Модуль электрохимической активации воды
Владельцы патента RU 2400436:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ПОВОЛЖСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОЛОГО-МЕЛИОРАТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (RU)
Изобретение относится к техническим средствам для электрохимической активации воды. Сущность изобретения заключается в том, что модуль электрохимической активации воды содержит вертикально расположенные стержневой и цилиндрический электроды, между которыми размещена трубчатая, пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры, снабженные патрубками для раздельного подвода и отвода воды, источник тока, соединенный с электродами, закрепленными взаимно неподвижно, герметично и коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала. При этом трубчатая диафрагма выполнена из эластичного материала и закреплена между двух вставок, расположенных между втулками и стержневым электродом, причем вставки изготовлены из диэлектрического материала с продольными отверстиями, а между одной из вставок и стержневым электродом установлена пружина. Технический результат заключается в повышении эффективности электрохимической активации воды, заключающейся в изменении окислительно-восстановительных свойств воды. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к техническим средствам для электрохимической активации воды с обеспечением ее окислительно-восстановительных свойств и повышения биологической ценности.
Известен электролизер для обработки воды, содержащий корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них перфорированными электродами, прижатыми к диафрагме, при этом поверхность электродов, обращенная к диафрагме, покрыта электроизоляционным материалом, а перфорация электродов выполнена соосно (SU авторское свидетельство №882044 А, М. Кл.3 C02F 1/46. Электролизер для обработки воды. / В.Л.Филипчук, И.Г.Лирисман и Ф.В.Косовцев. - Заявка №2768972/23-26; Заявлено 21.05.1979; Опубл. 23.11.1979, Бюл. №43).
К недостаткам известного устройства относятся низкая производительность, отсутствие возможности получения непрерывного потока воды, а также регулирования расхода воды с отрицательным и положительным потенциалами.
Известна установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды, содержащая вертикально установленные полый цилиндрический и стержневой электроды с трубчатой, пористой диафрагмой между ними, разделяющей межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, имеющие патрубки для подвода и отвода воды и смонтированные неподвижно и коаксиально совместно с диафрагмой, изолированные посредствам втулок из диалектического материала (RU патент №2252920, МПК7 C02F 1/46. Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды. / Карпунин В.В., Алимов А.Г., Карпунин В.В., Лагутин А.Н., Алимов А.А., Салдаев A.M., Абезин В.Г. - заявка 2004119650/15. Заявлено 28.06.2004. Опбл. 27.05.2005. - Бюл. №15).
Недостатком известного решения является малая рабочая поверхность диафрагмы из-за ее перекрытия трубчатым полипропиленом, в котором выполнены радиальные отверстия и являющегося каркасом для пористой диафрагмы, выполненной из нетканого материала.
Известен также электролизер для обработки воды, включающий корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них анодом и катодом, при этом на поверхности электродов со стороны межэлектродного пространства установлены вертикальные ребра, прижимающие диафрагму к поверхности противоположного электрода, причем на аноде и катоде ребра установлены в чередующемся порядке и выполнены из токопроводящего материала (SU авторское свидетельство №1468867 А1, МПК4 C02F 1/46. Электролизер для обработки воды. / В.М.Рогов, В.А.Кирсанов, В.Н.Анопольский, В.А.Швороб, Н.С.Кирилюк и A.M.Сережина. - Заявка №4211825/23-26; Заявлено 18.03.1987; Опубл. 30.03.1989, Бюл. №12).
Существенный недостаток устройства, имеющего плоскопараллельные электроды, заключается в принципиальной непригодности для использования в процессах электрохимической обработки воды или растворов, минерализация которых меньше 10 г/л. Это ранее не известное явление связано с образованием застойных зон и зон замедленного протока с увеличенной концентрацией продуктов электрохимических реакций, что приводит к непераспределению плотности тока по поверхности электродов и значительно ухудшает технические параметры электрохимического реактора. К другим недостаткам этого устройства относятся сложность конструкции, отсутствие возможности регулирования расхода воды, протекающей через катодные и анодные камеры, и создания заданного отрицательного и положительного потенциалов питьевой и оросительной воды.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является модуль электрохимической активации воды, содержащий вертикально расположенные стержневой и цилиндрический электроды, между которыми размещена трубчатая, пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры, снабженные патрубками для раздельного подвода и отвода воды, источник тока, соединенный с электродами, причем электроды и диафрагмы закреплены взаимно неподвижно, герметично и коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала (см. В.М.Бахир и др. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. - М.: АМТН РФ, ВНИИИМТ, 1999, с.24 [D1]).
