Способ получения наводороженной воды и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК C02F9/00 C02F1/70 C25B1/02 

Заявленная группа изобретений относится к области физико-химических технологий, в частности, к способу обработки воды водородсодержащим газом, а также к устройству для его осуществления, с целью направленного изменения свойств воды. Получаемая при помощи заявленного способа и устройства наводороженная вода, может быть использована в качестве средства, предназначенного для технического применения, например в виде стерилизующего или дезинфицирующего раствора, а также в качестве продукта питания в виде питьевой воды или добавки в продукты питания. При этом область применения наводороженный воды может зависеть от концентрации в ней водорода, от содержания различных добавок и примесей, а также от других свойств конечного продукта. Однако в данном случае, возможные области применения наводороженной воды не подлежат подробному рассмотрению, поскольку это не является предметом заявленного изобретения, а при его разработке особое внимание было уделено именно способу получения наводороженной воды и устройству для его реализации.

Из предшествующего уровня техники известен способ получения электрохимически активированных стерилизующих, дезинфицирующих и моющих растворов - анолитов А, АН, католита К, для реализации которого используют проточный электролитический элемент. Проточный электролитический элемент представляет собой диафрагменный электролизер с коаксиальным расположением внешнего цилиндрического анода, внутреннего стержневого катода и трубчатой керамической диафрагмы между электродами. На внешней поверхности электролитического элемента расположены входы и выходы электродных камер. Для реализации известного способа исходную обрабатываемую воду раздельно подают через регуляторы расхода в анодную и катодную камеры электролизера. С помощью регуляторов расхода устанавливают необходимые соотношения объемных расходов католита и анолита. Включают источник тока и после проведения электрохимической обработки из реактора по отдельным трубопроводам анолит и католит подают в емкости-накопители (RU 2038322, 27.06.1995). При этом полученный таким образом наводороженный водный раствор предназначен только для технического применения и не может быть использован в качестве питьевой воды, поскольку в процессе электролиза растворенные компоненты состава электродов преобразуются в химические соединения, создающие условия для появления генотоксичных структур.

Из уровня техники известен способ электрохимической обработки воды посредством устройства, содержащего генератор водорода, выполненный в виде твердополимерного электролизера, емкость для приготовления наводороженной воды, магистраль для подачи и отвода наводороженной воды потребителю, а также 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, а также емкости с обессоленной водой, соединенной с генератором водорода магистралью для подачи в него обессоленной воды и подвода водорода (RU 2620802, 29.05.2017, ближайший аналог). За счет того, что известная конструкция включает два раздельных блока, а именно блок получения водорода и блок насыщения воды газообразным водородом, исключена возможность контакта питьевой воды с электролизером, а следовательно, минимизированы риски возникновения генотоксичной активности полученного продукта. Недостатком известного изобретения является то, что для получения водорода используется только процесс электролитической диссоциации молекул воды и не используется процесс ее термической диссоциации, в связи с чем значительно увеличивается количество времени необходимого для насыщения водородом больших объемов воды.

Также из уровня техники известны методы и устройства, решающие задачу получения водорода путем электролитического и термического разложения воды одновременно за счет энергии плазмы, формирующейся у катода. Например, известно устройство для получения тепла и парогазовой смеси, содержащей водород, которое включает корпус, межэлектродную камеру, цилиндрический анод, а также два полых стержневых катода. При этом для получения водорода внутренние полости устройства заполняют раствором щелочи с одновременным установлением интенсивности расхода раствора. Затем включают электрическую сеть и постепенно повышают напряжение выпрямленного тока до появления устойчивой плазмы в зоне катодов. В течение нескольких секунд через выпускной патрубок получают парогазовую смесь, содержащую атомарный водород (RU 2157862, 20.10.2000).

