Водородная вода и способ производства водородной воды
HYDROGEN WATER AND METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN WATER

Группа изобретений относится к области производства воды хозяйственно-питьевого назначения и может быть использовано в различных областях народного хозяйства - в технике, медицине, в том числе и в практическом здравоохранении, в пищевой и косметической отраслях промышленности, сельском хозяйстве.
Качество и экологичность пищевых продуктов и напитков, в том числе питьевой воды, определяют качество жизни и здоровья человека.
Качественные характеристики пищевых продуктов и напитков, в свою очередь, существенным образом зависят от качества и чистоты входящей в их состав воды.
В связи с этим проблема обеспечения воды должного качества для ее использования в различных отраслях пищевой промышленности стоит очень остро.
2
Вода с точки зрения химии является веществом, состоящим из молекул НO. В природе совершенно чистой воды не существует. Природная вода всегда в той или иной мере содержит механические, химические и биологические примеси.
В качестве альтернативы в настоящее время предлагается вода из скважин. Неглубокие скважины (до 30 м), забирающие воду из слоя песка, дают воду, которая обычно не требует очистки, и по своему составу она близка колодезной или родниковой. Однако дебет таких скважин невелик, они склонны к заиливанию и требуют нередко больших эксплуатационных затрат. Глубокие артезианские скважины (более 100 м) обеспечивают большой расход воды, меньше склонны к заиливанию. Однако вода из таких скважин часто содержит соли, не свойственные поверхностным речным водам, и непосредственно для питья, как правило, непригодна. Существуют скважины с целебной водой, но они встречаются редко. Поэтому в основном вода из артезианских скважин требует, как и речная вода, серьезной очистки. Так как вода из артезианских скважин загрязнена солями, нежелательными для употребления или вредными здоровью, то их удаляют высокоэффективными фильтрами, включая обратный осмос
(http://sistemyochistkivody.ru/cxema-ochistki-artezianskoj-vodyi-dlya-vsego-doma.html). Однако при этом из воды удалятся практически все соли. Чтобы компенсировать отсутствие солей, их искусственно вводят в воду после очистки (http://vmw.rusfilter.ru/support/info/razlichnve-tipy-zagrjaznenii-i-metody-ochistki-chast-1/).
Активированной называется вода, обладающая повышенной биологической активностью. Повышенную биологическую активность имеет вода, насыщенная кислородом и его активными формами, и вода, насыщенная водородом.
Антиоксидантная активность (АОА) является важной характеристикой качества и физиологической ценности продуктов. Повышение АОА жидких продуктов характеризует увеличение их восстанавливающих свойств и способности вступать в реакцию с активными формами кислорода (АФК), которые могут выступать в роли радикалов, атакующих липиды в клеточных мембранах, белки тканей, энзимы и ДНК.
Мировое потребление бутилированной воды постоянно увеличивается, причем потребители желают получать воду, обладающую хорошими органолептическими показателями и высоким качеством (присутствие минералов, отсутствие хлора и вредных веществ). Рынок воды и напитков, называемых функциональными, постоянно растет.
Таким образом, специалисты в данной области техники желают получить экономически целесообразный и пригодный для промышленного применения способ получения воды, обогащенной водородом.
Задачей изобретения является повышение органолептических свойств воды, обеспеченных посредством насыщения подготовленной воды водородом. Поставленная задача решается путем получения композиции воды, растворенного в ней под давлением молекулярного водорода.
Техническим результатом группы изобретений является значительное увеличение у композиции воды органолептических свойств посредством улучшения качества воды.
