УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА (ОВП) ВОДЫ И МИНЕРАЛИЗАЦИИ

Область техники
Техническое решение относится к водоподготовке и может быть использовано для получения питьевой воды. Данное техническое решение может быть использовано после систем обратного осмоса для снижения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) воды, повышения ее водородного показателя (рН) и обогащения воды полезными макро и микроэлементами (минерализации).
Уровень техники
Заявляемое техническое решение обеспечивает (в том числе после обратного осмоса) снижение ОВП воды, повышение ее рН и обогащение воды полезными макро и микроэлементами. ОВП воды, отвечающий за ее электрохимические характеристики, оказывает значительное воздействие на живой организм. Ученые выяснили, что в нормальном состоянии ОВП человека колеблется в диапазоне от - 90 до - 200 милливольт, тогда как вода обычно имеет положительный ОВП, находящийся в диапазоне от +100 мВ до +400 мВ. Из-за разности ОВП человеческого организма и питьевой воды, при попадании воды в ткани и клетки организма, происходит окислительная реакция, в результате которой клетки человека изнашиваются и разрушаются.
Вода с высоким положительным значением ОВП имеет окислительные свойства и этим объясняются ее дезинфицирующие и бактерицидные свойства. Тогда как вода с отрицательным значением ОВП имеет восстановительные свойства, являясь отличным стимулятором, источником энергии, придает бодрость, стимулирует регенерацию клеток, улучшает обмен веществ, нормализует кровяное давление. Такая вода быстро заживляет раны, ожоги, язвы (в т.ч. желудка и 12-перстной кишки), пролежни, используется для лечения и профилактики остеохондроза, атеросклероза, аденомы предстательной железы, полиартрита.
Вода после систем обратного осмоса, имеет высокое значение ОВП и низкое содержание физиологически необходимых для человека макро и микроэлементов и других целевых добавок, а также заниженный рН.
Ниже представлены физико-химические показатели воды, полученные после систем обратного осмоса (до минерализации):
Как видно из приведенных данных, вода после обратного осмоса имеет высокий ОВП, низкое содержание полезных макро и микроэлементов, заниженный рН.
Необходимость питьевой воды, имеющей не высокий ОВП и содержащей полезные макро и микроэлементы, оказывающей оздоровительный, а в определенных случаях целебный эффект на живой организм, на сегодняшний день доказана учеными (Биохимия оксидативного стресса, РНИМУ Н.И. Пирогова, Карбышев М.С., Абдуллаев Ш.П.), где в результате окислительно-восстановительных реакций, которые постоянно протекают в организме человека, высвобождается энергия, которая впоследствии используется для поддержания гомеостаза. Гомеостаз - это способность организма сохранять относительное динамическое постоянство своего внутреннего состояния путем проведения скоординированных реакций. Другими словами, энергия, подученная в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма человека, а также для регенерации его клеток.
Известно также, что биологические системы, которые отвечают за накопление и потребление энергии, репликацию и передачу различных наследственных признаков, а также системы организма, вырабатывающие различные ферменты, содержат определенные молекулярные структуры с разделенными зарядами, между которыми образуется напряженность электрического поля в пределах 104-106 В/см. Эти поля определяют передачу зарядов в биологических системах, что обуславливает осуществление выбора и автоконтроля на некоторых стадиях сложнейших биохимических превращений. Активность электронов, которую и выражает окислительно-восстановительный потенциал, оказывает большое влияние на функциональные свойства электроактивных компонентов биологических систем.
Группа исследователей из Института общей и коммунальной гигиены им. А.Н. Сысина под руководством Г.И. Сидоренко и Ю.А. Рахманина установила, что «деминерализованная вода оказывает неблагоприятное влияние на организм животных и человека». Ученые пришли к выводу, что общая минерализация питьевой воды должна составлять не ниже 100 мг/л (оптимально 200-400 мг/л для хлоридно-сульфатных и 250-500 мг/л для гидрокарбонатных вод) с содержанием гидрокарбонат-аниона не менее 30 мг/л, кальция не менее 30 мг/л, магния не менее 5 мг/л, калия не менее 2,0 мг/л, щелочности не более 6,5 мг-экв/л, натрия не более 200 мг/л, бора не более 0,5 мг/л, бромид-иона не более 0,01 мг/л.
