СПОСОБ АКТИВАЦИИ ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК C02F1/46 C02F1/461 

Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водно-солевых растворов, в частности к способам активации воды, и может быть использовано для интенсификации технологических процессов с участием водных растворов широкого спектра химических веществ и соединений, в технологических процессах, связанных с растворением органических и неорганических веществ.

Известны способы активации воды и водно-солевых растворов, заключающиеся в электрообработке постоянным электрическим током в зонах диафрагменного электролизера с применением химически активных электродов. Недостаток этих способов заключается в недостаточно высокой степени активации. Это объясняется тем, что активация обусловлена изменением структуры воды, а наличие в ней примесных ионов, имеющих гидратные оболочки, снижает активность воды и водно-солевых растворов (а.с. 1650603, C 02 P 1/46, 1991).

Наиболее близким к заявленному объекту изобретения является способ активации воды, заключающийся в том, что воду предварительно подвергают дистиллированию и обрабатывают постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой (патент РФ 2067836, C 02 F 1/46, 1996). Отсутствие примесных ионов в этом случае обуславливает более высокую степень активации воды. Вместе с тем, недостаток данного способа заключается в низкой эффективности активации. Это обусловлено тем, что в процессе электрообработки дистиллированной воды не соблюдаются оптимальные соотношения между параметрами электрообработки, позволяющие повысить эффективность активации и тем самым достичь более высокой степени активности воды, поскольку процесс активации воды, приводящий к модификации внутренней структуры воды, находящейся в катодной зоне, является динамическим процессом, в котором одновременно с активацией воды происходит ее дезактивация. Эффективность активации воды и конечная степень ее активности определяется скоростями активации и дезактивации, которые, в свою очередь, определяются параметрами обработки, в том числе видом электрического поля.

Задачей данного изобретения или техническим результатом является повышение эффективности активации и степени активности воды.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе активации воды, заключающемся в обработке предварительно дистиллированной воды электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, электрическое поле согласно изобретению создают с неравномерной напряженностью, величина которого убывает от анода к катоду, линейно или не линейно. Усиление технического результата достигается другим отличительным признаком - дополнительно формируют скачок напряженности электрического поля, локализуя этот скачок в объеме диафрагмы. В преимущественном варианте вектор скачка напряженности электрического поля формируют совпадающим с направлением вектора напряженности электрического поля, создаваемого в анодной и катодной зонах электролизера.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема электролизера, где 1 - анод, 2 - катод, 3 - диафрагма, 4 - анодная зона электролизера, 5 - катодная зона. На фиг. 2 изображено распределение напряженности электрического поля E в зонах электролизера.

Прежде чем изложить описание процессов, происходящих при протекании постоянного электрического тока в зонах диафрагменного электролизера и приводящих, при определенных условиях, к повышению активности воды вследствие модификации ее внутренней структуры в катодной зоне, следует пояснить основные характеристики дистиллированной воды. Согласно современным представлениям в нормальных условиях (T = 20^oC, P = 1 атм) и при отсутствии внешних воздействий вода представляет собой однородную изотропную смесь объемных кластеров, полярных молекул воды и ее амбиполярных радикалов. Объемные кластеры объединяют группы ассоциированных молекул воды, образуемые водородными связями между молекулами воды и имеющими тетраэдрическую структуру. Отдельная, свободная, не охваченная водородными связями молекула воды обладает собственным электрическим дипольным моментом и является полярной. Для молекул воды характерно проявление самопроизвольно происходящих в нормальных условиях процессов диссоциации их на амбиполярные радикалы (автопротолиз) и ассоциации этих радикалов с образованием молекулы воды (автогидролиз). Положительный радикал существует в воде в форме гидратированного протона H₃O⁺ (ион гидроксония), а отрицательный имеет форму OH^- (ион гидроксила).

Степень диссоциации молекул воды весьма мала и составляет значение 1,6•10^-9 при абсолютных концентрациях ионов гидроксония и гидроксила 5,35•10¹³ 1/см³. Существование амбиполярных радикалов воды обусловлено разностью в скоростях диссоциации ее молекул на ионы и рекомбинации их в равновесной динамической реакции 2H₂O ⇄ H₃O⁺+ OH^-, которая определяет константу равновесия этой реакции (константа диссоциации).

В общем случае рекомбинация радикалов воды может происходить не только прямым актом взаимодействия амбиполярных ионов H⁺, OH^-, но и по схеме замещения их в молекуле воды:

