СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/46 C02F1/48 

Изобретения относятся к средствам обработки водосодержащих сред электрохимическим способом и с использованием облучения и могут применяться для получения биологически активной воды, приготовления специальных растворов и т. п.

Известны способ и устройство для обработки воды, описанные в патенте РФ 2088536 "Устройство для обеззараживания воды" по кл. C 02 F 1/30, з. 18.01.96, on. 27.08.97.

Известный способ заключается в том, что в емкость подают под напором снизу вверх поток воды для обработки, а встречно сверху вниз облучают этот поток мощными наносекундными однополярными электромагнитными импульсами мощностью 1 МВт в течение 2-4 минут, затем обработанную воду выводят из емкости.

Известное устройство содержит вертикальную камеру с патрубком подвода воды в ее нижней части, патрубком отвода воды в верхней части камеры и сливным патрубком с вентилем в дне камеры, расположенный внутри камеры закрепленный в ее крышке облучатель, представляющий собой антенну и соединенный с установленным вне камеры генератором мощных наносекундных однополярных импульсов.

Недостатком известных средств является отсутствие возможности получения воды с различными свойствами.

Известен способ электроимпульсной обработки воды, описанный в статье авторов Нагеля Ю. А., Заркова О. А. и др. "Электроимпульсное обеззараживание сточных вод" в журнале "Водоснабжение и санитарная техника", 1997 г., 6, стр. 26-27.

Известный способ заключается в том, что в емкость помещают электроды, заполняют ее водой, накапливают электроэнергию и разряжают накопленный высоковольтный заряд через электроды в обрабатываемой воде.

Возникающий в воде разряд в виде импульса тока длительностью ≤ 10 мкс генерирует ударную волну с начальной амплитудой до 10⁴-10⁵ Кбар, разрушающую клетки микроорганизмов (бактерий, вирусов) и обеспечивающую обеззараживание воды.

Разряд может использоваться однократно или многократно.

Конструктивно данный способ может быть реализован в виде устройства для электроимпульсной обработки воды, описанного в а.с. СССР 1778079 "Устройство для обеззараживания воды электрическими разрядами" по кл. C 02 F 1/48, C 05 D 27/00, з. 27.02.91. oп. 30.11.1992г.

Известное устройство содержит емкостный накопитель заряда, коммутатор, камеру обработки воды из изоляционного материала, имеющую n-разрядные промежутки, соединенные последовательно и включенные между электродом коммутатора и заземленным полюсом емкостного накопителя, n-1 конденсаторов, подключенных между точками n-1 разрядных промежутков, начиная от коммутатора, и заземленным полюсом емкостного накопителя, при этом
Со>>С₁+С₂''+Сn-1,
где Со - емкостный накопитель,
С₁...Cn-1 - дополнительно введенные конденсаторы.

Недостаток известных средств следующий.

Однократное воздействие импульсным разрядом на выделенный объем воды рационально с точки зрения достижения низкой удельной энергоемкости, высокой производительности, приемлемого ресурса работы используемых электротехнических элементов, однако затруднительно из-за высокого уровня импульсных механических нагрузок на электроды и стенки камеры.

Режим многократного воздействия (частотно-импульсный режим), при котором необходимая для обработки данного объема воды энергия вводится порциями, практически реализовать сложнее, т. к. он приводит к повышению эксплуатационных нагрузок на емкостный накопитель, имеющий ограниченный ресурс по числу циклов "заряд-разряд" и увеличению удельной энергоемкости обеззараживания до 3-4 Дж/см (~0,8-1,1 кВт•ч/м³).

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ электрохимической обработки воды и устройство для его осуществления, описанные в п. РФ 2042639 "Устройство для электрохимической обработки воды", по кл. C 02 F 1/46, з. 03.04.92, oп. 27.08.95 и выбранные в качестве прототипов.

Известный способ заключается в том, что в емкости размещают электроды в виде разнесенных между собой анода и катода, пространство между которыми разделяют пористой керамической ультрафильтрационной диафрагмой, пропускают через электроды постоянный ток и затем выводят обработанную воду отдельно из пространства между анодом и диафрагмой и пространства между катодом и диафрагмой.

Известное устройство содержит проточную камеру, в которой установлены коаксиально вертикальные цилиндрический анод и стержневой катод переменного сечения, разделенные пористой ультрафильтрационной диафрагмой, закрепленные во втулках; при этом втулки и цилиндрический анод содержат каналы для подвода и отвода воды; имеются также регуляторы подачи и отвода воды и источник постоянного тока.

Известные средства позволяют при обработке воды получить так называемую активированную воду, т. е. воду с особыми каталитическими свойствами, причем с разделением на обработанную возле анода ("анолит") и около катода ("католит"). Удивительные свойства этой активированной воды в последнее время часто описываются в популярной литературе (см., например, "Изобретатель и рационализатор", 1998 г., 9, стр.7-8; Прилуцкий В.И., Бахир В.М. "Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия". - М., ВНИИМТ, 1997 г.) и подтверждаются на практике.