Известно, что калий является неотъемлемым участником большинства обменных процессов, таких как: функционирование клеточных мембран, кислотно-щелочное равновесие, регулирует в организме водный баланс и сердечные сокращения и много других жизненно важных процессов в организме человека. Известно, что кальций является основным компонентом, участвующим в построении нервной системы, костей и зубов. Магний также участвует в более чем 300 биохимических процессах организма человека. Он жизненно необходим для предотвращения атеросклероза сосудов, склероза, образования камней в почках, раковых заболеваний. Все эти элементы находятся в устройстве для повышения ОВП воды и минерализации, позволяя получить состав воды, насыщенный вышеуказанными микроэлементами, в концентрациях близким к рекомендованным для потребления человеком, а также сбалансировать ОВП и рН воды до оптимальных значений.
Из уровня техники известно значительное количество решений, направленных обогащение воды полезными макро и микроэлементами (минерализация), как добавки. При этом практически отсутствуют технические решения, обеспечивающие снижение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) воды.
Известен способ очистки и минерализации природных вод (RU 2646008 от 19.04.2017, класс МПК C02F 9/08, C02F 1/34, C02F 1/68, C02F 1/74, C02F 103/04). Для осуществления способа исходную природную воду, после предварительной грубой очистки подвергают Эжекционной аэрации, кавитации и минерализации, пропуская по циркуляционному контуру, включающему последовательно соединенные трубопроводами камеру окисления с кавитатором внутри, эжектор, блок с псевдокипящим слоем мелкодисперсного минерала с размером частиц 3-5 мм, и насос. Для минерализации используют минерал, содержащий карбонаты кальция и магния - доломит с содержанием 54,5% карбоната кальция и 44,5% карбоната магния или модифицированный доломит с содержанием 55% карбоната кальция и 43,5% карбоната магния, и модифицирующие добавки - остальное. Циркуляцию воды осуществляют до достижения рН 6,6-6,8. Обработанную в циркуляционном контуре воду сначала коагулируют, а затем фильтруют через зернистую загрузку. Очистку и минерализацию воды производят при температуре не ниже 8°С.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, из-за применения камер аэрации, компрессоров, насосов и соблюдения технологических режимов, а также высокая энергоемкость из-за необходимости использования компрессоров и насосов. Кроме того, ограничен температурный диапазон использования - не ниже 8°С. Так же можно отметить, что данный способ применим для использования в промышленном масштабе и исключает возможность использования в бытовых фильтрах, что видно из вышеуказанного патента.
Известно устройство для введения добавки в воду (RU 2715155 C1 от 25.07.2019, класс МПК C02F 1/68, B01D 27/02, C02F 1/28, C02F 1/42), где добавки, предназначенные для минерализации воды, запрессовываются непосредственно в угольный картридж на этапе его производства. Минерализующий элемент выполнен в форме полого цилиндра из пористого блочного материала, изготовленного методом сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы малорастворимого минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего. Минерализующий элемент расположен с зазором от внутренней стенки пластикового корпуса минерализующего картриджа и герметично соединен с узлами ввода и вывода воды торцевыми адаптерами.
Недостатком данного решения является возможность введения ограниченного количества добавок предназначенных для минерализации воды. И невозможность дозировки витаминов и антиоксидантов в воду, так как производство данных минерализаторов предполагает экструзию при температурах более 100°С, что приводит к окислению большинства известных витаминов и антиоксидантов.
Известно устройство для введения добавки в воду, включающее корпус и размещенный в нем контейнер с крышкой, содержащий добавку (ЕР 0214854 от 27.06.1989, класс C02F 1/28). Которое является аналогом патенту RU 2212378 от 18.07.2002, класс МПК C02F 1/68, C02F 103/04).
