СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/34 C02F1/36 

Изобретение относится к способам и устройствам получения активированной воды и может быть использовано в биотехнологии, сельском хозяйстве, в косметологии, медицине и фармацевтике, экологии и восстановлении природной среды, пищевой промышленности и общественном питании.

Из уровня техники известны различные способы активации воды, включающие в себя как прямое, так и опосредствованное воздействие на воду различными факторами или их комбинацией. Активация возможна при воздействии электромагнитным полем различной частоты, нагревом и охлаждением, электростатическим полем, а также различными видами механического воздействия: статического, динамического (линейного, вращательного, колебательного), а также при воздействии растворяемых в воде соединений или кристаллической структуры материалов, через которые прокачивают воду. Активация воды выполняется с различными целями: получение определенных структурных изменений воды, различных значений рН («живая» и «мертвая» вода), очистки или обеззараживания воды, ее диссоциации, нагрева и т.д.

Известны устройства, использующие кавитационные процессы для активации воды, например способ активации для полива при выращивании растений и устройство для его осуществления по патенту RU 2304875.

Кавитация - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). При разрушении (схлопывании) газовых пузырьков в жидкости возникают гидравлические удары, перепады давления (до сотен МПа), распространяющиеся в жидкости, что вызывает энергетическую накачку, активацию жидкости.

В известном устройстве процесс кавитации инициируют при относительно невысоком давлении в системе циркуляции (≤1.0 МПа). Кавитация возникает при срыве скоростного потока воды на подвижных элементах узлов: роторе центробежного насоса с зубцами на торце. В этом случае элементы конструкции испытывают значительные ударные нагрузки, зачастую вызывающие быстрое разрушение механизмов.

Известен способ активации жидкости по патенту RU 2333155, позволяющий выполнять активацию при опосредствованном влиянии кавитации на обрабатываемую воду: путем обработки исходной воды продольными электромагнитными волнами, акустическими волнами ультразвуковой и звуковой частоты, возникающими при кавитации в сопутствующей технологической среде. В этом случае обрабатываемая вода прокачивается по отдельному трубопроводу посредством насоса (либо другим устройством, обеспечивающим избыточное давление), перемещающего ее по замкнутому или разомкнутому трубопроводу.

Активированная известным способом вода недолго сохраняет свои полезные свойства, следовательно, и возможность эффективного воздействия на биологические объекты, а именно - в течение нескольких дней. Срок, за который активированная вода возвращается в исходное состояние, называется временем релаксации. Короткое время релаксации в значительной степени ограничивает сферу применения активированной воды.

Известен способ и устройство для приготовления активированной воды по патенту RU 2266255, включающий гидромеханическую обработку исходного объема воды с помощью гидродинамического активатора вибрационными колебаниями высокой частоты, выбранный в качестве прототипа заявленных способа и устройства.

Известный способ заключается в том, что исходный объем воды подают к двум встречно вращающимся соосным рабочим колесам роторного активатора, ведут прерывистый выпуск обработанной воды из рабочих колес через ряды периодически перекрывающихся отверстий в кольцевых стенках рабочих колес. Это обеспечивает воздействие на воду вынужденных механических колебаний звуковой частоты, приводящих к возникновению в потоке воды резких гидравлических ударов и интенсивной кавитации, которые обуславливают начало процесса активации. В дальнейшем вода тангенциально направляется в циркуляционную емкость, в которой создается завихрение, что дополнительно вызывает энергетическое насыщение воды, рост кластерных структур. В результате такого воздействия, при многократной гидромеханической обработке, обрабатываемая вода приобретает свойства активированной, т.е. обладающей биологически активными свойствами.

Известный способ получения активированной воды включает предварительную гидромеханическую обработку исходного объема воды вибрационными колебаниями высокой частоты и под действием внешнего давления, последующее вращение обработанного вибрацией потока воды в циркуляционной емкости относительно ее оси с созданием вихревого эффекта в потоке и кавитации.

Активированная этим способом вода недолго сохраняет свои полезные свойства, следовательно, и возможность эффективного воздействия на биологические объекты: менее 30 дней.

