СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНОЛИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к прикладной электрохимии и может быть использовано для приготовления жидкого оксиданта (анолита), который может использоваться для дезинфекции в медицине, сельском хозяйстве, в пищевой промышленности, санитарии, а также для повышения эффективности различных технологий в строительстве, в металлургии и многих других областях человеческой деятельности.

Известен электрохимический способ получения жидкого анолита из воды, заключающийся в пропускании электрического тока между двумя электродами, установленными на некотором расстоянии друг от друга в обрабатываемой воде. В промежутке между электродами устанавливают нейтральную (неактивную) мембрану, которая делит межэлектродный промежуток на анодную и катодную камеры. При пропускании электрического тока через электролит катионы и анионы, концентрированные у прикатодного или прианодного слоя, мигрируют в объем раствора за счет диффузии, конвекции и транспорта ионов в электрическом поле, участвующих в переносе тока. Разделительная нейтральная диафрагма позволяет разделить продукты катодной и анодной реакций и повысить кислотные свойства у анолита и щелочные свойства у католита [1].

Недостатком такого способа получения анолита является низкая эффективность обработки воды, обусловленная незначительным изменением водородного показателя рН, величина которого при такой обработке обычно лежит в диапазоне 6≤рН<7, а окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала) Eh - в пределах +(600÷950) мВ.

Известен бытовой диафрагменный электролизер [1] для получения католита («живой» воды) и анолита («мертвой» воды), содержащий водонепроницаемый корпус-сосуд (стеклянную банку), прямоугольные анодный и катодный электроды, выполненные из нержавеющей стали (относящейся к неблагородному проводящему материалу) и закрепленные на диэлектрической крышке корпуса-сосуда, выпрямительный полупроводниковый диод, закрепленный на диэлектрической крышке и подключенный катодом к анодному электроду, водонепроницаемый брезентовый мешочек, помещенный в корпус-сосуд, в который, в свою очередь, помещается анодный электрод, и двухпроводной шнур питания, первый конец первого провода которого соединен с анодом диода, первый конец второго провода подключен к катодному электроду, и вторые концы которого оканчиваются вилкой, включаемой в сеть переменного напряжения 220 В.

Недостатком такого устройства для получения анолита является низкая эффективность обработки воды, обусловленная незначительным изменением водородного показателя рН, величина которого при такой обработке обычно лежит в диапазоне 6≤рН<7, а окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала) Eh - в пределах +(600÷950) мВ.

Наиболее близким к заявляемому способу является электрохимический способ получения анолита [2, с.46-48].

Способ-прототип получения жидкого анолита из воды, заключается в пропускании электрического тока между двумя электродами, установленными на некотором расстоянии друг от друга в обрабатываемой воде. В промежутке между электродами устанавливают ионообменные (катионообменные и анионообменные) мембраны, которые делят межэлектродный промежуток на анодную среднюю и катодную камеры, причем в среднюю камеру заливают раствор электролита, например раствор хлорида кальция.

Способ-прототип позволяет существенно повысить кислотные свойства анолита и достичь значения водородного показателя рН, близкого к 2.

Недостатком способа-прототипа является необходимость использования дополнительных разделительных ионообменных мембран, дополнительных химических реагентов, в частности водно-солевых растворов, что усложняет процесс получения анолита.

Кроме того, не всю воду, обрабатываемую способом-прототипом можно затратить на получения анолита, так как часть обрабатываемой воды затрачивается на получения католита, что снижает эффективность переработки водопроводной воды в анолит.

Известен также сдвоенный (трехкамерный) электролизер проточного типа [2, с.46-48], который содержит источник низкого напряжения, узел для электрохимической обработки воды и систему подвода обрабатываемой воды в узел для электрохимической обработки воды, причем узел для электрохимической обработки воды содержит графитовый анод, катод из нержавеющей стали, катодную и анодную камеры, среднюю камеру, заполненную электролитом, разделительные мембраны, защитные мембраны, токоподвод, ввод водно-солевого раствора и вывод активированного раствора в резервуары сбора анолита и католита.

Использование трехкамерного электролизера с ионообменными мембранами дает дополнительные возможности для регулирования физико-химических свойств обработанных растворов. При этом появляется возможность изменять длину средней камеры, устанавливая межмембранное расстояние на порядок меньше линейных размеров анодной и катодной камер. Благодаря такому расположению мембран в электролизере происходят процессы, которые характерны при применении биполярных мембран, играющих роль «генераторов» водородных и гидроксильных групп. При использовании в трехкамерном электролизере мембран концентрация электролита в объеме «катионит-анионит» уменьшается за счет миграции катионов и анионов из пространства между мембранами, что приводит к увеличению электрического сопротивления объема средней камеры. В таких условиях дальнейшее прохождение тока обеспечивается в основном переносом водородных и гидроксильных ионов, образующихся при диссоциации воды. При этом в средней камере (в меньшей степени в других камерах) происходят изменения структуры, рвутся водородные связи, разрушаются ассоциаты молекул, увеличивается количество более активных мономолекул.

