УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАВОДОРАЖИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК C02F9/04 C02F1/70 A61P39/06 B01J35/00 

Изобретение относится к области создания наводороженных водных растворов с антиоксидантными свойствами и отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом. Употребление такой наводороженной воды или ее растворов с антиоксидантными свойствами обеспечивает связывание окислительных радикалов, возникающих в организме при стрессах, облучении ионизирующими излучениями в медицине, атомной промышленности. Водород - лучший восстановитель-антиоксидант, соединяясь с окислительными радикалами и окислителями, образует воду и препятствует агрессивному воздействию на клетки различных органов человека и ДНК.

Питьевая вода, которую мы употребляем, имеет положительный окислительно-восстановительный потенциал в диапазоне от +100 до +400 мВ, окислительно-восстановительный потенциал внутренней среды организма человека от -100 до -150 мВ. Это означает, что организм вынужден затрачивать энергию на изменение окислительно-восстановительного потенциала и тем самым подвергаться постоянному энергетическому ослаблению. Организм изнашивается, стареет, затрудняются функции жизненно важных органов.

Различными авторами и фирмами создан ряд установок по наводораживанию воды и изменению окислительно-восстановительного потенциала.

Так, в патенте (Способ безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов. Патент РФ №2155717. Заявлен 28.01.2000, опубликован 10.09.2000. МПК C02F 1/46, Бахир В.М.) представлено влияние электрохимической активации на окислительно-восстановительный потенциал воды.

«Из результатов экспериментальных исследований процессов бесконтактной электрохимической активации следует, что бесконтактное элетрохимическое воздействие является реальной возможностью направленного регулирования физико-химических свойств растворов без изменения их химического состава. Регулируя окислительно-восстановительный потенциал растворов, можно изменять их активность в окислительно-восстановительных реакциях и таким образом оказывать направленное воздействие на различные технологические процессы. Кроме того, направленно регулируя окислительно-восстановительный потенциал растворов, поступающих в организм человека, например напитков, растворов лекарственных средств или биологических жидкостей организма, можно усилить положительное влияние на организм окислительно-восстановительных реакций, протекающих в организме человека с участием этих растворов и жидкостей».

На основе этого способа была «создана установка СТЭЛ для получения электрохимически активированных стерилизующих, дезинфицирующих и моющих растворов - анолитов А, АН, католита К. Данное техническое решение реализовано в установке СТЭЛ-СТЭЛ-МТ-1М. Регулирование скорости протока и давления в электродных камерах позволяет обеспечить получение кислого анолита с pH менее 5 (анолит А), нейтрального анолита с pH от 6,0 до 7,5 (анолит АН) и щелочного католита с pH более 9 (католит К). Данная установка производилась в производственно-техническом комплексе "Медэлектрохимаппарат" НПО "ЭКРАН" серийно с 1992 года и в течение двух лет (1992-1993) было изготовлено и поставлено потребителям (госпиталям России) более 1000 установок СТЭЛ-МТ-1М». (Устройство для электрохимической обработки воды Патент РФ №2038322. Заявлен 03.04.1992, опубликован 27.06.1995. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Веденков В.Г.)

Водород выделяется на электроде с отрицательным потенциалом. В результате взаимодействия положительного иона водорода с электроном, получаемым с электрода, получается атом водорода. В связи с удалением положительных ионов водорода в зоне электрода накапливаются отрицательные гидроксил-ионы, в результате чего вода приобретает щелочные свойства.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство японской фирмы «Enhel», в которой вода дважды насыщается водородом (Аппарат для получения водородной воды, www.enhel-water.com).

В этом устройстве вода первоначально проходит через 3-ступенчатый карбоновый фильтр, где очищается от хлора и запахов и поступает в накопительную емкость с электролизером, электроды которого выполнены из платины и оксида иридия, что обеспечивает отсутствие примесей в воде. В процессе электролиза происходит обогащение воды водородом терапевтической концентрации 1,1 ppm.

Водород, образующийся за счет электролиза воды, частично растворяется в воде, а частично выделяется в виде газа и направляется в сборную емкость.