Известно устройство для введения добавки в воду (RU 2212378 от 18.07.2002, класс МПК C02F 1/68, C02F 103/04), взято за прототип из-за своих ближайших технических характеристик. Устройство содержит корпус и размещенный в нем контейнер с крышкой, содержащий добавку, крышка контейнера выполнена перфорированной, по меньшей мере, верхняя часть корпуса устройства, контактирующая с перфорированной крышкой, выполнена из материала пространственно-глобулярной структуры (ПГС), при этом высота верхней части корпуса не превышает 30% высоты контейнера, а площадь отверстий перфорации - не более 2% площади крышки контейнера. ПГС - глобулярный трехмерный ионит, имеющий размер глобул 5-7 мкм. Микроглобулы в ионите ПГС образуют регулярную высокопроницаемую структуру, что обусловлено спонтанным саморегулирующимся механизмом полимерообразования. Средний размер пор составляет 3-5 мкм, общая пористость - более 65 об.%. Обычно этот материал используют для сорбционных процессов при высоких скоростях пропускания растворов. Так как размер микроглобул ионита ПГС на два порядка меньше, чем у ионитов стандартного зернения (5-7 мкм против 0,5-0,7 мм), то объемные скорости пропускания растворов могут достигать величин, в 100 и более раз превышающих скорости пропускания растворов через неподвижный слой ионита обычного зернения (1000-2000 против 10-15 удельных объемов в час соответственно).
Недостатком данного устройства является, сложность конструкции и технологии изготовления, из-за выполнения внешней части корпуса из ПГС полимера. Данная технология требует изготовления дополнительной оснастки (литьевые формы), а так же, возможна нарушение полимеризации ПГС полимера при контакте с минерализующими добавками. Так поры у ПГС полимера имеют размеры 0,01-3,0 мкм, то возможно забивание перфорации крышки добавками, содержащимися в вышеуказанном контейнере из-за малого размера пор.
Задачей технического решения является разработка простого в изготовлении и удобного в эксплуатации устройства для снижения ОВП воды, с одновременным обеспечением насыщения воды макро и микроэлементами, с повышением ее рН, то есть для придания воды, в том числе после обратного осмоса, полезных для человека свойств.
Поставленная техническая задача достигается предлагаемым решением в виде устройства для снижения ОВП воды и минерализации, содержащего пластиковый корпус с узлами ввода воды и вывода воды. А также, расположенной в корпусе, минерализующей загрузки, состоящей из смеси (или послойно) активированного угля, ионообменной смолы, малорастворимой добавки и контейнера с быстрорастворимой добавкой.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат достигается за счет разработки устройства для снижения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) воды и минерализации, включает в себя корпус и загрузку, где последняя представляет собой смесь, имеющую в своем составе: гранулированный активированный уголь, ионообменную смолу, малорастворимую добавку, выделяющую в воду макро и микроэлементы и отличающийся тем, что внутрь в устройства помещен контейнер, содержащий 2-20 г быстрорастворимой добавки, которая выделяет в воду макро- и микроэлементы, при этом сам контейнер выполнен с отверстием. Указанное техническое решение обеспечивает равномерную выделение в воду макро и микроэлементов (минерализацию), а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
Возможен вариант технического решения, где в качестве малорастворимой добавки используется слаборастворимый сорбционно-фильтрующий материал на алюмосиликатном каркасе, имеющий в своем составе магний и (или) кальций. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение в воду ионов кальция и (или) магния, а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
Возможен вариант технического решения, где в качестве малорастворимой добавки используется минерал, имеющий в своей основе карбонат или гидрокарбонат кальция и (или) магния или используется минерал, имеющий в своей основе фторид кальция. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение в воду ионов кальция и (или) магния, фтора, а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
Возможен вариант технического решения, где малорастворимая добавка в количестве 0,1-10% от объема загрузки устройства, обогащающая воду макро и микроэлементами воду расположена в верхней части корпуса или равномерно распределена по всему объему корпуса. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение в воду макро и микроэлементов, а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
Возможен вариант технического решения, где контейнер с отверстием, представляющий собой полый тонкостенный цилиндр с дном, диаметром 20-70 мм, при этом в верхней части контейнера расположена пробка с отверстием 0,1-3 мм, обеспечивающая контакт быстрорастворимой добавки с протекающей водой. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение в воду макро и микроэлементов, а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
Возможен вариант технического решения, где в качестве быстрорастворимой добавки используется, но не ограничиваясь, гидрокарбонат калия, хлорид калия, иодид калия, селенит натрия. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение в воду микроэлементов, таких как калий, селен, а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
Возможен вариант технического решения, где контейнер с быстрорастворимой добавкой расположен по геометрическому центру корпуса, или в верхней части корпуса или в нижней части корпуса, или по центру корпуса, отверстием вверх или по центру корпуса отверстием вниз, или по центру корпуса с отверстием к боковой стенке корпуса. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение в воду макро и микроэлементов, а также повышение рН воды и снижение ее ОВП.
КРАТКИЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1, 2 - показано устройство для введения добавки в воду,
На фиг. 3 - показан контейнер с быстрорастворимой добавкой, где
поз.1 - пластиковый корпус устройства для введения добавки в воду;
поз. 2 - узел ввода воды в устройство для введения добавки в воду;
поз. 3 - узел вывода воды из устройства для введения добавки в воду;
поз. 4 - малорастворимая добавка;
поз. 5 - контейнер с отверстием (представляет собой полый тонкостенный цилиндр с дном, диаметром 20-70 мм, при этом в верхней части капсулы расположена пробка с отверстием 0,1-3 мм), содержащий быстрорастворимую добавку;
поз. 6 - барьерные слои, представляющие собой мелкопористые нетканые материалы на основе полипропилена, полиэфира, вискозы или других подходящих полимерных материалов.
поз. 7 - корпус контейнера для быстрорастворимой добавки,
поз. 8 - быстрорастворимая добавка,
поз. 9 - пробка с отверстием.
поз. 10 - пробка из пористого полимерного материала,
поз. 11 - сварной (клеевой) шов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Применяемые термины и определения:
Малорастворимая добавка - это вещество, растворимость которого составляет, менее 1 г в 100 г растворителя (воды) (второе название «малорастворимая добавка»), которое может быть, но не ограничиваясь, брусит, кальцит, доломит, мрамор, плавиковый шпат и др.
Быстрорастворимая добавка - это вещество, растворимость которого составляет более 1 г в 100 г растворителя (воды) (второе название «быстрорастворимая минерализующая добавка»), которое может быть, но не ограничиваясь, галогениды, карбонаты, гидрокарбонаты щелочных и щелочно-земельных металлов, витамины, антиоксиданты и др.
Минерализующая загрузка - это состав, включающий в себя активированный уголь, ионообменную смолу, малорастворимую добавку, быстрорастворимую добавку в контейнере.
Окислительно-восстановительный потенциал воды (ОВП) - это физическая характеристика воды, которая измеряется в милливольтах как разность потенциала между двумя конкретными электродами, платиновым и хлорсеребряным, которые помещены в водный раствор или другую жидкость.
Водородный показатель воды (рН) - то мера активности (в случае разбавленных растворов отражает концентрацию) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр.
Минерализация воды - насыщение воды полезными макро и микроэлементами, до оптимальных для организма, значений.
Использование быстрорастворимой добавки обусловлено процессом ее постепенного вымывания из контейнера потоком воды, через отверстие определенного диаметра, или в случае с применением пористых полимерных материалов в качестве барьерного слоя - через поры в структуре полимера.
Использование малорастворимой добавки обусловлено процессом ее растворения в воде, описывающимся следующим равновесием (на примере гидроксида магния):
2
2+
-
Mg(OH)=Mg+2OH
2
2+
-
2
ПР [Mg(OH)]=[Mg][OH]
где ПР - произведение растворимости малорастворимых веществ
-11
-12
-13
-11
2+
-
Если принять ПР=2⋅10 (в литературе также встречаются данные 5⋅10, 6⋅10, 3.2⋅10) и обозначить концентрацию ионов [Mg] за х, а [ОН] за 2х, то
2
2
3
ПР [Mg(OH)]=х⋅(2х)=4х, откуда
В случае исходной воды, уже содержащей значительное количество солей магния и (или) кальция и не нуждающейся в дополнительной минерализации, растворение малорастворимой добавки происходить не будет, поскольку концентрация катиона в воде будет больше, чем величина, задаваемая произведением растворимости.