Однако эффективность активации воды известными средствами не вполне удовлетворительна и, как следствие, свойства образующихся "анолита" и католита" неустойчивы во времени.

Это объясняется следующим. В процессе электрохимической обработки воды происходит ее электролиз, характеризующийся разрывом связей в молекуле H₂О с образованием ионов Н⁺ и ОН^-; на этом диссоциация воды не прерывается и ион ОН^-, в свою очередь, диссоциирует с образованием свободного радикала ОН и гидратированного электрона (е_aq,), обусловливающего приобретение водой особых свойств. При электрохимической активации гидратированные электроны находятся вблизи свободных радикалов ОН и могут вновь соединяться с ними (см. статью А. И. Клосса "Электрон-радикальная диссоциация и механизм активации воды" в журнале "Физическая химия" ДАН СССР 1988 г., 6, стр. 1403-1406).

Целью заявляемых изобретений является повышение эффективности активации для обеспечения большей устойчивости свойств активированной водосодержащей среды.

Поставленная цель достигается тем, что:
- в способе электрохимической обработки водосодержащей среды, заключающемся в том, что в емкости размещают электроды в виде разнесенных между собой анода и катода, разделяют межэлектродное пространство пористой диафрагмой, подают водосодержащую среду в межэлектродное пространство, пропускают через электроды постоянный ток и затем выводят обработанную водосодержащую среду отдельно из пространства между анодом и диафрагмой и из пространства между катодом и диафрагмой, согласно изобретению при пропускании через электроды постоянного тока водосодержащую среду в пространстве между анодом и катодом облучают однополярными электромагнитными импульсами длительностью менее 1 нс и мощностью более 100 кВт, причем в начале, в течение и в конце процесса обработки определяют рН водосодержащей среды, ее электропроводность и диэлектрическую проницаемость для определения времени окончания процесса обработки.

При этом для обработки могут использовать дистиллированную воду.

- в устройстве для электрохимической обработки водосодержащей среды, содержащем камеру с каналами для подвода и отвода водосодержащей среды, в которой установлены электроды в виде разнесенных между собой анода и катода и соединенных с источником постоянного тока, и пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство, согласно изобретению между анодом и катодом размещен излучатель мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов.

При этом излучатель может быть выполнен в виде рупорной антенны, соединенной с генератором мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов.

Облучение обрабатываемой электролизом водосодержащей среды в пространстве между анодом и диафрагмой мощными наносекундными однополярными электромагнитными импульсами посредством размещенного там излучателя обеспечивает в дополнение к электрохимической активации среды, осуществляемой пропусканием через нее электрического тока (электролизом), ее дополнительную активацию радиолизом - процессами, происходящими в водосодержащей среде под действием электромагнитного излучения.

В итоге в обрабатываемой среде, где образуются химические вещества, содержащие кислород и водород (Н⁺, ОН^-, Н₂, Н₂О₂), резко увеличивается концентрация гидратированных электронов, обладающих значительным окислительно-восстановительным потенциалом (примерно - 2,77В) и повышающих реакционную способность аквакомплекса, каковым является обрабатываемая водосодержащая среда.

Известно, что вода имеет кластерную структуру, т. е. содержит упорядоченные удлиненные группы молекул. Резкое увеличение в результате воздействия радиолиза количества гидратированных электронов увеличивает энергию межмолекулярного взаимодействия и приводит к образованию взамен удлиненных цепочек групп молекул при электролизе (имеющих большие межмолекулярные пустоты и потому склонных легко распадаться), к образованию объемных кластеров с уменьшенными межмолекулярными пустотами, имеющих большее время жизни и обеспечивающих большую устойчивость свойств активированной воды во времени.

Активация в процессе обработки водосодержащей среды заключается в изменении ее физико-химических свойств, которые можно контролировать через ряд параметров обрабатываемой водосодержащей среды, поэтому контроль в течение процесса таких параметров водосодержащей среды, как ее рН, электропроводность и диэлектрическая проницаемость, дает возможность уточнить время окончания процесса обработки с гарантией получения стабильных заданных свойств.

В сравнении с прототипом:
- способ электрохимической обработки водосодержащей среды обладает новизной, отличаясь от него наличием такого существенного признака, как облучение воды в пространстве между анодом и катодом мощными наносекундными однополярными электромагнитными импульсами в процессе пропускания постоянного тока через электроды, и контролем в процессе обработки таких параметров обрабатываемой среды как рН, электропроводность и диэлектрическая проницаемость, обеспечивающих получение заданного результата;
- устройство для электрохимической обработки водосодержащей среды обладает новизной, отличаясь от него наличием излучателя мощных наносекундных однополярных импульсов в пространстве между анодом и катодом, обеспечивающим получение заданного результата.