Недостатками устройства-прототипа является необходимость использования дополнительных разделительных ионообменных мембран, дополнительных химических реагентов, в частности, водно-солевых растворов, что усложняет конструкцию устройства.

Кроме того, устройство-прототип не позволяет получить из обрабатываемой воды только анолит, так как часть воды преобразуется в католит, что снижает эффективность переработки воды в анолит.

Целью заявляемого способа и устройства является упрощение способа и устройства для получения анолита и повышение их эффективности.

На чертеже представлена схема устройства для получения анолита, реализующего заявляемый способ.

Устройство для получения анолита (см. чертеж) включает в себя узел электрохимической обработки воды 1, систему подвода обрабатываемой воды 2 в электрохимический узел и резервуар для сбора анолита 3. В устройство дополнительно введен источник регулируемого высокого напряжения 4, причем узел электрохимической обработки воды выполнен в виде конической воронки 5 из инертного материала - полистирола. Воронка расположена вертикально таким образом, что большее основание конической воронки обращено вверх, а меньшее основание конической воронки обращено вниз. Верхнее основание конической воронки заглушено крышкой 6 в виде диска, которая выполнена из электропроводного материала. К центральной части верхней крышки конической воронки прикреплен игольчатый электрод 7, проходящий внутрь воронки по центральной оси симметрии воронки. Нижнее основание конической воронки также закрыто крышкой 8, выполненной из инертного органического материала - полистирола.

В нижней крышке по центру выполнено сквозное отверстие, в которое выходит заостренный конец игольчатого электрода 7. В боковую часть конической воронки 5 герметично вмонтирован патрубок 9, служащий для подвода воды в воронку. К патрубку подсоединена система подвода обрабатываемой воды 2. Внешнюю образующую сторону цилиндрического стакана нижней крышки 8 охватывает кольцевой электрод 10, контактирующий с ее внешней поверхностью. Высоковольтный положительный выход источника регулируемого высокого напряжения 4 подсоединен к верхней крышке 6 конической воронки 5, а отрицательный выход источника регулируемого высокого напряжения 4 подключен к кольцевому электроду 10 и заземлен. Резервуар для сбора анолита 3 расположен под нижним основанием конической воронки. Позицией 11 обозначены струи обработанной воды. Позицией 12 обозначена зона скользящего разряда.

Суть изобретения заключается в следующем.

Обрабатываемая вода поступает из системы подачи воды 2 через патрубок 9 в воронку 5. При подаче положительного потенциала от высоковольтного источника постоянного напряжения 4 на игольчатый электрод 7 физические процессы, протекающие в струе воды, будут происходить следующим образом.

Поскольку вода является полярной жидкостью, то, подходя к высоковольтному электроду, молекулы воды поляризуются и превращаются в диполи.

Отрицательно заряженный ион гидроксильной группы ОН^- отдает электрон в положительно заряженный игольчатый электрод 7 (анод), превращаясь в нейтральные гидроксильные группы, которые, соединяясь между собой, образуют молекулы воды и атомы кислорода. Атомы кислорода, соединяясь между собой, образуют молекулу кислорода О₂ и выделяются в окружающую среду. В воде, прошедшей обработку при положительном потенциале на электроде, возникает избыточное содержание положительно заряженных ионов Н⁺. Обработанная вода вытекает через отверстие, выполненное в нижней крышке 8. Воздушный зазор, образованный между поверхностью игольчатого электрода 7, на выходе его в отверстие нижней крышки 8 и образующей поверхностью упомянутого отверстия в крышке 8, выполняет роль сопла, формирующего вытекающую из воронки воду в струю 11. Вытекающая из воронки 5 в резервуар 3 для сбора обработанной жидкости вода приобретает кислотный характер (анолит). Для того, чтобы существенно повысить кислотные свойства анолита, на выходе струи создают ионизированную газовую среду.

Для создания такой среды положительный потенциал на выходе источника регулируемого высокого напряжения 4 постепенно увеличивают до тех пор, пока не возникнет разряд между игольчатым электродом 7 и заземленным кольцеобразным электродом 10.

