Устройство для снижения окислительно-восстановительного потенциала воды
DEVICE FOR REDUCTION OF REDOX POTENTIAL OF WATER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области получения электроактивированной питьевой воды с отрицательной величиной окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и нейтральным значением водородного показателя.
Уровень техники
Основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма, являются окислительно-восстановительные реакции, связанные с передачей или присоединением электронов. Активность электронов характеризует окислительно-восстановительный потенциал (сокращенно ОВП), называемый также редокс-потенциалом (Eh), значение которого определяется электрохимическим путем и выражается в милливольтах (мВ).
В норме ОВП внутренней среды организма человека (крови, плазмы, клеток, грудного молока), измеренный на платиновом электроде относительно хлорсеребряного электрода сравнения, находится в пределах от -90 до -200 мВ. Значение ОВП обычной питьевой воды колеблется от +80 до +300 мВ, иногда до +560 мВ и более. Такая вода неполезна, организму приходится тратить много энергии, чтобы ее усвоить. Для того чтобы вода легче усваивалась, а жизненная энергия организма не расходовалась на коррекцию электронов воды, потенциалы обоих жидких сред должны быть близки по своим значениям, то есть обладать биологической совместимостью.
Научные исследования российских и зарубежных ученых подтверждают, что употребление воды с ОВП, равным потенциалу организма человека, ведет к нормализации биохимических процессов, позволяет замедлить негативные процессы старения (например, см. кн. Л. П. Павлова, К. К. Калниньш. «Вода-родник жизни». Монография, ИВС РАН, СПГУТД, С-Пб., 2005г). Еще лучше, если у поступающей в организм жидкости ОВП ниже, чем ОВП человека. Тогда разность потенциалов становится своеобразным резервом для подпитки организма и его защиты от неблагоприятной внешней среды.
Для повышения биологической активности воды путем снижения ее окислительно-восстановительного потенциала используют различные устройства, наиболее известными из которых являются электролизеры с разделительными мембранами (см. патент RU 2145940, МПК: C02F1/461, опубл. 27.02.2000, патент RU 2252920, опубл. 27.05.2005 или RU 107521, опубл. 20.08.2011).
Мембрана, размещенная в пространстве между электродами, разделяет его на две камеры: анодную, в которой в результате электролиза образуется анолит - вода с положительным ОВП и свойствами кислоты (рН = 3÷5 ед) и катодную, в которой образуется католит - вода с отрицательным ОВП и свойствами щелочи (рН = 9 ед. и более). Однако такую отрицательно заряженную воду (католит) нельзя использовать в качестве питьевой и даже применять для полива растений, т. к. щелочные свойства воды вызывают нарушения усвоения микроэлементов, что ведет к развитию ряда заболеваний.
В целях питья католит может быть использован только после его разбавления обычной водопроводной водой или анолитом (например, как в патенте RU 2140881, опубл. 10.11.1999 или RU 2206973, опубл. 27.06.2003). Однако в этих случаях сложно соблюсти нужные пропорции, превышение которых приведет к образованию смеси с положительным ОВП.
Показатель кислотно-основного состояния воды, характеризуемый концентрацией водородных ионов (рН) является вторым важным параметром воды. Его оптимальное значение для питьевой воды составляет от 6,5 до 7,5 ед., что соответствует нейтральной реакционной способности воды.
Обработку воды с сохранением нейтральных значений рН позволяют осуществлять бездиафрагменные электролизеры. Известны бездиафрагменные электролизеры, конструкция которых включает цилиндрический (трубчатый) катод и внутренний стержневой анод, установленные коаксиально друг другу посредством диэлектрических втулок (см. патент RU 2636725, МПК: С02F1/461, опубл. 27.11.2017; патент RU 2350568, опубл. 27.03.2009). Оба упомянутых устройства относятся к портативным приборам, которые опускают в емкость с водой для ее активации. Активированную таким образом воду рекомендуется употреблять сразу, т.к. она долго не сохраняет отрицательный ОВП. При этом оба устройства не приспособлены для работы с проточной водой и имеют низкую производительность.
В качестве наиболее близкого аналога, по наличию признаков, сходных с существенными признаками заявляемого технического решения, принято устройство для электроактивации воды, конструкция которого раскрыта в патенте RU 2628782, МПК: C02F1/46, опубл. 22.08.2017. Согласно упомянутому патенту устройство содержит два вертикальных электрода: цилиндрический катод и коаксиально размещенный в нем анод, образующие между собой проточную электролитическую камеру, сообщенную в верхней части со средствами отвода обработанной воды, а в нижней - со средствами подачи воды.
