Способ и устройство получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода (варианты) Российский патент 2023 года по МПК C01B15/27 C02F1/32 B01J19/12 B01J19/24 A01N59/00 

Изобретение относится к области электротехнологии, а именно, к способу и устройству для электрофизического воздействия на воду для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода, который может быть использован для стимуляции роста и развития растений, в ветеринарии и медицине, в частности, для внутреннего применения, а также для санитарной обработки и дезинфекции.

Известен способ получения водного раствора пероксида (перекиси) водорода электрохимическим методом через надсерную кислоту (медицинскую и техническую марки А) и органическим методом, основанном на жидкофазным окислением изопропилового спирта (ГОСТ 177-88 «Водорода перекись. Технические условия»). Полученный известным способом пероксид водорода предназначен для применения «в химической целлюлозно-бумажной, текстильной, медицинской и других отраслях промышленности».

Недостатком известного способа получения водного раствора пероксида водорода является наличие токсических стабилизирующих добавок, например, серной кислоты, мышьяка и других (ГОСТ 177-88 «Водорода перекись. Технические условия»), не позволяющих использовать его в растениеводстве, а также в ветеринарии и медицине для внутреннего применения.

Другим недостатком известного способа получения водного раствора пероксида водорода является то, что используемые для стабилизации пероксида водорода химические добавки существенно снижают эффективность использования его в медико-биологических процессах (реакциях) по сравнению с пероксидом водорода, находящимся в свободном от химических стабилизаторов состоянии.

Известен способ и устройство получения водного раствора пероксида водорода путем электрофизического воздействия с помощью безэлектродного разряда катушки Тесла на водяной пар с последующей его конденсацией при температуре 81°К (-192,12°С) (Barton S.S., Groch F., Lipin S.E., Brittain D. «Variation of the evolved oxygen-hydrogen peroxide ratio with volume and input powerin the discharged watervapour system», J. Chem. Soc. A, 1968. P. 689-691. https://doi.org/10.1039/J19680000689).

Недостатком известного способа и устройства является небольшой выход экологически чистого раствора пероксида водорода, необходимость использования водяного пара и низкой температуры для его конденсации.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экологической чистоты и эффективности использования водного раствора пероксида водорода, расширение областей его применения.

Технический результат заключается в получении экологически чистых и стерильных водных растворов пероксида водорода, не содержащих химических стабилизирующих добавок, путем электрофизического воздействия на воду и использования полученного водного раствора пероксида водорода в сельском хозяйстве для стимуляции роста и развития растений, для санитарной обработки и дезинфекции, в ветеринарии и медицинской практике.

Технический результат достигается тем, что в способе получения экологически чистого и стерильного водного раствора пероксида водорода путем электрофизического воздействия на воду в реакторе, согласно изобретению, в реакторе размещают в воде n ультрафиолетовых ламп, где n=1, 2, 3…, натуральный ряд чисел, и облучают воду ультрафиолетовым излучением с длиной волны 150-400 нм в течение 1-60 мин с плотностью энергии ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² и электрической мощностью ультрафиолетовых ламп 5-30 Вт на 1 литр объема воды в реакторе.

В другом варианте способа получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода в реакторе облучают ультрафиолетовым излучением дистиллированную воду.

Еще в одном варианте способа получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода каждую ультрафиолетовую лампу изолируют от воды с помощью герметичного прозрачного кожуха из кварцевого стекла или пластика.

В другом варианте способа получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода в качестве реактора используют естественный или искусственный водоем, например, пруд, бассейн или водохранилище.

Технический результат достигают также тем, что в способе получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода путем электрофизического воздействия на воду в реакторе, согласно изобретению, проточный реактор соединяют патрубками с насосом для подачи воды, в реакторе размещают в воде n ультрафиолетовых ламп, где n=1, 2, 3…, натуральный ряд чисел, и облучают воду ультрафиолетовым излучением с длиной волны 150-400 нм при скорости потока воды 1-2 мл/мин на 1 Вт электрической мощности лампы с плотностью энергии ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² и электрической мощностью ультрафиолетовых ламп 5-30 Вт на 1 литр объема воды в реакторе.

В варианте способа получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода в реакторе облучают ультрафиолетовым излучением дистиллированную воду.