Хотя электролиз воды и радиолиз сами по себе известны (см. соответственно Алабышев А. Ф. и др. "Прикладная электрохимия", изд. 3-е, "Химия", 1974 г. , стр. 297-315, ряд упомянутых выше статей, многочисленные патенты Бахира В. М., и Пикаев А. К. и др. "Импульсный радиолиз и его применение", М. , "Атомиздат" 1980 г.), однако их совместное использование в совокупности с применением в качестве средства активации именно мощных, очень коротких (наносекундных) однополярных электромагнитных импульсов, хотя и также известных из уровня техники (см., например, Крымский В.В. и др. "Теория несинусоидальных электромагнитных волн", Челябинск, ЧГТУ, 1995 г.) и именно в пространстве между анодом и катодом, а также контролем в процессе обработки ряда химико-физических параметров обрабатываемой среды, обеспечивающим возможность управления процессом, в технике не известно и не очевидно, как и их влияние на указанный технический результат. Поэтому заявитель считает, что заявляемые технические решения соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Заявляемые технические решения могут найти широкое применение для получения биологически активной воды, приготовления специальных растворов (суспензий, эмульсий) и потому соответствуют критерию "промышленная применимость".

Заявляемые технические решения иллюстрируются чертежом, где схематично показано возможное выполнение устройства для электрохимической обработки водосодержащей среды.

Заявляемый способ электрохимической обработки водосодержащей среды заключается в следующем.

В емкости размещают на некотором расстоянии друг от друга анод и катод, между которыми располагают пористую диафрагму. Подают воду в межэлектродное пространство, пропускают через электроды постоянный ток и облучают воду в пространстве между анодом и катодом однополярными электромагнитными импульсами длительностью менее 1 нс и мощностью более 100 кВт. В начале, в течение и в конце процесса обработки контролируют такие параметры обрабатываемой среды, как рН, электропроводность и диэлектрическую проницаемость для определения времени окончания обработки.

При этом в качестве обрабатываемой среды могут применять дистиллированную воду.

Устройство для электрохимической обработки водосодержащей среды (см. чертеж) содержит камеру 1 с каналом 2 подвода среды и каналами 3' и 3'' для отвода среды, в которой установлены на некотором расстоянии друг от друга анод 4 и катод 5, соединенные с источником 6 постоянного тока. Между ними установлена пористая диафрагма 7, а в межэлектродном пространстве, в частности между диафрагмой 7 и катодом 5, размещен излучатель 8 мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов.

Конструктивно камера 1 выполнена из изоляционного материала, электроды 4, 5, диафрагма 7 и излучатель 8 закреплены в крышке 9 камеры. При этом излучатель 8 представляет собой, например, рупорную антенну, соединенную с генератором 10 мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов, размещенным вне камеры 1 и соединенным с антенной посредством кабеля 11 (возможное выполнение генератора 9 описано в п. РФ 2004064 по кл. Н 03 К 3/33, з. 05.06.91, on. 30.11.93. "Формирователь наносекундных импульсов"). Пористая диафрагма 7 может быть выполнена, в частности, из брезента или бельтинга. Каналы 2, 3 представляют собой патрубки.

Аппаратура для контроля параметров в процессе обработки непосредственно в устройство не входит. Это могут быть типовые приборы типа измерительного моста Р-5010 для измерения электропроводности и диэлектрической проницаемости и рН-метр типа Р-673 для измерения рН (на чертеже показаны общим блоком 12).

Электрохимическая обработка водосодержащей среды с помощью заявляемых средств осуществляется следующим образом.

В камеру 1 устройства подают водосодержащую среду, например воду, через канал 2 и начинают пропускать через электроды 4 и 5 постоянный ток от источника 6. В межэлектродном пространстве начинается электролиз воды. Под действием тока на катоде 5 и аноде 4 происходят соответственно следующие химические реакции:
2Н₂О+2е --> Н₂+2OН^- (катод)
2OН^--2е --> Н₂О+1/2О₂ (анод),
где е - электрон.

Возможна также дальнейшая диссоциация ионов ОН^- с образованием гидратированных электронов е_aq и свободных радикалов ОН:
ОН^- --> е_aq+ОН.

Таким образом, в пространстве между катодом 5 и диафрагмой 7 находятся водород (Н₂)- и группы ОН^-, а в пространстве между диафрагмой 7 и анодом 4 - кислород.

Воду в пространстве между анодом 4 и катодом 5 начинают облучать с помощью излучателя 8 однополярными электромагнитными импульсами длительностью менее 1 нс и мощностью более 100 кВт. Под воздействием облучения начинает происходить радиолиз воды, описываемый формулой:
(а+b+2d)Н₂О = ае_aq+bН+сОН+dН₂+kН₂O₂,
где а, b, с, d, k - некоторые коэффициенты, причем
а~с, b~2(k-d);
е_aq - гидратированный электрон.