Устройство для приготовления активированной воды гидромеханической обработкой имеет в своем составе по меньшей мере одно роторное гидромеханическое устройство, в котором исходная вода подвергается воздействию вынужденных механических колебаний звуковой частоты, которые приводят к возникновению в потоке воды резких гидравлических ударов и интенсивной кавитации, что определяет эффективность гидромеханического воздействия. Роторное гидромеханическое устройство соединено с входным патрубком устройства вращения потока воды, выполненного в виде полого тела вращения конической формы, в котором обеспечивается вращательное движение воды относительно вертикальной оси с увеличивающейся скоростью вращения. В устройстве вращения потока воды создают вихревой эффект, который характеризуется минимальным абсолютным давлением вплоть до разрежения вблизи оси вращения, что способствует возникновению кавитации и позволяет повысить эффективность обработки воды, степень ее активации. Выходной патрубок устройства вращения потока воды подсоединен к циркуляционному насосу, отводящий патрубок соединен с питательным насосом для отвода активированной воды на использование.

В известном устройстве процесс кавитации ведут при относительно невысоком давлении в системе циркуляции (≤0.4 МПа). Кавитация возникает при срыве скоростного потока воды на вращающихся рабочих колесах, элементы конструкции испытывают значительные ударные нагрузки, вызывающие быстрое разрушение механизмов.

Техническим результатом предложенных изобретений является устранение недостатков прототипа, а именно, повышение эффективности процесса активации жидкости за счет получения активированной воды с упорядоченной кластерной структурой, положительно влияющей на различные биологические объекты и процессы.

Признаком упорядоченной кластерной структуры воды, в диапазоне температур 0-100°С, является повышенная диэлектрическая проницаемость, что доказано экспериментально [см. Демиденко Н.М. Аномалии диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот 2×10³-10⁵ Гц. Журнал «Физическая химия», №73, №6, 1999 г.].

Предлагаемые способ и устройство позволяют активировать воду, изменить ее структуру в высоконапорном вращающемся потоке под гидромеханическим воздействием.

Технический результат достигается следующими решениями, объединенными единым творческим замыслом.

В способе получения активированной воды, включающем гидромеханическую обработку исходного объема воды вибрационными частотными колебаниями под действием внешнего давления, вращение обработанного объема воды в устройстве вращения относительно оси устройства вращения, сброс обработанной воды в циркуляционную емкость, согласно первому изобретению, перед обработкой исходного объема воды вибрационными колебаниями его сжимают в трубопроводе под давлением 9-25 МПа, сжатый в трубопроводе поток воды обрабатывают колебаниями с частотой 0,1-1000 Гц, вращают в устройстве вращения со скоростью от 10 до 15 м/сек и кавитируют воду, активацию ведут внутри потока по оси проточного канала активатора, расположенного между устройством вращения и циркуляционной емкостью, при снижении давления до 0,6 МПа.

Кроме того, обработку производят путем многократной циркуляции исходного объема воды с периодическим контролем диэлектрической проницаемости воды до достижения максимальной для данной воды диэлектрической проницаемости.

В устройстве для получения активированной воды, содержащем узел вибрационного воздействия, в котором исходная вода подвергается частотным вибрационным колебаниям, соединенный с устройством вращения потока воды и циркуляционной емкостью, подсоединенной к узлу вибрационного воздействия посредством насоса и трубопровода, согласно второму изобретению, для подачи воды из циркуляционной емкости в узел вибрационного воздействия установлен высоконапорный насос, подающий воду по участку высоконапорной магистрали от узла вибрационного воздействия на вход устройства вращения потока, которое подсоединено к проточному каналу активатора, представляющего собой участок высоконапорной магистрали со встроенным устройством вращения потока, поджатым конусной шайбой и зафиксированным сваркой, для обеспечения дальнейшей кавитации внутри потока по оси трубы проточного канала активатора при снижении давления до 0,6 МПа.

Кроме того, в устройстве для получения активированной воды узел вибрационного воздействия представляет собой электромагнитный узел, генерирующий вибрационные колебания частотой от 0,1 до 1000 Гц.

