УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И ОЧИСТКИ ВОДЫ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области техники, связанной с реализацией физико-химических методов обработки воды хозяйственно-питьевого назначения в целях улучшения ее потребительских характеристик.
В настоящее время получают все большее распространение устройства для повышения биологической активности воды за счет снижения ее окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), а также насыщения воды водородом и/или кислородом.
Понижение (ОВП) воды (оживление, или витализация воды), по общеизвестным данным биомедицинских исследований (см. например, К.К.Калниньш, Л.П.Павлова. «ВОДА-РОДНИК ЖИЗНИ». Монография/ИВС РАН, СПГУТД, - СПб. - 2005. - 293 с), приводит к улучшению ее биоэнергетических, метаболических и иммуностимулирующих свойств. Это обеспечивает также благоприятные условия для развития микроорганизмов и растений. При регулярном употреблении воды с пониженным ОВП, в частности, улучшается состояние внутренних органов, кожных покровов, слизистых оболочек и волос человека. Стимулируется развитие нормальной микрофлоры человеческого организма и как следствие уменьшаются негативные последствия дисбактериоза. Считается общепризнанным, что сдвиг донорно-акцепторного равновесия в жидкостях тела в пользу акцепторов, приводящий к дефициту реакционно-способных электронов, является ключевым звеном обширного класса патологических процессов, возникающих в живых организмах.
Определенный положительный биологический эффект достигается при насыщении обрабатываемой воды водородом (1-2 частей на миллион) и кислородом (5-10 частей на миллион), воде, содержащей высокую концентрацию водорода (включая водородные атомы), обладающей способностью предотвращать или подавлять повреждение ДНК. Среди устройств, обеспечивающих подобные эффекты, известны:
- аппараты, барботирующие через обрабатываемую воду указанные газы, которые получаются различными способами и предварительно нагнетаются в накопительные баллоны,
- электролизеры с разделительными мембранами.
Само собой разумеется, что все биоактивные свойства воды с пониженным ОВП или насыщенной водородом и кислородом могут быть реализованы лишь при высокой степени чистоты воды, отвечающей всем питьевым стандартам. В противном случае польза от обработки воды может быть перечеркнута вредом от употребления воды с токсичными, инфекционными или алергенными агентами. В связи с этим крайне желательно, чтобы обработка воды была комплексной и включала операции как понижения ОВП, так и очистки воды.
В настоящее время не известно устройств, которые в неком комплексном процессе водоподготовки позволяли бы одновременно получать очищенную воду с пониженным ОВП и при этом насыщенную водородом и кислородом.
Известны устройства для понижения ОВП воды, или насыщения ее водородом и кислородом (см. например, «Современные технические электрохимические системы для обеззараживания, очистки и активирования воды», М., ВНИИМТ, 1999; а.с. СССР N 1433904, С02F 1/46, патент РФ «Полученная электролизом вода, содержащая растворенный водород, способ получения электролизом воды и установка для получения электролизом воды» RU 2140881 С1 от 1997.08.26).
Известно также огромное множество устройств, для очистки воды от всевозможных загрязнений, токсичных соединений и элементарных ионов, работающих на различных физико-химических принципах, но не обеспечивающих снижение ОВП и насыщение воды
водородом и кислородом (см. например, Миклашевский Н.В., Королькова С.В. «Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры». Изд. BHV - Санкт-Петербург, Арлит, 240 стр., ISBN 5-8206-0114-0; М.Е.Ершов. «Самые распространенные способы очистки воды». Издательство: ACT, Сталкер, 2006, 96 стр.). Другим недостатком этих фильтрационных устройств является их узкая функциональная специализация, отсутствие моделей дающих очистку воды по широкому спектру загрязнений одновременно. Общим недостатком этих устройств является и то, что они в своем большинстве, как правило, несколько повышают ОВП, еще более удаляя эту величину от физиологически комфортных значений.
Наиболее близкими аналогами предлагаемого устройства являются устройства для электрохимической униполярной активации жидкостей, которые позволяют сегодня наиболее радикально изменять ОВП воды. Тем не менее, большим недостатком подобных устройств является то, что они одновременно с ОВП изменяют и рН и химическую формулу воды, всегда являющейся по своей сути разбавленным раствором электролитов. В частности при понижении ОВП рН воды в результате электролиза воды повышается. Другим недостатком подобных устройств является крайне низкая эффективность при очистке воды от инородных частиц и веществ, ионы и молекулы которых имеют тенденцию к агрегатообразованию (например к образованию гидпроксидов) в процессе электрохимической обработки.
