводная вода + "Аквалон";
на фиг. 4: 1 дистиллированная вода + плазма (см. фиг. 2, кр. 1) 2 - дистиллированная вода, 3 водопроводная вода, 4 водопроводная вода + магнитозвуковая обработка, 5 водопроводная вода + "Аквалон";
на фиг. 5: 1, 2, 3, 4 водопроводная вода, взятая из бассейна, + магнитозвуковая обработка, 5 водопроводная вода, 6 дистиллированная вода;
на фиг. 6: 1, Х, 3, 4 водопроводная вода из бассейна + магнитозвуковая обработка, 2 дистиллированная вода, 5 водопроводная вода, 6 - водопроводная вода + "Аквалон", 7 вода из р.Вишерка Лен. обл.

Изобретение относится к области средств очистки воды с использованием физико-химических методов, а именно к способу контроля эффективности обработки воды, включающему смешение химических реагентов с водой до и после обработки, регистрацию реакции взаимодействия компонентов, определение характеристик реакции, по которым судят об эффективности обработки, при этом в качестве химического реагента используют систему хинон - гидрохинон, регистрируют обратимую реакцию переноса атома водорода в системе хинон - гидрохинон, растворенной в исследуемом образце воды, определяют кинетическую кривую реакции, по кинетической кривой аналитически определяют константу скорости реакции и константу равновесия, и по ним контролируют эффективность обработки воды. 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ контроля эффективности обработки воды, включающий смешение химических реагентов с водой до и после обработки, регистрацию реакции взаимодействия компонентов, определение характеристик реакции, по которым судят об эффективности обработки, отличающийся тем, что в качестве химического реагента используют систему хинон гидрохинон, регистрируют обратимую реакцию переноса атома водорода в системе хинон гидрохинон, растворенной в исследуемом образце воды, определяют кинетическую кривую реакции, по кинетической кривой аналитически определяют константу скорости реакции и константу равновесия, и по ним контролируют эффективность обработки воды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве системы хинон - гидрохинон используют растворы фенилгидрохинона и парабензохинона в исследуемой жидкости. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве системы хинон - гидрохинон используют растворы фенилгидрохинона и парахлорбензохинона. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве системы хинон - гидрохинон используют растворы фенилгидрохинона и параметилбензохинона. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что компоненты берут в эквимолярном соотношении.