+
Поставленная задача решается посредством заявленного способа получения воды хозяйственно-питьевого назначения, обогащенной водородом (водородной воды), предусматривающий санитарную обработку технологического оборудования перед производством, подготовку воды, приготовление воды хозяйственно-питьевого назначения, обогащенной водородом, розлив, укупорку, бракераж, маркировку, упаковку, передачу продукции на склад, хранение и транспортировку готовой продукции, причем подготовка воды производится на мембранной системе водоподготовки для получения технологической воды со сбалансированным микроэлементным составом, причем температура воды, поступающей в сатуратор, должна быть не более 15 градусов С, при этом в состав системы водоподготовки входит блок многослойной фильтрации, блок обезжелезивания, блок умягчения, мембранная установка обратного осмоса с блоком регенерационных промывок, при этом исходная артезианская вода из накопительного резервуара под давлением 4-6 атм подается на вход многослойного фильтра, проходя сверху вниз через слои зернистой загрузки и дренажный слой гравия, исходная вода освобождается от механических загрязнений, при этом фильтр обезжелезивания состоит из стеклопластиковой емкости, загруженной слоем зернистого фильтрматериала и сопутствующими фильтрующими слоями; после блока обезжелезивания вода поступает на блок умягчения, состоящий из двух Na-катионитных фильтров, смонтированных параллельно; мембранная установка, предназначенная для снижения общей минерализации воды методом обратного осмоса, включает барьерный фильтр, насос высокого давления, мембранный контур, состоящий из трех модулей, узел химической мойки, трубопроводной обвязки, запорной и регулирующей арматуры, пульта управления и регистрирующей и контрольно-измерительной аппаратуры;
этап приготовление воды хозяйственно-питьевого назначения, обогащенной водородом заключается в насыщении подготовленной воды молекулярным водородом или углекислотой в сатураторе, при этом источник водорода, баллон или генератор водорода, подключается через редуктор и трубопровод к сатуратору, открывается входной газовый вентиль источника водорода, на редукторе устанавливается рабочее давление водорода в пределах 0,3…0,4 Мпа, открывается входной газовый клапан на сатураторе, водород вытесняет в дренаж воду, которая была предварительно залита в колонну сатуратора, после окончания работы закрывается запорный вентиль источника водорода, отключается подача воды на сатуратор, и через дренажный трубопровод производится сброс избыточного давления в сатуратор; причем на разливочной машине производится изобарический розлив в бутылки, которые прошли ополаскивание озонированной водой, при этом изобарический розлив проводится с использованием углекислоты для противодавления, а при хранении в ящиках из гофрированного картона, бутылки укладываются и хранятся в перевернутом положении - донышком вверх.
Осуществление изобретения.
Перед производством воды хозяйственно-питьевого назначения, насыщенной водородом (водородной воды), все технологическое оборудование, включая технологические емкости, трубопроводы, насосы, запорную, регулирующую арматуру и тд., проверяется на герметичность и проходит санитарную обработку. Качество санитарной обработки оценивается по результатам микробиологических исследований промывной воды, отобранной из контрольных точек технологического процесса.
Схема производства напитка безалкогольного, а именно воды хозяйственно-питьевого назначения, обогащенной водородом «Аква водородная вода» включает в себя:
Подготовку воды;
Санитарную обработку технологического оборудования перед производством;
Приготовление напитка;
Розлив;
Укупорку, бракераж, маркировку, упаковку и передачу готовой продукции на склад;
Хранение и транспортировку готовой продукции.
Подготовка воды.
Вода должна быть очищена системой обратного осмоса и иметь общую минерализацию (TDS) не более 130 мг/л. Температура воды, поступающей в сатуратор, должна быть не более 15 градусов С.
Обработка воды заключается в доведении ее показателей до значений, оптимальных для производства воды хозяйственно-питьевого назначения, насыщенной водородом «Аква водородная вода», перечисленных в табл. 1.
По содержанию основных микроэлементов исходная вода удовлетворяет технологическим требованиям, но по жесткости и щелочности она находится на пределе требований и при высоком рН исходной воды (8,15) возможно образование осадков бикарбоната и карбоната кальция и магния. Особенно это касается воды негазированной при длительных сроках хранения и повышенном температурном фоне (25-30 град. С).
Необходимо предусмотреть регулирование солевого баланса таким образом, чтобы жесткость очищенной воды составляла 2.0 мг-экв/л - для воды негазированной и 3.0 мг-экв/л - для воды газированной.
В этой связи при производстве воды хозяйственно-питьевого назначения, обогащенной водородом этап водоподготовки производится на мембранной системе водоподготовки для получения воды со сбалансированным микроэлементным составом в производстве безалкогольных напитков и питьевой бутилированной воды.
3
При это мембранная система водоподготовки может эксплуатироваться как в непрерывном, так и в периодическом режиме с производительностью - 10 м/час при +10°С и рабочим давлением 8,0-12,0 атм. В состав системы водоподготовки входит:
3
1. Блок многослойной фильтрации с номинальной производительностью 15 м/час.