Наводороженная вода отводится из накопительной емкости и далее перед поступлением потребителю смешивается с водородом из сборной емкости, таким образом осуществляется так называемое двойное наводораживание.

Дополнительно в устройстве предусмотрен нагрев воды.

Предложенное двойное насыщение воды водородом усложняет технологический процесс получения воды с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом.

Такой цикл не оправдан с физической точки зрения, т.к. количество водорода, которое может раствориться в воде, не зависит от того, насыщается вода один или несколько раз, а определяется значением его растворимости в воде при заданном давлении и температуре. Это видно из зависимости растворимости водорода в воде от температуры при атмосферном давлении (hüp://tehtab.ru/guide/guidephysics/solvability/solvabilityofsomegases/). Так, растворимость водорода в воде при давлении 1 атм и при температуре 10°C составляет 1,75 ppm. В устройстве-прототипе при первом насыщении воды водородом до 1,1 ppm (0,0011 г/кг) при температуре 9-11°C не достигается насыщения воды водородом. Поэтому в устройстве-прототипе осуществляют второе насыщение воды выделившимся на электроде газообразным водородом.

В устройстве-прототипе электроды разделены полупроницаемой мембраной для разделения растворов воды, образующихся при электролизе. На катоде при электролизе выделяется водород и происходит повышение значения величины pH до 7,2 за счет повышения концентрации ионов ОН-, в результате протекания на электроде реакции

H₂O→Н+ +ОН- +е-(электрон от катода) = H(водород) + ОН-

Образуется водород и ОН- -ион, повышающий величину pH воды. Так как контакт воды с катодом непродолжительный, то изменение величины pH за это время незначительно (увеличение величины pH на 1,0 эквивалентно увеличению концентрации ОН- -ионов в 10 раз). При значении величины pH, равной 7,0, соответствующей нейтральному значению кислотности (щелочности), контакт воды с электродом, как правило, поднимает значение pH до 7,1-7,2, что позволяет японским специалистам утверждать, что их вода не щелочная. Но при длительном процессе электролиза существует потенциальная опасность достижения высоких значений pH, что эквивалентно получению щелочной воды.

К недостаткам этого устройства необходимо также отнести следующее. Первое: в насыщаемой водородом воде не удаляются окислители, в частности озон, перекись водорода, кислород. Озон и перекись водорода могут появляться в воде при применении озона при обеззараживании воды, как в промышленных масштабах на водоканалах городов, так и в локальных системах очистки воды. Содержание кислорода в воде при ее контакте с воздухом находится на уровне 6,0 мг/л.

Второе: при насыщении воды водородом электролизом (первый этап насыщения воды водородом в прототипе) она может приобрести генотоксическую активность. (Зацепина О.В. Автореферат к.б.н. 2015 г. «Оценка генетической безопасности питьевых вод, полученных неконтактной электрохимической активацией». Зацепина О.В., Ингель Ф.И., Стехин А.А. и др. Доклад «Изменение физико-химических параметров питьевой воды путем мембранной электрохимической активации влечет за собой возникновение эффектов нестабильности генома in vitro и in vivo». Материалы докладов на XVIII Всероссийском конгрессе «Экология и здоровье человека» 8-10.10.2013). Наличие платиновых электродов с окислами иридия в данном устройстве снижает растворение электрода, и вода незначительно загрязняется компонентами состава электродов, но сам электролиз питьевой воды приводит к преобразованию химических соединений, присутствующих в ней, к преобразованию их структуры, и создаются условия появления генотоксичных соединений и структур. Кроме этого в обработанной таким образом воде, как уже отмечалось, должно повышаться значение величины pH (щелочная вода). Это плохо влияет на людей с пониженной кислотностью. Содержание щелочи в крови не должно превышать величину pH 7.45, так как в противном случае могут возникнуть серьезные нарушения в работе организма.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для насыщения воды водородом-антиоксидантом и создания ее отрицательного окислительно-восстановительного потенциала при:

- отсутствии возможности создания в воде генотоксичной активности;

- удалении всех окислителей из воды, приводящих к снижению антиоксидантных свойств воды;

- отсутствии потенциальной возможности изменения рН питьевой воды.