Дополнительно из уровня техники известна технология и устройство для получения водорода путем электролитического и термического разложения воды одновременно за счет энергии плазмы. Известное устройство содержит корпус и нижнюю крышку, образующую совместно с корпусом анодную и катодную полости, стержневой катод в диэлектрическом стержне, установленный в катодной полости, а также плоский кольцевой анод, расположенный в анодной полости. Рабочий раствор из дозирующей емкости подают в анодную и катодную полости, включают электрическую сеть и постепенно повышают напряжение до момента появления устойчивой плазмы в районе катода. Далее образовавшуюся у катода парогазовую смесь подают в охладитель и конденсируют пар, а выделившийся газ подают к выходному патрубку (RU 2175027, 20.10.2001).

С учетом известных технических решений была поставлена задача разработать устройство и технологию, обеспечивающие насыщение водородом большого объема воды за короткий промежуток времени. Более конкретно задача состояла в возможности насыщения в течение 10-15 минут водородом 100 литров воды до значения в конечном продукте 8-9 рН.

Технический результат заключается в ускорении процесса насыщения воды водородом.

Дополнительно технический результат заключается в расширении арсенала средств аналогичного назначения.

Достижение заявленного технического результата обеспечивает устройство для получения наводороженной воды, включающее первый контур циркуляции газожидкостной смеси, состоящий из системы трубопроводов, соединяющих резервуар для воды, клапан регулировки давления, циркуляционный насос, фильтр глубокой очистки, сливной кран, обеззараживатель, а также блок впрыска парогазовой смеси, при этом первый контур циркуляции выполнен с возможностью отведения воды из резервуара через выпускной канал, ее смешения с парогазовой смесью и подачи воды, насыщенной парогазовой смесью обратно в резервуар, причем блок впрыска парогазовой смеси через соединительный трубопровод подключен к первой емкости для электролита, встроенной во второй контур циркуляции и сообщающейся со второй емкостью для компенсации давления парогазовой смеси внутри первой емкости для электролита, при этом второй контур циркуляции включает систему трубопроводов, соединяющих первую емкость для электролита, клапан регулировки подачи электролита и реакционную камеру, оснащенную катодом, анодом и блоком питания, а также средством подачи плазмообразующего газа, при этом второй контур циркуляции выполнен с возможностью ввода электролита из первой емкости в реакционную камеру и отвода парогазовой смеси из реакционной камеры обратно в первую емкость, а также с возможностью подачи, полученной в реакционной камере, парогазовой смеси из первой емкости для электролита в первый контур циркуляции через соединительный трубопровод и блок впрыска парогазовой смеси. При помощи описанного устройства осуществляют способ получения наводороженной воды, соблюдая следующую последовательность действий. Запускают циркуляционный насос и осуществляют циркуляцию воды из резервуара через систему трубопроводов первого контура, а также фильтр глубокой очистки и обеззараживатель обратно в резервуар для воды. При этом в реакционную камеру из первой емкости второго контура вводят электролит, а также плазмообразующий газ, подают напряжение на электроды и инициируют электрический разряд до появления внутри реакционной камеры газоразрядной плазмы и выделения парогазовой смеси, насыщенной атомами водорода, которую отводят обратно в первую емкость для электролита. После этого открывают блок впрыска парогазовой смеси и через соединительный трубопровод подают ее в первый контур циркуляции, насыщая циркулирующую воду атомарным водородом до необходимого водородного показателя.