Устройство для снижения ОВП води и минерализации подразумевает несколько вариантов изготовления корпуса (фиг. 1-3):
вариант 1. Корпус устройства выполнен в виде быстросъемного соединения (смарт).
вариант 2. Корпус устройства выполнен в виде независимого устройства, с возможностью подключения к любому типу водоочистного или другого устройства.
вариант 2. Корпус устройства выполнен в виде канистры с двумя завинчивающимися крышками, данный тип устройство для снижения ОВП води и минерализации подразумевает установку в корпуса формата 10 SL (Slim Line).
Контейнер с быстрорастворимой добавкой, входящий в состав минерализующей загрузки, предполагает несколько вариантов изготовления (фиг. 2):
вариант 1. Контейнер 5 состоит из корпуса 7, пробки с отверстием 9 и быстрорастворимой загрузки 8. Корпус 7 может представлять собой, но не ограничиваясь, полый цилиндр с дном. Пробка с отверстием 9 может соединяться с корпусом 7 контейнера 5 резьбовым соединением или непосредственно, с помощью плотного прилегания к стенкам корпуса 7.
вариант 2. Контейнер 5 может быть выполнен в виде полого цилиндра, с дном или емкости другой формы, состоящей из корпуса 7 быстрорастворимой загрузки 8, где в качестве пробки 10 используется пористый полимерный материал.
вариант 3. Контейнер 5 может быть выполнен в виде полого цилиндра с дном или емкости другой формы, состоящей из двух частей 7. После загрузки внутрь быстрорастворимой минерализующей добавки 8, обе части контейнера 5 привариваются или приклеиваются друг к другу, с помощью сварки или специального клея 11. Далее в контейнере 5 проделывается отверстие требуемого диаметра.
Через отверстие внутрь контейнера 5 попадает вода, растворяя быстрорастворимую добавку 8, тем самым получается насыщенный раствор, который постепенно вымывается через отверстие. В случае использования пористого полимерного материала, в качестве пробки 10, вода попадает через многочисленные поры в структуре полимера. Полученный насыщенный раствор постепенно вымывается через многочисленные поры в структуре полимера.
Ограничению выноса загрузки из корпуса устройства для введения добавки в воду 1 способствуют барьерные слои 6, выполненные из мелкопористого полимерного нетканого материала.
Работа заявляемого технического решения, а именно устройства для введения добавки в воду, происходит следующим образом: исходная вода поступает в Корпус самого устройства 1, через узел ввода 2 и барьерный слой 6, проходит через загрузку 4 и омывая контейнер 5 с быстрорастворимой добавкой 8, поступает через барьерный слой 6, в узел вывода воды 3.
Для обеспечения равномерной дозировки макро- и микроэлементов в воду используется минерализующая загрузка, в состав которой входят: быстрорастворимая 8 и малорастворимая 4 добавки. При этом сама минерализующая загрузка состоит из комбинации гранулированного активированного угля в количестве 50-90%, ионообменной смолы в количестве 3-20%. Так же в состав минерализующей загрузки входит малорастворимая добавка 4, выделяющая в воду макро и микроэлементы в количестве от 0,1 до 10%, контейнер 5 с отверстием, содержащий 2-20 г быстрорастворимой добавки 8.
Выбор фракционного состава минерализующей загрузки обусловлен возможностью прохождения воды через ее поровое пространство, то есть создания загрузкой гидродинамического сопротивления для равномерного вымывания макро и микроэлементов из малорастворимой добавки 4 и быстрорастворимой добавки 8 из контейнера 5 с отверстием.
Заявителем изготовлены опытные образцы устройства для введения добавки в воду, которые подтвердили заявленные преимущества. Проведенные опыты по минерализации воды с помощью устройства для введения добавки в воду, доказывают эффективность его применения в напорных и безнапорных фильтрах.
Устройство по техническому решению:
Заявляемое техническое решение обеспечивает снижение ОВП воды, насыщение ее полезными макро и микроэлементами, а так же повышение рН, за счет разработки устройства для снижения ОВП воды и минерализации для напорных и безнапорных фильтров.