3
2. Блок обезжелезивания с номинальной производительностью 15 м/час.
3
3.Блок умягчения с номинальной производительностью 15 м/час.
3
4.Мембранная установка обратного осмоса с блоком регенерационных промывок с номинальной производительностью 10 м/час.
Блок многослойной фильтрации служит для удаления взвешенных частиц ила, глины, гидроокиси железа и других механических примесей. Принцип работы фильтра основан на фильтровании вышеуказанных загрязнителей зернистыми материалами с различной структурой, размерами и механизмом действия.
Загрузка одного фильтра:
дренажный слой - окатанный гравий 3-10 мм - 130 л;
фильтрующие слои:
гарнет рубиновый фракции (0,42-0,6 мм) и (1,68-2,43) мм - 120 л;
песок кварцевый фракции (0,4-0,8 мм) и (0,5-1,0 мм) - 250 л;
гидроантрацит фракции (2,0-3,0, мм) и (3,0-4,0 мм) - 200 л.
Объем зернистой загрузки 70% от общего объема фильтра. Зона расширения слоя 30% от общего объема. Рейтинг осветления 10 мкм.
Регенерация обратным током исходной воды в автоматическом режиме в течение 20-30 минут. Все детали, контактирующие с водой, выполнены из коррозионностойких материалов.
Исходная артезианская вода из накопительного резервуара под давлением 4-6 атм подается на вход многослойного фильтра. Проходя сверху вниз через слои зернистой загрузки (гидроантрацит, кварцевый песок, гарнет) и дренажный слой гравия, исходная вода освобождается от механических загрязнений. Рейтинг осветления данной загрузки составляет: 10 мкм - 99,6%, 5 мкм - 72%. Степень загрязненности фильтрующих слоев определяется по перепаду давления на входе и выходе из фильтра и контролируется с помощью манометров размещенных на линии подачи исходной воды М0 и на входе в барьерные фильтры M1. При возрастании перепада давления до 1 атм фильтрующие слои необходимо промыть обратным током воды. Цикл промывки программируется и реализуется с помощью автоклапана.
На Фиг. 1 представлена технологическая схема блока фильтрации, где позициями обозначено следующее:
1 - ограничитель потока;
2 - проотборник потока;
3 - фильтрующий слой;
4 - фильтратный стояк с дистрибьютером;
5 - фильтрат;
6 - автоклапан;
7 - корпус фильтра;
8 - исходная вода;
9 - дренаж в канализацию.
В данной системе водоподготовки цикл промывки запрограммирован на таймере автоклапана по следующей схеме:
1. Промывка обратным током
- 10 мин (5 штифтов)
2. Meдленная прямая промывка
- 4 минуты (2 отверстия)
3. Быстрая прямая промывка
- 10 минут (5 штифтов)
4. Заглушка
- 4 минуты (2 отверстия)
5. Сигнал завершение цикла
- 4 минуты (2 штифта)
Итого 32 минуты. 180-42=148 минут (69 отверстий)
- резервное поле.
3
3
По завершении цикла промывки диск программатора автоматически вернется в исходное положение. Промывные воды сбрасываются в дренажную линию. Для того, чтобы исключить унос зернистого материала при взрыхлении и обратной промывке на выходе автоклапана смонтирован ограничитель скорости потока. Для фильтров с автоклапанами скорость обратной промывки не должна превышать 18 м/час. Это значение нанесено на корпус ограничителя потока. С другой стороны, скорость обратной промывки не должна быть менее 10 м/час, т.к. это может привести к снижению эффективности промывки.
Блок обезжелезивания.
