СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА Российский патент 2007 года по МПК B01F1/00 

Изобретение относится к способам приготовления водных растворов электролитов с применением акустической кавитации в пищевой, химической и фармацевтической промышленности. Преимущественная область применения изобретения - приготовление растворов таких электролитов, как органические и неорганические кислоты, их соли, некоторые основания, а также полиэлектролиты.

В пищевой промышленности изобретение может применяться для приготовления рассолов при производстве рыбо-, мясо- и овощепродуктов, а также консервов из животного и/или растительного сырья. В химической промышленности изобретение может быть использовано для интенсификации жидкофазных реакций в водных растворах электролитов при осуществлении различных технологических процессов. В фармации - для приготовления физиологических растворов и жидких лекарственных средств.

Известен способ приготовления раствора электролита [RU 1729025, 1990], предназначенный для применения в химической, металлургической и пищевой промышленности, в котором растворяемые соли подвергают непрерывной гидродинамической обработке струями готового раствора, вводимыми в зону растворения. В струях раствора из-за наличия градиентов давления может возникать гидродинамическая кавитация, которая, как известно, менее эффективна, чем ультразвуковая (акустическая), возникающая в упругих волнах в жидкости под воздействием переменного звукового давления [1]. Например, по величине возмущений давления, исходящим от кавитационных пузырьков, она может уступать акустической кавитации несколько порядков [2]. Это обстоятельство препятствует достижению сформулированного ниже технического результата при использовании такого способа.

Известен способ приготовления растворов электролитов, предназначенных для получения композиционных покрытий в гальванотехнике [RU 2088689, 1996]. Он включает введение в раствор дисперсной фазы и дальнейшее ее диспергирование воздействием ультразвуковых колебаний. Хотя здесь воздействующим фактором является акустическая кавитация, порождаемая ультразвуком в растворе электролита, но она используется только для диспергирования взвешенной фазы и конкретные требования к уровню интенсивности ультразвука отсутствуют. Это препятствует получению таким способом технического результата изобретения.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ приготовления раствора поваренной соли, используемого в качестве рассола при производстве мясных продуктов. Способ включает обработку раствора в кавитационном реакторе [RU 2245624, 2004]. При использовании этого способа под действием кавитации происходит усиление растворяющей и диссоциирующей способности воды, что позволяет снизить содержание NaCl в растворе. Этот способ принят за прототип. В отношении технического результата изобретения способ обладает тем же недостатком, что и рассмотренные выше, а именно обработку раствора осуществляют в нем с отношением амплитуды давления акустической волны к гидростатическому давлению в реакторе, произвольно выбирая его в пределах от 2 до 23. То есть конкретные требования к уровню интенсивности ультразвука, учитывающие концентрацию раствора, здесь также отсутствуют. Это не позволяет получить технический результат настоящего изобретения при использовании прототипа.

Изобретение направлено на создание способа приготовления водных растворов электролитов под воздействием акустической кавитации, мощность которой не зависит от концентрации электролита в растворе.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, кавитация усиливает диссоциирующее действие на растворенные в воде соединения практически с любыми типами химических связей [3]. Количественный показатель этого эффекта пропорционален выходу отдельно существующих молекул воды в результате разрушения образованной водородными связями кластерной структуры воды энергией кавитации [1]. Эти отдельно существующие полярные молекулы воды эффективно разделяют молекулы электролита на ионы и иммобилизируют последние, делая их комплексными [4]. Известно, что основные физические характеристики водного раствора, определяющие мощность кавитации, от которой зависит выход отдельно существующих молекул Н₂О, - это его плотность и скорость звука в нем, являющиеся функциями содержания электролита в растворе [3]. Поэтому, чтобы эффект не зависел от содержания растворенного электролита, необходима мощность кавитации, как известно, пропорциональна квадрату порождаемого кавитацией возмущения давления [5, 6], которая также не зависит от содержания электролита в растворе. Известно, что максимума среднее по бесконечно большому времени кавитационное возмущение давления в любой жидкости достигает при совпадении коллапса кавитационного пузырька среднестатистического начального размера с концом периода порождающей кавитацию ультразвуковой волны [7]. Это обеспечивается при определенном значении амплитуды звукового давления [5-7], зависящем от параметров жидкости и интенсивности ультразвука. С увеличением амплитуды свыше этого значения среднее по бесконечно большому времени кавитационное возмущение давления практически остается константой [RU 2279918, 2006]. Оно при прочих равных условиях увеличивается с ростом плотности [6] и достигает максимума в насыщенном растворе электролита. Поэтому для достижения цели изобретения необходимо, чтобы при любой концентрации электролита в растворе величина амплитуды давления гармонической волны была не меньшей, чем в растворе с минимальной плотностью. Таким образом, процесс кавитационной обработки растворов электролитов плотнее воды обладает подобием в диапазоне их концентраций. Критерием этого подобия является величина интенсивности ультразвука, отнесенная к квадрату гидростатического давления в реакторе. Экспериментально установлено, что во всем диапазоне концентраций минимальное значение этой величины составляет 6,5 Вт/(см² · атм²).