Для достижения указанного результата предложено устройство для наводораживания воды, содержащее генератор водорода, емкость для приготовления наводороженной воды, магистрали для подачи воды и отвода наводороженной воды потребителю, запорно-регулирующую арматуру, при этом емкость для приготовления наводороженной воды содержит катализатор гидрирования и соединена через обратный клапан с блоком генерации водорода, который состоит из генератора водорода, соединенного со средством для поддержания давления водорода и отключения генератора водорода при превышении давления водорода в нем, и емкости с обессоленной водой, соединенной с генератором водорода магистралью для подачи в него обессоленной воды и подвода водорода.

Кроме того:

- генератор водорода выполнен в виде твердополимерного электролизера.

Для достижения технического результата было создано устройство с раздельными блоками: блоком получения водорода и блоком насыщения воды газообразным водородом с удалением окислителей. В блоке насыщения воды газообразным водородом одновременно происходит удаление из воды окислителей на катализаторе. За счет удаления окислителей из воды окислительно-восстановительный потенциал приобретает еще более отрицательные значения, а за счет того, что при генерации водорода нет контакта питьевой воды с электролизером, ликвидирована возможность увеличения рН и возникновения генотоксичной активности воды.

На фиг. 1 показана зависимость растворимости водорода в воде при заданном давлении и температуре.

Из нее видно, что растворимость водорода в воде при давлении 1 атм и при температуре 10°С составляет 1,75 ppm. В устройстве-прототипе при первом насыщении воды водородом до 1,1 ppm (0,0011 г/кг) при температуре 9-11°С не достигается насыщение воды водородом. Поэтому в устройстве-прототипе осуществляют второе насыщение воды выделившимся на электроде газообразным водородом.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема установки по наводораживанию воды, где:

1. Подача питьевой воды.

2. Емкость с обессоленной водой.

3. Генератор водорода (твердополимерный электролизер).

4. Емкость для приготовления наводороженной воды смешения водорода и воды с катализатором для взаимодействия водорода с окислителями.

5. Кран для потребления питьевой воды с водородом.

6. Средство для поддержания давления водорода и отключения генератора водорода при превышении давления водорода в нем.

7. Обратный клапан для периодической подачи водорода в емкость для приготовления наводороженной воды с катализатором.

Предлагаемое устройство имеет автономный блок генерации газообразного водорода. Этот блок состоит из генератора водорода 3, например твердополимерного электролизера, соединенного со средством для поддержания давления водорода и отключения генератора водорода при превышении давления водорода в нем и емкости с обессоленной водой 2. При включении устройства непосредственно в городскую сеть водоснабжения генератор водорода оснащается средством для поддержания давления водорода и отключения генератора водорода при превышении давления водорода в нем 6, например, СВД-стандарт MPX5700DP. Автономный блок генерации газообразного водорода соединен через обратный клапан 7 с емкостью для приготовления наводороженной воды 4. Клапан 7 регулирует периодическую подачу водорода из автономного блока в емкость 4.

Обессоленная вода необходима для эффективной работы генератора водорода. Высокочистая вода обеспечивает снижение отложений на катализаторах, электродах, протонопроводящих мембранах электролизера, увеличивая ресурс его работы. Обессоленная вода из емкости 2 поступает в генератор водорода 3, в котором образуется газообразный водород, который направляется в емкость 2, представляющую собой резервуар, частично заполненный водой. Кислород, полученный в результате электролиза, выводится в атмосферу (не показано). При необходимости осуществляют подпитку обессоленной воды в емкость 2 (не показано). Генератор водорода 3 оснащен средством для поддержания давления водорода и отключения 6 генератора водорода при превышении давления водорода в нем. Как правило, это 3 атм при работе с водой городского водоснабжения, где давление воды до 6 атм. При необходимости эту величину можно регулировать.

