Способ снижения окислительно-восстановительного потенциала воды
Изобретение относится к области физико-химических методов обработки воды. Способ снижения окислительно-восстановительного потенциала воды включает в себя пропускание воды через электродную камеру, содержащую аноды и катоды, подключенные к источнику постоянного электрического напряжения, и не имеющую разделительных полупроницаемых мембран или диафрагм. Процесс проводится в течение 10-600 с при напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве в пределах 1,5-24 В/см. Технический эффект - уменьшение изменений химического состава воды и затрат электроэнергии при снижении окислительно-восстановительного потенциала воды, увеличение скорости обработки воды и обеспечение попутной очистки воды от посторонних примесей. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к области техники, связанной с реализацией физико-химических методов обработки воды в целях улучшения ее потребительских характеристик.
Известны способы обработки воды (так называемое «оживление» воды), улучшающие ее восприятие живыми организмами и приводящие к различным биологическим эффектам, которые, в конечном итоге, выражаются в способности обработанной воды обеспечивать поддержание лучшего качества жизни (см. например, К.К.Калниньш, Л.П.Павлова. Вода - родник жизни. Монография / ИВС РАН, СПГУТД, - СПб. - 2005. - 293 с).
Среди этих способов известны такие, как обработка воды постоянным и переменным магнитными полями, кремнем, шунгитом и кораллами, а также пропускание воды через катодные и анодные камеры мембранных электролизеров (электрохимическая активация воды). Наиболее изучено положительное влияние на организм человека или животных «оживленной» (или просто «живой») воды, в тех случаях, когда оно сопровождается вполне определенным физико-химическим эффектом, заключающимся в понижении окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) обработанной воды. Это объясняется разработанностью теории, связывающей ОВП с интенсивностью биоэнергетических процессов в организме, связанных с переносом электронов по так называемой дыхательной цепи, а также негативным воздействием на органически ткани окислительных процессов.
Как известно, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) является мерой химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Другими словами, ОВП, называемый также редокс-потенциалом (Eh), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях в состоянии равновесия при стандартных условиях (температура, концентрация веществ, атмосферное давление), т.е. в реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов. Значение окислительно-восстановительного потенциала для каждой окислительно-восстановительной реакции выражается в милливольтах и может иметь как положительное, так и отрицательное значение.
Метрологической основой для количественного определения ОВП служит связь электродных потенциалов инертных электродов с активностями как окисленной, так и восстановленной форм вещества.
В природной воде всегда присутствуют вещества, являющиеся окислителями и восстановителями, и Eh для природной и водопроводной воды, как правило, находятся в пределах от -400 до +700 мВ, что определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. К окислителям относятся, например, такие компоненты воды, как кислород, нитрат-ионы, целый ряд элементов в высшей форме своей валентности (Fe3+, Мо6+, As5-, V5+, U6+, Sr4+, Cu2+, Pb2+). К восстановителям - сероводород, аммиак, металлы низких степеней валентности (Fe2+, Mn2+, Мо4+, V4+, U4+), гуминовые кислоты и многие другие органические соединения. Соотношение тех или иных соединений во многом определяет окислительные или восстановительные свойства воды. Вместе с тем на эти свойства влияют и структурные характеристики воды как жидкокристаллической системы.
Показатель ОВП все более широко используется в медицине, которая опираясь на знание этой величины, используют воду для лечебно-профилактических, санитарно-гигиенических и ветеринарных целей. Понижение ОВП воды, по данным медиков и биологов, приводит к улучшению ее биоэнергетических, метаболических и иммуностимулирующих свойств. Это обеспечивает также благоприятные условия для развития микроорганизмов и растений. При регулярном употреблении воды с пониженным ОВП, в частности, улучшается состояние внутренних органов, кожных покровов, слизистых оболочек и волос человека. Стимулируется развитие нормальной микрофлоры человеческого организма, и как следствие уменьшаются негативные последствия дисбактериоза. Считается общепризнанным, что сдвиг донорно-акцепторного равновесия в жидкостях тела в пользу акцепторов, приводящий к дефициту реакционноспособных электронов, является ключевым звеном обширного класса патологических процессов, возникающих в живых организмах.
Аналогами заявляемого изобретения являются электролитические способы, реализуемые с помощью мембранных электролизеров, выпускаемых промышленностью и широко обсуждаемых в научной литературе (см., например, В.М.Бахир. Современные технические электрохимические системы для обеззараживания, очистки и активирования воды. М., ВНИИМТ, 1999). Именно подобные способы до сих пор позволяли добиваться наиболее надежного и существенного снижения ОВП. В самых общих чертах, процессы активации в мембранных электролизерах заключаются в следующем. В катодных камерах электролизеров вследствие разряда на катодах катионов происходит защелачивание воды, то есть обогащение воды ионами гидроксила ОН-, в то время как в анодных камерах происходят обратные процессы - закисление воды вследствие ее обогащения протонами (или ионами гидроксония Н3О+).