Группа изобретений поясняется чертежом, на котором представлено устройство для получения наводороженной воды. Заявленное устройство включает первый контур циркуляции 1 газожидкостной смеси и второй контур циркуляции 13. Первый контур циркуляции 1, оснащен системой трубопроводов 9, соединяющих резервуар для воды 2, включающий выпускной канал 10, клапан регулировки давления воды 3 в первом контуре циркуляции 1, циркуляционный насос 4, фильтр глубокой очистки 5, сливной кран 6, обеззараживатель 7, а также блок впрыска парогазовой смеси 8. При этом циркуляционный насос 4 и обеззараживатель 7 оснащены средствами для подключения к электросети (не показаны). Блок впрыска 8 может быть выполнен в виде механической форсунки или в виде электромагнитной, электромеханической, а также электрогидравлической форсунки, известной из предшествующего уровня техники и обеспечивающей подачу парогазовой смеси под необходимым давлением в первый контур циркуляции 1. Резервуар 2 предпочтительно выполнен из стекла или пищевого полимерного материала и включает открытую горловину для свободного ввода конца трубопровода первого контура 1 до необходимого уровня внутри резервуара 2, обеспечивая равномерное перемешивания подаваемой воды, насыщенной парогазовой смесью с водой внутри резервуара 2. Предпочтительно конец трубопровода первого контура 1 располагают на расстоянии 10-20 сантиметров от дна резервуара 2. Блок впрыска парогазовой смеси 8 через соединительный трубопровод 11 подключен к первой емкости для электролита 12, встроенной во второй контур циркуляции 13. При этом первая емкость для электролита 12 через сообщающую трубку 14 соединена со второй емкостью 15 для компенсации давления парогазовой смеси внутри первой емкости 12. Второй контур циркуляции 13 оснащен системой трубопроводов, включающей трубопровод подачи 16 электролита из емкости 12 в реакционную камеру 18 и трубопровод отвода 24, полученной в результате плазмохимической реакции в камере 18 парогазовой смеси обратно в емкость 12 через вводной канал 25, расположенный в верхней части емкости 12. На трубопроводе 16 между емкостью 12 и реакционной камерой 18 расположен клапан регулировки давления 17 подаваемого электролита. Реакционная камера 18 оснащена катодом 19, анодом 20, блоком питания 21, а также средством подачи плазмообразующего газа 22, выполненного например в виде баллона, заполненного медицинским кислородом и подключенного к реакционной камере через соответствующий патрубок 26 с клапаном регулировки давления 27, подаваемого в реакционную камеру 18 плазмообразующего газа. При этом первая емкость для электролита 12 выполнена закрытой, а в ее верхней части расположен отводной канал 23, к которому подключен соединительный трубопровод 11, сообщающийся с блоком впрыска парогазовой смеси 8 в первый контур циркуляции 1.

Заявленная группа изобретений может быть реализована следующим образом.

Перед запуском устройства, предварительно подготавливают электролит, например щелочной раствор в пропорции 400 грамм чешуйчатой щелочи NaOH на 10 литров дистиллированной воды. При закрытом клапане 17, подготовленный щелочной раствор заливают в емкость 15, который равномерно распределяется на одном уровне в соединенных через сообщающую трубку 14 емкостях 15 и 12. Емкости 12 и 15 могут быть изготовлены из стекла или полимерного материала, стойкого к щелочному раствору, а внутренний объем каждой из упомянутых емкостей может составлять 10 или 15 или 20 литров. Резервуар 2 заполняют питьевой водой до необходимого уровня, в зависимости от требований к получению готового продукта в необходимом объеме. Например, в случае общего объема резервуара 2, составляющего 150 литров, объем воды, размещенный в резервуаре 2, может составлять 50 литров или 100 литров или 150 литров. Приведенный пример не ограничивает возможность реализации заявленного изобретения с использованием резервуара 2 и емкостей 12, 15 другого, меньшего или большего объема, а также с использованием другого объема и состава щелочного раствора, а также питьевой воды для производства целевого продукта в необходимом количестве. После заполнения резервуара 2 водой открывают кран регулировки давления 3, включают насос 4, обеззараживатель 7 и запускают циркуляцию воды в первом контуре 1. В качестве обеззараживателя 7 может быть использован любой известный из уровня техники ультрафиолетовый стерилизатор воды. После запуска циркуляции воды в первом контуре 1 открывают клапан 17 для заполнения реакционной камеры 18 электролитом до уровня соответствующего высоте анода 20 и катода 19, которая соответствует 1/2 высоты внутреннего объема реакционной камеры 18 и перекрывают клапан 17. Соотношения размеров конструктивных элементов реакционной камеры 18 и уровень размещенного в ней электролита не могут быть ограничены приведенным примером, в связи с чем допускаются соотношения высоты анода 20 и катода 19 и высоты реакционной камеры в диапазоне от 1/3 до 3/4 и заполнение реакционной камеры электролитом на уровень 2/3 - 4/3 от высоты анода и катода. Также высота анода 20 и высота катода 19 могут отличаться, а их расположение может быть выполнено аксиально или коаксиально относительно друг друга.

