Способ получения активированных растворов

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способам получения растворов с заранее заданными свойствами. Способ включает воздействие на раствор водорасторимой соли в воде постоянным электрическим током в камерах диафрагменного электролизера. В полученный активированный раствор вводят водорастворимую соль в количестве, позволяющем образовать двухфазную систему, состоящую из насыщенного раствора и равновесного осадка соли, которые после разделения используют для активирования новых растворов. В активируемый раствор дополнительно вводят водорастворимые кремнийсодержащие соединения, например силикаты натрия или калия, в количестве от 0,05 до 3,0% к массе раствора. Технический эффект - создание устойчивых во времени активированных структур водосодержащих сред с небольшими энергетическими затратами, которые могут найти применение в химической технологии, сельском хозяйстве, медицине и других областях. 1 з.п. ф-лы, 7 табл.

 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способам получения растворов, обладающих заранее обусловленными свойствами, и может найти применение в химической, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине и других отраслях хозяйства.

Известны различные способы активирования водных растворов: механическое диспергирование, воздействие лазером, постоянным магнитным или высокочастотным электромагнитным полем, а также электрохимическим способом [1; 2].

Последний из перечисленных способов заключается в том, что на водосодержащий электропроводный раствор (электролит) воздействуют постоянным электрическим током в диафрагменном электролизере [3].

В результате обработки получают так называемые анолит и католит - жидкости, обладающие рядом специфических свойств, том числе, соответственно, кислотными или щелочными свойствами. Электрохимические показатели (ЭХП) анолита и католита характеризуются водородным показателем (рН) и окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП).

Получаемые указанными способами активированные водные растворы имеют тот недостаток, что вследствие релаксации они сохраняют свои специфические свойства относительно короткое время. Так, 0,5 л католита теряет свойства активности уже через 13-27 часов, анолита - через 17-19 часов [4; с.45].

По этой причине активирование растворов проводят непосредственно перед их использованием, что требует наличия в каждом случае специального оборудования.

Известен способ получения активированных жидкостей [5], который состоит в том, что образующиеся в камерах электролизера активированные растворы сгущают, а полученные концентраты растворяют в жидкости, подлежащей активированию.

Недостатком данного способа, принятого нами за прототип, является высокая энергоемкость процесса получения целевых продуктов. Это обусловлено тем, что концентрация получаемых в электролизере активированных водных растворов не превышает (0,3-0,5) %. Таким образом, чтобы приготовить 3-5 г активированного концентрата, необходимо удалить из раствора, соответственно, от 997 до 995 г воды - вымораживанием, выпариванием, мембранным или другим методом, требующим значительных энергетических затрат.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача - снизить энергозатраты на получение активированных растворов. Это достигается тем, что в водный раствор водорастворимой соли, подвергшийся воздействию постоянного электрического тока в камерах диафрагменного электролизера, вводят водорастворимую соль в количестве, позволяющем образовать двухфазную систему, состоящую из насыщенного раствора и равновесного осадка соли, которые после разделения используют для активирования новых растворов.

В определенных случаях, в зависимости от состава и назначения целевого продукта, в активируемый раствор вводят водорастворимые кремнийсодержащие соединения, например силикаты натрия или калия, в количестве от 0,05 до 3,0% к массе раствора.

Практически предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Раствор водорастворимой соли в воде концентрацией (0,1-0,5) % подвергают воздействию постоянного электрического тока в камерах диафрагменного электролизера. В результате электрохимической обработки в камерах электролизера получают два активированных раствора, один из которых - анолит с рН<7,0 - обладает кислотными свойствами и положительным окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП), другой - католит с рН>7,0, соответственно, - щелочными свойствами и отрицательным ОВП.

В каждый из полученных активированных растворов (анолит и католит) вводят соль, хорошо растворимую в воде. При этом соль берется в избытке, в количестве, позволяющем образовать двухфазную систему, состоящую из насыщенного раствора и равновесного осадка соли. После перемешивания и отстаивания насыщенный раствор отделяют от осадка фильтрацией или декантацией, а осадок обезвоживают, например, воздушной сушкой при комнатной температуре или под вакуумом.

В результате перечисленных операций как насыщенный (маточный) раствор, так и осадок соли приобретают свойства электрохимической активности. При разбавлении водой насыщенного раствора или при растворении в воде осадка соли получают активированные растворы с электрохимическими показателями, соответствующими исходным активированным растворам - анолиту и католиту.

Ниже приводятся примеры осуществления заявляемого способа.