В подземных водах, поступающих из скважин, железо находится в основном в виде растворенных 2-валентных бикарбонатов, сульфатов и хлоридов (последних двух крайне мало) которые устойчивы только при наличии значительного количества растворенной углекислоты (что подтверждается величиной рН 7,54 в исходной воде) и очень легко окисляется кислородом воздуха до 3-валентного состояния. Окислению 2-валентных форм железа способствует наличие кислорода и повышение рН, при этом образуется бурый осадок 3-валентного железа, а при наличии сульфидов - черный осадок с характерным неприятным запахом. Скорость окисления 2-валентных форм железа увеличивается при хлорировании воды, принудительном барботаже воздухом, воздействии раствора перманганата калия, взаимодействии с природными зернистыми материалами, которые действуют как катализатор, ускоряющий реакции между растворенным кислородом и соединениями железа. На окисление 1 мг 2-валентного железа расходуется 0,143 мг растворенного в воде кислорода или 0,71 мг перманганата калия, что примерно соответствует свободному контактированию воды с атмосферным воздухом. Учитывая, что общее содержание железа в исходной воде - до 1,4 мг/л, а активный хлор отсутствует, используется следующая схема очистки:
Исходная вода подается в фильтр-обезжелезиватель, заполненный зернистым фильтрматериалом, который получают из глауконитового зеленого песка Greensand, способного эффективно удалять железо, марганец и сероводород из воды путем окисления в широком диапазоне рН с последующим фильтрованием. Растворенное железо окисляется и связывается в результате контакта с высшими оксидами марганца гранул глауконитового зеленого песка. Сероводород окисляется до нерастворимых сульфатов. Осадки фильтруются слоем глауконитового зеленого песка и сопутствующими фильтрующими слоями. Глауконитовый зеленый песок, благодаря его каталитическим свойствам, позволяет снизить содержание железа до предельно низкого уровня. Высокая окислительно-восстановительная буферная емкость определяет длительность рабочего цикла и позволяет сохранить плавность эксплуатационных режимов при непрерывном процессе удаления железа. Когда окислительный потенциал слоя глауконитового зеленого песка истощается, его регенерируют раствором перманганата калия в течение 30-40 минут.
Фильтр обезжелезивания состоит из стеклопластиковой емкости, загруженной слоем зернистого фильтрматериала и сопутствующими фильтрующими слоями. Фильтр оснащается подводящими и отводящими трубопроводами с запорной арматурой, линией промывки обратным током дренажной линией и манометрами. В комплект входит емкость для регенерационного раствора перманганата калия. Управление осуществляется с помощью автоматического вентиля, исполнительный механизм которого реализует все стадии процесса в соответствие с заданной программой.
Используемый глауконитовый зеленый песок обладает следующими характеристиками:
1. Форма - зернистая от темно-зеленого до черного цвета.
2. Фракционный размеры частиц в сухом виде 0,25-1,00 мм.
3. Эффективный размер 0,30-0,35 мм.
4. Коэффициент однородности зерен 1,4-1,6.
3
3
5. Окислительная емкость: 0,7 г Mn/дм, 1,4 г Fе/дм.
6. Истираемость - 1,5%. в год.
7. Срок службы 10-15 лет.
4
Необходимое количество KMnO можно рассчитать по следующей формуле:
4
+2
KMnO (мг/л) = 1 × мг/л Fe × мг/л Mn
4
2
Если вместе с KMnO используется хлор (Cl), то его доза рассчитывается по формуле:
2
4
Cl (мг/л) = 1 × мг/л Fe × мг/л KMnO = 0.2 × мг/л Fe + 2 × мг/л Mn
Блок умягчения с блоком управления.
+
+
После установки обезжилезивания вода поступает на блок умягчения, состоящий из 2х Na-катионитнных фильтров (№1 и №2), смонтированных параллельно. Каждый фильтр укомплектован блоками управления. Фильтры заполнены катеонитом в Na-форме. При прохождении потока воды на поверхности зерен катеонита протекают следующие реакции:
2NaR+Са(HCO3)2 = CaR2+2NaHCO3
2NaR+Mg(HCO3)2 = MgR2+2NaHCO3
2NaR+CaSO4 = CaR2+Na2SO4
2NaR+MgCl2 = MgR2+2NaCl и т.д.
+
+
+
Здесь NaR, CaR2, MgR2 - солевые формы катеонита. Как видно из приведенных реакций, из обрабатываемой воды удаляются катионы Са2 и Mg2, а поступают ионы Na. Анионный состав воды при этом не меняется.
+
Одноступенчатым Na - катионированием в данных условиях можно получить воду с остаточной жесткостью до 0,1-0,2 мг-экв/л, что вполне достаточно для данной технологии.