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ, реализованный в полезной модели RU 24214, 27.07.2002.
Главный недостаток прототипа обусловлен использованием известного способа так называемой электрохимической активации воды, который, обеспечивая изменение ОВП, неизбежно приводит к изменению химического состава воды (т.е. фактически привносит в воду посторонние вещества, образующиеся на электродах, в первую очередь, ионы водорода или гидроксила. Показатель рН такой воды при активации изменяется на несколько ед. рН. По сути дела, речь идет не о снижении ОВП, обусловленном собственно структурными характеристиками воды, а о получении неких католитов - растворов электролитов в прикатодном пространстве, обладающих интегрально более низким, чем исходная вода, ОВП. Это, естественно, предъявляет жесткие требования к составу обрабатываемой воды и не позволяет раздельно распоряжаться факторами ОВП, с одной стороны, и факторами химического состава католита, в том числе рН.
Другие недостатки прототипа связаны:
- с относительно высокими энергозатратами, необходимыми для получения устойчивых эффектов активации воды (требуемые количества электричества, выраженные в кулонах на литр составляют величины порядка сотен Кл/л), конструктивной сложностью и низкой производительностью электролизеров, что, в частности, до сих пор не позволяет изготавливать аппараты производительностью более 1 м3/ч (чаще речь идет о десятках м3 активированной воды в час);
- с увеличенным временем пребывания каждой взятой порции обрабатываемой воды в камерах электролизеров, то есть с низкой линейной скоростью потоков;
- с тем, что они не обеспечивают попутной очистки воды от микрочастиц, в том числе микробных клеток, а также от анионов и слабоионизируемых, но склонных к агрегации компонентов;
- с тем, что способ прототипа обеспечивает электрохимическую активацию воды только при подаче ее в дискретном режиме, свойственном устройствам, называемым диспенсерами (или кулерами);
- с тем, что электрохимическая активация, обеспечиваемая полезной моделью прототипа, не гарантирует приобретение водой свойств «живой» воды, так как снижение ОВП последней сопровождается приданием ей свойств бактерицидности (т.е. биотоксичности).
Задачей изобретения является создание более эффективного способа, лишенного перечисленных недостатков, пригодного:
- для решения самых различных медико-биологических проблем, когда требуется вода с антиоксидантными свойствами, но нормальными значениями рН,
- обеспечения снабжения водой с пониженным ОВП в любых режимах: как непрерывных, так и дискретных,
- для решения проблем очистки и обезвреживания водных сред в разных областях хозяйства с одновременным приданием ей свойств «живой» воды.
Сформулированная задача решается с помощью способа, заключающегося в том, что при использовании ряда известных приемов, характеризующих прототип, а именно пропускание воды через электродную камеру, содержащую аноды и катоды, подключаемые к источнику постоянного электрического напряжения, в отличие от прототипа камера не содержит разделительных полупроницаемых мембран или диафрагм, вследствие чего обрабатываемая вода не разделяется на анодные и катодные потоки. При этом образующиеся вследствие электролиза воды протоны и гидроксильные группы имеют возможность мгновенно рекомбинировать, сохраняя рН воды на исходном уровне. В результате происходит в основном только модификация жидкокристаллической структуры, формируемой полярными молекулами Н2О, склонными к тому же к образованию водородных связей, непосредственно под воздействием фактора напряженности электрического поля.
Предлагаемое изобретение обеспечивает эффективное решение и наиболее сложной из поставленных задач. Если требуется не только снижение ОВП, но и очистка воды от инородных включений, оба эффекта могут быть достигнуты одновременно при пропускании воды через рассмотренную электродную камеру с межэлектродным пространством, заполненным поляризуемыми гранулированными материалами.
Особенности и практическая применимость предлагаемого способа иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Для обработки воды была применена цилиндрическая электродная камера электрокондиционера воды «КАСКАД» АВЭ-7/40 (ТУ 4859-013-54176675-2003), серийно выпускаемого фирмой «ЭлектроЭкоТехнологии». Рабочая камера аппарата имеет плоскопараллельные электроды высотой 200 мм и межэлектродное расстояние 50 мм. Объем камеры - 40 л. В камере отсутствуют какие бы то ни было межэлектродные перегородки.