Этот разряд развивается по следующему пути: игольчатый электрод 7, зазор, образованный между поверхностью игольчатого электрода 7 на выходе его в отверстие нижней крышки 8 и образующей поверхностью упомянутого отверстия в крышке 8, поверхность нижней крышки 8, заземленный кольцевой электрод 10. В прианодной зоне на выходе струи воды 11 из воронки 5 возникает ионизированная газовая среда, частично образованная из продуктов, выделяющихся при возникновении скользящего разряда (позиция 12) с поверхности диэлектрического материала нижней крышки 8. Эта ионизированная среда состоит из положительно заряженных ионов различных химических элементов. В частности, если нижняя крышка 8 выполнена из органического вещества - полистирола, то большую часть положительных ионов в ионизированной прианодной части будут составлять положительно заряженные ионы углерода С⁺⁺ и водорода Н⁺. Кроме того, при зажигании разряда возникают дополнительные факторы (температура, давление и т.д), способствующие ослаблению связей между атомами водорода и атомами кислорода в молекулах воды. Это приводит к более интенсивному дроблению молекул воды на положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы. Отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы, отдавая в анод избыточные электроны, соединяются между собой в молекулы воды с выделением кислорода.

Выделенный кислород, являясь мощным окислителем, вступает в реакции с положительными ионами различных химических элементов, выделившимися с поверхности диэлектрика нижней крышки 8, в частности с положительно заряженными ионами углерода, образуя кислотные окислы угольной и других кислот. Все эти процессы значительно повышают кислотные свойства анолита, а также повышают эффективность процесса, так как при таком способе вся обрабатываемая вода преобразуется в анолит.

Пример конкретного выполнения. Для реализации заявляемого способа и устройства была собрана установка, изображенная на чертеже. Установка представляла собой коническую воронку 5, выполненную из полистирола, толщина которого была равна 2 мм. Внешний диаметр верхнего основания воронки был равен 80 мм, а внешний диаметр нижнего основания был равен 25 мм. Воронке, в нижней ее части, была придана форма цилиндрической трубки с внешним диаметром, соответствующим диаметру нижнего основания конической воронки и равным 25 мм. На внешней поверхности цилиндрической трубки была выполнена резьба М 24. Высота конической воронки совместно с высотой цилиндрической трубки составляла 140 мм. Верхнее основание конической воронки было закрыто крышкой 6, представляющей собой металлический круглый диск, толщина которого была равна 5 мм. Диаметр диска был равен 90 мм. Диск был выполнен из стального листа. К центральной части верхней крышки был прикреплен (приварен) игольчатый электрод 7. Игольчатый электрод 7 был выполнен из стальной проволоки диаметром 2 мм и длиной 145 мм. Нижний конец игольчатого электрода 7 был заострен в виде конической иглы. Электрод проходил по центральной оси симметрии конической воронки. Нижняя крышка 8 была выполнена в виде цилиндрического стакана из полистирола, на внутренней стороне которого была нарезана резьба М 24, а по центру дна стакана было выполнено отверстие диаметром 4 мм. Нижняя крышка 8 была прикручена по резьбе к нижней цилиндрической части конической воронки 5. Внешнюю образующую сторону цилиндрического стакана нижней крышки 8 воронки охватывал кольцевой электрод 10, выполненный из медной проволоки диаметром 2 мм. Кольцевой электрод 10 был подсоединен к отрицательному полюсу источника регулируемого высокого напряжения 4 и заземлен. На игольчатый электрод 7 через верхнюю крышку 6 воронки был подан положительный потенциал от источника регулируемого высокого напряжения 4. В качестве источника регулируемого высокого напряжения 4 была использована универсальная пробивная установка марки УПУ-1. Заостренный конец игольчатого электрода выходил из отверстия, просверленного в нижней крышке 8 на 5 мм. Кольцеобразный зазор, образованный между поверхностью игольчатого электрода 7 и образующей поверхностью отверстия в нижней крышке 8, через которое выходил заостренный конец игольчатого электрода 7, был равен 1 мм. Обрабатываемая вода через патрубок 9, расположенный в боковой стенке воронки 5, поступала от системы подвода обрабатываемой воды 2 внутрь воронки 5. Система подвода обрабатываемой воды 2 представляла собой обычный водопровод с краном, при помощи которого можно было регулировать скорость подачи воды в воронку. Поступившая в воронку вода проходила вдоль поверхности игольчатого электрода и вытекала через кольцеобразный зазор, образованный между поверхностью игольчатого электрода 7 и образующей поверхностью отверстия в нижней крышке 8, через которое выходил заостренный конец игольчатого электрода 7. Обработанная вода собиралась в резервуар 3, установленный под воронкой. Резервуар 3 представлял собой стеклянный стакан диаметром 80 мм и высотой 100 мм. Обработка воды осуществлялась следующим образом. При вытекании воды из воронки 5 начинали плавно увеличивать напряжение на выходе источника регулируемого высокого напряжения 4. Увеличение напряжения осуществляли до тех пор, пока не зажигался разряд между электродами 7 и 10. В рассматриваемом случае такой разряд зажигался при напряжении 9,5 кВ. Зажегшийся разряд поддерживали в течение всего времени обработки воды. После чего перекрывали воду, поступавшую в коническую воронку 5, и отключали высокое напряжение, поступающее на электроды 7 и 10 от источника регулируемого высокого напряжения 4. Водородный показатель рН полученного анолита был равен 1,5, а редокс потенциал Eh был равен +1100 мВ.