В другом варианте способа получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода каждую ультрафиолетовую лампу изолируют от воды с помощью герметичного прозрачного кожуха из кварцевого стекла или пластика.

В устройстве получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода, содержащем реактор и источник электроэнергии, согласно изобретению, реактор содержит n ультрафиолетовых ламп, соединенных с источником электроэнергии, где n=1, 2, 3…, натуральный ряд чисел, со спектром излучения 150-400 нм с суммарной электрической мощностью 5-30 Вт на 1 литр объема воды в реакторе и плотностью энергии ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см².

В варианте устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода реактор заполнен дистиллированной водой.

В другом варианте устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода ультрафиолетовые лампы отделены от воды герметичными прозрачными кожухами из кварцевого стекла или пластика.

Еще в одном варианте устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода реактор выполнен в виде естественного или искусственного водоема, например, пруда, бассейна или водохранилища.

Технический результат достигают также тем, что в устройстве получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода, содержащее реактор с патрубками, насосом для подачи воды и источник электроэнергии, реактор содержит n ультрафиолетовых ламп, соединенных с источником электроэнергии, где n=1, 2, 3…, натуральный ряд чисел, со спектром излучения 150-400 нм с суммарной электрической мощностью 5-30 Вт на 1 литр объема воды в реакторе и плотностью энергии ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² при скорости потока воды 1-2 мл/мин на один Вт электрической мощности ультрафиолетовых ламп.

В варианте устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода реактор содержит патрубки для протока воды со скоростью потока 1-2 мл/мин на 1 Вт электрической мощности ультрафиолетовой лампы.

В варианте устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода реактор заполнен дистиллированной водой.

В варианте устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода ультрафиолетовые лампы отделены от воды герметичными прозрачными кожухами из кварцевого стекла или пластика.

Изобретение иллюстрируется на фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 представлена блок схема способа и устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода в реакторе открытого типа.

На фиг.2 - конструкция устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода в проточном реакторе (осевое течение) с двумя ультрафиолетовыми лампами.

На фиг.3 - осевое течение проточного реактора с двенадцатью ультрафиолетовыми лампами.

Блок схема способа и устройства на фиг.1 содержит реактор 1 открытого типа, заполненный водой 2, патрубок 3 с краном 4 для периодической подачи воды и патрубок 5 с краном 6 для слива полученного экологически чистого водного раствора пероксида водорода в емкость для хранения 7. Внутри реактора 1 в воде установлены 3 (n=3) ультрафиолетовые лампы 8 со спектром излучения 150-400 нм электрической мощностью каждой лампы 10-500 Вт в зависимости от объема реактора 1. Суммарная электрическая мощность ламп 8 составляет 5-30 Вт на 1 литр объема воды в реакторе. Плотность энергии излучения на поверхности ламп 8 составляет 10-100 мДж/см² в зависимости от электрической мощности ламп 8 и объема реактора 1. Ультрафиолетовые лампы 8 присоединены к источнику питания 9.

На фиг.2 проточный реактор 10 содержит патрубок 11 для дозированной непрерывной подачи воды от насоса 12 и патрубок 13 для слива полученного экологически чистого водного раствора пероксида водорода 14 в емкость 15 для хранения. В реакторе 10 установлено две ультрафиолетовые лампы 16. Ультрафиолетовые лампы 16 присоединены к источнику питания 18.

На фиг.3 в реакторе 10 установлено двенадцать ультрафиолетовых ламп (n=12) 16 общей электрической мощностью 660 Вт. Объем проточного реактора 10 составляет 34 л. На фиг.3 каждая ультрафиолетовая лампа 16 отделена от воды внутри проточного реактора 10 герметичным прозрачным кожухом 17 из кварцевого стекла. Скорость дозированной непрерывной подачи воды в проточном реакторе 10 составляет 0,15-1 л/мин (9-60 л/час). Ультрафиолетовые лампы присоединены к источнику питания 18.

Концентрация экологически чистого водного раствора пероксида водорода составляет от 1,4 мг/л до 10 мг/л при скорости потока от 1 л/час до 60 л/час.

Пример выполнения способа и устройства получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода.