Недостатком данного модуля является сложность изготовления керамической диафрагмы с заданными характеристиками и неэффективное использование рабочей зоны активатора.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение эффективности модуля электрохимической активации воды.
Технический результат - повышение производительности модуля и окислительно-восстановительных свойств воды в процессе электрохимической активации.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном модуле активации воды, содержащем вертикально расположенные стержневой и цилиндрический электроды, между которыми размещена трубчатая, пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры, снабженные патрубками для раздельного подвода и отвода воды, источник тока, соединенный с электродами, закрепленными взаимно неподвижно, герметично и коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала, согласно изобретению трубчатая диафрагма выполнена из эластичного материала (например, нетканое полотно по ТУ 17 РСФСР 62-11262-86 состава: 70% полипропилена, 30% полиэфира) и закреплена между двух вставок, расположенных между втулками и стержневым электродом, причем вставки изготовлены из диэлектрического материала с продольными отверстиями, а между одной из вставок и стержневым электродом установлена пружина, при этом подвод воды в пространстве между диафрагмой и стержневым электродом осуществлен посредством спирального каркаса, который выполнен из эластичной диэлектрической трубки с наружным диаметром больше зазора между диафрагмой и стержневым электродом на величину δ=2t·[ε], где t - толщина стенки эластичной трубки, мм; [ε] - относительное сжатие эластичной трубки, причем внутри трубки размещена металлическая спираль с шагом, определяемым по формуле
где Dd и Dc - соответственно внутренний диаметр диафрагмы и диаметр стержневого электрода, мм; d - наружный диаметр эластичной трубки, мм.
Применение спирального каркаса позволяет осуществить тангенциальную подачу воды, а при указанном шаге спирального каркаса сохраняется скорость прохождения воды как и у прототипа при одновременном увеличении времени нахождения воды в зоне активации, причем примененная система натяжения мембраны и конструкция спирального каркаса гарантируют уплотнение контактирующих поверхностей, что обеспечивает работоспособность заявленного технического решения.
Изобретение поясняется иллюстрационным материалом.
На чертеже представлен модуль электрохимической активации воды.
Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.
Модуль включает стержневой 1 и цилиндрический 2 электроды, трубчатую диафрагму 3, которая разделяет межэлектродное пространство на две электродные камеры 4, 5. Для подвода воды предназначены патрубки 6, 7, а для отвода - патрубки 8, 9. Коаксиальное расположение электродов обеспечивается втулками 10, 11 из диэлектрического материала. Диафрагма 3 закрепляется на вставках 12, 13, снабженных продольными отверстиями 14, 15. Между вставкой 12 и стрежневым электродом 1 установлена пружина 16. Для герметизации электродных камер 4, 5 служат уплотнительные кольца 17, 18, 19. В электродной камере 5 расположен спиральный каркас 20, который состоит из эластичной диэлектрической трубки 21, имеющей внутри металлическую спираль 22.
Модуль электрохимической активации воды работает следующим образом.
Обрабатываемая вода поступает через патрубок 6 в электродную камеру 4, а через патрубок 7, втулку 10, отверстия 14 во вставке 12 - в электродную камеру 5. В электродной камере 4 вода имеет поступательное движение, а в электродной камере 5 - тангенциальное из-за наличия спирального каркаса 20. При подаче постоянного напряжения на электроды 1, 2 происходит электролиз воды и обработанная вода отводится из электродной камеры 4 через штуцер 9, а из электродной камеры 5 - через отверстия 15 во вставке 13, втулку 11, штуцер 8.
