СПОСОБ АКТИВАЦИИ ВОДЫ
METHOD OF WATER ACTIVATION

Способ предназначен для интенсификации технологических процессов с участием растворов широкого спектра химических веществ и соединений, приготавливаемых на основе активированной воды.
Предварительно дистиллированную воду обрабатывают постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, с убывающей от анода к катоду величиной напряженности поля и локализованным в объеме диафрагмы скачком напряженности электрического поля, при этом в электролизере создают магнитное поле.
Данный способ обеспечивает повышение эффективности активации и степени активности активированной воды в катодной зоне электролизера, что позволяет использовать ее в качестве основы для приготовления растворов с высокой степенью активности, в частности при гидролизе пептидных связей в водных растворах белков и пептидов.
Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водно-солевых растворов, в частности к способам активации воды, и может быть использовано для интенсификации технологических процессов с участием растворов широкого спектра химических веществ и соединений, приготавливаемых на основе активированной воды, в технологических процессах, связанных с растворением и гидролизом органических и неорганических веществ и соединений.
Известны способы активации воды и водно-солевых растворов, заключающиеся в электрообработке постоянным электрическим током в зонах диафрагменного электролизера бытовой воды с той или иной степенью минерализации или детерминированных водных растворов солей в качестве сырья, загружаемого в зоны диафрагменного электролизера. Недостаток этих способов заключается в недостаточно высокой эффективности активации исходных водно-солевых растворов и степени активности активированных растворов. Это объясняется тем, что активация обусловлена изменением структуры воды, являющейся основой всех водно-солевых растворов, а наличие в ней примесных ионов (катионов в катодной и анионов в анодной зонах электролизера), имеющих гидратные оболочки, снижает эффективность активации и степень активности активированных обработанных водно-солевых растворов (а.с. 1650603, C02P 1/46, 1991).
Наиболее близким к заявленному объекту изобретения является способ активации воды, заключающийся в том, что воду предварительно подвергают дистиллированию и обрабатывают постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, с убывающей от анода к катоду величиной напряженности поля и локализованным в объеме диафрагмы скачком напряженности электрического поля (патент RU 2129530, C1).
Отсутствие примесных ионов и характер пространственного распределения напряженности электрического поля в зонах диафрагменного электролизера обуславливают высокую эффективность активации дистиллированной воды в катодной зоне электролизера и степень активности активированной воды. Вместе с тем, недостаток данного способа заключается в том, что для него существуют верхние пределы достигаемой эффективности активации воды и степени активности активированной воды, определяемые конкретным характером пространственного распределения и величиной напряженности электрического поля в зонах диафрагменного электролизера, что не позволяет повысить указанные характеристики активированной воды в катодной зоне электролизера. Это обусловлено тем, что для фиксированных параметров электрообработки в указанном способе эффективность активации воды и степень активности активированной воды в катодной зоне электролизера не могут превышать некоторого предела, поскольку процесс активации воды, приводящий к модификации внутренней структуры воды, находящейся в катодной зоне, является динамическим процессом, в котором одновременно с активацией воды происходит ее дезактивация. Эффективность активации и конечная степень активности активированной воды при установлении динамического равновесия между скоростями активации и дезактивации достигают своего верхнего предела, который, в свою очередь, определяется конкретным характером пространственного распределения и величиной напряженности электрического поля в зонах диафрагменного электролизера и не может быть превышен для данного способа активации, базирующегося на общепринятых моделях и известных закономерностях поведения воды в электрическом поле.
Задачей заявленного изобретения или техническим результатом является повышение эффективности активации и степени активности активированной воды в катодной зоне диафрагменного электролизера. Указанный технический результат достигается тем, что в способе активации воды, заключающемся в обработке предварительно дистиллированной воды постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, с убывающей от анода к катоду величиной напряженности электрического поля и локализованным в объеме диафрагмы скачком напряженности поля, дополнительно в электролизере создают магнитное поле. Усиление технического результата достигается другими отличительными признаками: - магнитное поле создают в анодной и катодной зонах электролизера; создают однородное магнитное поле в зонах электролизера; создают стационарное во времени магнитное поле. В преимущественном варианте создают постоянное магнитное поле в зонах электролизера, ориентированное перпендикулярно к электрическому полю электролизера.