Для реализации способа использовали электролизер с корпусом, изготовленным из винипласта, снабженный керамической диафрагмой и графитовыми электродами. Блок питания включал в себя ЛАТР и выпрямитель, а измерительный блок - амперметр постоянного тока и вольтметр. Для измерения водородного показателя рН и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) применяли рН-метр-милливольтметр марки рН-121.

Пример 1

Приготовили 0,5%-ный раствор хлорида натрия NaCl в дистиллированной воде. После обработки раствора в электролизере постоянным электрическим током получили два активированных раствора - анолит и католит. В каждый из них добавили соль - хлорид натрия - в таком количестве, чтобы образовались насыщенный раствор и нерастворимый равновесный осадок (при данной температуре). После отстаивания насыщенный (маточный) раствор и осадок разделили фильтрацией.

При выполнении перечисленных операций измеряли электрохимические показатели (рН и ОВП) растворов: исходного раствора (до активирования), анолита, католита и насыщенных растворов. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1
Характеристика среды	рН	ОВП, мВ
Исходный 0,5%-ный раствор NaCl	7,5	+80
Вода дистиллированная	7,1	-70
Анолит (активированный+ 0,5%-ный раствор NaCl) Анолит, насыщенный солью NaCl	2,4 2,1	+260 +300
Католит (активированный -0,5%-ный раствор NaCl) Католит, насыщенный солью NaCl	12,4 11,7	-320 -350

Пример 2

В исходный 0,3%-ный водный раствор хлорида натрия NaCl ввели кремнийсодержащее соединение состава Na₂O·mSiO₂+K₂O·nSiO₂ в виде жидкого стекла (ЖС) с содержанием сухого вещества 45% в количестве 1,0% к массе исходного раствора. Приготовленный раствор проактивировали в электролизере. В полученные в результате этого анолит и католит добавили хлорид натрия NaCl в избытке, до образования насыщенных растворов с равновесными осадками соли. Насыщенные (маточные) растворы и осадки разделили фильтрацией. Осадки высушили на фильтре при комнатной температуре и вновь растворили в дистиллированной воде. Результаты измерений электрохимических показателей растворов приведены в таблице 2.

Таблица 2
Характеристика среды	рН	ОВП,мВ
Исходный раствор (0,3%-ный раствор NaCl+1,0%-ный раствор ЖС)	10,9	-280
Вода дистиллированная	7,2	-70
Анолит (активированный+ 0,3%-ный раствор NaCl+1,0%-ный раствор ЖС)	2,4	+240
Анолит, насыщенный солью NaCl	1,8	+320
Раствор осадка анолита	4,6	+110
Католит (активированный- 0,3%-ный раствор NaCl+1,0%-ный раствор ЖС)	12,5	-360
Католит, насыщенный солью NaCl	10,8	-270
Раствор осадка католита	10,4	-260

Данные таблиц 1 и 2 свидетельствуют, что полученные как насыщенные (маточные) растворы, так и соответствующие равновесные осадки солей обладают свойствами электрохимической активности.

Пример 3

Приготовили 0,3%-ный раствор азотнокислого калия KNO₃ в дистиллированной воде. После обработки раствора в электролизере постоянным электрическим током получили два активированных раствора - анолит и каталит.В анолит и католит ввели KNO₃ до образования насыщенных растворов с равновесными осадками. После этого насыщенные растворы и осадки разделили и измерили их показатели, как описано в примере 2. Результаты измерений электрохимических показателей - в таблице 3.

Таблица 3
Характеристика среды	рН	ОВП, мВ
Исходный - 0,3%-ный раствор KNO3	9,3	-180
Вода дистиллированная	6,7	-60
Анолит (активированный+0,3%-ный раствор KNO3)	2,0	+250
Раствор анолита, насыщенный солью KNO3	1,8	+260
Раствор осадка анолита	2,4	+190
Католит (активированный -0,3%-ный раствор KNO3)	11,0	-360
Раствор католита, насыщенный солью KNO3	10,8	-380
Раствор осадка католита	10,6	-260

Пример 4

Условия данного опыта аналогичны условиям опыта 3. Отличие состоит лишь в том, что в исходный 0,3%-ный раствор KNO₃, перед его активированием в электролизере, ввели водорастворимое кремнийсодержащее соединение (Na₂О·mSiO₂+К₂О·nSiO₂) в виде жидкого стекла (ЖС) в количестве 1% с содержанием сухого вещества 45%. Дальнейшие операции по активированию и насыщению анолита и католита солью KNO₃ и разделению твердой и жидкой фаз выполнили в последовательности, описанной в примере 3.

Данные опыта представлены в таблице 4.

