СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ ВОДОРОДОМ Российский патент 2025 года по МПК C02F1/461 

Многочисленные научные исследования, основоположниками которых стала группа японских исследователей во главе с профессором Сигео Ота в 2007 году, неоднократно доказали уникальные свойства водорода, благодаря которым он является наиболее эффективным антиоксидантом, избирательным к наиболее опасным гидроксильным радикалам и при этом безопасным и не дающим побочных эффектов. Водород помогает доставлять полезные вещества во все клетки организма, нормализуя его функции и обменные процессы, способствует активизации собственных защитных систем организма. Насыщенность водородом определяет такой важный показатель воды как окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Регулярное употребление воды, насыщенной водородом, оказывает комплексное воздействие на организм, обеспечивая общеукрепляющий эффект и профилактику большого числа заболеваний.

Известен способ насыщения воды газообразным водородом, подводимым из баллона, при поддержании в емкости для смешивания давления 0,2-0,3 МПа (см. патент RU 71331, МПК: C02F 1/46, опубл. 10.03.2008). Несмотря на кажущуюся простоту осуществления способа, он требует приобретения уже готового сжиженного водорода (в баллоне) и создания условий для его хранения и использования.

Более широко в уровне техники представлены способы активации воды и ее насыщения водородом путем электролиза, принцип которого заключается в том, что под действием постоянного электрического тока, подаваемого на погруженные в воду электроды, вода разлагается на кислород и водород.

На аноде происходит выделение кислорода: 2H₂O→О₂+4Н⁺+4е^-;

на катоде образуется водород: 2Н₂О+2е^-→Н₂+2OH^-; 4Н⁺+4е^-→2Н₂.

Так, известен способ насыщения водного раствора водородом, включающий электрохимическую реакцию электролиза с использованием анода, катода, колбы и блока питания (см. патент RU 2775773, МПК: С25В 9/17, С25В 11/02 опубл. 08.07.2022). Катод имеет спиральную форму и располагается коаксиально вокруг стержня анода, длина электродов составляет 50-100 мм, диаметр спирали катода 10 мм, межвитковый шаг 1-3 мм, расстояние между катодом и анодом 2,5-3,5 мм, диаметр анодной трубки 1-5 мм, толщина ее стенки 0,1-0,5 мм. На погруженные в колбу с водным раствором электроды в течение 3-30 с подается напряжение 5-36 В, сила тока составляет 0,5-2,5 А.

Известно большое количество разнообразных устройств, позволяющих осуществлять процесс электролиза, при этом все их можно разделить на два типа: мембранные (с диафрагмами) (например, см. патенты: RU 2145940, RU 2636505, RU185701 U1, RU107521, RU 2769530, RU 2252920,) и бездиафрагменные (например, см. патенты: RU 2701913, RU 2350568, RU 2381996, RU 2733618, RU 2636725, RU 194861U1, RU2397956 и другие).

Основным недостатком использования электролизеров с разделительными мембранами является то, что на выходе таких устройств получаются анолит - вода с положительным ОВП и свойствами кислоты (рН=3-5) и католит вода с отрицательным ОВП и свойствами щелочи (рН ≥9), которые нельзя использовать в качестве питьевой воды, значение рН которой должно быть 6,5 - 7,5 единиц.

Обработку воды с сохранением нейтральных значений рН позволяют проводить бездиафрагменные электролизеры, в которых отсутствие разделительной диафрагмы (мембраны) способствует смешиванию образующихся в результате разложения воды газов: кислорода и водорода, что позволяет удержать показатель рН в требуемых пределах и позволяет получить на выходе питьевую воду с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом (далее - ОВП). Однако кислород, являясь сильным окислителем, спустя некоторое время, начинает снова взаимодействовать с водородом с образованием воды, что способствует повышению ОВП и снижению полученного эффекта.

Известные производители подобных устройств, в целях борьбы со свободным кислородом, применяют для его удаления дорогие фильтрационные протонные мембраны.

В качестве наиболее близкого аналога для предлагаемого способа насыщения воды водородом принят способ, реализуемый при работе устройства для снижения ОВП и активизации питьевой воды, патент RU 2701913, МПК: C02F 1/461, опубл. 02.10.2019. Этот способ основан на использовании проточной электролитической ячейки, образованной коаксиальными цилиндрическими электродами, из которых внешний - катод, выполнен из титана. На электроды подают питание от источника пульсирующего постоянного тока. Эти признаки являются сходными с существенными признаками предлагаемого способа.

