Переносной прибор для электрохимической обработки воды

Полезная модель относится к области прикладной электрохимии, в частности к переносным устройствам для электрохимической обработки воды с целью направленного изменения ее свойств, и может быть использована широким кругом потребителей.
Устройства, предназначенные для широкого круга потребителей, должны быть безопасны, удобны в использовании, просты в исполнении и при этом обеспечивали высокое качество обработки воды.
Так известен простой в конструкции настольный прибор для получения «живой» и «мертвой» воды (RU 2084246, опубл. 20.07.1997 г.) [1]. Прибор содержит стеклянную емкость, на боковой стенке которой размещен катод с проводником, проходящим через корпус наружу, крышку с отверстием, в которое введен брезентовый мешочек с размещенным в нем анодом, выполненным за одно целое с трехпозиционной розеткой с выпрямителем.
В стеклянную емкость (банку) наливают воду, закрывают крышкой. Через отверстие в крышке наполняют водой брезентовый мешочек, затем вставляют через то же окно в крышке анод с розеткой, которая может опираться на крышку, и включают ее в электросеть. Посредством трехпозиционной розетки с выпрямителем напряжение сети поступает на катод, в результате цепь между электродами через воду замыкается и начинается процесс приготовления воды, продолжительность которого определяется необходимой крепостью "живой" или "мертвой" воды.
Доступ к "живой" и "мертвой" воде возможен только при соблюдении строгой последовательности действий потребителя. Вначале необходимо снять потенциал с анода и катода, для чего расстыковать соответствующие детали розетки, далее вытащить из крышки с мешочком анод с розеткой, затем снять крышку с мешочком. Использование брезентового мешочка снижает качество получаемой воды, т.к. при движении анионов и катионов через его стенку идет процесс выщелачивания составных элементов ткани мешочка, загрязняющих воду. Кроме того, брезентовый мешочек создает неудобства слива воды из электродных камер по окончании электрохимической обработки.
Известно переносное устройство электрохимической обработки воды и водных растворов (RU 2178773, опубл. 27.01.2002 г.) [2]. Данное устройство содержит корпус с крышкой, в корпусе размещены электролизер, состоящий из полого поршня с поперечной перегородкой, на которой расположены нерастворимые электроды, связанные с блоком батарей постоянного тока, а также фильтрующий элемент. Нерастворимые электроды с блоком батарей постоянного тока размещены в двух камерах, на которые разделена емкость, выполненная в донной части поршня. В крышке имеется отверстие для забора воды и закрывающая его пробка, закрепленная на корпусе.
Пробку открывают, и устройство погружают крышкой в воду. Вытягивая поршень за крышку, пространство между перегородками заполняют водой через фильтр и отверстие для забора воды. Затем устройство переворачивают и в таком положении выдерживают определенное время. При этом происходит обеззараживание порции воды электрическим током, проходящим через воду. В процессе работы жидкость под действием выделяющихся пузырьков на электродах поднимается вверх, освобождая место для необработанной жидкости. Через определенное время пробку закрывают, устройство переворачивают в исходное положение и вытаскивают поршень из корпуса. Вода готова к употреблению.
Если требуется получить обеззараживающий раствор (анолит) и щелочной (католит), то для этого набирают воду, как и в первом случае, но в количестве, равном объему электродных камер. Затем устройство переворачивают и вытаскивают поршень из корпуса. По истечении определенного времени в электродных камерах образуются анолит и католит, которые можно использовать по соответствующим рекомендациям. Например, анолит хорошо обеззараживает ранки, устраняет опухлость после укусов комаров. Католит помогает при изжоге.
В данном устройстве внутренняя транспортировка обрабатываемой воды организована за счет пузырьков, выделяющихся на электродах. Этот процесс газообразования сильно зависит от минерализации воды и от величины напряжения на электродах, что значительно усложняет контроль процесса обработки воды и затрудняет получение продукта со стабильным качеством.