В последнее время стали появляться описания устройств так называемого бесконтактного типа. Можно было бы выделить, например, полезную модель согласно патенту RU 2194017 C2RU от 2000.04.10, которая, по мнению авторов, не изменяет химического состава обрабатываемой жидкости. Однако приводимое авторами экспериментальное подтверждение реализуемости полезной модели относится только к достаточно концентрированному раствору хлорида натрия и оставляет серьезные сомнения по поводу реальных возможностей подобного устройства при обработке не солевых растворов, а именно воды. Кроме того, авторы весьма неопределенно описывают конструкцию устройства, используя такие неконкретные понятие, как «тонкие стенки», причем из не охарактеризованного материала. Физико-химические свойства же последнего в данном случае очень важны, поскольку, например, известно, что от электрических и магнитных свойств материалов зависят их способности экранировать электростатические, магнитные и электромагнитные поля.
Поэтому в качестве ближайшего аналога предлагаемого устройства мы предложили бы другое, бесконтактное устройство, представляющееся нам более реалистичным - устройство для бесконтактной активации жидкостей, предложенное В.М.Бахиром (В.И.Прилуцкий, В.М.Бахир. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия. - М.: ВНИИИМТ АО НПО "Экран", 1997, с.67-74).
Устройство содержит электроды - анод и катод, разделенные диафрагмой и размещенные в электрохимически активируемой (ЭХА) жидкости. При этом емкость для бесконтактно активируемой (БКА) жидкости помещается в ЭХА жидкость либо между катодом и диафрагмой, либо между анодом и диафрагмой.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции из-за присутствия диафрагмы и образования застойных зон в ЭХА жидкости, а также низкий кпд установки, а также отсутствие возможности очистки воды от загрязнений (что, впрочем, свойственно всем известным устройствам регулирования ОВП воды).
Другие недостатки прототипа связаны: с относительно высокими энергозатратами, необходимыми для получения устойчивых эффектов активации воды, и низкой производительностью как следствием увеличенного времени пребывания каждой взятой порции обрабатываемой воды в электродных камерах электролизеров, что приводит к сравнительно низкой линейной скорости потоков;
Задачей, поставленной перед предлагаемой полезной моделью, является исключение перечисленных недостатков устройств снижения ОВП воды при одновременном решении
комплекса вопросов очистки и насыщения воды водородом и кислородом. Другими словами ставится задача получить модель, обеспечивающую более эффективную обработку воды, пригодную, в частности:
- для решения самых различных медико-биологических проблем, когда требуется вода с пониженным ОВП, но нормальными значениями рН,
- для обеспечения возможности непрерывного снабжения водой с пониженным ОВП,
- для решения проблем очистки и обезвреживания водных сред наряду с приданием ей свойств «живой» воды в различных областях здравоохранения и народного хозяйства.
Сформулированная задача решается с помощью устройства, содержащего ряд элементов, известных из предшествующего уровня техники и присущих аналогам, а именно: электродную камеру с анодами и катодами, подключаемыми к источнику постоянного электрического напряжения и ряд второстепенных элементов.
1
3
4
4
Однако, в отличие от аналогов, электродная камера устройства не содержит разделительных барьеров (мембран, диафрагм или стенок), вследствие чего обрабатываемая вода не разделяется на анодные и катодные потоки. Вместе с тем, электродная камера частично - на /-/ объема заполнена гранулированным поляризуемым наполнителем или наполнителями с различными поляризационными характеристиками, которые при наложении поперечного электрического поля, дополнительно приобретают сорбционную («электросорбционную») активность.
Устройство полезной модели в двух вариантах представлено на фиг.1 ,2. По первому варианту модель состоит из пластмассового или металлического цилиндрического корпуса 1, крышка которого имеет отверстие 2 для входа воды, подлежащей обработке, и для выхода промывочной жидкости. Отверстие снабжено защитной сеткой или сетчатым фильтром 3 с минимальным размером не более 0,8 мм. Внутри корпуса размещены три коаксиальных электрода, из которых средний 4 предназначен для подключения к полюсу, противоположному тому, к которому подключаются внешние электроды 5, 6. Как правило, внешние электроды являются катодами, из-за меньшей стоимости катодных материалов. Аноды выполняются по технологиям, обеспечивающим его устойчивость при электродных процессах, например с использованием металлов платиновой группы или титана с сильно развитой рабочей поверхностью. Катоды изготовляются из коррозионностойких металлов или сплавов, например из высоколегированных сталей. Внутренний и внешний катоды соединены между собой перемычкой в нижней или верхней своей части, как, например, показано на фиг.1. Внутренний катод имеет так же, как и остальные электроды цилиндрическую (трубчатую) форму. В нижней части внутренний катод имеет перфорацию для вывода обработанной воды. Вывод от внутреннего катода может быть выведен по его центру или со смещением от оси, будучи изогнутым, как показано на фиг.1.
