Способ безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов

 

Изобретение относится к технологии регулирования физико-химических свойств воды и/или водных растворов и может быть использовано в различных областях техники, в том числе и в практическом здравоохранении. Готовят электроактивированный анолит и/или католит обработкой минерализованного водного раствора в анодной и/или катодной камере диафрагменного электрохимического реактора. Процесс ведут с использованием несообщающихся емкостей, размещенных одна в другой, из которых, по крайней мере, внутренняя выполнена из химически инертного, непористого и неэлектропроводного материала, причем соотношение объемов внешней и внутренней емкостей составляет (1-100):1. Исходную воду и/или водный раствор подают во внешнюю или внутреннюю емкость, а электроактивированный анолит или католит подают соответственно во внутреннюю или внешнюю емкость. Обработку минерализованного водного раствора в анодной и/или катодной камерах ведут до значения окислительно-восстановительного потенциала, измеренного относительно хлорсеребряного электрода сравнения, отличного от значения окислительно-восстановительного потенциала исходной воды и/или раствора не менее чем на 50 мВ. Внешняя и/или внутренняя из используемых емкостей может быть выполнена с возможностью протока обрабатываемой среды и/или электроактивированного анолита или католита, при этом направление протока исходной воды и/или раствора и электроактивированного анолита и/или католита в емкостях ведут в одном или противоположных направлениях. Технический эффект - упрощение способа, снижение расхода электроэнергии и расширение функциональных возможностей. 3 з.п.ф-лы, 6 табл.

Изобретение относится к технологии регулирования физико-химических свойств воды и/или водных растворов и может быть использовано в различных областях техники, в том числе и в практическом здравоохранении, где требуется применение воды и/или водных растворов с заранее заданными характеристиками.

Предшествующий уровень техники В настоящее время известны различные безреагентные способы изменения физико-химических характеристик воды и/или водных растворов, которые по существу представляют собой энергетический обмен обрабатываемой воды и/или водных растворов с внешней средой или с определенным источником энергии.

Известны различные способы таких энергетических воздействий от простых, имеющих аналогии в окружающей среде, таких как понижение температуры вплоть до замерзания, или нагревание и испарение, до сложных, включающих обработку воды и/или водных растворов ультразвуком, магнитным или электромагнитными полями [1, 2, 3]. Однако эти способы недостаточно эффективны, т.е. незначительно изменяют характеристики воды, а кроме того, полученный результат либо сохраняется только в определенных условиях (например, при определенной температуре или определенном фазовом состоянии - лед, пар), что ограничивает возможности использования воды и/или водных растворов в технике, либо сохраняется крайне непродолжительное время. Кроме того, полученные такими способами физико-химические изменения воды и/или водных растворов не всегда подтверждаются объективными измерениями (например, при омагничивании или при озвучивании), поскольку весьма часто приводят к непредсказуемым сдвигам физико-химических свойств жидкости, подвергнутой термодинамически неравновесному физическому воздействию.

Известны способы изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов путем электрохимической обработки, использующие обработку в электролизерах различных конструкций, в основном диафрагменных, в которых применяются различные конструкционные материалы (электродов, диафрагмы), а также режимы обработки [4].

В результате такой обработки изменяются характеристики воды, такие как окислительно-восстановительный потенциал, pH и т.п., что позволяет использовать обработанную воду в различных технологических процессах.

Недостатком этих способов является сравнительная сложность, энергоемкость, а также то, что даже при самых "мягких" режимах электролиза не удается избежать изменения химического состава обрабатываемой среды, что ограничивает область применения известных методов, например лишает возможности использовать их для обработки лекарственных растворов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ регулирования физико-химических свойств растворов, заключенных в герметичные сосуды из диэлектрического материала (стекло, лавсан, фторопласт) [5].