При этом анод 20 может быть выполнен в виде медного стержня или полой медной перфорированной трубки, внутри которой расположен катод 19 в виде стержня, выполненный из тугоплавкого металла, например молибдена или сплава на основе молибдена. После заполнения реакционной камеры 18 электролитом открывают клапан 27 и вводят из баллона 22 внутрь камеры 18 плазмообразующий газ, в частности медицинский кислород под давлением не более 0,8 атм, а также подают на анод 20 и катод 18 напряжение, не превышающее 140 вольт с силой тока 20-30 ампер через блок питания 21. После подачи напряжения на электроды 19, 20 инициируют электрический разряд, который в результате взаимодействия с плазмообразующим газом, а также щелочным раствором образует плазмохимическую реакцию, интенсивно протекающую внутри реакционной камеры 18, в результате которой выделяется парогазовая смесь, насыщенная атомами водорода. При этом энергия образовавшейся внутри камеры 18 плазмы обеспечивает термическую диссоциацию воды на водород и кислород и является источником интенсивного получения атомарного и молекулярного водорода. После запуска плазмохимической реакции внутри камеры 18 открывают клапан 17. Парогазовая смесь через трубопровод 24 поступает в первую емкость 12 для электролита, создавая избыточное давление внутри емкости 12. При этом часть полученной парогазовой смеси конденсируется на внутренних стенках первой емкости 12, а другая часть, насыщенная атомарным и молекулярным водородом через соединительный трубопровод 11 устремляется в направлении первого контура циркуляции 1. Далее осуществляют нагнетание давления внутри первой емкости 12, путем поддержания плазмохимической реакции внутри камеры 18 и выделения парогазовой смеси, которая начинает выдавливать часть электролита из первой емкости 12 в емкость 15 через сообщающую трубку 14. Не допуская критического выдавливания электролита из первой емкости 12 (до полного вымещения) в емкость 15, открывают блок впрыска 8, смешивая таким образом парогазовую смесь, насыщенную атомами водорода с питьевой водой, циркулирующей в первом контуре 1. В процессе протекания плазмохимической реакции осуществляют контроль и регулировку интенсивности подачи электролита в камеру 18 через клапан 17, а также регулировку интенсивности подачи плазмообразующего газа через клапан 27. О достижении приемлемой скорости плазмохимической реакции судят путем визуального контроля уровня электролита внутри первой емкости 12 относительно уровня электролита внутри емкости 15. Приемлемая интенсивность протекания упомянутого процесса может быть достигнута при условии опускания уровня электролита в первой емкости 12 не более чем на И>относительно уровня электролита в емкости 15. При этом парогазовая смесь, впрыскиваемая через блок 8 в первый контур циркуляции 1, смешивается с водой и через систему трубопроводов 9 поступает в резервуар 2, насыщая атомарным и молекулярным водородом помещенную в ней воду. Насыщая, таким образом питьевую воду водородом, добиваются нужного водородного показателя обогащенной воды путем его контрольного замера посредством рН-метра. Данная процедура может быть произведена на любом этапе реализации заявленного способа, путем отбора пробы циркулирующей воды через сливной кран 6. При экспериментальном осуществлении способа производили контрольный замер уровня рН, размещенной в резервуаре 2 воды (в объеме 100 литров) до активации плазмохимической реакции в камере 18. При этом данный показатель соответствовал 7,2 рН. По истечении 10 минут после активации плазмохимической реакции и запуска насыщения парогазовой смесью воды, произвели повторный замер уровня рН. При повторном замере уровень рН полученной воды составил 8 рН. По истечении 15 минут после активации плазмохимической реакции и запуска насыщения парогазовой смесью воды, произвели третий замер уровня рН, который составил 9 рН, после чего реакционную камеру отключили от питания, перекрыли блок 8, клапаны 17 и 27, а также обесточили циркуляционный насос 4. Полученную воду из резервуара 2 через кран 6 слили в отдельную емкость. Таким образом заявленная группа изобретений в течение 15 минут обеспечила насыщение водородом 100 литров воды до нужного показателя рН.