На крышке установлен также автоматический газоотводчик 7, для стравливания избытка образующихся электролизных газов. Для надежности электрических контактов может быть установлена также и контактная герметичная коробка из пластмассы 8 для присоединения электродных выводов и подключения к ним блока электропитания.
1
3
4
4
Межэлектродное пространство устройства на /-/ объема заполняется гранулами поляризуемых материалов 9 (например, сегнетокерамических гранул с аномально высокой диэлектрической проницаемостью). Может также использоваться один или несколько гранулированных материалов, различающихся своими поляризационными и каталитическими
характеристиками. Различные поляризационные характеристики обеспечивают реализацию различных механизмов электроудерживания микрочастиц в объеме гранулированного наполнителя: электросорбционных или диполофоретических. Выход обработанной воды и вход промывочной жидкости осуществляется через отверстие 10.
Ниже приведен пример наиболее универсальной двухкомпонентной композиции гранулированного наполнителя:
¼-½ - химически нейтрального, слабо поляризуемого материала (кварцевого песка или иного силикатного гранулированного материала, с гранулами, содержащими каталитически активный диоксид марганца или т.п.).
½-¼ - более легкого сильно поляризуемого гранулированного сополимера (смесь гранул катионита и анионита).
Для того, чтобы при обратной промывке устройства наполнитель не выходил из корпуса, сетчатый фильтр 3 стандартной конструкции установлен не в прямом, а в обратном направлении. Для того, чтобы при обратной промывке устройства наполнитель не выходил из корпуса, сетчатый фильтр 3 стандартной конструкции установлен не в прямом, а в обратном направлении.
Для удобства промывки наполнителя 9 при эксплуатации полезной модели к ее входному и выходному отверстиям в крышке корпуса могут подсоединяться тройники и вентили, позволяющие переключать входной канал на подачу очищаемой воды или отбор регенерирующей жидкости, а выходной канал - на отбор очищенной воды или подачу регенерирующей жидкости.
С целью автоматизации процесса водоподготовки к входному или выходному отверстиям корпуса можно подключать электрический датчик потока жидкости или счетчик воды с электрическим выходом, подсоединенный к источнику напряжения, а источник напряжения снабжать устройством, включающим и выключающим электрическое питание в зависимости от сигналов, поступающих от датчика потока или счетчика воды и указывающих на наличие или прекращение потока. Подключение датчика потока или счетчика воды можно выполнять как непосредственно к входному или выходному отверстиям в крышке, так и к вышеупомянутым тройникам.
По второму варианту (фиг.2) полезная модель состоит из цилиндрического корпуса 1 (пластмассового или металлического), крышка которого имеет патрубок 2 для входа воды, подлежащей обработке, и для выхода промывочной жидкости. Патрубок в своей части, находящейся внутри корпуса, имеет распределитель потока 3 щелевого или сетчатого типа. Внутри корпуса в нижней его части смонтирована система из нескольких соединенных параллельно пакетов 4-6, плоскопараллельных электродов (катодов и анодов), подключаемых, в свою очередь, к блоку электропитания. Электроды, находящиеся в каждом из пакетов, расположены перпендикулярно по отношению к электродам в соседних пакетах. На крышке установлен автоматический газоотводчик 7, для стравливания избытка образующихся электролизных газов и, при желании, может быть смонтирован манометр. Электроды подсоединены к контактной клемме 8, выведенной наружу корпуса устройства. Межэлектродное пространство устройства на ¼-¾ объема корпуса заполняется гранулами поляризуемых материалов 9 (например, сегнетокерамических гранул с аномально высокой диэлектрической проницаемостью) как в первом варианте. Выход обработанной воды и вход промывочной жидкости 10 отделен от объема, заполняемого гранулированным наполнителем, дном 11 в виде решетки с мелкоячеистой сеткой или пластины с системой распределительных колпачков, которые играют роль нижнего распределителя потоков.
Для удобства промывки поляризуемого наполнителя 9 при эксплуатации полезной модели к ее входному и выходному отверстиям 2 и 10 могут подсоединяться тройники и вентили, позволяющие переключать входной канал на подачу очищаемой воды или отбор регенерирующей жидкости, а выходной канал - на отбор очищенной воды или подачу регенерирующей жидкости.
