Способ приготовления водных растворов электролитов под воздействием ультразвуковой кавитации

Изобретение относится к способам, основанным на использовании энергии ультразвуковой кавитации для интенсификации процессов растворения и диссоциации, например, в химической, электротехнической и пищевой промышленности. В способе приготовления водного раствора электролита, содержащего в качестве компонентов диссоциируемые, гидратируемые, недиссоциируемые и негидратируемые вещества, кавитацией воздействуют на воду до растворения в ней диссоциируемого компонента. Энергия ультразвуковой кавитации путем надтеплового воздействия на воду реализует в ней механизмы, свойственные химии высоких энергий, и разрушает межмолекулярные водородные связи, образующие в условиях термодинамического равновесия кластерную структуру воды. Это значительно повышает ее растворяющую и диссоциирующую способность. При этом не требуется использовать устойчивый к агрессивным средам кавитационный реактор, что упрощает его конструкцию и уменьшает стоимость без снижения эффекта от использования кавитации.

 

Изобретение относится к способам растворения, основанным на использовании энергии ультразвуковой кавитации для интенсификации процессов растворения и диссоциации электролитов в воде, например, в химической, электротехнической и пищевой промышленности.

В химической промышленности изобретение может быть использовано для ускорения жидкофазных реакций в водных растворах электролитов при осуществлении различных технологических процессов. В электротехнической промышленности с помощью изобретения можно изготавливать растворы электролитов для химических источников тока. В пищевой промышленности изобретение может применяться в приготовлении рассолов и при посоле пищевого сырья при производстве рыбо-, мясо- и овощепродуктов, а также консервов из животного и/или растительного сырья.

Известен способ изготовления раствора электролита для марганцево-цинкового химического источника тока [заявка №93016666 RU, 1993], при котором органический ингибитор коррозии, являющийся недиссоциируемым компонентом, смешивают с полимерным или олигомерным составляющим и диспергируют в воде или водном растворе электролита с нагреванием до температуры, не превышающей температуры начала разложения любого из компонентов. В результате повышается сохраняемость элемента и снижается расход ингибитора, обладающего слабой растворимостью в водной среде.

Обязательное нагревание приготавливаемого раствора электролита, от достигаемой в результате которого температуры прямо зависит технический эффект, препятствует получению сформулированного ниже технического результата, например, в пищевой промышленности, где пороги термической денатурации протеинов или витаминов имеют невысокие значения температур. Кроме того, этот способ нецелесообразно интенсифицировать путем использования эффекта кавитационной дезинтеграции, так как кавитационный порог, а соответственно, и получаемый эффект при повышении температуры снижаются [1].

Известен способ приготовления раствора электролита [RU 1729025, 1990], предназначенный для применения в химической, металлургической и пищевой промышленности, который может быть использован при осуществлении физико-химических процессов, протекающих между твердым веществом и жидкостью и сопровождающихся переводом всего или части этого вещества в раствор. Способ включает в себя растворение солей и минералов при перемешивании или циркуляции суспензии через зону растворения. При этом суспензию подвергают непрерывной гидродинамической обработке струями раствора, вводимыми в зону растворения.

Даже если в струях раствора из-за наличия градиентов давления и возникает кавитация, то она имеет гидродинамическую природу. Известно, что гидродинамическая кавитация гораздо менее эффективна, чем ультразвуковая (акустическая), возникающая в упругих волнах в жидкости под воздействием переменного звукового давления [2]. Но и гидродинамическая кавитация в растворе электролита, который сам по себе является агрессивной средой, потребует принятия мер к обеспечению эрозионной и коррозионной стойкости оборудования, в котором осуществляется процесс. Все это препятствует достижению сформулированного ниже технического результата.

Известен способ приготовления растворов электролитов, предназначенных для получения композиционных покрытий, используемый в гальванотехнике [RU 2088689, 1996]. Приготавливаемый раствор содержит дисперсную фазу в виде твердых микрочастиц металлов, которая обеспечивает повышение седиментационной устойчивости и улучшение физико-механических характеристик покрытий за счет высокой степени дисперсности частиц фазы. Способ включает введение в раствор этой дисперсной фазы и дальнейшее ее диспергирование до состояния стабильного коллоида воздействием ультразвуковых колебаний.