Прежде чем изложить сущность изобретения, поясним основные положения, позволившие реализовать предложенный способ активации воды:
1. В предлагаемом способе активации анодная и катодная зоны диафрагменного электролизера, согласно заявке, заполняются дистиллированной водой.
2. Согласно современным представлениям в нормальных условиях (Т=20°C, Р=1 атм) и при отсутствии внешних воздействий, вода представляет собой однородную изотропную смесь объемных кластеров, аморфных полярных молекул воды и ее амбиполярных радикалов. Объемные кластеры объединяют группы ассоциированных молекул воды, образуемые водородными связями между молекулами воды и имеющими пространственную тетраэдрическую тримидидную структуру. Объемные тетраэдрические кластеры и отдельные аморфные, свободные, не охваченные водородными связями, молекулы воды обладают собственными электрическими дипольными моментами и являются полярными. Для молекул воды характерно проявление самопроизвольно происходящих в нормальных условиях процессов диссоциации их на амбиполярные радикалы (автопротолиз) и ассоциации этих радикалов с образованием молекулы воды (автогидролиз). Существование амбиполярных радикалов воды - сольватированных протонов (ионов гидроксония) и пространственно-зарядовых вакансий в структуре воды, которым приписываются свойства ионов гидроксила, обусловлено в нормальных условиях разностью в скоростях автопротолиза и автогидролиза.
3. При наложении постоянного во времени электрического поля неизменного направления полярные аморфные и ассоциированные в объемные кластеры молекулы воды ориентируются таким образом, чтобы их электрические моменты были параллельны направлению приложенного электрического поля. Это обуславливает высокое значение относительной диэлектрической проницаемости воды, равной 80. Водородные связи между молекулами воды, формирующие пространственные ассоциаты - кластеры, гибкие, непрочные в нормальных условиях, направленно упрочняются в направлении вектора электрического поля и ослабляются или рвутся в других направлениях. В результате, в присутствии постоянного электрического поля, указанные тетраэдрические кластеры деформируются, принимая линейную форму. Собственный электрический дипольный момент такого линейного модифицированного кластера превосходит по своему значению соответствующие моменты аморфной молекулы воды и кластера тетраэдрической формы. Вследствие этого указанные линейные модифицированные кластеры обладают повышенными, по сравнению с аморфными молекулами воды и кластерами тетраэдрической формы, протонофильными и гидроксофильными свойствами и приобретают способность к образованию положительно и отрицательно заряженных клатратов - линейных кластеров, формирующих модифицированную линейно структурированную сольватную оболочку амбиполярных радикалов воды - протонов и ионов гидроксила. При этом, в условиях диафрагменного электролизера, анодная и катодная зоны которого содержат только дистиллированную воду, а все элементы электролизера (диафрагма и электроды) не вносят изменений в химический состав католита и анолита, в процессе протекания электрического тока во внутренней цепи электролизера в катодную зону под действием электрического поля из анодной зоны мигрируют протоны, а в анодную - ионы гидроксила, которые достигают соответствующих электродов и в результате зарядовообменных реакций на них замыкают внутреннюю электрическую цепь электролизера с газообразованием водорода на катоде и кислорода на аноде. Убыль протонов и ионов гидроксила в объемах зон электролизера восполняется процессом диссоциации аморфных, не охваченных водородными связями, молекул воды - автопротолиз. Пространственная ориентация тетраэдрических и линейных кластеров в электрическом поле, разнонаправленная миграция протонов и ионов гидроксила в зонах электролизера, локальный дефицит протонов в катодной зоне и ионов гидроксила в анодной, возникающий в результате их убыли (известные из научно-технической литературы явления катодного подщелачивания и анодного подкисления), создают необходимые условия для формирования положительно заряженных клатратов в катодной зоне и отрицательно заряженных в анодной. Таким образом, при соблюдении вышеуказанных условий происходит качественное изменение в составах католита и анолита, а именно: к уже существующим аморфным молекулам воды, нейтральным кластерам тримидидной тетраэдрической формы, сольватированным протонам (ионам гидроксония) и ионам гидроксила, добавляются положительно заряженные клатраты в катодной зоне и отрицательно заряженные в анодной. При этом следует особо подчеркнуть, что модифицированные линейные кластеры, входящие в структуру клатратов, обладают большей, по сравнению с сольватными оболочками протонов и ионов гидроксила, стабильностью. Это обусловлено тем обстоятельством, что нормальная (немодифицированная) сольватная оболочка указанных ионов представляет по своей сути аморфную молекулу воды, и протон или ион гидроксила может свободно покидать данную конкретную молекулу воды и захватываться «соседней» (эстафетный механизм переноса электрического заряда). Что же касается модифицированных линейных кластеров, их собственные электрические дипольные моменты обладают большим, по сравнению с аморфной молекулой воды и тетраэдрическим кластером, значением и поэтому свободные протоны или ионы гидроксила прочнее, чем это имеет место для нормально сольватированных протонов и ионов гидроксила, связываются с этими кластерами и формируют клатраты.
4. По своей сути именно вышеописанные физические процессы, происходящие в диафрагменном электролизере и приводящие к образованию разноименно заряженных клатратов в анодной и катодной зонах электролизера, лежат в основе активации воды. При этом степенью активности активированной воды служит концентрация клатратов.
5. Очевидно, что чем выше концентрация положительно заряженных клатратов в катодной зоне, тем выше степень активации воды. В нормальных условиях степень активации в катодной зоне лимитируется двумя конкурирующими факторами - образованием клатратов в катодной зоне электролизера (активация) и их дрейфом к катоду (дезактивация), где происходит зарядовообменная реакция, в результате которой протон, входящий в состав клатрата, восстанавливается до атома водорода, а сам клатрат разрушается.
6. Эффективность активации определяется отношением достигнутых к текущему моменту времени активации мгновенных значений концентрации клатратов, сформированных в катодной зоне, к концентрации клатратов, покинувших эту зону, т.е. динамическое накопление клатратов в катодной зоне в процессе активации происходит в том случае, когда скорость образования клатратов будет превосходить скорость их убыли из катодной зоны. Количественной мерой эффективности активации является степень активности воды в катодной зоне, достигнутая к текущему моменту времени активации.
7. Факт приобретения активности дистиллированной водой, прошедшей обработку электрическим током в катодной зоне диафрагменного электролизера, электроды которого не вносят примесных ионов в процессе активации (редокс-электроды, которыми являются химически чистые платина или углерод), а диафрагма выполнена из химически инертного материала, проявляется в количественном сравнении конкретных характеристик физико-химических явлений и процессов с участием активированной воды и ее химического аналога - дистиллированной воды, не прошедшей аналогичной обработки. Объективным подтверждением факта приобретения активности дистиллированной водой, прошедшей обработку электрическим током в катодной зоне диафрагменного электролизера при соблюдении вышеуказанных условий, служат достоверно установленные количественные отличия от соответствующих физико-химических характеристик химического аналога - дистиллированной воды, не прошедшей обработку, таких как:
значений водородного показателя;
значений окислительно-восстановительного потенциала;
значений электропроводности;
значений относительной диэлектрической проницаемости;
гидролитической активности.
Так, например, достоверно установлено, что собственный электрический дипольный момент молекулы активированной воды в 2-4 раза превосходит по своему значению соответствующий момент молекулы ее химического аналога - дистиллированной воды. Данный факт свидетельствует о справедливости рассмотренной выше модели физических процессов активации дистиллированной воды в катодной зоне диафрагменного электролизера. Совокупность указанных отличий коррелирует с количественным значением степени активности активированной воды, определяемой авторским алгоритмом.