С целью же автоматизации процесса водоподготовки к патрубкам 2 или 10 можно подключать электрический датчик потока жидкости или счетчик воды с электрическим выходом, подсоединенные к источнику напряжения, а источник напряжения снабжать устройством, включающим и выключающим электрическое питание в зависимости от сигналов, поступающих от датчика потока или счетчика воды и указывающих на наличие или прекращение потока. Подключение датчика потока или счетчика воды можно выполнять как непосредственно к патрубкам, 2 или 10, так и к вышеупомянутым тройникам.
Главными отличительными чертами предлагаемой полезной модели по отношению к прототипу являются:
- отсутствие разделительных барьеров между электродами;
- наличие между электродами гранулированного наполнителя.
Устройства по вариантам 1, 2 работают следующим аналогичным образом. Через корпус с гранулированным наполнителем и электродной системой сверху вниз пропускается обрабатываемая вода. Блок электропитания через посредство электродов обеспечивает протекание в межэлектродном пространстве таких процессов, как снижения ОВП воды за счет ее реструктуризации, насыщение воды микропузырьками водорода и кислорода, выделяющимися соответственно на анодах и катодах, электросорбции загрязнений на поляризуемой насадке, очистку и обезвреживание воды путем электроокисления, электровосстановления токсичных компонентов и электродеструкции корпускулярных загрязнений микробиологической природы.
Электроды обеспечивают реструктуризацию воды, имеющей полярные молекулы, и поляризацию дисперсного материала, с помощью которого производится очистка воды от ряда загрязнений. Электроэнергия для этого подается от единого источника напряжения (блока электропитания), который обеспечивает протекание электродных процессов, насыщение воды водородом и кислородом и поляризационную модификацию жидкокристаллической структуры воды, приводящих к снижению ОВП.
Примеси, содержащиеся в воде, удаляются при комплексной обработке или обезвреживаются за счет протекания комплекса физико-химических процессов (электроагрегации за счет кулоновских, диполь-кулоновских и диполь-дипольных взаимодействий, электроокисления и электровосстановления, электровосстановления, электросорбции, электрофлотации, электродеструкции микробных клеток) и постепенно загрязняют рабочие элементы устройства: дисперсный наполнитель и поверхность электродов. В связи с этим периодически возникает необходимость регенерации рабочих элементов устройства, которая в данном устройстве может осуществляться обратной промывкой электродов и наполнителя во взвешенном слое, для чего часть корпуса устройства остается незаполненной гранулами. При этом выбранное соотношение объемов корпуса и дисперсного наполнителя гарантирует возможность эффективной обратной промывки устройства.
При необходимости может использоваться и реагентная промывка устройства, например разбавленными кислотами или растворами детергентов.
В результате обработки воды образующиеся вследствие электролиза протоны и гидроксильные группы (ионы гидроксония) имеют возможность мгновенно рекомбинировать, сохраняя рН воды на исходном уровне. В итоге при пропускании через предлагаемое устройство воды при включенном блоке электропитания происходит:
2
- модификация жидкокристаллической структуры воды, формируемой полярными молекулами НО, к тому же склонными к образованию водородных связей (непосредственно под воздействием фактора напряженности электрического поля);
- растворение в воде небольших количеств компонентов, образующихся при электролизе воды и играющих важную для жизнедеятельности роль: водорода (0,5-2,0 частей на миллион) и кислорода (5-10 частей на миллион).
- очистка воды практически от всех взвешенных и ряда растворенных компонентов, в том числе и микроорганизмов (т.е. стерилизация воды).
Практическая применимость предлагаемых вариантов полезной модели иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Для обработки воды использовалось устройство, изображенное на фиг.1 (вариант 1) с внутренним и внешним цилиндрическими катодами и анодом, установленным между ними. Электроды подключались к источнику постоянного напряжения 12 В. Нижняя 1/4 часть межэлектродного пространства была заполнена кварцевым песком с размером частиц 0,3-0,6 мм.
Вода для обработки бралась из городского водопровода Санкт-Петербурга. С целью выявления роли количество электричества, пропущенного через воду, обработка воды производилась в течение различного времени пребывания воды в рабочей камере при напряжении на электродах 12 В, (ток - 0,45 А), как показано в табл.1.
Таблица 1
Время обработки, с
0 (контроль)
10
60
120
300
600
1
2
3
4
5
6
7
Значение ОВП воды, мВ
380
17
-11
-19
-19
-18
рН воды, ед.
6,8
6,8
6,8
6,7
6,7
6,6
1
2
3
4
5
6
7
Растворенный водород, частей на млн.