Таким образом, видно, что в пространстве анод-диафрагма образуются сильные окислители, такие как кислород (O₂), перекись водорода (Н₂О₂) и гидратированные электроны, которые образуют объемные кластеры, обладающие каждый значительным окислительно-восстановительным потенциалом (- 2,77 В). Следует отметить, что по своей химической активности гидратированный электрон располагается между кальцием и натрием и является очень активным химическим реагентом. В процессе обработки (в начале, в середине процесса и в его конце) с помощью аппаратуры 12 контролируют рН воды, ее электропроводность и диэлектрическую проницаемость, которые изменяются соответственно в зависимости от обрабатываемой среды.

Например, характеристики дистиллированной воды до обработки были следующие: рН 6,2; удельное сопротивление - 2520 Ом•м; диэлектрическая проницаемость - 58,5.

После пропускания через электроды постоянного тока были замерены следующие параметры: рН 6,8; удельное сопротивление - 1500 Ом м; диэлектрическая проницаемость - 53,2.

После пропускания через электроды постоянного тока и облучения межэлектродного пространства мощными наносекундными однополярными импульсами параметры изменились следующим образом: рН 7,0; удельное сопротивление - 800 Ом•м; диэлектрическая проницаемость - 65,8.

Проверка изменения рН дистиллированной воды в течение 20 суток после обработки показала, что в воде, обработанной постоянным током, рН католита сохраняет свое значение 6-8 суток, а дальше плавно уменьшается до рН исходной воды.

После обработки дистиллированной воды постоянным током и электромагнитными импульсами рН католита возрастает на 0,1 за первые 6-8 суток, далее уменьшается на 0,2 в течение 18-20 суток.

Таким образом, появление в обрабатываемой заявляемым способом водосодержащей среде значительного количества вгидратированных электронов приводит к образованию большего количества объемных кластеров, имеющих более устойчивую структуру, чем вытянутые в виде цепочек кластеры, а следовательно, и более устойчивую структуру анолитов и католитов и, как следствие, более устойчивые во времени свойства активированной воды в сравнении с прототипом.

Изобретение относится к средствам обработки водосодержащих сред электрохимическим способом с использованием облучения и может применяться для получения биологически активной воды, приготовления специальных растворов и т. п. В камере с каналом для подвода водосодержащей среды, например воды, и каналом для ее отвода размещают на некотором расстоянии друг от друга анод и катод, соединенные с источником постоянного тока, между которыми располагают пористую диафрагму. В межэлектродном пространстве размещают излучатель мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов, в частности, в виде рупорной антенны, соединенной с генератором этих импульсов. Воду подают в камеру через канал и начинают пропускать через электроды постоянный ток от источника. Одновременно воду в межэлектродном пространстве облучают с помощью излучателя однополярными электромагнитными импульсами длительностью менее 1 нс и мощностью более 100 кВт. В процессе обработки - в начале, середине и конце контролируют такие параметры воды, как ее рН, электропроводность и диэлектрическую проницаемость. Технический результат - повышение эффективности активации для обеспечения большей устойчивости свойств активизированной водосодержащей среды. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ электрохимической обработки водосодержащих сред, заключающийся в том, что в емкости размещают электроды в виде разнесенных между собой анода и катода, разделяют межэлектродное пространство пористой диафрагмой, подают воду в межэлектродное пространство и пропускают через электроды постоянный ток, затем выводят обработанную водосодержащую среду отдельно из пространства между анодом и диафрагмой и из пространства между катодом и диафрагмой, отличающийся тем, что при пропускании через электроды постоянного тока водосодержащую среду в пространстве между анодом и катодом облучают однополярными электромагнитными импульсами длительностью менее 1 нс и мощностью более 100 кВт, причем в начале, в течение и в конце процесса обработки контролируют такие параметры водосодержащей среды, как ее рН, электропроводность и диэлектрическую проницаемость для определения времени окончания обработки. 2. Способ электрохимической обработки водосодержащих сред по п. 1, отличающийся тем, что в качестве обрабатываемой среды используют дистиллированную воду. 3. Устройство для электрохимической обработки водосодержащих сред, содержащее камеру с каналами для подвода и отвода водосодержащей среды, в которой установлены электроды в виде разнесенных между собой анода и катода и соединенных с источником постоянного тока, и пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство, отличающееся тем, что между анодом и катодом размещен излучатель мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов. 4. Устройство для электрохимической обработки водосодержащих сред по п. 3, отличающееся тем, что излучатель выполнен в виде рупорной антенны, соединенной с генератором мощных наносекундных однополярных электромагнитных импульсов.