Данный способ включает подачу обрабатываемого объема жидкости в емкость, выполненную из химически инертного, неэлектропроводного материала, и последующее размещение этой емкости в электродных камерах (катодной, анодной) диафрагменного электрохимического реактора, заполненного электролитом, например раствором хлорида натрия, причем свойства самого электролита (его pH и окислительно- восстановительный потенциал) должны быть изменены в результате электрохимической обработки. Емкость с обрабатываемой средой может находиться в камерах как во время электрохимического процесса обработки электролита, так и размещаться в камерах после отключения напряжения, после того, как изменились свойства электролита. При этом в обрабатываемой жидкости происходит изменение окислительно-восстановительного потенциала без изменения ее химического состава, что свидетельствует о новом энергетическом состоянии жидкости. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного решения является его низкая производительность и сравнительная сложность, применение специальных конструкций электрохимических реакторов, имеющих сравнительно большие объемы электродных камер, позволяющих размещать в них емкости с обрабатываемыми средами, что приводит к увеличению объемов камер и повышению расхода электроэнергии. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность простого доступа в электродные камеры, что накладывает существенные ограничения на конструкцию электролизеров, а также требует соблюдения повышенных мер безопасности.

Раскрытие изобретения Целью настоящего изобретения является упрощение способа, снижение расхода электроэнергии на процесс обработки, повышение производительности и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов, включающем получение электроактивированного анолита и/или католита обработкой минерализованного водного раствора в анодной и/или катодной камере диафрагменного электрохимического реактора, подачу исходной воды и/или водного раствора в емкость, выполненную из химически инертного, непористого и неэлектропроводного материала, и контакт стенок этой емкости с электроактивированным анолитом или католитом, изменение физико-химических свойств исходной воды и/или водных растворов ведут с использованием несообщающихся емкостей, размещенных одна в другой, из которых по крайней мере внутренняя выполнена из химически инертного, непористого и неэлектропроводного материала, а соотношение объемов внешней и внутренней емкостей составляет (1-100):1, причем исходную воду и/или водный раствор подают во внешнюю или внутреннюю емкость, а электроактивированный анолит или католит подают соответственно во внутреннюю или внешнюю емкость.

При этом соотношении объемов внешней и внутренней емкостей достигается заметный эффект изменения физико-химических свойств обрабатываемой среды. При меньшем соотношении скорость процесса замедляется, при большем - увеличивается энергоемкость процесса получения электроактивированных католита и анолита. Кроме того, следует отметить, что при меньшем соотношении объемов, величина площади поверхности стенок внутренней емкости становится настолько мала, что процесс изменения свойств практически не происходит.

Величина площади поверхности стенок внутреннего сосуда определяется в зависимости от условий решаемой задачи и конструктивного оформления способа, однако следует стремиться к увеличению поверхности внутренней емкости, что увеличивает скорость процесса.

В процессе изменения физико-химических свойств исходная вода и/или водный раствор может подаваться как во внутреннюю, так и во внешнюю емкость. Порядок заполнения емкостей определяется условиями решаемой задачи и возможным аппаратурным оформлением способа.

Обработку водного раствора электролита в анодной и/или катодной камерах ведут до заранее заданного значения окислительно-восстановительного потенциала, измеренного относительно хлорсеребряного электрода сравнения, отличного от значения окислительно-восстановительного потенциала исходной воды и/или водного раствора не менее чем на ±50 мВ.

В случае, если разность окислительно-востановительных потенциалов обрабатываемой воды и/или водных растворов и анолита и/или католита составляет менее 50 мВ, то процесс изменения физико-химических свойств воды и/или растворов протекает с незначительным эффектом и является кратковременным.

В процессе изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов могут быть использованы размещенные друг в друге емкости, из которых внешняя и/или внутренняя выполнены с возможностью протока обрабатываемой среды и/или электроактивированного анолита или католита. Так емкости могут быть выполнены по принципу "труба в трубе". Внутренняя емкость также может быть выполнена в виде змеевика, что позволяет увеличить поверхность внутренней емкости и одновременно оптимизировать гидравлический режим в ней. Такое выполнение позволяет интенсифицировать процесс и обеспечить его непрерывность.

При такой организации процесса изменения физико-химических свойств исходной воды и/или водного раствора направление протока обрабатываемой среды и электроактивированного анолита или католита в емкостях ведут в одном или противоположных направлениях.

Выбор направления протока определяется условиями решаемой задачи. С помощью выбора разных направлений потоков можно регулировать интенсивность и скорость изменения свойств среды.