Менее 0,1
0,3
0,9
1,3
1,6
1,7
Растворенный кислород, частей на млн.
7,5
12,5
14,7
15,8
16.2
16,3
Из приведенных данных видно, что с помощью предлагаемой полезной модели достигается существенный эффект снижения ОВП, повышения концентраций растворенных водорода и кислорода без повышения рН воды, а также повышения концентрации водорода и кислорода.
Пример 2. Описанное устройство фиг.1 было применено для обработки воды из подземной скважины в районе пос.Токсово (Ленобласть), содержащая повышенную концентрацию ионов железа (около 9 мг/л). Нижняя часть устройства была заполнена на 2/3 по высоте электродной камеры кварцевым песком с размером зерен 0,3-0,6 мм. На входе и выходе устройства были установлены тройники, с вентилями, обеспечивающими возможность перекоммутации потоков при промывке, подключенные к входному и выходному отверстиям крышки корпуса.
Через электродную камеру пропускалась вода. Линейная скорость потока поддерживалась на уровне 12 см/мин. Величина ОВП исходной воды равнялась (182±5) мВ, рН 7,1.
После пропускания воды через электродную камеру величина ОВП снижалась до (-50±1) мВ. При этом концентрация ионов железа уменьшалась до значений (0,2-0,3) мг/л. То есть наряду с эффектом снижения ОВП до физиологически более благоприятных значений имел место эффект очистки воды от ионов железа и приведения этого показателя в соответствие с действующими гигиеническим нормами ВОЗ. рН воды в процессе обработки воды был в пределах 7,1-7,2.
Пример 3. Устройство, изображенное на фиг.1, и снабженное внешней обвязкой, как в примере 2, было применено для обработки воды из речки в районе пос.Севастьяново (Леноблаеть). Межэлектродное пространство было заполнено сферическими гранулами на основе сополимера стирола и дивинилбензола диаметром 0,3-1,0 мм с химически пришитыми функциональными группами. К выходному отверстию устройства был подключен импульсный счетчик воды с электрическим выходом ВСХ-25.
Через электродную камеру пропускалась вода, имеющая вследствие содержания большого количества взвешенных частиц показатель мутности, значительно превышающий требуемый стандартом ВОЗ и СанПиН, а именно 23,7 мг/л, вместо требуемых 1,5 мг/л.
Линейная скорость потока поддерживалась на уровне 12 см/мин, напряжение на электродах - 24 В. Величина ОВП исходной воды равнялась (396±10) мВ.
После пропускания воды через электродную камеру величина ОВП снижалась до (-10±1) мВ. При этом показатель мутности уменьшался до значений (0,8-0,9) мг/л, то есть наряду с эффектом снижения ОВП имел место эффект очистки воды от взвешенных частиц и приведения этого показателя в соответствие с действующими гигиеническим нормами ВОЗ. рН воды в результате обработки сохранялся на уровне 6,9.
Пример 4. для обработки воды из городского водопровода Сестрорецка (пригород Санкт-Петербурга) было применено устройство, изображенное на фиг.2 (вариант 2). Обработка воды производилась в протоке с линейными скоростями потока, указанными в табл.2 при различных значениях напряжения, подаваемого на электроды. Значения напряжения на электродах и тока через ячейку также приведены в табл.2.
Таблица 2
Линейная скорость потока, см/мин
0 (Контроль)
6
24
62
205
310
Напряжение на электродах, В
0
48
48
48
48
48
Напряженность эл. поля. В/см
0
3
3
3
3
3
Ток, А
0
0,91
0,90
0,89
0,89
0,89
Значение ОВП воды, мВ
410
-10
0
5
182
398
рН воды, ед.
6,8
6,7
6,8
6,8
6,8
6,8
Мутность, мг/л
1,3
0,3
0,3
0,4
0,5
0,8
Окисляемость, мгО<sub>2</sub>/л
3,2
0,8
0,9
1,1
1,2
1,8
Железо общее,мг/л
0,48
<0,05
<0,05
<0,05
0,08
0,2
3
Из табл.2 следует, что при всех взятых скоростях потока: от 12 см/мин (200 л/ч) вплоть до значений порядка 310 см/мин (10 м/ч) имеет место эффект снижения ОВП при неизменном рН, что соответствует пропущенным через воду количествам электричества соответственно от 13 до 0,26 Кл/л. Лишь только в случае самой высокой скорости потока при взятом напряжении 12 В эффект становится незначительным. Из таблицы видно также, что наряду с витализацией воды (снижением ОВП) имеет место ее очистка (на примере выбранных показателей).