Вышеперечисленные устройства, как и многие другие, основаны на принципе размещения электродной системы в ограниченном объеме воды, следствием чего являются неравномерная обработка всего объема жидкости и неудобство слива раствора из устройства. При отсутствии возможности получения непрерывного потока активированной воды невозможно получить воду или раствор, являющиеся продуктом последовательной обработки, например, вначале у катода, а затем - у анода. У этих устройств отсутствует также возможность получения регулируемого количества воды с заданным рН и ОВП. Таким образом, вышеописанные приборы обеспечивают обработку ограниченного количества жидкостей (воды или водных растворов) в камерах, что неудобно для пользователей.
Частично эти недостатки преодолены в устройстве для электрохимической обработки воды и водных растворов (RU 2204530, опубл. 20.05.2003) [3]. Данное устройство содержит корпус из диэлектрического материала с размещенным в нем блоком из двух электродов, между которыми расположена диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на катодную и анодную камеры, с каналами для раздельного отвода католита и анолита из камер. Электроды выполнены цилиндрическими, установлены коаксиально. Цилиндрическая диафрагма расположена коаксиально электродам и выполнена из керамики на основе оксидов алюминия и циркония. На корпусе установлены быстроразъемные гидравлические соединения и электрический разъем. Устройство подключают к напорному источнику воды через необходимую систему фильтрации. Недостатками устройства являются сложность подключения и эксплуатации в бытовых условиях, зависимость от наличия водопроводной магистрали, избыточная производительность, а также высокая себестоимость аппарата, обусловленная большими затратами на изготовление.
Наиболее близким к предлагаемому решению является переносное устройство для электрохимической обработки жидкости (RU 37985, опубл. 20.05.2004 г.) [4]. Устройство содержит емкость для обрабатываемой жидкости, соединенную с электродно-диафрагменным блоком, выполненным из цилиндрического внутреннего анода, внешнего цилиндрического катода и расположенной между ними цилиндрической диафрагмы из керамики, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры. Емкость для обрабатываемой жидкости соединена с электродно-диафрагменным блоком через шланг, выполненный из гибкой трубки с внешним диаметром 3 мм и внутренним диаметром 1 мм. Длина шланга составляет не менее 1900 мм. Дополнительно прибор содержит пневмонагнетатель для создания напорного давления в емкости для обрабатываемой жидкости.
Данное устройство обеспечивает получение активированной воды в проточном режиме и допускает последовательную обработку воды сначала в одной камере затем в другой. Однако проток обрабатываемой воды через электродно-диафрагменный блок, организованный за счет гидростатического давления, сильно зависит от перепада высот и, как правило, имеет низкий и непостоянный напор, притом, что процесс изменения скорости протока сложно автоматизировать, а это имеет важное значение для получения продуктов обработки с заданными показателями, поскольку величина этих показателей при прочих равных условиях зависит от времени нахождения обрабатываемой воды в камерах электрохимической ячейки. Кроме того, в этом случае невозможно использовать электрохимические ячейки с минимальным межэлектродным расстоянием, т.к. при минимальных зазорах возникают значительные гидравлические сопротивления, которые за счет гидростатического давления трудно преодолеть и может привести к полному отсутствию протока. Такое устройство предполагает использование электрохимической ячейки с заведомо завышенным межэлектродным расстоянием, что увеличивает время выхода на рабочий режим из-за увеличенного объема воды в электродных камерах, а также ограничивает возможность обработки воды с низкой минерализацией, т.к. для начала электролиза потребуется слишком высокое напряжение. В результате увеличения межэлектродного расстояния уменьшается стабильность характеристик получаемых растворов. Применение пневмонагнетателя, создающего дополнительное напорное давление в емкости для обрабатываемой жидкости, значительно усложняет устройство, т.к. требует не только его гидравлической герметичности, но и газоплотности всех элементов, особенно емкости для обрабатываемой жидкости. Добавлять жидкость во время работы прибора становится невозможным без нарушения герметичности устройства и остановки процесса, что создает неудобства пользования прибором.
Кроме того, переносное устройство, обеспечивающее получение активированной воды в проточном режиме за счет гидростатического давления, не может быть компактным. Поскольку скорость протока через электродно-диафрагменный блок зависит от уровня расположения емкости для обрабатываемой жидкости, емкость не может быть расположена рядом с блоком. Для обеспечения необходимой скорости протока необходим перепад высот, поэтому в известном устройстве минимальная длина шланга, соединяющего емкость для обрабатываемой жидкости с электродно-диафрагменным блоком, составляет 1900 мм.