При подаче питания на электроды происходит процесс электролиза воды, при этом на аноде выделяется кислород О₂, а на катоде - водород Н₂. Так как разделительная мембрана отсутствует, то водород и кислород свободно смешиваются в потоке протекающей воды. Полученная в результате такой обработки вода имеет высокую степень чистоты, пригодна для питья и имеет пониженный ОВП.

К недостаткам ближайшего аналога можно отнести недостаточно высокую эффективность насыщения воды водородом при снижении достигнутых показателей ОВП вследствие того, что часть положительно заряженных ионов водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода в общем потоке соединяется снова, что снижает итоговое содержание водорода и мешает добиться хороших показателей по ОВП.

В качестве наиболее близкого аналога для предлагаемого устройства насыщения воды водородом принята конструкция устройства электроактивирования питьевой воды, раскрытая в патенте RU 2701913, МПК: C02F 1/461, опубл. 02.10.2019. Устройство содержит средства подачи воды и два вертикальных электрода: цилиндрический катод, выполненный из титана, и коаксиально размещенный в нем анод, образующие между собой проточную электролитическую камеру, сообщенную в верхней части со средствами отвода обработанной воды. Электроды соединены с источником постоянного пульсирующего тока. Другими словами можно сказать, что электроды образуют проточную электролитическую ячейку. Эти признаки ближайшего аналога являются сходными с существенными признаками предлагаемого устройства.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести недостаточно высокую эффективность насыщения воды водородом и дополнительное снижение полученного эффекта, вследствие действия свободного кислорода. Еще одним недостатком устройства по патенту RU 2701913 является образование солевых отложений на электродах, для удаления которых используют кратковременное отключение питания.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности насыщения воды водородом в процессе электролиза.

Достигаемые при использовании предлагаемого изобретения технические результаты заключаются в создании условий для активного выделения водорода при отсутствии выделения свободного кислорода, и исключение образования на электродах солевых отложений.

Раскрытие сущности изобретения

Технические результаты достигаются благодаря тому, что в способе насыщения воды водородом, осуществляемом посредством проточной электролитической ячейки, образованной коаксиальными цилиндрическими электродами, из которых внешний катод выполнен из титана, подключенными к источнику пульсирующего постоянного тока, согласно заявляемому изобретению, в качестве анода используют электрод из пористого титана с покрытием из металла платиновой группы, предпочтительно иридия, диаметры катода и анода подбирают из условия образования между ними проточного зазора не более 1 мм, при этом на электроды подают пульсирующий постоянный ток с частотой пульсаций более 100 кГц и коэффициентом заполнения D=0,5-0,6 (50-60%).

Коэффициент заполнения D является величиной, характеризующей скважность S, которая определяет отношение периода следования (повторения) импульсов к длительности импульса. Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности (D=1/S), он может быть выражен в процентах, благодаря чему более удобен в применении.

Вышеупомянутая совокупность существенных отличительных признаков, включающая материал используемых электродов, размещение электродов между собой с минимальным проточным зазором, а также подача на электроды питания с определенной частотой и скважностью, позволила создать такие условия, при которых произошло смещение электролизных реакций в щелочную сторону с повышением образования водорода и отсутствием выделения свободного кислорода, как показали лабораторные исследования полученной в результате обработки воды.

При этом, при работе электролитической ячейки в таких условиях, на электродах не происходит отложения солей, предположительно в силу высокочастотных импульсов, создающих вибрации в электродах, что не позволяет задерживаться на их поверхности образующимся в ходе электролиза солям.

Упомянутые технические результаты достигаются также благодаря тому, что в устройстве для насыщения воды водородом, содержащем проточную электролитическую ячейку, образованную коаксиальными цилиндрическими электродами, из которых внешний катод выполнен из титана, средства подачи и отведения воды и источник пульсирующего постоянного тока, к которому подключены электроды, согласно заявляемому изобретению, анод выполнен из пористого титана с покрытием из металла платиновой группы, предпочтительно иридия, электроды размещены между собой с зазором не более 1 мм, при этом источник пульсирующего постоянного тока выполнен с возможностью регулирования частоты и скважности, благодаря чему обеспечена возможность подачи на электроды тока с частотой более 100 кГц и коэффициентом заполнения D=0,5-0,6.