Возможность такого механизма рекомбинации, сопровождающейся "эстафетным" перемещением заряда, обусловлена полярным характером молекулы воды, имеющей треугольное строение. При обычных условиях (T = 20^oC, P = 1 атм) в воде преобладает квазикристаллическая структура, подобная структуре тримидида, формируемая водородными связями, вызывающими координирование молекул воды. При изменении внешних условий константа диссоциации и координационное число, характеризующее долю скоординированных молекул воды в общем ее объеме, изменяется. Наличие постоянного дипольного электрического момента у молекул воды, водородных связей между ними и существование амбиполярных ее радикалов предопределяют поведение воды во внешнем статистическом электрическом поле. При наложении электрического поля заданного направления полярные молекулы воды ориентируются так, чтобы их дипольные моменты были параллельны полю. Это обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости воды ε = 80. Водородные связи между молекулами воды, гибкие, непрочные в нормальных условиях, пространственные в масштабах отдельного тетраэдра, направленно упрочняются в направлении поля и ослабляются или рвутся в противоположном направлении. В результате тримидидная структура воды модифицируется. Амбиполярные радикалы воды при наложении внешнего электрического поля начинают мигрировать в противоположных направлениях, параллельных вектору напряженности этого поля. Разнонаправленное перемещение амбиполярных зарядов радикалов воды в электрическом поле, создаваемом помещенными в нее электродами, обуславливает протекание электрического тока в воде, а зарядово-обменные реакции между амбиполярными зарядами радикалов воды и электродами, сопровождающиеся выделением газообразных кислорода и водорода, обеспечивают замыкание цепи полного электрического тока. При этом перенос электрических зарядов в воде происходит не только вследствие простого перемещения в электрическом поле, но и вследствие взаимодействия их как с отдельными молекулами воды, так и с группами ассоциированных молекул (эстафетный и крокетный механизмы переноса зарядов).

Важно выделить еще одну особенность поведения воды в статическом электрическом поле. Это увеличение скорости диссоциации молекул воды на амбиполярные радикалы с ростом напряженности поля при неизменной скорости их рекомбинации. В результате степень диссоциации воды во внешнем электрическом поле и ее электропроводность возрастают. При этом степень диссоциации воды, определяемая внешними условиями, поддерживается в межэлектродном пространстве на достигнутом уровне. Иными словами, убыль заряженных радикалов воды из ее объема за счет разряда на электродах восполняется диссоциацией нейтральных молекул.

Сущность изобретения становится понятной из рассмотрения физики процессов, происходящих при электрообработке дистиллированной воды в зонах 4 и 5 диафрагменного электролизера. Сформируем распределение электрического поля в соответствии с фиг. 2. Амбиполярные радикалы воды под действием электрического поля начинают мигрировать. При этом в катодной зоне 5 за счет убыли положительных протонов и процесса автопротолиза создается избыток отрицательных ионов гидроксила, локализованный в области, примыкающей к плоскости диафрагмы со стороны катода 2. По такой же причине в анодной зоне 4 убыль отрицательных ионов гидроксила на анод 1 создает избыток положительных зарядов у поверхности диафрагмы 3 со стороны анода. Различие в величинах напряженности электрического поля в анодной и катодной зонах обуславливает и различие степеней диссоциации воды в них. В результате в каждой из зон электролизера устанавливается свое зарядовое равновесие, обеспечивающее электрическую нейтральность воды в них и характеризующееся более высокими значениями концентрации положительных зарядов в анодной зоне 4 по сравнению с концентрацией отрицательных зарядов в катодной зоне 5. Наличие скачка напряженности электрического поля в объеме диафрагмы, разделяющей зоны электролизера, и разница в скоростях миграции отрицательных и положительных зарядов в электрическом поле приводит к тому, что последние приобретают повышенную энергию и при выходе из объема диафрагмы 3 в катодную зону 5 вступают во взаимодействие с отрицательными радикалами воды и ее нейтральными молекулами, приводящее к модификации внутренней структуры и активации воды, происходящей в катодной зоне в области, примыкающей к поверхности диафрагмы. Одновременно в электрическом поле этой зоны происходит ее дезактивация.

Скорость активации воды определяется концентрацией положительных зарядов, мигрирующих из анодной зоны, и уровнем их энергии при выходе их объема диафрагмы в катодную зон, а скорость дезактивации - значением напряженности электрического поля в катодной зоне. Поэтому при соблюдении предложенной конфигурации распределения напряженности электрического поля в зонах электролизера скорость активации выше скорости дезактивации. В результате в катодной зоне происходит динамическое накопление активированной воды с модифицированной структурой, которая сохраняется в ней после выделения из объема электролизера в течение некоторого времени, когда эта структура релаксирует к исходной, характеризующей дистиллированную воду.

Данный способ активации обеспечивает повышение эффективности и степени активации воды и увеличивает период ее релаксации, в течение которого вода сохраняет активность, что позволяет использовать ее в технологических процессах с длительными по времени циклами, в частности при культивировании Spirulins Platensis.

Способ предназначен для интенсификации технологических процессов с участием водных растворов широкого спектра химических веществ и соединений. Предварительно дистиллированную воду обрабатывают постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, при этом электрическое поле создают с неравномерной напряженностью, величина которого убывает от анода к катоду, формируют также скачок напряженности поля, локализуя этот скачок в объеме диафрагмы. Данный способ обеспечивает повышение эффективности и степени активации воды и увеличивает период ее релаксации, в течение которого вода сохраняет активность, что позволяет использовать ее в технологических процессах с длительными по времени циклами, в частности при культивировании Spirulins Platensis. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ активации воды, включающий обработку предварительно дистиллированной воды электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, отличающийся тем, что электрическое поле создают с неравномерной напряженностью, величина которой убывает от анода к катоду. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина напряженности электрического поля убывает линейно. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина напряженности электрического поля убывает нелинейно. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительно к электрическому полю, создаваемому в анодной и катодной зонах электролизера, формируют скачок напряженности электрического поля, локализуя этот скачок в объеме диафрагмы. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что вектор скачка напряженности электрического поля формируют совпадающим с направлением вектора напряженности электрического поля, создаваемого в анодной и катодной зонах электролизера.