В соответствии с современными представлениями, вода представляет собой ассоциированную жидкость со значительной диэлектрической проницаемостью и дипольным моментом молекул, что, в жидком состоянии приводит к образованию кластеров различных размеров, свободных молекул Н₂О и молекул примесей [см. С.В.Зенин, Б.В.Тяглов. Гидрофобная модель структуры ассоциативов молекул воды. Журнал «Физическая химия», т.68, 34, 1994 г., стр.636-641]. Кластеры жидкой воды представляют собой упорядоченную кристаллическую структуру в форме сфероцилиндров, имеющих интегральный дипольный момент, образованный векторным сложением дипольных моментов отдельных молекул и направленный вдоль длинной оси сфероцилиндров. что подтверждено экспериментально. При внешнем воздействии на жидкую воду различных физических факторов: механических, акустических, электромагнитных сил - кластеры будут перемещаться, поворачиваться и вращаться. Центр тяжести кластера относительно его продольной оси также смещен, т.к. первичным элементом его является молекула Н₂О.

Согласно предложенному способу, перед обработкой исходного объема воды вибрационными колебаниями, воду сжимают в высоконапорной магистрали до давления 9-25 МПа, при этом происходит некоторое снижение размеров кластеров, из межкристаллического пространства выходят свободные молекулы воды, парогазовые включения, несвязанные соли, происходит энергетическая накачка воды на колебательном уровне.

Выбор параметров давления 9-25 МПа определен следующими условиями. Минимальный параметр давления составляет 9 МПа, снижение его до 7-8 МПа снизит степень активации воды, удлинит время ее обработки. Максимальный параметр давления составляет 25 МПа, т.к. дальнейшее его увеличение требует упрочнения всех элементов конструкции, находящихся между высоконапорным насосом и входным патрубком циркуляционной емкости, кавитационная полость удлиняется, гидроудары не гасятся в полной мере внутри столба воды. Вибрационная обработка сжатого потока воды с частотой 0,1÷1000,0 Гц создает в нем газовые пузырьки за счет чередования зон высокого давления и разрежения.

Максимальный и минимальный параметры частоты вибрации определены следующими условиями.

Максимальный параметр частоты вибрации составляет 1000,0 Гц. Увеличение его нецелесообразно, т.к. устройство вибрационного воздействия на поток при давлении 25 МПа представляет собой сложный электромагнитный узел, что повышает стоимость установки при незначительном повышении эффективности.

Минимальный параметр частоты вибрации составляет 0,1 Гц. Снижение его не обеспечит процесс создания газовых пузырьков в сжатом потоке воды.

Скорость вращения потока воды от 10 до 15 м/сек определена следующими условиями.

При минимальной скорости, равной 10 м/сек, наблюдается начало энергетического заряда воды, начало образования кавитационной полости.

При максимальной скорости, равной 15 м/сек, наиболее интенсивно происходит энергетический заряд воды.

Как показали лабораторные испытания, снижение давления в проточном канале активатора до сброса воды в циркуляционную емкость целесообразно проводить до значения 0,6 МПа, при этом значении кластеры, как более массивные структуры, отжимаются к стенке канала, выделившиеся парогазовые пузырьки схлопываются, разрушаются в центральной части канала с высоким выделением энергии, гидравлическими ударами внутри потока воды.

Установка высоконапорного насоса, встроенного в высоконапорную магистраль между циркуляционной емкостью и узлом вибрационного воздействия, позволяет сжимать воду перед обработкой исходного объема воды вибрационными колебаниями в высоконапорной магистрали до давления 9-25 МПа, повышая эффективность процесса активации за счет энергетической накачки воды при высоком давлении.

Соединение высоконапорной магистрали (на выходе узла вибрационного воздействия) с устройством вращения потока, которое подсоединено к проточному каналу высоконапорной магистрали, упрощает конструкцию активатора за счет возможности исключения рабочих колес, роторов и лопастей. В активаторе, являющемся частью высоконапорной магистрали, процесс кавитации (в отличие от прототипа) происходит не на подвижных элементах конструкции (рабочих колесах, роторах, лопастях и т.п.), а в проточном канале высоконапорной магистрали внутри потока воды, что позволяет в полной мере использовать энергию кавитационного воздействия, снизить ударные нагрузки на элементы конструкции.