Из этого автономного блока генерации газообразного водорода водород направляется в емкость для приготовления наводороженной воды 4 с катализатором гидрирования, например катализатором АПТ-5, содержащим палладий, где происходит смешение поступающей питьевой воды и водорода. Перед емкостью 4 установлен обратный клапан 7, который закрыт давлением питьевой воды со стороны емкости с катализатором 4.

Питьевая вода из водопроводной сети с давлением, превышающим давление водорода в автономном блоке генерации водорода, поступает в емкость с катализатором 4 и через эту емкость поступает к крану для потребления питьевой воды с водородом 5. За счет перепада давления обратный клапан 7, отделяющий автономный блок генерации водорода от емкости с катализатором 4, закрыт. При открытии крана 5 давление воды в емкости с катализатором 4 падает и клапан 7 открывается давлением водорода в автономном блоке. Водород с избытком (количество водорода обеспечивает насыщение воды водородом и удаление окислителей) попадает в емкость с катализатором 4, насыщает ее, на катализаторе происходит реакция водорода с окислителями с образованием воды. В кран 5 поступает питьевая вода насыщенная водородом и без окислителей. Окислительно-восстановительный потенциал такой воды находится на уровне минус 400 мВ. Содержание водорода в воде при давлении водорода 3 атм в автономном блоке генерации водорода составляет 54 мл/л (4,8 ppm), после открытия крана и заполнения стакана у потребителя наводороженной водой концентрация водорода в воде стакана медленно снижается, достигая значения не менее 18 мл/л (1,6 ppm), что обеспечивает терапевтический эффект.

С целью обеспечения безопасной работы установки при достижении давления водорода 3 атм в автономном блоке генерации водорода срабатывает средство его отключения 6.

Все конкретные параметры установки рассчитываются из конкретных запросов потребителя на производительность устройства, давления в сети и пр.

Таким образом, данное устройство позволяет встраивать его в городскую сеть водоснабжения и существенно повысить качество питьевой воды, обеспечивая гарантированное удаление из нее окислителей и обеспечивая отсутствие генотоксической активности воды.

Автономный блок генерации водорода обеспечивает отсутствие контакта питьевой воды с электродами генератора водорода, что является существенным отличием от установок, созданных различными фирмами. Поэтому питьевая вода этой установки не имеет генотоксической активности. Кроме этого из воды гарантированно удаляются окислители, потребление которых (озон, перекись водорода) ограничено нормами СанПиН для питьевой воды.

Изобретение относится к области создания наводороженных водных растворов с антиоксидантными свойствами и отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом и может быть использовано в медицине. Устройство для наводораживания воды содержит генератор водорода 3, емкость 4 для приготовления наводороженной воды, магистрали для подачи воды и отвода наводороженной воды потребителю, запорно-регулирующую арматуру. Емкость 4 для приготовления наводороженной воды содержит катализатор гидрирования и соединена через обратный клапан с блоком генерации водорода. Блок генерации водорода состоит из генератора водорода 3, соединенного 6 со средством для поддержания давления водорода и отключения генератора водорода 3 при превышении давления водорода в нем, и емкости 2 с обессоленной водой. Емкость 2 с обессоленной водой соединена с генератором водорода 3 магистралью для подачи в него обессоленной воды и подвода водорода. Изобретение позволяет удалить все окислители из воды, обеспечить насыщение воды водородом и создать в ней отрицательный окислительно-восстановительный потенциал при отсутствии возможности создания в воде генотоксичной активности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для наводораживания воды, содержащее генератор водорода, емкость для приготовления наводороженной воды, магистрали для подачи воды и отвода наводороженной воды потребителю, запорно-регулирующую арматуру, отличающееся тем, что емкость для приготовления наводороженной воды содержит катализатор гидрирования и соединена через обратный клапан с блоком генерации водорода, который состоит из генератора водорода, соединенного со средством для поддержания давления водорода и отключения генератора водорода при превышении давления водорода в нем, и емкости с обессоленной водой, соединенной с генератором водорода магистралью для подачи в него обессоленной воды и подвода водорода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор водорода выполнен в виде твердополимерного электролизера.