Пример 1. Реактор 1 открытого типа (фиг.1) наполняют дистиллированной водой. В воду помещают одну ультрафиолетовую лампу 8 с длиной волны 254 нм электрической мощностью 12 Вт. Объем воды 0,5 л, время работы лампы 30 минут. Содержание пероксида водорода в водном растворе 1,4 мг/л. При работе лампы в течение 60 минут концентрация пероксида водорода составила 1,7 мг/л. Полученные результаты в 14-17 раз превышают концентрацию пероксида водорода 0,1 мг/л, являющуюся признаком биологической полноценности природной воды, указанную в Межгосударственном стандарте ГОСТ 32460-2013 по определению содержания пероксида водорода в воде.

Пример 2. Проточный реактор 10 (фиг.2) содержит две ультрафиолетовые лампы 16 общей электрической мощностью 110 Вт с максимальной мощностью излучения на длине волны 254 нм. Емкость проточного реактора 10 составляет 7,5 л, скорость дозированной непрерывной подачи дистиллированной воды насосом 12 составляет 0,25 л/мин. Концентрация водного раствора пероксида водорода через 30 минут составила при использовании:

- дистиллированной воды - 1,7 мг/л;

- очищенной на установке обратного осмоса - 2,6 мг/л;

- артезианской воды - 3,1 мг/л.

Пример 3. Использование экологически чистого водного раствора пероксида водорода в семенном хозяйстве.

Получен экологически чистый водный раствор пероксида водорода из дистиллированной воды с концентрацией 1,7 мг/л (пример 2).

Известно, что дождевая вода обладает стимулирующим действием на рост и развитие растений, что связано с содержанием в ней пероксида водорода от 0,3 мг/л до 2,8 мг/л (Cooper W.J., Saltzman E.S., Zika R.G. «The contribution of rainwater to variability in surface ocean hydrogen peroxide». Journal of Geophysical Research, 1987. V. 92. P. 2970. https://doi.org/10.1029/JC092iC03p02970), который образуется в атмосфере. Еще в конце XIX века установлено, что в Московском регионе концентрация перекиси водорода составила «въ дождевой 0,4-1 мгр. на 1 литръ» (цит. по Энциклопедическому словарю Ф.А. Брокгауза, И.А. Эфрона, статья «Перекись водорода». - СПб., 1898. - Том XXIII. - С.215).

В соответствии с Межгосударственным стандартом ГОСТ 32460-2013 по определению содержания в воде пероксида водорода его присутствие при массовой концентрации 100 мкг/дм³ (0,1 мг/л) является признаком биологической полноценности природной воды, а отсутствие пероксида водорода в природной воде является признаком ухудшения биологического качества воды.

Изучение рострегулирующих свойств получаемого раствора пероксида водорода проводили в экспериментах с использованием растения огурца (семейство тыквенные, сорт «Конкурент»). Предварительно пророщенные наклюнувшиеся семена высаживали на обедненный почво-грунт (увлажненный водой песок). Далее растения подращивали только с помощью внекорневой обработки путем опрыскивания по 5 мл ежедневно. Подращивание происходило в следующих условиях: температура воздуха +20±1°С, ритм освещения свет/темнота в течение суток соответствовал соотношению 9/15.

В контрольной группе (К) опрыскивание проводили дистиллированной водой.

В трех опытных группах опрыскивание проводили в трех разных концентрациях после соответствующего разведения исходного экологически чистого водного раствора пероксида водорода с концентрацией 1,7 мг/л, а именно:

- в первый опытной группе (О₁) - раствор пероксида водорода с концентрацией 0,017 мг/л, что соответствует природной воде с ухудшенным признаком биологического качества;

- во второй опытной группе (O₂) - раствор пероксида водорода с концентрацией 0,17 мг/л находился около границы, характерной для биологически полноценной природной воды;

- в третьей опытной группе (O₃) - раствор пероксида водорода с концентрацией 1,7 мг/л находился около верхней границы концентрации пероксида водорода в дождевой воде, характерной для Московского региона.

Концентрации растворов пероксида водорода в опытных группах О₁ (0,017 мг/л) и O₂ (0,17 мг/л) соотносились по отношению к исходной концентрации 1,7 мг/л в опытной группе О₃ как 1/100 (Ο₁/O₃) и 1/10 (O₂/O₃).