Повышение эффективности процесса активации достигается за счет энергетической накачки воды при высоком давлении, значительно большего газовыделения, высокой интенсивности кавитации, что приводит к более высокой степени активации воды, получению воды с упорядоченной кластерной структурой, положительно влияющей на различные биологические объекты и процессы. Получаемая вода имеет длительное время релаксации (не менее двух месяцев).

В ходе процесса активации в центральную зону вращающегося потока воды отжимаются легкие радикалы Н и ионы H⁺. Это усиливает напряженность электростатического поля, на оси растет положительный заряд, на периферии - отрицательный.

В центре вращающегося потока снижается статическое давление, что способствует выдавливанию в эту зону парогазовых микропузырьков и возникновению кавитации при их схлопывании. При высоких скоростях вращения потока воды пузырьки сливаются и образуют газопаровую полость цилиндрической формы, меняющей во времени диаметр, длину и положение в пространстве. Вследствие кавитации по оси потока происходят гидравлические удары, ударная волна от которых распространяется по всему объему воды. Это также приводит к значительной колебательной накачке молекул Н₂О, увеличению элементов Н и Н^-, что вызывает усиление экзотермических реакций водородного типа, выделения энергии в виде колебательных квантов. В центральной части потока накапливаются элементы Н, ОН, О, Н₂, O₂, О₃, H₂O₂, Н⁺, ОН^-, е^-. В качестве «топлива» для развития процесса используется энергия межмолекулярных и межатомных связей воды. Происходит энергетический заряд воды, ее активация, что наряду с ростом кластерных структур и поляризацией вызывает изменение ряда свойств: оптической плотности и поверхностного натяжения, окислительно-восстановительного потенциала, кислотно-щелочного баланса, диэлектрической проницаемости и др. Теоретическое описание происходящих процессов подтверждено опытными данными последнего времени [Ю.П.Рассадкин. Вода обыкновенная и необыкновенная. Москва, «Галерея СТО», 2008 г., 835 стр.].

Под воздействием сил трения и центробежных сил кластеры будут разворачиваться, выстраиваться в упорядоченную структуру, среднее положение их оси симметрии и векторы диполей будут устанавливаться в радиальном направлении. В результате за счет вращения создается упорядоченная структура кластеров, являющихся диполями, в виде концентрических цилиндрических слоев, что связано с взаимным влиянием диполей. Такая структура обеспечивает минимум потенциальной энергии системы частиц. Образуется собственное электростатическое и электромагнитное поле потока воды, причем по оси потока создается положительный заряд, на периферии - отрицательный. На оси вращения достигается максимальная интенсивность магнитной составляющей поля, обеспечивающей интенсификацию квантово-механических и колебательно-неравновесных химических реакций, отчего кластеры укрупняются. В значительной степени увеличивается запасенная колебательная энергия системы.

Цикл обработки повторяется после возврата воды в циркуляционную емкость. Длительность обработки воды во многом зависит от ее исходного состояния: структуры, минерального состава солей, связанных газовых включений и температуры. При обработке в воде гибнут бактерии, выделяются растворенные в ней газы. Вода нагревается, после обработки при стабилизации и охлаждении, в осадок в значительной степени выпадают соли, ранее в ней растворенные.

Сущность предложенных изобретений поясняется следующими рисунками.

На рис.1 показана структурная схема, на которой представлено устройство активирования воды.

На рис.2 показан продольный разрез активатора потока воды.

Способ получения активированной воды включает подачу воды из емкости 1 на вход высоконапорного насоса 2 с узлом 3 вибрационного воздействия на поток, направляемый в активатор 4 с устройством 5 вращения потока, после прохождения которого вода возвращается в емкость 1. Обработка производится путем многократной циркуляции исходного объема воды через активатор 4 при технологическом контроле изменения диэлектрической проницаемости воды. Процесс останавливается при достижении максимальной для данной воды диэлектрической проницаемости, что характеризует глубокие и долговременные изменения ее структуры.