Вода для обработки бралась из городского водопровода Санкт-Петербурга. Обработка воды производилась в протоке с линейными скоростями потока, указанными в табл.1. Значения напряжения на электродах и тока через ячейку также приведены в табл.1.
| Таблица 1 | ||||||
| Линейная скорость потока, см/мин | 0 (контроль) | 6 | 24 | 62 | 205 | 310 |
| Напряжение на электродах, В | 0 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| Напряженность эл. поля, В/см | 0 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Ток, А | 0 | 0,91 | 0,90 | 0,89 | 0,89 | 0,89 |
| Значение ОВП воды, мВ | 410 | -10 | 0 | 5 | 182 | 398 |
| рН воды, ед. | 6,8 | 6,7 | 6,8 | 6,8 | 6,8 | 6,8 |
Из табл.1 следует, что при всех взятых скоростях потока: от 6 см/мин (200 л/ч) вплоть до значений порядка 310 см/мин (10 м3/ч) имеет место эффект снижения ОВП при неизменном рН, что соответствует пропущенным через воду количествам электричества соответственно от 13 до 0,26 Кл/л. Лишь только в случае самой высокой скорости потока при взятом напряжении 12 В эффект становится незначительным. Приведенные данные свидетельствуют о преимущественно электрофизическом, а не электрохимическом механизме эффекта.
Пример 2. Для обработки водопроводной воды была применена электродная камера, как в примере 1. Аноды и катоды подключались к источнику постоянного напряжения с регулируемым выходом в пределах от 1,0 до 96 В. Линейная скорость пропускаемой через ячейку воды поддерживалась на уровне 6 см/мин.
| Таблица 2 | ||||||||
| Напряжение на электродах, В | 0 | 6 | 12 | 24 | 36 | 48 | 72 | 96 |
| Напряженность эл. поля, В/см | 0 | 1.5 | 3,0 | 6,0 | 9,0 | 12 | 18 | 24 |
| Ток, А | 0 | 0,48 | 0,90 | 1,75 | 2,61 | 3,43 | 5,15 | 6,82 |
| Значение ОВП воды, мВ | 380 | 10 | -3 | -69 | -150 | -180 | -230 | -240 |
| рН воды, ед. | 6,8 | 6,8 | 6,8 | 6,8 | 6,8 | 6,7 | 6,7 | 6,6 |
Из табл.2 видно, что при увеличении напряжения на электродах (напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве) и, соответственно, величины пропускаемого через воду электрического тока сдвиг ОВП в сторону отрицательных значений в исследованном диапазоне напряжений возрастает.
Пример 3. Для обработки воды была применена цилиндрическая электродная камера электрокондиционера воды «КАСКАД» АВЭ-1,3/5, серийно выпускаемого фирмой «ЭлЭкоТех». Камера имеет коаксиальные электроды высотой 350 мм. Диаметры: анода - 80 мм, катодов - 34 и 129 мм. В камере отсутствуют какие бы то ни было межэлектродные перегородки. Объем камеры - 5 л. Анод, а также внутренний и внешний катоды подключались к источнику постоянного напряжения 12 или 24 В. Нижняя часть межэлектродного пространства (3 л), которая может заполняться кварцевым песком, в данном эксперименте была незаполненной.
Вода для обработки бралась из городского водопровода Санкт-Петербурга. С целью выявления роли таких факторов, как напряжение и количество электричества, пропущенного через воду, обработка воды производилась в течение различного времени пребывания воды в рабочей камере при двух различных значениях напряжения на электродах 12 и 48 В, как показано в табл.3, 4.
| Таблица 3 | ||||||
| Напряжение на электродах - 12 В, ток - 0,45 А. | ||||||
| Времяобработки, с | 0 (контроль) | 10 | 60 | 120 | 300 | 600 |
| Значение ОВП воды, мВ | 380 | 17 | -11 | -19 | -19 | -18 |
| рН воды, ед. | 6,8 | 6,8 | 6,8 | 6,7 | 6,7 | 6,6 |
| Таблица 4 | ||||||
| Напряжение на электродах - 48 В, ток - 1,77 А. | ||||||
| Время обработки, с | 0 (контроль) | 10 | 60 | 120 | 300 | 600 |
| Значение ОВП воды, мВ | 380 | -40 | -92 | -108 | -120 | -110 |
| рН воды, ед. | 6,8 | 6,8 | 6,8 | 6,7 | 6,6 | 6,5 |
Из приведенных данных видно, что:
- увеличение времени обработки, т.е. количества пропущенного через воду электричества, начиная с некоторых значений при фиксированном напряжении мало увеличивает эффект снижения ОВП, приводя даже к уменьшению эффекта в конце взятого интервала (за счет накопления в воде продуктов электролиза);
эффект пропускания определенного количества электричества при более низком напряжении на электродах (например, при 12 В, см. столбец 4 в табл.3):
0,45·600=270 Кл,
{где I (ток, А)·t (время, с)=Q (количество пропущенного электричества, Кл)}
- эффект пропускания определенного количества электричества при более низком напряжении на электродах (например, при 12 В, 0,45А · 60 с ·10=270 Кл), оказывается меньшим, чем при пропускании меньшего количества электричества (1,77А ·60 с=106,2 Кл, см. столбец 4 в табл.4), но при более высоком напряжении, например 48 В. Это свидетельствует о преобладании полевого (т.е. физического) воздействия на воду над электрохимическими эффектами (согласующимися с известным законом Фарадея), которые используются при реализации способа прототипа.