Эксплуатационная надежность установки обеспечивается конструктивной взаимосвязью элементов спирального каркаса 20, состоящего из эластичной диэлектрической трубки 21 с наружным диаметром больше величины зазора между стержневым электродом 1 и внутренним диаметром диафрагмы 3, на величину δ=2t·[ε], где t - толщина стенки эластичной трубки, мм; [ε] - относительное сжатие эластичной трубки, что гарантирует ее контакт с диафрагмой 3, находящейся в натянутом состоянии за счет пружины 16, воздействующей на подвижную вставку 12, имеющую жесткую связь с диафрагмой 3. Кроме того, диэлектрическая трубка 21 поджимается к стержневому электроду 1 посредством металлической спирали 22.
Под действием электрического тока на аноде 2 происходит разряд молекул воды с образованием Н+ и газообразного кислорода. На катоде 1 происходит разряд молекул воды с образованием ионов ОН- и газообразного водорода. Вследствие этого в анодной камере 5 получают анолит с рН 2,6…4,7 и окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП), равным +50…1200 мВ, а в катодной камере 4 - католит с рН 8…12 и ОВП в пределах -50…-1200 мВ.
Процесс электроактивации воды, характеризующийся поступлением электронов из воды у анода 2, сопровождается целой серией многочисленных электрохимических реакций (см. таблицу) на поверхности катода 1 и анода 2, в результате которых образуются новые вещества, изменяется вся система межмолекулярных взаимодействий, в том числе и структура воды как растворителя.
В результате образования хорошо растворимых гидроксидов натрия и калия и повышения вследствие этого рН происходит сдвиг углекислотного равновесия с образованием труднорастворимых карбонатов кальция и магния из находящихся обычно в исходной воде растворимых соединений этих металлов (гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов).
В процессе катодной обработки вода приобретает щелочную реакцию за счет превращения некоторой части растворенных солей в гидроксиды. Ее окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) резко понижается, уменьшается поверхностное натяжение, снижается содержание растворенных кислорода, азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп, уменьшается электропроводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объема воды.
На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что природа ОВП в первую очередь обусловлена квантово-механическими характеристиками атомов элементарной электрохимической системы («электрод-раствор»), особенностями ее электронной структуры, которыми определяются ионизационные потенциалы элементов. Электронные структуры атомов и ионов в значительной мере определяют также характер и энергетику процессов гидратации ионов (см. В.М.Бахир и др. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. Под ред. д.т.н. проф. Бахира В.М. - М.: АМТН РФ, ВНИИИМТ, 1999. - С.10…14).
По результатам теоретического обоснования физико-химических и технологических процессов электрохимической активации воды, в которых участвуют электронные структуры атомов и ионов, можно отметить, что по размерам атома (0,3 нм) и кластеров воды (несколько нм) технологии производства и использования электрохимически активированной воды относятся к классу нанотехнологий.
Таким образом, вышеприведенные сведения свидетельствуют о том, что предлагаемый модуль позволяет повысить производительность процесса электрохимической активации и качество активированной воды за счет обеспечения ее оптимальных окислительно-восстановительных потенциалов и биологических свойств.
1. Модуль электрохимической активации воды, содержащий вертикально расположенные стержневой и цилиндрический электроды, между которыми размещена трубчатая, пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры, снабженные патрубками для раздельного подвода и отвода воды, источник тока, соединенный с электродами, закрепленными взаимно неподвижно, герметично и коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала, отличающийся тем, что трубчатая диафрагма выполнена из эластичного материала и закреплена между двух вставок, расположенных между втулками и стержневым электродом, причем вставки изготовлены из диэлектрического материала с продольными отверстиями, а между одной из вставок и стержневым электродом установлена пружина.
2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что между стержневым электродом и диафрагмой размещен спиральный каркас, который выполнен из эластичной диэлектрической трубки с наружным диаметром больше величины зазора между внутренним диаметром диафрагмы и стрежневым электродом на величину δ=2t·[ε], где t - толщина стенки эластичной трубки, [ε] - относительное сжатие эластичной трубки, причем внутри эластичной трубки размещена металлическая спираль.
3. Модуль по п.1 и 2, отличающийся тем, что металлическая спираль выполнена с шагом, определяемым по формуле 
, где Dd и Dc - соответственно, внутренний диаметр диафрагмы и диаметр стержневого электрода, d - наружный диаметр эластичной трубки.