Поскольку здесь диспергирующим фактором является кавитация, возбуждаемая ультразвуком в растворе электролита - химически агрессивной среде, то требуются эрозионная и коррозионная защита оборудования, в котором осуществляется процесс, что делает его сложнее и дороже. Это препятствует достижению технического результата настоящего изобретения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ приготовления рассола в мясоперерабатывающей промышленности, содержащего в качестве диссоциируемого компонента NaCl и посола им измельченного мясного сырья. Способ включает активирование рассола путем обработки в кавитационном реакторе и смешивание активированного рассола с мясным сырьем, являющимся слаборастворимым и слабодиссоциируемым компонентом, содержащим полиэлектролиты [RU 2245624, 2004]. Повышение под действием кавитации растворяющей и диссоциирующей способности воды позволяет обеспечить в продукте требуемое содержание иммобилизированных молекулами воды в сольватных оболочках биополимеров мяса ионов натрия и хлора при снижении общего содержания NaCl [4]. Этот способ принят за прототип.

В отношении достижения технического результата изобретения способ обладает тем же недостатком, что и рассмотренные выше, а именно кавитация, усиливающая химическую агрессивность электролита, будет разрушать кавитационный реактор, в котором осуществляется процесс активирования [5]. Поэтому разработчиком принимаются специальные меры к предотвращению таких разрушений, что усложняет и удорожает аппаратуру для приготовления этого раствора электролита [6, 7]. Это не позволяет получить сформулированный ниже технический результат.

Изобретение направлено на создание способа приготовления водных растворов электролитов с использованием ультразвуковой кавитации для интенсификации процесса и улучшения результата, не требующего принимать при его осуществлении меры коррозионной и эрозионной защиты оборудования, в котором осуществляется кавитационное воздействие.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, энергия ультразвуковой кавитации может оказывать непосредственное диссоциирующее действие на растворимые в воде химические соединения с ионной и ковалентной типами связей [8, 9]. Это действие оказывается путем реализации механизмов химии высоких энергий и имеет надтепловой характер [2, 4]. Восстановление же равновесного термодинамического состояния раствора после такого рода кавитационного воздействия протекает за короткий отрезок времени. В равновесном состоянии степень диссоциации электролита становится соответствующей норме, если его ионы не будут иммобилизированы полярными молекулами воды. Как видно из [4], релаксация нестационарного состояния диссоциации NaCl в воде имеет экспоненциальную зависимость от времени с отрицательным коэффициентом перед аргументом. Однако существует еще один значимый фактор кавитационного воздействия, влияющий на степень диссоциации электролитов, - это кавитационная декластеризация воды [10], в которой они растворяются. Путем надтеплового кавитационного воздействия на воду можно разрушить в ней межмолекулярные водородные связи, образующие в стационарном состоянии ее кластерную структуру. Это значительно повышает ее растворяющую и диссоциирующую способность. Поэтому водные растворы электролитов можно готовить в таком порядке. Сначала обрабатывать воду в кавитационном реакторе, затем растворять или разбавлять ею электролитную фазу независимо от того, является она твердым веществом, концентрированным раствором или дисперсной системой, включающей нерастворимые компоненты. При этом не требуется использовать устойчивый к агрессивным средам кавитационный аппарат. При проведении исследований экспериментально было установлено, что значения степени диссоциации электролитов типа A⁺В^-, к которым относится NaCl, после растворения в воде предварительно подвергнутой кавитационной обработке и при обработке готового раствора NaCl той же концентрации, уже через 5 секунд после завершения процесса растворения и обработки, соответственно, практически не отличаются. Это говорит о том, что ионы диссоциируемого электролита приобретают в обработанной воде плотные сольватные оболочки из свободных молекул воды, то есть иммобилизируются ими, что препятствует их ассоциации.