При осуществлении способа целесообразно использовать проточные электрохимические реакторы, описанные в патенте РФ N 2078737 или патенте США N 5,635,040. Эти реакторы представляют собой компактные диафрагменные электролизеры, выполненные из вертикальных цилиндрического и стержневого электродов, коаксиально установленных в диэлектрических втулках, керамической диафрагмы, также коаксиально установленной во втулках между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем камеры имеют вход в нижней и выход в верхней частях ячейки. Электролизеры выполнены по модульному принципу, что позволяет реализовать способ с обеспечением заданной производительности как по анолиту, так и по католиту.

При получении анолита и католита с заданными параметрами целесообразно использовать электрохимические реакторы с ультрафильтрационной или нанофильтрационной диафрагмой из керамики, например из керамики на основе оксида циркония.

Диафрагма из керамики на основе оксида циркония может также содержать добавки оксидов алюминия и иттрия или из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия.

Керамические диафрагмы не изменяют свои характеристики при перепаде давления и в процессе обработки, что обеспечивает стабильность параметров обработки.

Состав керамики выбирают исходя из условий решаемой задачи и состава электролита, но следует отметить, что керамика на основе оксида циркония или керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия является химически стойкой и обладает оптимальным сочетанием характеристик для решения поставленных задач.

В качестве емкостей для обрабатываемой жидкости и электроактивированного анолита или католита предпочтительно использовать тонкостенные (с толщиной стенки от 0,02 до 0,3 мм) емкости из стекла, лавсана или фторопласта, т.е. из практически неэлектропроводного, гидродинамически непроницаемого и электрохимически инертного материала.

Обрабатываемая жидкость, таким образом, не загрязняется ни продуктами электрохимических реакций, ни микроорганизмами. Обрабатываемую жидкость можно сделать абсолютно стерильной, выполнив внутренние емкости в виде герметичных ампул, предварительно поместив ампулы с жидкостью в баротермокамеры. Посредством влияния же на ампулы с жидкостью электроактивированного анолита или католита можно изменять физико-химические свойства жидкости в ампулах в сторону приобретения восстановительных или окислительных свойств, т.е. направленно регулировать активность электронов в обрабатываемой среде.

Примеры практической реализации Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей реализации способа.

Во всех примерах использовался электрохимический реактор по патенту РФ N 2078737 с коаксиально установленными цилиндрическим и стрежневым электродами и коаксиально же установленной между ними керамической ультрафильтрационной диафрагмой из керамики на основе смеси окислов циркония, алюминия и иттрия (соответственно 60, 37 и 3% мас.) и толщиной 0,7 мм. В качестве электродов использовались титан с покрытием из смеси оксидов рутения и иридия (анод) и титан с пироуглеродным покрытием (катод). Длина ячейки составляла 200 мм, а объемы электродных камер составляют 10 мл катодной камеры и 7 мл анодной.

В качестве электролита, если это не оговорено отдельно, использовали водный 0,5% раствор хлорида натрия. Электролит подавался параллельными потоками в анодную и катодную камеры реактора.

Величину окислительно-восстановительного потенциала во всех примерах определяли относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

Пример 1. В качестве обрабатываемой жидкости использовали стандартный физиологический раствор с 0,9%-ной концентрацией хлористого натрия, запаянный в стеклянные ампулы (материал 1) объемом 10, и тот же раствор, помещенный в герметичные капсулы из лавсана (материал 2) и фторопласта (материал 3) объемом также 10 мл. Исходное значение pH составляло 6,8, а значение окислительно-восстановительного потенциала - +250 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

Электроактивированный в катодной и/или анодной камере электролизера раствор электролита подают в дополнительные емкости вместимостью 465 мл, и в эти же емкости помещают ампулы и капсулы с обрабатываемой жидкостью при соотношении объемов электроактивированного католита и/или анолита и обрабатываемой жидкости 6: 1. Были использованы электролит с минерализацией 0,5 г/л, обработка которого позволяет получить ОВП для католита минус 820 мВ, а для анолита плюс 1190 мВ; электролит с минерализацией 1,0 г/л, обработка которого позволяет получить ОВП для католита минус 960 мВ, а для анолита плюс 1250 мВ; электролит с минерализацией 5 г/л, при обработке которого были получены ОВП для католита минус 900 мВ, а для анолита плюс 1260 мВ. Емкости с обрабатываемой жидкостью выдерживали в течение периода энергообмена между средой воздействия и обрабатываемой жидкостью. Из анолита и католита через каждые 5 мин вынимали по одной ампуле и капсуле и замеряли ОВП. Стабилизация ОВП (т.е. прекращение его роста) характеризовала стабилизацию энергообмена.