Техническим результатом изобретения является обеспечение при обработке акустической кавитацией в процессе приготовления водных растворов электролитов кавитационной мощности, которая не зависит от концентрации электролита в растворе.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается за счет того, что в способе приготовления водного раствора электролита, при котором его заданное время при заданном гидростатическом давлении подвергают воздействию ультразвуковой кавитации, отличие состоит в том, что отношение интенсивности возбуждающего кавитацию ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе при этом не меньше 6,5 Вт/(см² · атм²).

Для сравнения заявленного изобретения с прототипом обрабатывались дистиллированная вода комнатной температуры и насыщенный раствор натрия хлорида марки ХЧ в этой воде. В качестве реактора использовался химический стакан. Обработка осуществлялась при атмосферном давлении, поэтому необходимая для выполнения отличительного признака заявленного изобретения интенсивность ультразвука в реакторе составляла 6,5 Вт/см². Чтобы ее обеспечить к используемому магнитострикционному излучателю ультразвука частотой 22 кГц (период ультразвуковой волны 0,045 мс), электрической мощностью 0,2 кВт и с электроакустическим КПД 50% был присоединен круглый в сечении акустический трансформатор с диаметром излучающего торца Для имитации прототипа был выбран нижний предел указанного в его формуле диапазона амплитуд гармонического давления, равный в данном случае 2 атм. Плотность насыщенного раствора NaCl 1200 кг/м³, а скорость звука в нем 1720 м/с. Следовательно, необходимая интенсивность ультразвука [8], пропорциональная квадрату амплитуды гармонического давления и обратно пропорциональная удвоенному произведению плотности раствора на скорость звука в нем, равна Поэтому был использован круглый в сечении акустический трансформатор с диаметром излучающего торца

Контроль осуществлялся по убыли массы образцов из алюминиевой фольги [6], помещаемых на одинаковое время в зону кавитации в плоскости, параллельной направлению распространения ультразвука. Результаты сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Уменьшение массы образца в процессе обработки, %ПрототипЗаявленный способВ дистиллированной воде0,85,5В концентрированном растворе NaCl3,16,3Отношение0,260,87

В использованном методе тестирования на результат, кроме мощности кавитации, влияет усиливаемая кавитацией химическая коррозия. Поэтому при реализации заявленного изобретения убыль массы образцов в воде и насыщенном растворе электролита все же не одинакова. Но по сравнению с прототипом разница существенно отличается в пользу заявленного изобретения.

Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличительным признаком.

При анализе отличительного признака описываемого способа не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к интенсивности ультразвука, с целью получения в растворе электролита независимой от его концентрации кавитационной мощности.