Сущность изобретения становится понятной из рассмотрения физических процессов, происходящих при электрообработке дистиллированной воды в диафрагменном электролизере, объемы анодной и катодной зон которого помещены в постоянное однородное магнитное поле, ориентированное к постоянному электрическому полю, формируемому электродами электролизера, с убывающей от анода к катоду величиной напряженности поля и скачком напряженности поля, локализованным в объеме диафрагмы. В электрическом поле амбиполярные радикалы воды - сольватированные протоны (ионы гидроксония) начинают дрейфовать из объема анодной зоны сквозь диафрагму к катоду, а ионы гидроксила из объема катодной зоны - к аноду. Наличие скачка напряженности электрического поля, локализованного в объеме диафрагмы, превосходящего по своей величине значение напряженности поля по обе стороны диафрагмы, приводит к тому, что в ее объеме происходит освобождение протонов от сольватных оболочек, а сама диафрагма становится эмиттером протонов, которые ускоряются в электрическом поле и захватываются в катодной зоне электролизера модифицированными линейными кластерами с образованием положительно заряженных клатратов. Наличие постоянного магнитного поля, ориентированного перпендикулярно постоянному электрическому, приводит к тому, что в скрещенном электрическом и магнитном поле траектории дрейфов протонов в катодной зоне электролизера уже не будут прямолинейными и примут циклоидальный вид. При этом, чем больше скорость дрейфа заряженного объекта, тем больше отклонение его траектории от прямолинейной и, следовательно, больше протяженность этого дрейфа. Протон, как самый легкий и, следовательно, самый быстрый из заряженных объектов, присутствующих в катодной зоне электролизера, по выходе из объема диафрагмы будет в первоначальный момент двигаться не прямолинейно, а по окружности, центр которой смещается в сторону катода. При этом наибольшее значение радиуса окружности достигается в том случае, когда постоянное магнитное поле ориентировано перпендикулярно к электрическому, а однородность магнитного поля в пространстве обеспечивает неизменность величины этого радиуса. Такое изменение траектории дрейфа протона приводит к повышению вероятности его захвата модифицированным линейным электрически нейтральным кластером с образованием положительно заряженного клатрата и, следовательно, к повышению эффективности активации.
Качественно процесс формирования клатратов в катодной зоне электролизера может быть представлен в следующем виде. В области объема катодной зоны электролизера, примыкающей к поверхности диафрагмы обращенной к катоду, качественный состав дистиллированной воды при наличии электрического поля представляет собой в первоначальный момент времени активации смесь:
отрицательно заряженных сольватированных ионов гидроксила;
положительно заряженных ионов гидроксония - сольватированных протонов;
электрически нейтральных аморфных, не охваченных водородными связями, молекул воды;
электрически нейтральных объемных кластеров, имеющих форму тетраэдров - ассоциированных водородными связями молекул воды;
электрически нейтральных модифицированных линейных кластеров - ассоциированных под действием электрического поля в линейную, в отличие от тетраэдрической, структуру молекул воды.
Собственный электрический дипольный момент модифицированного линейного кластера больше, чем соответствующие моменты аморфной молекулы воды и кластера тетраэдрической формы. Концентрация сольватированных ионов гидроксила в указанной области превышает концентрацию ионов гидроксония (катодное подщелачивание, обусловленное дрейфом положительно заряженных ионов гидроксония к катоду). Протон, эмитированный поверхностью диафрагмы, обращенной к катоду, взаимодействует с компонентами указанной смеси по следующим сценариям:
захват протона аморфной молекулой воды с образованием иона гидроксония;
захват протона ионом гидроксила с образованием аморфной молекулы воды;
захват протона кластером тетраэдрической формы с образованием сольватированного иона гидроксония;
захват протона модифицированным линейным кластером с образованием положительно заряженного клатрата.