В таблице 1 показана зависимость изменения ОВП в обрабатываемой жидкости во времени при различных величинах ОВП среды воздействия.

Как видно из таблицы 1, предел периода энергообмена не превышал 30 мин.

Для контроля ампулы и капсулы с обрабатываемой жидкостью помешали в емкости с растворами кислоты и щелочи, приготовленные химическим путем и имевшим те же значения pH, что и электроактивированные анолит и католит. Полученные данные представлены в таблице 2. Как видно из полученных данных, энергообмена между кислотой или щелочью и обрабатываемой жидкостью не происходило, и величина ОВП обрабатываемой жидкости осталась без изменения (см. таблицу 2).

Пример 2. В качестве обрабатываемой жидкости использовали стандартный физиологический раствор с 0,9% концентрацией хлористого натрия, запаянный в стеклянные ампулы объемом 10 мл, и тот же раствор, помещенный в герметичные капсулы из лавсана и фторопласта объемом 10 мл.

Раствор хлорида натрия 10% концентрации обрабатывают параллельными потоками в катодной и анодной камерах реактора до с объемным расходом 0,7 л/мин. Полученные анолит с pH 1,8 и ОВП 1120 мВ и температурой 42^oC и католит с pH 12,3, ОВП минус 840 мВ и температурой 45^oC непрерывно подают в дополнительные емкости вместимостью 465 мл и выводят из этих емкостей со скоростью 0,7 л/мин. В эти же емкости помещают ампулы и капсулы с обрабатываемой жидкостью и выдерживают в течение 30 мин. Соотношении объемов электроактивированного католита и/или анолита и обрабатываемой жидкости в емкостях составляло 6:1.

Ампулы извлекали из емкостей, охлаждали до температуры окружающей среды, вскрывали и проводили измерение pH и ОВП. Повторные измерения образцов, находящихся в открытой посуде, проводили через 60 и 120 минут. Результаты представлены в таблице 3.

Как следует из представленных данных, через два часа после завершения обработки в условиях данного примера параметры обработанной жидкости возвращаются в исходное состояние. Время релаксации зависит от параметров обработки и объемов обрабатываемой жидкости и определяется в каждом конкретном случае в зависимости от условий решаемой технической задачи.

Пример 3. Пластиковую (поликарбонатную) емкость с католитом погружали в стеклянную емкость с исходной водой, в качестве которой использовали отстоявшуюся в течение двух суток водопроводную воду. Емкость поликарбонатная объемом 0,33 л. Заполнена католитом, который синтезирован в установке с использованием реактора по патенту РФ N 2073787 при напряжении 32 В, токе 12 А. Объемная подача солевого раствора с электропроводностью 6,5 мC/см (минерализацией C ≈4 г/л) составляла 1 л/мин. Емкость с католитом загерметизирована и погружена в открытую стеклянную емкость объемом 1 л с исходной водой. Таким образом, на границе раздела внутренней и внешней емкостей имела место следующая система: исходная вода (поликарбонат) католит.

В ходе опыта исследовались pH и ОВП. В качестве контрольного опыта исследовали ту же исходную воду, помещенную в такую же емкость и находящуюся в тех же условиях, но без погружения в нее внутренней емкости с католитом.

Полученные результаты представлены в таблице 4.

Пример 4. В открытую стеклянную емкость (1 л) с исходной водой (по примеру 2) погружали закрытую пластиковую (поликарбонатную) емкость (0,33 л) с раствором анолита АН (режим синтеза: напряжение 32В, ток 12А, подача исходного солевого раствора с минерализацией ≈4 г/л составила 1 л/мин) со следующими параметрами: pH 6,7; ОВП = 670 мВ, ХСЭ. Также проводился контрольный опыт, в котором в стеклянную открытую емкость с исходной водой погружали герметическую полиэтиленовую емкость с 10% HCl (pH 0,48; ОВП 880). В процессе экспонирования измерялись pH и ОВП.