Пример 4. Для обработки воды была применена электродная камера электрокондиционера воды "КАСКАД» АВЭ-1,3/5, как в примере 3. Нижняя часть электродной камеры (3 л) была заполнена кварцевым песком с размером зерен 0,3-0,6 мм.
Через электродную камеру пропускалась вода из подземной скважины в районе пос.Токсово, (Лен. область), содержащая повышенную концентрацию ионов железа (около 15 мг/л).
Линейная скорость потока поддерживалась на уровне 12 см/мин. Величина ОВП исходной воды равнялась (182±5) мВ, рН 7,1
После пропускания воды через электродную камеру величина ОВП снижалась до (-50±1) мВ. При этом концентрация ионов железа уменьшалась до значений (0,2-0,3) мг/л, то есть наряду с эффектом снижения ОВП до физиологически более благоприятных значений имел место эффект очистки воды от ионов железа и приведения этого показателя в соответствие с действующими гигиеническим нормами (СанПиН 2.1.4.1074-01. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения»). рН воды в результате обработки возрастал незначительно на 0,1 ед. - от 7,1 до 7,2.
Пример 5. Для обработки воды была применена электродная камера электрокондиционера воды "КАСКАД» АВЭ-1,3/5, как в примерах 3, 4. Межэлектродное пространство было заполнено сферическими гранулами на основе сополимера стирола и дивинилбензола диаметром 0,3-1,0 мм.
Через электродную камеру пропускалась вода из речки в районе пос.Севастьяново (Лен. область), имеющая вследствие содержания большого количества взвешенных частиц показатель мутности, значительно превышающий требуемый стандартом СанПиН 2.1.4.1074-01, а именно 23,7 мг/л, вместо требуемых 1,5 мг/л.
Линейная скорость потока поддерживалась на уровне 12 см/мин, напряжение на электродах - 24 В. Величина ОВП исходной воды равнялась (396±10) мВ.
После пропускания воды через электродную камеру величина ОВП снижалась до (-10±1) мВ. При этом показатель мутности уменьшался до значений (0,8-0,9) мг/л, то есть наряду с эффектом снижения ОВП имел место эффект очистки воды от взвешенных частиц и приведения этого показателя в соответствие с действующими гигиеническим нормами (СанПиН 2.1.4.1074-01). рН воды в результате обработки сохранялся на уровне 6,9.
Пример 6. Для обработки воды была применена электродная камера электрокондиционера воды "КАСКАД» АВЭ-1,3/5, как в примерах 3-4.
Через электродную камеру пропускалась вода из скважины, имеющая удельную электропроводность 240 мкСм·см-1, что соответствовало общей минерализации воды около 120 мг/л.
Линейная скорость потока поддерживалась на уровне 12 см/мин, напряжение на электродах - 24 В. Величина ОВП исходной воды равнялась (366±10) мВ. После пропускания через электродную камеру ОВП составлял (280±10) мВ.
Исходная вода была подвергнута деионизации методом дистилляции. При этом электропроводность воды снизилась до 2-3 мкСм·см-1, а значение ОВП после электрообработки уменьшилось до -90 мВ, то есть эффект снижения ОВП весьма существенно возрос рН воды в результате обработки упало незначительно, всего на 0,1 ед. - от 7,2 до 7,1.
1. Способ снижения окислительно-восстановительного потенциала воды, включающий в себя пропускание воды через электродную камеру, содержащую аноды и катоды, подключенные к источнику постоянного электрического напряжения, отличающийся тем, что пропускание воды производят через камеру, не имеющую разделительных полупроницаемых мембран или диафрагм, а процесс осуществляют при напряженностях электрического поля в межэлектродном пространстве в пределах 1,5-24 В/см, при времени пребывания воды в межэлектродном пространстве от 10 до 600 с.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду пропускают через электродную камеру, заполненную поляризуемыми гранулированными материалами.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воду перед обработкой подвергают деионизации, а затем пропускают через электродную камеру.