Во всех вариантах опытов и в контроле условия культивирования растений были идентичны.

Степень развития состояния растений оценивали в определенное время на 6 и 8 сутки. Фиксировали количество растений в процентах с раскрытым семядольным листом на 6-е сутки и с высотой растений, равной 5 и более см на 8-е сутки.

Результаты представлены в таблице 1.

Установлено, что экологически чистый водный раствор пероксида водорода с концентрацией, находящейся в диапазоне около границ биологически полноценной природной воды (O₂=0,17 мг/л) и верхней границы дождевой воды Московского региона (O₃=1,7 мг/л) обеспечивает существенную стимуляцию роста и развития растений, в частности, процент растений с семядольным листом в опытных группах O₂ и O₃ на 6 сутки в 2-2,5 раза был больше, чем в контроле, а процент растений с высотой 5 и более см на 8 сутки в этих же опытных группах составил от 30 до 35 процентов при их отсутствии в контрольной группе и в опытной группе O₁ (0,017 мг/л) с ухудшенным признаком биологического качества воды.

При экспериментальной апробации экологически чистого водного раствора пероксида водорода, разведенного до концентрации дождевой воды (0,3-2,8 мг/л), на разных видах и сортах культурных растений получены следующие результаты:

• увеличение всхожести семян от 20 до 50%;

• ускорение роста надземной и корневых систем растений на 35-80%;

• увеличение биомассы на 15-40%;

• существенное повышение качества растений с увеличением содержания в них хлорофилла до 20%.

Экологически чистый водный раствор пероксида водорода после соответствующего разведения может быть использован как в мелких хозяйствах (фермерских, приусадебных участках, садово-огородных товариществах, городских огородах), так и в крупных (сельскохозяйственных предприятиях, специализирующихся на выращивании зерновых, овощных, плодово-ягодных, декоративных и других культур, в том числе с использованием теплиц, технологий аэро- и гидропоники, капиллярного полива, в районах с высокой солнечной радиацией, с коротким световым днем и за Полярным кругом, а также в лесных питомниках при лесоразведении, лесовосстановлении, городских озеленительных хозяйствах, а также при выращивании и поддержании высокого качества травянистых покровов газонов, гольф- и футбольных полей.

Экологически чистый водный раствор пероксида водорода природной концентрации изготовлен из дистиллированной или очищенной воды и не содержит никаких стабилизирующих добавок, поэтому он найдет свое применение не только в растениеводстве, но и в ветеринарии и медицине, в частности, при изготовлении стерильных растворов пероксида (перекиси) водорода для внутреннего применения. В медицине экологически чистый водный раствор пероксида водорода может быть использован в профилактике коронавируса и гриппа, для санации полости рта, горла и носовой полости путем полоскания и орошения. Эффективность использования водного раствора пероксида водорода повышается при отсутствии стабилизирующих добавок, а также при использовании небулайзера с размером распыляемых капель до 5 мкм. Концентрацию пероксида водорода, длительность и частоту ингаляций необходимо согласовать с лечащим врачом. При дезинфекции кожи (например, рук, лица, сосков кормящей матери) и одежды не вызывает аллергии. С целью дезинфекции возможно также обработка поверхностей, оборудования, приборов, помещений, кухонных принадлежностей, кормов, животных, птиц. Удаляет запах, связанный с жизнедеятельностью микроорганизмов, например, во рту, а также при содержании животных и птиц. Является прекрасным экологичным не аллергенным средством профилактики маститов у животных, например, коров.

Исследования в течение 6 месяцев хранения показали, что экологически чистый водный раствор пероксида водорода стабилен при хранении в холодильнике, что существенно для его практического применения. Стабильность раствора низкой концентрации пероксида водорода была в свое время отмечена Д.И. Менделеевым: « растворъ перекиси водорода въ темъ онъ » (цит. по «Основы химии». СПб., 7-е изданiе, 1903, с. 152).

Экологически чистый водный раствор пероксида водорода является не взрывоопасным, не воспламеняющимся, не коррозионным, не токсичным раствором, не представляет опасности для окружающей среды, безопасен при транспортировке при положительной температуре любым видом транспорта, включая авиационный.

Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве, ветеринарии и медицине, а также при санитарной обработке и дезинфекции. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода включает электрофизическое воздействие на воду. В реакторе размещают в воде n ультрафиолетовых ламп, где n = 1, 2, 3… натуральный ряд чисел, и облучают воду ультрафиолетовым излучением с длиной волны 150-400 нм в течение 1-60 мин с плотностью ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² и электрической мощностью ультрафиолетовых ламп 5-30 Вт на 1 литр объёма воды в реакторе. Предложен вариант способа и варианты устройства для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода. Изобретения позволяют получить стерильные водные растворы пероксида водорода, стабильные при хранении, не содержащие химических стабилизирующих добавок, пригодные для стимуляции роста и развития растений. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 3 пр.

1. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода путем электрофизического воздействия на воду в реакторе, отличающийся тем, что в реакторе размещают в воде n ультрафиолетовых ламп, где n = 1, 2, 3… натуральный ряд чисел, и облучают воду ультрафиолетовым излучением с длиной волны 150-400 нм в течение 1-60 мин с плотностью ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² и электрической мощностью ультрафиолетовых ламп 5-30 Вт на 1 литр объёма воды в реакторе.

2. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по п. 1, отличающийся тем, что в реакторе облучают ультрафиолетовым излучением дистиллированную воду.

3. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждую ультрафиолетовую лампу изолируют от воды с помощью герметичного прозрачного кожуха из кварцевого стекла или пластика.

4. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что в качестве реактора используют естественный или искусственный водоём, например пруд, бассейн или водохранилище.

5. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода путем электрофизического воздействия на воду в реакторе, отличающийся тем, что проточный реактор соединяют патрубками с насосом для подачи воды, в реакторе размещают в воде n ультрафиолетовых ламп, где n = 1, 2, 3… натуральный ряд чисел, и облучают воду ультрафиолетовым излучением с длиной волны 150-400 нм при скорости потока воды 1-2 мл/мин на 1 Вт электрической мощности лампы с плотностью энергии ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² и электрической мощностью ультрафиолетовых ламп 5-30 Вт на 1 литр объёма воды в реакторе.

6. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по п. 5, отличающийся тем, что в реакторе облучают ультрафиолетовым излучением дистиллированную воду.

7. Способ получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по п. 5, отличающийся тем, что каждую ультрафиолетовую лампу изолируют от воды с помощью герметичного прозрачного кожуха из кварцевого стекла или пластика.

8. Устройство получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода способом по п. 1, содержащее реактор и источник электроэнергии, отличающееся тем, что реактор содержит n ламп, соединенных с источником электроэнергии, где n = 1, 2, 3… натуральный ряд чисел, со спектром излучения 150-400 нм с суммарной электрической мощностью 5-30 Вт на 1 литр объёма воды в реакторе и плотностью энергии излучения 10-100 мДж/см².

9. Устройство для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по п. 8, отличающееся тем, что реактор заполнен дистиллированной водой.

10. Устройство для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по пп. 8 и 9, отличающееся тем, что ультрафиолетовые лампы отделены от воды герметичными прозрачными кожухами из кварцевого стекла или пластика.

11. Устройство для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по пп. 8 и 9, отличающееся тем, что реактор выполнен в виде естественного или искусственного водоёма, например пруда, бассейна или водохранилища.

12. Устройство для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода способом по п. 5, содержащее реактор с патрубками, насосом для подачи воды и источник электроэнергии, отличающееся тем, что реактор содержит n ультрафиолетовых ламп, соединенных с источником электроэнергии, где n = 1, 2, 3… натуральный ряд чисел, со спектром излучения 150-400 нм с суммарной электрической мощностью 5-30 Вт на 1 литр объёма воды в реакторе и плотностью энергии ультрафиолетового излучения 10-100 мДж/см² при скорости потока воды 1-2 мл/мин на 1 Вт электрической мощности ультрафиолетовых ламп.

13. Устройство для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по п. 12, отличающееся тем, что реактор заполнен дистиллированной водой.

14. Устройство для получения экологически чистого водного раствора пероксида водорода по пп. 12, 13, отличающееся тем, что ультрафиолетовые лампы отделены от воды герметичными прозрачными кожухами из кварцевого стекла или пластика.