Получены результаты в системе: вода (поликарбонат) анолит представлены в таблице 5.

Пример 5. Изменение физико-химических свойств напитков в разовой таре определяли на примере минеральной воды и пива в пластиковой фабричной упаковке. Минеральную воду Vera и пиво "Столичное" в пластиковых фабричных бутылках емкостью 1,5 л погружали в стеклянные емкости объемом 3 л, заполненные католитом, синтезированным в соответствии с условиями примера 2 с (32 В, 14 А, pH 11,2-11,8; ОВП - (-720) - (-880)) мВ, ХСЭ. Данные представлены в таблице 6.

Как показывают приведенные данные, использование данного способа позволяет, не изменяя химического состава растворов, изменять его характеристики, такие, например, как окислительно-восстановительный потенциал. Регулируя окислительно-восстановительный потенциал растворов можно изменить активность этих растворов в окислительно-восстановительных реакциях и таким образом оказывать направленное воздействие на различные технологические процессы. Кроме того, направлено 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.

Промышленная применимость Как показывают представленные данные, использование изобретения позволяет изменять физико-химические свойства обрабатываемой воды и/или растворов при минимальных затратах энергии и без изменения химического состава обрабатываемых сред и может быть использовано в пищевой промышленности для регулирования потребительских качеств продуктов или в медицине для направленного изменения физико-химических свойств жидкостей, например крови, циркулирующей в организме, или для изменения физико-химических свойств, если это необходимо, лекарств при полном соблюдении стерильности и отсутствии загрязнения обрабатываемых жидкостей посторонними веществами.

Источники информации 1. Классен В.И. Физическая активация воды и ее применение в народном хозяйстве. - М.: Химическая промышленность, N 5, 1985, с. 37 - 40.

2. Летников Ф.А. и др. Активированная вода. Новосибирск: Наука, 1976, с. 50 - 83.

3. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982, с. 296.

4. Бахир В.М. Электрохимическая активация, ч. 1. - М.: ВНИИИМТ, 1992, с. 144 - 186.

5. Бахир В.М. Электрохимическая активация, ч. 1. - М.: ВНИИИМТ, 1992, с. 197 - 204.

Формула изобретения

1. Способ безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов, включающий получение электроактивированного анолита и/или католита обработкой минерализованного водного раствора в анодной и/или катодной камере диафрагменного электрохимического реактора, подачу исходной воды и/или водного раствора в емкость, выполненную их химически инертного, непористого и неэлектропроводного материала, и контакт стенок этой емкости с электроактивированным анолитом или католитом, отличающийся тем, что изменение физико-химических свойств исходной воды и/или водных растворов ведут с использованием несообщающихся емкостей, размещенных одна в другой, из которых по крайней мере внутренняя выполнена из химически инертного, непористого и неэлектропроводного материала, причем соотношение объемов внешней и внутренней емкостей составляет (1 - 100) : 1, исходную воду и/или водный раствор подают во внешнюю или внутреннюю емкость, а электроактивированный анолит или католит подают соответственно во внутреннюю или внешнюю емкость.

2. Способ безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов по п.1, отличающийся тем, что обработку минерализованного водного раствора в анодной и/или катодной камерах ведут до значения окислительно-восстановительного потенциала, измеренного относительно хлорсеребряного электрода сравнения, отличного от значения окислительно-восстановительного потенциала исходной воды и/или раствора не менее чем на 50 мВ.

3. Способ безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в процессе изменения физико-химических свойств используют размещенные друг в друге емкости, из которых внешняя и/или внутренняя выполнены с возможностью протока обрабатываемой среды и/или электроактивированного анолита или католита.

4. Способ безреагентного изменения физико-химических свойств воды и/или водных растворов по п.3, отличающийся тем, что в процессе изменения физико-химических свойств направление потока исходной воды и/или раствора и электроактивированного анолита и/или католита в емкостях ведут в одном или противоположных направлениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6