Задачей полезной модели является повышение безопасности, удобства в использовании, простоты исполнения, повышения качества обработки воды.
Предложен переносной прибор для электрохимической обработки воды, который, как и прототип, содержит емкость для обрабатываемой воды, соединенную с электродно-диафрагменным блоком, включающий как минимум одну проточную электрохимическую ячейку с проницаемой диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры. Заявленный прибор отличается тем, что емкость для обрабатываемой воды соединена с электродно-диафрагменным блоком через перекачивающее устройство, вход которого соединен с выходом емкости для обрабатываемой воды, а выход - с входом как минимум одной из электродных камер.
Переносной прибор отличается также тем, что в качестве перекачивающего устройства содержит перистальтический или мембранный насос.
В отличие прототипа, где получение активированной воды в проточном режиме осуществляется за счет гидростатического давления, а при необходимости - за счет создания дополнительного напорного давления в питающей емкости при помощи пневмонагнетателя, в предлагаемом решении проток воды из емкости для обрабатываемой воды через электродно-диафрагменный блок обеспечивается перекачивающим устройством, герметично соединенным с емкостью для обрабатываемой воды и электродно-диафрагменным блоком. Перекачивающее устройство, создающее проток из емкости для обрабатываемой воды через электродно- диафрагменный блок, обеспечивает необходимый напор для преодоления гидравлического сопротивления, возникающего при уменьшении зазоров. В результате становится возможным использовать электрохимическую ячейку с минимальным межэлектродным расстоянием, т.к. принудительный напор позволяет обеспечивать необходимый проток воды через ячейку, преодолевая возникающие гидравлические сопротивления.
Минимизация межэлектродного расстояния уменьшает слой воды, находящейся между электродами, снижая тем самым сопротивление между ними, позволяя обрабатывать воду с низкой минерализацией, не повышая напряжение, подаваемое на электроды, а также снизить время выхода на рабочий режим.
Наличие перекачивающего устройства позволяет регулировать процесс, т.е. устанавливать расход воды и напор в соответствии с заданными значениями, при этом их значения могут быть регулированными или постоянными, что позволяет обеспечить получение электроактивированной воды с заданным значением рН и ОВП.
При необходимости получения объема активированной воды, большего, чем объем исходной емкости, открытая емкость для обрабатываемой воды позволяет доливать в нее воду, не останавливая процесс ее обработки. Установка перекачивающего устройства между емкостью для обрабатываемой воды и электродно-диафрагменным блоком позволяет сделать прибор максимально компактным, т.к. соединительные шланги в этом случае не нужны, либо могут быть заменены короткими патрубками, обеспечивающими гидравлическую связку емкости для обрабатываемой воды, перекачивающего устройства и электродно-диафрагменного блока.
Электропитание устройства может осуществляться от любого внешнего (выносного) источника тока: адаптера в виде понижающего трансформатора с выпрямителем и стабилизатором тока, автомобильного аккумулятора, топливных элементов или солнечной батареи.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в возможности обработки воды с низкой минерализацией без повышения подаваемого на электроды напряжения и снижении времени выхода на рабочий режим, возможности получать электроактивированную воду с заданным значением рН и ОВП, возможности доливать воду в емкость для обрабатываемой воды, не останавливая процесс ее обработки, повышении компактности прибора.
Заявленный прибор иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1, 2 изображена схема обработки воды в параллельном режиме с раздельным получением анолита и католита; на фиг. 3, 4 - схема последовательной обработки воды с получением католита; на фиг. 5 - общий вид прибора с емкостью для обрабатываемой воды 2 л, суммарной производительностью 0,35 л/мин.
Прибор содержит емкость для обрабатываемой воды 1, выход которой соединен с входом перекачивающего устройства 2, выполненного из разрешенного пищевой промышленностью материала. Выход перекачивающего устройства 2 соединен с входом в анодную камеру 3 и/или катодную камеру 4 электрохимической ячейки 5 электродно-диафрагменного блока 6. В данном примере емкость 1 соединена с блоком 6 через перекачивающее устройство 2 посредством патрубков 7, 8, 9. Патрубок 10 соединяет выход анодной камеры 3 с входом катодной камеры 4 в режиме последовательной обработки.