Таблица 4
Характеристика среды	рН	ОВП, мВ
Исходный раствор (0,3%-ный раствор KNO3+1,0%-ный раствор ЖС)	11,3	-300
Вода дистиллированная	6,7	-60
Анолит (активированный+0,3%-ный раствор KNO3+1,0%-ный раствор ЖС)	2,5	+220
Раствор анолита, насыщенный солью KNO3	1,8	+280
Раствор осадка анолита	4,3	+90
Католит (активированный- 0,3%-ный раствор KNO3+1,0%-ный раствор ЖС)	11,0	-360
Раствор камолита, насыщенный солью KNO3	10,8	-380
Раствор осадка католита	10,6	-260

Полученные в данном примере активированные продукты отличаются от соответствующих образцов, полученных в примере 3, наличием в них кремнийсодержащего компонента.

Пример 5

Изучали изменение электрохимических показателей растворов при их разбавлении. В качестве примеров в таблице 4 представлены результаты измерений электрохимических показателей растворов каталитов в процессе разбавления соответствующих насыщенных растворов:

- образец 5.1. - активированный (0,3%-ный раствор NaCl+1,0%-ный раствор ЖС), насыщенный солью KNO₃;

- образец 5.2. - активированный (0,3%-ный раствор KNO₃+1,0%-ный раствор ЖС), насыщенный солью KNO₃;

- образец 5.3. - насыщенный раствор осадка активированной соли, полученной из раствора:

активированный (0,3%-ный раствор NaCl+1,0%-ный раствор ЖС), насыщенный солью NaCl.

Насыщенные растворы разбавили дистиллированной водой вдвое, затем полученные растворы вновь разбавили вдвое и т.д., в результате получили растворы, разбавленные в 2, 4, 8, 16 и т.д. раз.

Результаты измерений водородного показателя рН и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) исходных и разбавленных растворов представлены в таблице 5.

Таблица 5
Кратность разбавления	Образец 5.1.	Образец 5.2.	Образец 5.3.
рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП
Исх. раствор	9,9	-280	10,6	-270	11,2	-280
1/2	9,6	-220	10,4	-260	11,4	-300
1/4	9,5	-210	10,3	-260	11,2	-280
1/8	9,3	-200	10,2	-250	11,0	-280
1/16	9,2	-200	10,0	-240	10,8	-260
1/32	9,0	-190	9,8	-220	10,5	-240
1/64	8,8	-180	9,5	-210	10,2	-220
1/128	8,6	-170	9,3	-200	9,9	-210
1/256	-	-	-	-	9,6	-190
1/512	-	-	-	-	9,0	-160

Пример 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ.

Изучали динамику изменения во времени активных свойств насыщенных растворов и равновесных солей, получаемых заявляемым способом.

С этой целью в электролизере проактивировали растворы различных солей одинаковой начальной концентрации (0,3%). На их основе приготовили насыщенные растворы с равновесными осадками. Насыщенные (маточные) растворы и их осадки разделили и поместили в герметично закрытые сосуды из темного стекла.

При выдерживании образцов в течение более 8 месяцев при комнатной температуре периодически измеряли их электрохимические показатели. Полученные результаты измерений содержатся в таблицах 6 и 7.

Измерения показали, что электрохимические показатели как активированных насыщенных растворов, так и соответствующих активированных осадков изменились незначительно.

Практическая ценность заявляемого способа состоит в том, что данный способ позволяет приготавливать активированные жидкости непосредственно в месте их использования без применения каких-либо технических устройств, а сам процесс приготовления их существенно упрощается: чтобы получить активированный раствор достаточно растворить активированный агент (активированный насыщенный раствор или активированную обезвоженную соль) в определенном количестве воды. При этом, в зависимости от степени разбавления (растворения) исходного агента, сразу получают активированные жидкости с заранее заданными значениями рН и ОВП.