Вероятность указанных элементарных актов взаимодействия определяется концентрациями взаимодействующих объектов, энергией эмитируемых протонов и энергиями связи протонов в новообразованных структурах. В отсутствие магнитного поля захват протона осуществляется по линии электрического поля («лоб в лоб») и поэтому вероятность формирования положительно заряженного клатрата в этом случае ниже вероятности образования аморфной молекулы воды, иона гидроксония и сольватированного иона гидроксония, поскольку концентрация модифицированных линейных кластеров ниже концентрации амофных молекул воды, ионов гидроксила и кластеров тетраэдрической формы, взаимодействующих с протонами.
В присутствии постоянного магнитного поля, ориентированного перпендикулярно к электрическому, траектория протона становится круговой, при этом его энергия не изменяется. Поэтому протон удержится только той структурой, которая обладает большей энергией связи с протоном. Такой структурой среди перечисленных является модифицированный линейный кластер, обладающий высоким собственным дипольным электрическим моментом. Протон, захваченный, например, аморфной молекулой воды или тетраэдрическим кластером, не удержится в новообразованных структурах иона гидроксония и сольватированного протона, поскольку энергия протона превышает энергию его связи с молекулой воды или с тетраэдрическим кластером, а наличие магнитного поля, искривляющего траекторию протона, формирует касательную, относительно собственного электрического дипольного момента молекулы воды и тетраэдрического кластера, составляющую скорости протона, в результате чего протон покинет эти структуры. Вследствие этого увеличивается доля неперехваченных протонов, которые могут быть захвачены модифицированными линейными кластерами с образованием клатратов, в которых энергия связи протонов с модифицированными кластерами выше, чем энергия этой связи в ионах гидроксония. Таким образом, наличие постоянного магнитного поля, ориентированного перпендикулярно электрическому, повышает вероятность образования клатратов в катодной зоне диафрагменного электролизера и, следовательно, повышает эффективность активации и степень активности активированной воды, т.е. обеспечивает достижение технического результата заявленного изобретения.
Сравнение эффективностей активации и степеней активности активированной воды по предлагаемому способу и по способу прототипа, определяемых авторским алгоритмом по совокупности объективных количественных характеристик активированной воды, показывает, что эффективность активации и степень активности активированной воды по заявляемому способу в 2-3 раза превышает эффективность активации и степень активности активированной воды по способу прототипа.
Для оценки результатов процесса активации дистиллированной воды производится анализ фактических данных по химическому составу активированной воды - тонкий химический анализ на основе спектрометрии, электропроводности, поляризуемости, pH и ОВП. В рамках классических концепций ковариантная пара значений pH - ОВП однозначно связана соотношением Нернста, согласно которому ОВП водных растворов неорганических веществ и соединений, измеренный в используемой системе электродов, не может иметь отрицательных значений.
Существование отрицательных значений ОВП является, в частности, наиболее значимым подтверждением аномальности (активности) физико-химических свойств активированной воды (дистиллированной в исходном состоянии), ибо в этом случае исключается роль привнесенных в нее примесей в объяснении такой аномальности.
Степенью биологической активности активированной (беспримесной модифицированной) воды служит значение ΔОВП (разница между измеренным значением ОВП для БМВ и значением ОВП раствора с тем же, что и для БМВ показателем pH) [8]. Кроме того, в работах по исследованию биологической активности беспримесной модифицированной воды в ИБК РАН было установлено, что беспримесная модифицированная вода существенно (в разы) увеличивает рост фактора некроза опухолей (ФНО) [9]. В дальнейшем экспериментально в ИБК РАН была установлена корреляция между ростом ФНО и ΔОВП.
Учитывая вышесказанное, были проведены эксперименты по активации дистиллированной воды при и в отсутствии однородного постоянного магнитного поля различной величины при идентичных состояниях системы активации. Результаты в виде величины отклонения измеренного ОВП от его значения согласно уравнению Нернста, полученного от соответствующих измеренных pH, в зависимости от силы магнитного поля (магнитной индукции) представлены на рис.1.