В предпочтительном примере реализации устройства электроды выполнены в форме полых цилиндров и установлены в кольцевых углублениях торцевых крышек из диэлектрического материала, стянутых между собой посредством шпильки, пропущенной через осевое отверстие анода, при этом в торцевых крышках выполнены сквозные каналы, сообщенные со средствами подачи и отведения воды.

Суть предлагаемого технического решения и возможность достижения технических результатов подтверждается приведенным ниже примером осуществления и графическими материалами, включающими:

на фиг. 1 - общий вид устройства, с продольным сечением электролитической ячейки;

на фиг. 2 - сечение А-А с фиг. 1;

на фиг. 3 - протокол испытаний №1;

на фиг. 4 - протокол испытаний №2.

Устройство для насыщения воды водородом содержит (см. фиг. 1, 2) проточную электролитическую ячейку, образованную коаксиально установленными электродами трубчатой формы (в виде полых цилиндров), из которых внешний - катод 1 выполнен из титана, а внутренний анод 2 выполнен из пористого титана с покрытием из металла платиновой группы, предпочтительно иридия.

К металлам платиновой группы относятся шесть переходных металлических элементов: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина, имеющие схожие физические и химические свойства. В силу редкости остальных металлов, в промышленно выпускаемых электродах, как правило, применяют платину или иридий.

Диаметры катода 1 и анода 2 подбирают из условия образования между ними проточного зазора 3, шириной не более 1 мм, что в настоящее время технологически возможно. Такое уменьшение зазора, по сравнению с известными аналогами, способствует уменьшению слоя воды между электродами, а значит снижению его электрического сопротивления, что способствует повышению мощности электрохимических процессов.

Электроды 1 и 2 смонтированы посредством торцевых крышек 4 и 5 из диэлектрического материала, имеющих сквозные каналы 6 и 7, соответственно, предназначенные для подключения средств подачи и отведения воды (на чертежах не показаны).

Для обеспечения коаксиального положения электродов 1, 2 и постоянства величины зазора 3 на внутренней поверхности крышек 4 и 5 имеются кольцевые углубления (пазы) соответствующие диаметрам электродов, которые устанавливаются в крышках с упором в эти пазы.

Крышки 4 и 5 стянуты между собой посредством шпильки 8, пропущенной через осевое отверстие анода 2 и центральные (осевые) отверстия крышек.

Шпилька 8, предпочтительно, выполненная в виде титанового стержня, служит не только для соединения конструкции, но и обеспечивает возможность подачи питания к аноду 2, например, через диск 9, установленный с упором в торец анода 2.

Титан, используемый для изготовления катода 1, анода 2 и шпильки 8, не подвержен пассивации под действием тока, что исключает загрязнение обрабатываемой воды частицами электродных материалов.

Электроды 1 и 2 подключают к источнику пульсирующего постоянного тока 10, выполненному с возможностью регулирования частоты и скважности импульсов.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

К каналу 6 крышки 4 подключают штуцер средства подачи воды. К каналу 7 крышки 5 подключают штуцер средства отведения воды. Включают подачу воды, например, из местной водопроводной сети. На электроды подают пульсирующий постоянный ток от источника 10, при этом устанавливают частоту пульсаций f более 100 кГц и коэффициент заполнения D в пределах от 0,5 до 0,6, то есть 50-60%.

Вода, поступающая через канал 6 нижней крышки 4, попадает в проточный зазор 3 между электродами, где происходит процесс электролиза, и далее удаляется по каналу 7 в верхней крышке 5.

В процессе тестирования воды, прошедшей обработку, взятой на выходе из устройства, было обнаружено, что в результате электролиза в таких условиях получается вода с неизменившимся рН 6,5-7,5 и насыщенная растворенным водородом, но при этом показывающая низкое содержание растворенного кислорода, равное содержанию кислорода в исходной воде, что подтверждено проведенными лабораторными исследованиями проб воды.

Таким образом, можно предположить, что при таких условиях проведения электролиза возникает эффект сдвига процесса в щелочную сторону, позволяющий получить на выходе устройства насыщенную водородом питьевую воду, с окислительно-восстановительным показателем ОВП до (-) 800mV.