Водопроводная вода того же состава, что и используемая в заявляемом способе и устройстве, подверженная обработке в трехэлектродном электролизере-прототипе, при размещении в средней камере 2% раствора хлорида кальция, позволила получить значение рН, равное 3,4, а редокс-потенциал Eh - выше +700 мВ.

Таким образом, заявляемый способ и устройство имеют следующие преимущества перед прототипом:

- в заявляемом способе и устройстве не требуется применения разделительных и ионообменных мембран и применения дополнительных веществ, в частности электролитов, что значительно упрощает процесс переработки воды в анолит;

- в заявляемом способе и устройстве вся обрабатываемая вода преобразуется в анолит и имеет более высокие показатели кислотности, чем анолит, полученный в способе-прототипе и устройстве-прототипе, что повышает качество и эффективность анолита.

Источники информации, использованные при составлении изобретения

1. Лечение «живой» и мертвой водой. - СПб.: Лениздат, «Ленинград», 2005. - 320 с. [с.91-92].

2. Электрохимически активированная вода в технологии цементных систем: моногр. / В.Д.Семенов, Г.Д. Семенова, А.Н.Павлова, Ю.С.Саркисов; под ред. проф., д-ра техн. наук Ю.С.Саркисова. - Томск: Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007, с.46-48 (прототип).

Изобретение относится к прикладной электрохимии и может быть использовано для приготовления жидкого оксиданта (анолита), который может использоваться для дезинфекции в медицине, сельском хозяйстве, в пищевой промышленности, санитарии, а также для повышения эффективности различных технологий в строительстве, в металлургии и многих других областях человеческой деятельности. Обрабатываемую воду пропускают вдоль поверхности положительно заряженного высоковольтного электрода, после чего ее пропускают через ионизированную газообразную среду, преимущественно состоящую из положительно заряженных ионов, причем эту ионизированную среду получают путем зажигания разряда по поверхности органического диэлектрика - полистирола, расположенного между упомянутым положительным высоковольтным электродом и дополнительно введенным электродом. Технический результат - упрощение способа и устройства и повышение их эффективности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения анолита, заключающийся в электрохимической обработке воды, отличающийся тем, что обрабатываемую воду пропускают вдоль поверхности положительно заряженного высоковольтного электрода, формируют из подвергнутой воздействию высокого положительного потенциала воды струю, для чего ее пропускают через сопло, роль которого выполняет воздушный зазор, образованный между поверхностью игольчатого электрода на входе его в сквозное отверстие нижней крышки и образующей поверхностью этого отверстия в крышке, затем сформированную струю воды пропускают через ионизированную газообразную среду, преимущественно состоящую из положительно заряженных ионов, которую получают в прианодной зоне на выходе струи воды из отверстия, выполненного в нижней крышке, путем зажигания разряда по поверхности органического диэлектрика - полистирола, расположенного между упомянутым положительным высоковольтным положительно заряженным электродом и дополнительно введенным отрицательно заряженным заземленным электродом.

2. Устройство для получения анолита, включающее узел электрохимической обработки воды, систему подвода обрабатываемой воды в электрохимический узел и резервуар для сбора анолита, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен источник регулируемого высокого напряжения, причем узел электрохимической обработки воды выполнен в виде конической воронки из инертного материала-полистирола, при этом воронка расположена вертикально таким образом, что большее основание конической воронки обращено вверх, а меньшее основание конической воронки обращено вниз, причем верхнее основание конической воронки заглушено крышкой, которая выполнена из электропроводного материала в виде диска, к центральной части верхней крышки конической воронки прикреплен игольчатый электрод, проходящий внутри воронки по ее центральной оси симметрии, нижнее основание конической воронки также закрыто крышкой, выполненной из инертного органического материала - полистирола, в нижней крышке по центру выполнено сквозное отверстие, в упомянутое отверстие выходит заостренный конец игольчатого электрода, в боковой части конической воронки герметично вмонтирован патрубок для подвода воды в воронку, к патрубку подсоединена система подвода обрабатываемой воды, внешнюю образующую сторону цилиндрического стакана нижней крышки охватывает кольцевой электрод, контактирующий с ее внешней поверхностью, высоковольтный положительный выход источника регулируемого высокого напряжения подсоединен к верхней крышке конической воронки, а отрицательный выход источника регулируемого высокого напряжения подключен к кольцевому электроду и заземлен, резервуар для сбора анолита расположен под нижним основанием конической воронки.