+
2+
2+
По мере насыщения катеонита солями жесткости его необходимо регенерировать насыщенным раствором NaCl. При этом ионы Na из раствора переходят в ионообменную смолу, а катионы солей жесткости Са и Mg переходят в раствор и сбрасываются в канализацию:
CaR2+2NaCl = СаСl2+2NaR;
MgR2+2NaCl = MgCl2+2NaR.
Регенерация проводится при увеличении жесткости умягченной воды до 1 мг-экв/л. В режиме ручного управления регенерацией необходимо проводить титрометрический контроль жесткости умягченной воды, периодически отбирая пробы из пробоотборника на линии фильтрата.
При проведении цикла регенерации давление на входе в блок умягчения должно быть не менее 3-4атм.
После достижения жесткости умягченной воды 1 мг-экв/л или более необходимо включить таймер регенерации на блоке управления фильтров №1 и №2. Автомат выполнит все операции по регенерации фильтров в течение 1 часа и подаст необходимое количество воды в солерастворитель на приготовление раствора NaCl для последующей регенерации.
3
Установка мембранная для водоподготовки (10 м/час).
Мембранная установка предназначена для снижения общей минерализации воды методом обратного осмоса.
Используемая мембранная установка включает:
барьерный фильтр;
насос высокого давления;
мембранный контур, состоящий из трех модулей;
узел химической мойки;
трубопроводная обвязка;
запорная и регулирующая арматура;
пульт управления;
регистрирующая и контрольно-измерительная аппаратура.
Приготовление напитка заключается в насыщении подготовленной воды молекулярным водородом/углекислотой в сатураторе. Источник водорода (баллон или генератор водорода) подключается через редуктор и трубопровод к сатуратору. Открывается входной газовый вентиль источника водорода, на редукторе устанавливается рабочее давление водорода в пределах 0,3…0,4 Мпа. Открывается входной газовый клапан на сатураторе, водород вытесняет в дренаж воду, которая была предварительно залита в колонну сатуратора. После окончания работы закрывается запорный вентиль источника водорода, отключается подача воды на сатуратор, и через дренажный трубопровод производится сброс избыточного давления в сатуратор.
При розливе водородная вода поступает на разливочную машину, осуществляется изобарический розлив в бутылки, которые прошли ополаскивание озонированной водой.
При розливе газированного напитка на сатуратор подают подготовленную воду. Включают подачу углекислоты на сатуратор и доводят значение углекислоты до значения, обеспечивающего заданный уровень газирования напитка.
Создают на моноблоке противодавление углекислоты на 1-1,5 бара меньше, чем давление на сатураторе. Включают подачу водорода на сатуратор и выставляют давление, равное давление подачи углекислоты на сатуратор. Начинают розлив и укупорку готового напитка на блоке розлива.
Перед розливом негазированного напитка моноблок должен быть промыт озонированной водой в ручном режиме. Осуществляют подключение источника водорода к сатуратору и создают давление водорода на входе 3-4 бара. Воду на входе в сатуратор охлаждают до температуры от (+1) градуса Цельсия до (+7) градуса Цельсия. Создают обратное давление в кольцевой камере моноблока углекислотой и устанавливают давление на уровне от 0,3 до 1,5 бара, используя при работе минимально возможное противодавление углекислоты, обеспечивающее стабильную работу автоматики наливных кранов филлера. Осуществляют подачу воды на сатуратор и розлив готового напитка на блоке розлива.
Тара для хранения напитка представляет собой стеклянные бутылки от 0,25 до 1,0 литра, герметично укупориваемые. Тара для групповой упаковки бутылок - ящики из гофрированного картона. Бутылки в них хранятся в перевернутом положении, то есть донышком вверх.
Контроль готовой продукции характеризуется количественным содержанием молекулярного водорода в питьевой воде. Это количество опосредованно определяется при измерении окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) готового продукта при помощи ОВП-метра в течение всего срока хранения водородной воды. ОВП должен сохраняться в пределах от минус 600 до минус 50 мВ.
При этом при производстве воды хозяйственно-питьевого назначения, обогащенной водородом, вышеописанным способом, получены следующие результаты испытаний (исследований) пробы полученной воды (см. табл. 2).