Для подтверждения обнаруженного эффекта, пробы воды, взятые на входе и выходе устройства, были подвергнуты анализу в сертифицированной аккредитованной аналитической лаборатории Лабораторного центра АО «ОмскВодоканал».

Пробы тестировались на содержание растворенного кислорода посредством газоанализатора растворенного кислорода HQ30D.

Как показали результаты тестов, содержание растворенного в воде кислорода на выходе из устройства составило 12,6±0,2 мгО₂/дм³, что меньше того же показателя воды на входе устройства, составившего 13,0±0,2 мгО₂/дм³. Протоколы тестирования проб воды, взятых на входе и выходе предлагаемого устройства, приведены на фиг. 3, 4.

Высокочастотные вибрации, возникающие в электродах под воздействием пульсирующего тока высокой частоты, предотвращают отложение солей на электродах в процессе работы устройства, что положительно сказывается на долговечности и надежности работы электродов, снимается проблема их очистки.

Испытания проводили при подаче питания с частотой f равной 150 кГц, 300 кГц и 500кГц. При каждой частоте изменяли скважность с шагом 10%, устанавливая коэффициент заполнения D, равный 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7, 0,8 и 0,9.

Как показали проведенные испытания, вышеупомянутые результаты достигаются только в пределах величины коэффициента заполнения D от 0,5 до 0,6 (50-60%).

Устройство простое, компактное и высокопроизводительное, обеспечивает получение чистой воды, насыщенной водородом, с низким ОВП (до -800 mV) и длительным сроком хранения без потери «отрицательных» свойств, что позволяет осуществлять производство в промышленных масштабах.

Группа изобретений относится к области обработки питьевой воды электролизом и направлена на повышение эффективности насыщения воды водородом. Суть решения заключается в том, что используют проточную электролитическую ячейку с коаксиальными электродами, из которых внешний катод выполнен из титана, а внутренний анод - из пористого титана с покрытием из металла платиновой группы, электроды размещают между собой с зазором не более 1 мм, подключают к источнику пульсирующего постоянного тока и подают пульсирующий постоянный ток с частотой пульсаций более 100 кГц и коэффициентом заполнения D 0,5-0,6. Технический результат: создание условий для активного выделения водорода при отсутствии выделения свободного кислорода и исключение образования отложений на электродах. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ насыщения воды водородом, осуществляемый посредством проточной электролитической ячейки, образованной коаксиальными цилиндрическими электродами, из которых внешний катод выполнен из титана, подключенными к источнику пульсирующего постоянного тока, отличающийся тем, что в качестве анода используют электрод из пористого титана с покрытием из металла платиновой группы, диаметры катода и анода подбирают из условия образования между ними проточного зазора не более 1 мм, при этом на электроды подают пульсирующий постоянный ток с частотой пульсаций более 100 кГц и коэффициентом заполнения D 0,5-0,6.

2. Способ насыщения воды водородом по п.1, отличающийся тем, что покрытие анода выполняют из иридия.

3. Устройство для насыщения воды водородом, содержащее проточную электролитическую ячейку, образованную коаксиальными цилиндрическими электродами, из которых внешний катод выполнен из титана, средства подачи воды, средства отведения воды и источник пульсирующего постоянного тока, к которому подключены электроды, отличающееся тем, что анод выполнен из пористого титана с покрытием из металла платиновой группы, электроды размещены между собой с зазором не более 1 мм, при этом источник пульсирующего постоянного тока выполнен с возможностью регулирования частоты и скважности.

4. Устройство для насыщения воды водородом по п.1, отличающееся тем, что источник пульсирующего постоянного тока выполнен с возможностью создания пульсаций частотой более100 кГц и коэффициента заполнения D 0,5-0,6 (50-60%).

5. Устройство для насыщения воды водородом по п.1, отличающееся тем, что покрытие анода выполнено из иридия.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены в форме полых цилиндров и установлены в кольцевых углублениях торцевых крышек из диэлектрического материала, стянутых между собой посредством шпильки, пропущенной через осевое отверстие анода, при этом в торцевых крышках выполнены сквозные каналы, сообщенные со средствами подачи и отведения воды.