Устройство, позволяющее выполнить активацию, изменить структуру воды, состоит из следующих узлов: емкость 1, высоконапорный насос 2 (давление не менее 9.0 МПа) с узлом 3 вибрационного воздействия, активатор 4 с устройством 5 вращения потока, а также соединительные трубопроводы, как высоко-, так и низконапорные с отсечными клапанами (см. рис.1). В качестве высоконапорного насоса 2 в опытной установке использовали агрегат Wagner с рабочим давлением Р=25.0 МПа и расходом 330 л в час. Активатор 4 представляет собой участок высоконапорной магистрали 7 со встроенным устройством 5 вращения потока, поджатым конусной шайбой 8 и зафиксированным сваркой (см. рис.2).

Узел 3 вибрационного воздействия предусматривает воздействие электромагнитными волнами и представляет собой электромагнитный узел 3, генерирующий вибрационные колебания частотой от 0,1 до 1000 Гц. Наиболее эффективные частотные параметры являются условиями ноу-хау данной технологии.

Устройство 5 вращения потока воды выполнено в виде полого цилиндрического тела, в стенках цилиндра просверлены наклонные каналы, обеспечивающие закрутку (вращение) потока воды (см. рис.2). Устройство 5 подсоединено к проточному каналу высоконапорной магистрали 7. Скорость вращения потока воды составляет от 10 до 15 м/сек.

Для подтверждения технического результата: повышение эффективности процесса кавитации жидкости заявитель исследовал активацию воды на опытной установке ООО «Озерский приборный завод». Результаты испытаний отражены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 Наименование Единица измерения Величина Объем циркуляционной емкости Литр 50.0 Производительность высоконапорного насоса л/ч 330.0 Давление на выходе насоса МПа 25.0 Давление на входе активатора МПа 17.0 Диаметр высоконапорной магистрали Мм 10.0 Диаметр магистрали в зоне кавитации Мм 4.0 Производительность установки л/ч 47.0 Время релаксации воды Месяц Не менее двух месяцев Изменение токов проводимости для опытных образцов воды МкА 6.5-7.0

Пример конкретного выполнения

Обработку воды проводили на опытной установке «Устройство получения активированной воды» (УПАВ) путем подачи водопроводной воды из емкости 1 на вход высоконапорного насоса 2 с узлом 3 вибрационного воздействия на поток воды. Поток воды направляли в активатор 4 с устройством 5 вращения потока и возвращали в емкость 1. Обработку проводили путем трехкратной циркуляции исходного объема через активатор 4 при технологическом контроле следующих показателей исходной не активированной воды и активированной воды: кислотность воды (рН); уд.эл. проводимость (χ, ЕС); окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, мВ); содержание солей (TDS, ррм).

Измерения проводили прибором «Монитор качества воды РНТ-028».

Показатели воды: рН, χ, ОВП и TDS измеряли в емкости 1 поочередным опусканием в воду электродов прибора. Показания прибора обозначались на табло. В таблице №2 представлены показатели исходной не активированной воды (слева) и активированной воды (справа). Сравнение числовых показателей (ОВП; ЕС; TDS; рН) не активированной воды и активированной воды по предлагаемому способу показало, что потребительские качества активированной воды значительно выше по сравнению с исходной водой (не активированной):

- числовые значения ОВП уменьшились с положительного значения (для обычной воды) + 86 мВ (среднее значение) до отрицательного: - 163 мВ (среднее значение);

- числовые значения удельной электрической проводимости уменьшились: с

0,22 ЕС (для обычной воды среднее значение) до 0,14 ЕС (среднее значение);

- числовые значения содержания солей (TDS) уменьшились с 155 ppm (для обычной воды среднее значение) до 95 ppm (среднее значение);

- числовые значения кислотности воды рН увеличились с 7,98 (для обычной воды среднее значение) до 9,22 (среднее значение).

Заявитель также контролировал степень структуризации воды измерением токов проводимости методом дифференциальной кондуктометрии. Метод дифференциальной кондуктометрии утвержден на секции по традиционной медицине Ученого Совета Минздрава РФ в 2001 году в качестве достоверного метода регистрации структурного изменения воды. При достижении максимально возможной для данной воды степени структуризации разность токов проводимости стабилизируется.