Техническим результатом изобретения является снижение требований к эрозионной защите оборудования для осуществления процесса приготовления водных растворов электролитов под воздействием ультразвуковой кавитации, а следовательно, упрощение этого оборудования без уменьшения эффекта от использования кавитации.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается за счет того, что в способе приготовления водного раствора электролита, содержащего в качестве компонентов другие диссоциируемые, а также недиссоциируемые, гидратируемые и негидратируемые вещества, включающем обработку ультразвуковой кавитацией, отличие состоит в том, что обработке ультразвуковой кавитацией подвергают воду, после чего ее смешивают с остальными компонентами раствора.

При анализе отличительных признаков описываемого способа не выявлено каких-либо известных аналогичных технических решений в области предмета изобретения и смежных областях техники.

Способ осуществляют следующим образом.

Воду подвергают воздействию ультразвуковой кавитации, например в кавитационном реакторе, после чего она приобретает повышенную по отношению к условиям термодинамического равновесия растворяющую и диссоциирующую способность. Затем из воды, обработанной в кавитационном реакторе, приготавливают раствор электролита. Для этого ее смешивают с диссоциируемым компонентом, в качестве которого может использоваться, например, NaCl, а также недиссоциируемыми, гидратируемыми и негидратируемыми веществами, например гидрофильными и гидрофобными полимерами, в виде порошков, коллоидных и истинных растворов или взвесей.

Ниже приведены примеры конкретного использования изобретения в соответствии с его признаками.

Изобретение применялось для приготовления рассолов, используемых при посоле мясного сырья в производстве вареных колбас и составлении фаршей самих колбасных изделий [11, 12]. В качестве устройства для кавитационной обработки использован аппарат типа «СИРИНКС 4000» [13]. Обработке подвергалась применяемая при производстве пищевых продуктов вода, на основе которой приготавливался раствор электролита - смесь воды и соли с мясным сырьем, содержащим недиссоциируемые, негидратируемые и гидратируемые компоненты, в качестве которых в данном случае выступают все биополимеры: жиры и протеины, соответственно, вносимые в раствор в виде измельченного мяса. Для сравнения производилась обработка заранее приготовленного рассола - концентрированного раствора натрия хлорида - и смешивание его с мясным сырьем в соответствии с RU 2245624, 2004. В том и другом случаях измельчение кускового мяса и его смешивание с солью и активированной в ультразвуковом кавитационном реакторе водой или, соответственно, раствором NaCl осуществляли в эмульситаторе FD 2/70 Karl Schell с последующей обработкой с остальными компонентами рецептуры в куттере К 324 Seydelmann. Количество воды, составляющей среду электролита, рассчитывали как отношение содержания соли в смеси компонентов к весу соли, насыщающей 1 кг воды при температуре +8...+10°С. Термообработку производили в термокамере Fessmann. Испытания проводились при изготовлении колбасы вареной по ГОСТ 23670-79. Среднестатистические по 10 партиям колбасных изделий значения остаточного содержания NaCl, измеренного по концентрации ионов Cl^- стандартным методом, составили в том и другом случаях 2,20±0,03%, то есть степень диссоциации основного электролита была одинаковой. При этом в случае осуществления заявленного способа в аппарате «СИРИНКС 4000» обрабатывалась вода, а не концентрированный раствор NaCl, поэтому ясно, что химическая коррозия в нем была исключена.