Изобретение осуществляется, например, следующим образом. Используемый в качестве рассола в мясоперерабатывающей промышленности раствор поваренной соли заданной концентрации с определенной скоростью пропускают через кавитационный реактор аппарата типа «СИРИНКС 4000», где поддерживают заданное гидростатическое давление [9]. Концентрация раствора и время обработки, задаваемое посредством скорости пропускания раствора через реактор, установлены Технологической инструкцией [10]. В гидросистеме аппарата, включающей реактор, за счет насоса на входе и регулируемого дросселя на выходе поддерживается гидростатическое давление 2,25 атм. В соответствии с вышеупомянутой Технологической инструкцией аппараты типа «СИРИНКС» адаптируются изготовителем к конкретным обрабатываемым жидкостям по требованию заказчика, оговаривающего в заказе назначение аппарата. Частота источника ультразвука в аппарате 20 кГц, акустическая мощность при излучении в жидкость с давлением 2,25 атм составляет 2000 Вт (ультразвуковой процессор UIP 4000, производство dr. Hielscher GmbH, Германия). При этой мощности источника ультразвука аппарат может работать с акустическим трансформатором диаметром рабочего торца до 125 мм (площадь 123 см²). Соответствующая интенсивность ультразвука составляет 2000:123=16,3 Вт/см². Для получения удовлетворяющей отличительному признаку изобретения интенсивности 6,5·2,25²=32,9 Вт/см² следует выбрать площадь излучения, равной 60 см², то есть диаметр излучающего торца волновода 87 мм.

Для сравнения проведена обработка 0,1 нормального и 0,01 нормального растворов натрия хлорида при +20°С в аппарате с площадью излучения 123 и 60 см². Каждая проба до и через 5 с после обработки подвергалась измерению электропроводности. Полученное аналогично [11] увеличение удельной проводимости, отнесенное к количеству недиссоциируемого в нормальных термодинамических условиях электролита, приведено в таблице 2.

Таблица 2.

Площадь излучения, см² Концентрация NaCl, г-экв.123600,010,40,90,10,80,9

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность. ч.1 // Хранение и переработка сельхозсырья, №7, 2004. - с.24-28, №10, 2004. - с.24-28.

2. Шестаков С.Д. Математическая модель гидродинамической кавитации // Сборник трудов XVI сессии Российского Акустического Общества. - М.: ГЕОС, Том 2, 2005, с.71-73.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956.

4. Шестаков С.Д. Энергетическое состояние воды и ее связываемость биополимерами пищевого сырья: Новые возможности // Хранение и переработка сельхозсырья, 4, 2003. - с.35-37.

5. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля // под ред. Л.Д.Розенберга, - М: Наука, 1968. - 265 с.

6. Knapp R., Daily J., Hammitt F. Cavitation. - New York: McGraw Book Company, 1970.

7. Шестаков С.Д. О распределении плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны // Сборник трудов XVI сессии Российского Акустического Общества. - М.: ГЕОС, Том 1, 2005, с.116-121.

8. Горелик Г.С.Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959. - 572 с.

9. Аппарат «Сиринкс 4000» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред, СИТБ.443146.002ТУ, 2002.

10. Технологическая инструкция по кавитационной дезинтеграции воды и рассолов на аппаратах «Сиринкс» и их использованию в производстве вареных колбасных изделий. - ГНУ ВНИИМП им. В.М.Горбатова, 2006.

11. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность, ч.2 // Хранение и переработка сельхозсырья, 10 2004. - с.9-13.

Изобретение относится к приготовлению водных растворов электролитов для пищевой, химической и фармацевтической промышленности и может применяться для приготовлении рассолов при производстве рыбо-, мясо- и овощепродуктов, а также консервов из животного и/или растительного сырья, для интенсификации жидкофазных реакций в водных растворах электролитов при осуществлении различных технологических процессов, для приготовления физиологических растворов и жидких лекарственных средств. Преимущественная область применения - водные растворы органических и неорганических кислот, их солей, некоторых оснований, а также полиэлектролитов. На водный раствор электролита воздействуют ультразвуковой кавитацией при заданном гидростатическом давлении в течение заданного времени. Отношение интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления должно быть не меньше 6,5 (ватт/см в квадрате · атм в квадрате). Изобретение позволяет установить интенсивность ультразвука такой, чтобы величина периодических кавитационных возмущений давления практически оставалась константой во всем диапазоне физических параметров обрабатываемых растворов независимо от концентрации в них электролитов. 2 табл.

Способ приготовления водного раствора электролита, при котором его заданное время при заданном гидростатическом давлении подвергают воздействию ультразвуковой кавитации, отличающийся тем, что отношение интенсивности возбуждающего кавитацию ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе при этом не меньше 6,5 Вт/(см² · атм²).