Таблица 6 ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АКТИВИРОВАННЫХ НАСЫЩЕННЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ ПРИ ИХ ХРАНЕНИИ
Активированный раствор	Насыщающий агент	А/К	Изменение ЭХП насыщенных активированных растворов, месяцы
			Начало	1 месяц	2 месяца	4 месяца	6 месяцев	8 месяцев
рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП
0,3%-ный раствор NaCl	NaCl	А+	2,2	+320	2,4	+310	2,0	+280	1,8	+300	1,8	+280	1,8	+280
0,3%-ный раствор NaCl+1%-ный ЖС	NaCl	А+	2,0	+310	2,0	+310	2,2	+300	2,4	+300	2,0	+290	2,0	+310
К-	12,3	-340	11,9	-340	11,4	-280	10,8	-280	11,2	-280	11,8	-280
0,3%-ный раствор KNO3	KNO3	А+	1,8	+280	1,8	+260	1,6	+260	1,2	+260	1,4	+250	1,4	+260
К-	12,8	-380	12,6	-360	12,4	-320	12,3	-310	12,3	-320	12,0	-330
0,3%-ный раствор KNO3+1,0%-ный ЖС	KNO3	А+	2,3	+240	2,2	+240	2,0	+220	2,0	+230	2,1	+220	2,2	+220
К-	12,0	-360	11,0	-320	11,2	-320	12,0	-330	11,9	-310	11,8	-320
0,3%-ный раствор NaNO3	NaNO3	А+	1,2	+320	1,4	+300	1,4	+300	1,2	+280	1,0	+310	0,8	+280
Принятые сокращения: А+ анолит ЭХП - электрохимические показатели К- католит ОВП - окислительно-восстановительный потенциал

Таблица 7 ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АКТИВИРОВАННЫХ ОСАДКОВ СОЛЕЙ
Активированный маточный раствор	Насыщающий агент	А/К	Изменение ЭХП растворов активированных осадков солей, месяцы
			Начало	1 месяц	2 месяца	4 месяца	6 месяцев	8 месяцев
рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП	рН	ОВП
0,3%-ный раствор KNO3	KNO3	А+	2,0	+210	2,0	+220	2,2	+200	2,4	+210	2,4	+200	2,2	+180
К-	10,5	-270	10,2	-260	10,2	-260	9,8	-240	9,0	-230	8,8	-230
0,3%-ный раствор KNO3+1,0%-ный ЖС	KNO3	К-	10,6	-260	10,2	-220	9,8	-200	-9,7	-190	9,7	-180	9,7	-160
0,3%-ный раствор NaNO3	NaNO3	А+	2,7	+210	2,6	+200	2,5	+200	2,5	+200	2,2	+190	2,2	+200
0,3%-ный раствор NaCl+1,0%-ный ЖС	NaCl	К-	9,9	-480	9,6	-420	9,0	-360	8,8	-340	8,6	-320	8,6	-300
0,3%-ный раствор NaNO3+1,0%-ный ЖС	NaNO3	А+	3,0	+180	3,1	+180	3,0	+160	3,2	+140	3,2	+130	3,4	+130
Принятые сокращения: А+ анолит ЭХП - электрохимические показатели К- католит ОВП - окислительно-восстановительный потенциал

Достоинство данного способа в сравнении с прототипом заключается также в его экономической эффективности. Предлагаемый способ позволяет создавать устойчивые во времени структуры водосодержащих сред с небольшими энергетическими затратами. Так, по известному способу [5] из 1 л активированного раствора может быть получено лишь 3-5 г активированного препарата, причем на удаление воды, которая составляет подавляющую долю раствора, требуются значительные затраты энергии. В то же время заявляемым способом из 1 л активированного раствора (например, раствора калиевой селитры) может быть получено более 1300 г насыщенного раствора, обладающего теми же электрохимическими показателями.

Существенным достоинством заявляемого способа является и то, что получаемые данным способом активированные агенты (насыщенный раствор и осадок соли) сохраняют свои специфические свойства активности практически без изменения длительное время. Предлагаемый способ может найти применение во всех областях хозяйства, где в настоящее время используются активированные жидкости [6; 7].

Источники информации

1. Пат.РФ 2167823, C02F 1/46, 2001 г.

2. Пат.РФ 2181106, С02F 1/46, 1/48, 2002 г.

3. Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов. / Бахир В.М., Задорожный Ю.Г., Леонов Б.И. и др. М.: ВНИИИМТ, 2001, с.69-81.

4. Техника и наука, 1985, №5, с.43-45.

5. Пат.Украины 34551, C02F 1/46, 2002 г.

6. Прилуцкий В.И; Бахир В.М. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия. М.: ВНИИИМТ АО НПО "Экран", 1997. - 228 с.стр.147-155.

7. Авт. св. № 1662943 (СССР), C02F 1/46, 1991 г.

1. Способ получения активированных растворов, включающий воздействие на раствор водорасторимой соли в воде постоянным электрическим током в камерах диафрагменного электролизера, отличающийся тем, что в полученный активированный раствор вводят водорастворимую соль в количестве, позволяющем образовать двухфазную систему, состоящую из насыщенного раствора и равновесного осадка соли, которые после разделения используют для активирования новых растворов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в активируемый раствор вводят водорастворимые кремнийсодержащие соединения, например силикаты натрия или калия, в количестве от 0,05 до 3,0% к массе раствора.