Следующий пример - приготовление заявленным способом (и для сравнения способом, выбранным в качестве прототипа) раствора электролита, применяемого в качестве пасты для полирования и доводки металлических изделий [14], например, в ювелирном деле. В его состав входили: жидкое стекло - поверхностно-активный компонент (электролит), мелкодисперсный электрокорунд - абразивный материал (недиссоциируемый и негидратируемый компонент), порошок высушенной скорлупы грецкого ореха - дисперсный наполнитель (смесь гидратируемых слабодиссоциируемых компонентов). В качестве устройства для кавитационной обработки использован лабораторный аппарат типа «СИРИНКС 250». При помощи него в открытой стеклянной емкости объемом 200 мл в первом случае кавитационному воздействию в течение 90 с подвергалась дистиллированная вода. Далее в обработанной воде растворялся сухой электролит, а полученный раствор смешивался с остальными компонентами. То есть были осуществлены все признаки заявленного способа. Во втором случае кавитационной обработке в тех же условиях подвергался водный раствор электролита с таким же содержанием, как и в первом случае. Затем он также смешивался с оставшимися компонентами: абразивом и наполнителем. Соотношение сухого вещества и воды в пасте по массе в том и другом случае составляло 2:1. После приготовления этих образцов пасты часть каждого из них смешивалась с водой в пропорции 1:50. Степень диссоциации электролита в растворе устанавливалась путем измерения удельной электропроводности кондуктометрическим датчиком прибора «Анион 7051» (ИНФРАСПАК, Новосибирск). В том и другом случаях электропроводность раствора в пределах погрешности измерений прибора получилась одинаковой. То есть влияние кавитационной обработки на степень растворения и диссоциации электролита в том и другом случае также одинаково. При кавитационной обработке воды в первом случае и раствора солей во втором в зону кавитационного воздействия в одном и том же месте емкости, в которой проводилась обработка, были помещены одинаковые полоски алюминиевой фольги - образцы. Таким образом, был осуществлен известный метод Кнэппа [15], применяемый для исследования интенсивности кавитационной эрозии. До и после обработки измерялась масса образцов и рассчитывалось ее уменьшение, характеризующее степень эрозии. В первом случае образец потерял только 3,2% массы, тогда как во втором - 8,3%. То есть в результате были получены одинаковые параметры приготовленного раствора, характеризующие его как раствор электролита, а эрозионное воздействие на находящийся внутри аппарата металлический образец, а значит, и на конструкции самого аппарата, например, на акустический трансформатор, изготовленный из титанового сплава и служащий излучателем ультразвука, в первом случае было меньше.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

Литература

1. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. Теория кавитационного реактора. - М.: ЕВА-пресс, 2001.

2. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность. Ч.1 // Хранение и переработка сельхозсырья, 2004. 7, - С.24-28.

3. Большая Советская Энциклопедия. - М.: Изд. Советская Энциклопедия, т.30, ст. «Электролиты», 1972.

4. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность. Ч.2 // Хранение и переработка сельхозсырья, 2004. 10. - С.9-13.

5. Исследование явления интенсификации физико-химических процессов «мокрого» посола мяса в шроте раствором поваренной соли, подвергнутым кавитационной дезинтеграции, и разработка специализированного оборудования // Отчет по НИР. ВНИТЦ, государственный регистрационный номер 0120.0 405099, 2004 г.

6. Решение о выдаче патента РФ на полезную модель по заявке №2004120738, 2004.

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611996, 2004.

8. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. - М.: ИФ-МЛ, 1963. - 420 с.

9. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ, 1956.

10. Шестаков С.Д. Энергетическое состояние воды и ее связываемость биополимерами пищевого сырья: Новые возможности // Хранение и переработка сельхозсырья, 2003. 4, - С.35-37.

11. Шестаков С.Д. Технология кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред и ее применение в мясной промышленности // Труды международного форума «Мясная промышленность». - М: Изд. Асти Групп, 2002, с.95-96.

12. Шестаков С.Д., Соколов В.Б., Честнов С.М., Джафарова Н.А., Подхомутов Н.В., Бардонова Е.Ф. Оборудование и технология активации растворов посолочных веществ для мокрого посола мяса // Материалы международной научно-технической конференции «Современные технологии переработки животноводческого сырья в обеспечении здорового питания: наука, образование и производство». - Воронеж.: Изд. ВГТА, 2003. - С.326-333.

13. Аппарат «Сиринкс 4000» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред, СИТБ.443146.002ТУ, 2002.

14. Большая Советская Энциклопедия. - М.: Изд. Советская Энциклопедия, т.20, ст. «Полирование», 1972.

15. Knapp R., Daily J., Hammitt F. Cavitation. - New York: McGraw Book Company, 1970.

Способ приготовления водного раствора электролита, содержащего в качестве компонентов раствора диссоциируемые, а также недиссоциируемые, гидратируемые и негидратируемые вещества, включающий обработку ультразвуковой кавитацией, отличающийся тем, что обработке ультразвуковой кавитацией подвергают воду, после чего в воде растворяют компоненты раствора.