По Заключению структурированная вода, полученная на опытной установке, имеет оздоравливающее воздействие на человеческий организм [Заключение о выполнении НИР по теме «Исследование структурного состояния воды после кавитационной обработки и структурного состояния водки на основе обработанной воды, представленной Олефир А.Ф.». Москва. Проблемная лаборатория. ФНКЭЦ ТМДЛ Минздрава РФ, 2009].

В воде после обработки не обнаружены признаки бактерий, вода имеет низкий уровень минерализации [Протокол анализа воды. МУП «Производственное объединение водоснабжения и водоотведения» г.Челябинск, 18.03.2010 г.].

При температуре окружающей среды +18°С, при отсутствии прямого интенсивного воздействия на структуру воды каким-либо дестабилизирующим фактором, вода сохраняет приобретенные свойства не менее двух месяцев. По потребительским качествам вода отвечает требованиям СанПиНа для питьевой воды.

Изобретение относится к получению активированной воды и может быть использовано в биотехнологии, сельском хозяйстве, в косметологии, медицине и фармацевтике, экологии и восстановлении природной среды, пищевой промышленности и общественном питании. Исходный объем воды сжимают в трубопроводе под давлением 9-25 МПа, сжатый в трубопроводе поток воды обрабатывают колебаниями с частотой 0,1-1000 Гц, вращают в устройстве вращения со скоростью от 10 до 15 м/сек и кавитируют воду, активацию ведут внутри потока по оси проточного канала активатора, расположенного между устройством вращения и приемной емкостью, при снижении давления до 0,6 МПа и сбрасывают обработанную воду в циркуляционную емкость. Устройство активирования воды содержит узел вибрационного воздействия 3, соединенный с устройством вращения потока воды 5 и циркуляционной емкостью 1, подсоединенной к узлу вибрационного воздействия. Для подачи воды из циркуляционной емкости в узел вибрационного воздействия установлен высоконапорный насос 2, подающий воду по участку высоконапорной магистрали 7 от узла вибрационного воздействия на вход устройства вращения потока, которое подсоединено к проточному каналу активатора 4. Техническим результатом является повышение эффективности процесса получения активированной воды с обеспечением времени релаксации воды не менее двух месяцев. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 1 пр.

1. Способ получения активированной воды, включающий гидромеханическую обработку исходного объема воды вибрационными частотными колебаниями под действием внешнего давления, вращение обработанного объема воды в устройстве вращения относительно оси устройства вращения, сброс обработанной воды в циркуляционную емкость, отличающийся тем, что перед обработкой исходного объема воды вибрационными колебаниями его сжимают в трубопроводе под давлением 9-25 МПа, сжатый в трубопроводе поток воды обрабатывают колебаниями с частотой 0,1-1000 Гц, вращают в устройстве вращения со скоростью от 10 до 15 м/с и кавитируют воду, активацию ведут внутри потока по оси проточного канала активатора, расположенного между устройством вращения и циркуляционной емкостью, при снижении давления до 0,6 МПа.

2. Способ получения активированной воды по п.1, отличающийся тем, что обработку производят путем многократной циркуляции исходного объема воды с периодическим контролем диэлектрической проницаемости воды до достижения максимальной для данной воды диэлектрической проницаемости.

3. Устройство для получения активированной воды, содержащее узел вибрационного воздействия, в котором исходная вода подвергается частотным вибрационным колебаниям, соединенный с устройством вращения потока воды и циркуляционной емкостью, подсоединенной к узлу вибрационного воздействия посредством насоса и трубопровода, отличающееся тем, что для подачи воды из циркуляционной емкости в узел вибрационного воздействия установлен высоконапорный насос, подающий воду по участку высоконапорной магистрали от узла вибрационного воздействия на вход устройства вращения потока, которое подсоединено к проточному каналу активатора, представляющего собой участок высоконапорной магистрали со встроенным устройством вращения потока, поджатым конусной шайбой и зафиксированным сваркой, для обеспечения дальнейшей кавитации внутри потока по оси трубы проточного канала активатора при снижении давления до 0,6 МПа.

4. Устройство для получения активированной воды по п.3, отличающееся тем, что узел вибрационного воздействия представляет собой электромагнитный узел, генерирующий вибрационные колебания частотой от 0,1 до 1000 Гц.