Группа изобретений относится к способу и устройству обработки воды водородсодержащим газом. Устройство включает первый контур циркуляции газожидкостной смеси, состоящий из системы трубопроводов, соединяющих резервуар для воды, клапан регулировки давления, циркуляционный насос, фильтр глубокой очистки, сливной кран, обеззараживатель и блок впрыска парогазовой смеси. Первый контур циркуляции выполнен с возможностью отведения воды из резервуара через выпускной канал, её смешения с парогазовой смесью и подачи воды, насыщенной парогазовой смесью обратно в резервуар. Блок впрыска парогазовой смеси через соединительный трубопровод подключён к первой ёмкости для электролита, встроенной во второй контур циркуляции и сообщающейся со второй емкостью для компенсации давления парогазовой смеси внутри первой ёмкости. Второй контур циркуляции включает систему трубопроводов, соединяющих первую ёмкость для электролита, клапан регулировки подачи щелочного раствора и реакционную камеру, оснащённую катодом, анодом и блоком питания, а также средством подачи плазмообразующего газа. Второй контур циркуляции выполнен с возможностью ввода электролита из первой ёмкости в реакционную камеру и отвода парогазовой смеси из реакционной камеры обратно в первую ёмкость, а также из первой ёмкости в первый контур циркуляции, насыщая циркулирующую питьевую воду атомарным водородом до необходимого водородного показателя. Обеспечивается ускорение процесса насыщения воды водородом при расширении арсенала средств аналогичного назначения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для получения наводороженной воды, включающее первый контур циркуляции газожидкостной смеси, состоящий из системы трубопроводов, соединяющих резервуар для воды, клапан регулировки давления, циркуляционный насос, фильтр глубокой очистки, сливной кран, обеззараживатель, а также блок впрыска парогазовой смеси, при этом первый контур циркуляции выполнен с возможностью отведения воды из резервуара через выпускной канал, ее смешения с парогазовой смесью и подачи воды, насыщенной парогазовой смесью обратно в резервуар, причем блок впрыска парогазовой смеси через соединительный трубопровод подключен к первой емкости для электролита, встроенной во второй контур циркуляции и сообщающейся со второй емкостью для компенсации давления парогазовой смеси внутри первой емкости для электролита, при этом второй контур циркуляции включает систему трубопроводов, соединяющих первую емкость для электролита, клапан регулировки подачи электролита и реакционную камеру, оснащенную катодом, анодом и блоком питания, а также средством подачи плазмообразующего газа, при этом второй контур циркуляции выполнен с возможностью ввода электролита из первой емкости в реакционную камеру и отвода парогазовой смеси из реакционной камеры обратно в первую емкость, а также с возможностью подачи полученной в реакционной камере парогазовой смеси из первой емкости в первый контур циркуляции через соединительный трубопровод и блок впрыска парогазовой смеси.

2. Способ получения наводороженной воды, характеризующийся тем, что используют устройство по п. 1, запускают циркуляционный насос и осуществляют циркуляцию питьевой воды из резервуара через систему трубопроводов первого контура, а также фильтр глубокой очистки и обеззараживатель обратно в резервуар для воды, при этом в реакционную камеру из первой емкости второго контура вводят электролит, а также плазмообразующий газ, подают напряжение на электроды и инициируют электрический разряд до появления внутри реакционной камеры газоразрядной плазмы и выделения парогазовой смеси, насыщенной атомами водорода, которую отводят обратно в первую емкость для электролита, после чего открывают блок впрыска парогазовой смеси и через соединительный трубопровод подают ее в первый контур циркуляции, насыщая циркулирующую воду атомарным водородом до необходимого водородного показателя.