Прибор содержит также контроллер 11 с клеммами 12 для присоединения к источнику питания, представляющий собой электронное устройство, позволяющее в ручном или автоматическом режиме изменять напряжение на электродах и производительность перекачивающего устройства. При автоматическом режиме на выводах потока католита и анолита установлены датчики RedOx-потенциала, подключенные к контроллеру, позволяющие учитывать значение RedOx-потенциала обработанной воды при автоматизированной регулировке напряжения и потока исходной воды (не показаны). Прибор содержит также сливные приспособления 13 и 14.
Емкость 1 выполнена из полипропилена и является одновременно несущим корпусом, в котором крепятся конструктивные элементы прибора. В качестве перекачивающего устройства в данном примере использован перистальтический насос Kamoer KFS с силиконовой трубкой производительностью до 0,4 л/мин. Электродно-диафрагменный блок содержит одну электрохимическую ячейку с цилиндрическими коаксиально установленными электродами и диафрагмой, выполненной из керамики, разделяющей межэлектродное пространство на анодную 3 и катодную 4 камеры с межэлектродным расстоянием 2,8 мм.
Электроды выполнены из нерастворимого при электролизе материала. В качестве анодов использовались титановые электроды с покрытием из смеси диоксида рутения и диоксида титана (ОРТА) или титановые электроды с покрытием благородными металлами. В качестве катодных материалов использовался полированный титан ВТ 1-0. Катод, анод и диафрагма установлены с возможностью герметизации электродных камер.
Прибор работает следующим образом. Емкость для обрабатываемой воды 1, которая через перекачивающее устройство 2 герметично соединена с электродно-диафрагменным блоком 6, предварительно заполняется водой, предназначенной для обработки. После того, как включается перекачивающее устройство 2 и вода начинает поступать в электродно-диафрагменный блок 6, а далее в анодную 3 и/или катодную 4 камеры электрохимической ячейки, на электроды электрохимической ячейки подается напряжение. В процессе прохождения воды по электродным камерам электрохимической ячейки происходит ее обработка. Далее вода выходит из электродно-диафрагменного блока и льется в подставленные емкости (стаканы). При параллельной схеме обработки поток воды из перекачивающего устройства раздваивается и параллельно поступает в анодную 3 и катодную 4 камеры электрохимической ячейки и после обработки получаются два продукта: анолит и католит. При последовательной обработке вода из перекачивающего устройства 2 поступает в анодную камеру 3 электрохимической ячейки, на выходе из анодной камеры вода поступает на вход катодной камеры 4, на выходе из катодной камеры 4 получается один продукт - католит. Последовательную схему применяют, когда необходимо получить щелочную воду из неизвестного источника. В этом случае предварительная анодная обработка обеспечивает бактериологическую безопасность воды. В результате использования электрохимической ячейки с уменьшенным межэлектродным расстоянием прибор работает при пониженном напряжении 12-24 В, а для обработки может использоваться вода с минерализацией ниже 0,2 г/л (в прототипе 0,2 г/л и выше), не ухудшая характеристики получаемых продуктов, при этом время выхода на рабочий режим снижается. Так, например, при напряжении питания 24 В в результате последовательной обработки исходной воды с минерализацией 0,2 г/л, рН 7 и ОВП+250 получается католит рН 7,9 и ОВП - 150, в результате параллельной - анолит рН 4, ОВП+500 и католит рН 9, ОВП - 220. При достижении тех же параметров обработки воды, время выхода заявленного прибора на рабочий режим составляет менее 10 сек после подачи напряжения на электроды, в то время как у прототипа оно занимает 1 минуту.
Изменение характеристики (рН и ОВП) получаемых продуктов допускается тремя путями раздельно или совместно: это изменение минерализации исходной воды, изменение скорости протока (объемного расхода) воды, изменение напряжения, подаваемого на электроды.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет обрабатывать воду с низкой минерализацией без повышения напряжения, подаваемого на электроды, получать электроактивированную воду с заданным значением рН и ОВП, снижать время выхода на рабочий режим, доливать воду в емкость для обрабатываемой воды, не останавливая процесс ее обработки, повысить компактность прибора.