Электропроводность измерялась с помощью микропроцессорного кондуктометра Эксперт-002.
ОВП, pH и температура образцов измерялись с помощью микропроцессорного pH/mV-метра HI pH211 фирмы Hanna Instrument (Швейцария).
Начальные значения pH (сразу после активации) для 20 образцов активированной воды по способу, изложенному в прототипе, и 20 образцов активированной воды по способу, изложенному в прототипе, с наложением постоянного однородного магнитного поля были практически одинаковы и находились в диапазоне 10.65-11.02. При этом начальные значения ОВП для тех же образцов находились в диапазоне -200 - -215 мВ для активированной воды по способу, изложенному в прототипе, и -390 - -420 мВ для активированной воды по способу, изложенному в прототипе, с наложением постоянного однородного магнитного поля. Из измеренных величин для каждого из образцов высчитывалось начальное значение ΔОВП.
На Рис.2 представлены результаты в виде зависимости добавки ΔОВП за счет магнитного поля от его величины. Из рис.2 видно, что данная зависимость не линейна и близка в данном диапазоне значений силы магнитного поля к экспоненциальной, что свидетельствует о том, что при активации в присутствии магнитного поля в результате происходит не простое сложение величин активности за счет двух эффектов, а их нелинейное взаимодействие, могущее быть значительным. Отметим, что в нашей методике оценки активности воды воздействие магнитного поля в чистом виде не приводит к сколь либо заметным изменениям биологической активности, а также коррелирующим с ней параметром ΔОВП.
Кроме того, период полной релаксации активированной воды, полученной при активации с наложением постоянного однородного магнитного поля, составил в среднем 60-65 суток, что значительно больше периода релаксации (25-28 суток) активной воды, полученной по способу, изложенному в прототипе. Ежедневно по измерениям pH и ОВП высчитывалась ΔОВП для всех образцов каждого типа. Измерения проводились до достижения ΔОВП соответствующего образца нулевого значения.
Таким образом, данный способ обеспечивает повышение эффективности активации и степени активности активированной воды в катодной зоне электролизера, что позволяет использовать ее в качестве основы для приготовления растворов с высокой степенью активности, в частности при гидролизе пептидных связей в водных растворах белков и пептидов.
Литература
1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия, М., Высшая школа, 1975.
2. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику, М., Высшая школа, 1978.
3. Глинка Н.Л. Общая химия, М., Химия, 1965.
4. Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. Л., Химия, 1974.
5. Гуляев Ю.В. Еремин С.М., Марков И.А., Модификация структурно-энергетического состояния воды в электрическом поле // Радиотехника, №11, 1997, с.29-30.
6. Новиков В.В., Лисицын А.С., Фесенко Е.Е., Алюшев Ф.К., Еремин С.М., Марков И.А., Тен Ю.А. Гидролиз Б - цепи инсулина быка в бидистиллированной модифицированной воде // Биофизика, Т.46, В.2, 2001, с.242-244.
7. Вода и экология, Спб., ЗАО Водопроект, 4, 2004(2).
8. Ю.В.Гуляев, С.М.Еремин, И.А.Марков, Е.Г.Новоселова, В.В.Новиков, Ю.А.Тен, Е.Е.Фесенко, Физко-химические свойства безреагентно-модифицированной воды и ее биологическая активность. Журнал радиоэлектроники, №11, 2005.
9. Е.Е.Фесенко, Е.Г.Новоселова, В.Б.Огай, Т.А.Агафонова, О.В.Глушкова, О.А.Синотова, Ф.К.Алюшев, С.М.Еремин, И.А.Марков, Ю.А.Тен. Иммуномодулирующие свойства бидистиллированной модифицированной воды. Биофизика. 2001. Т.46, В.2. С.353-358.