Между электродами засыпаны гранулы из измельченного токопроводящего материала, например, графита или шунгита, отделенные от одного из электродов сеткой из электроизоляционного материала. Подача и вывод воды осуществляются через разделенную на две части внутреннюю полость анода, выполненного со сквозными отверстиями. Обрабатываемая жидкость проходит через радиальные отверстия в нижней части анода в основание засыпки из гранул, поднимается вверх по зазорам между гранулами, выходит обратно в полость анода через отверстия в его верхней части, и далее удаляется из устройства.
Упомянутое устройство характеризуется высокой производительностью и позволяет получать воду с ОВП (-310) мВ при практически неизменном рН.
К недостаткам упомянутого устройства можно отнести сложность конструкции и обслуживания устройства, обусловленную наличием засыпки между электродами, а также загрязнение воды частицами металла анода, вследствие его разрушения в процессе электролиза. При подключении к положительному полюсу питания и нержавеющая сталь, и никель, и титан, не имеющие защитного покрытия, подвержены пассивации. Кроме того, в материалах патента нет сведений о стойкости полученной активированной воды, что возможно, не является важным, т.к. вода используется для полива.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, является создание простого компактного, высокопроизводительного устройства, обеспечивающего получение чистой воды с нейтральным рН, отрицательным ОВП и длительным сроком хранения, в течение которого вода сохраняет свои «отрицательные» свойства.
Достигаемые в результате использования предлагаемого изобретения технические результаты заключаются в получении очень чистой питьевой воды с нейтральным рН, низким окислительно-восстановительным потенциалом и длительным сроком хранения, а также в упрощении конструкции устройства получения такой воды.
Раскрытие сущности изобретения
Решение упомянутой технической проблемы достигается благодаря тому, что в предлагаемом устройстве для снижения окислительно-восстановительного потенциала воды содержащем средства подачи воды и два вертикальных электрода: цилиндрический катод и коаксиально размещенный в нем анод, образующие между собой проточную электролитическую камеру, сообщенную в верхней части со средствами отвода обработанной воды, согласно заявляемому изобретению, катод выполнен из титана, анод выполнен из графита или шунгита, при этом электроды размещены в диэлектрическом корпусе с образованием между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью катода камеры, сообщенной в верхней части со средствами подачи воды, а в нижней части - с электролитической камерой.
В отличие от ближайшего и других известных аналогов, в предлагаемой конструкции используется не только внутренняя поверхность катода, но и его наружная отрицательно заряженная поверхность, образующая вместе с внутренней стенкой корпуса еще одну камеру обработки, сообщенную с электролитической камерой и расположенную перед ней по ходу движения воды. Проходящая через эту камеру вода, соприкасаясь с наружной отрицательно заряженной поверхностью катода, отдает ей часть своих положительно заряженных частиц, что в последующем способствует повышению эффективности процесса электролиза воды в электролитической камере.
Благодаря тому, что катод выполнен из титана, а анод - из графита или шунгита, исключено загрязнение воды частицами электродных материалов. Используемый для изготовления катода чистый титан, при подключении к отрицательному полюсу питания не подвержен пассивации.
Для изготовления анода предусмотрена альтернативная возможность использования двух материалов: чистого графита или шунгита. Такая возможность обеспечена тем, что оба упомянутых материала состоят на 99% из углерода и имеют сходные свойства. Так и графит, и шунгит обладают высокой электропроводностью и при этом высокой температурной и химической стойкостью, практически к любым агрессивным водным растворам, причем упомянутая стойкость намного выше, чем у благородных металлов.
Помимо того, что оба упомянутых материала являются инертными и неспособны растворяться в химически активных растворах, и графит, и шунгит обладают пористой структурой, что позволяет им адсорбировать на своей поверхности вредные, содержащиеся в воде примеси. В результате, при пропускании воды через устройство, обеспечивается дополнительная очистка воды от солей тяжелых металлов, коллоидного железа, соединений хлора, и т.д.
Использование шунгита может быть предпочтительнее в силу того, что этот минерал естественного происхождения дополнительно обеспечивает насыщение воды полезными макро- и микроэлементами в оптимальной для человеческого организма концентрации, а также способными к растворению в воде фуллеренами, которые при взаимодействии с водой играют роль своеобразных катализаторов, ускоряющих дезактивацию и разрушение содержащихся в воде вредных для организма человека органических соединений.
В электролитической камере происходит основной процесс электролиза воды. Образующееся в пространстве между электродами ламинарное течение создает условия для перемешивания и насыщения воды частицами водорода и кислорода, образующимися на электродах, что также способствует снижению ОВП.
Зазор между внутренней поверхностью катода и анодом составляет, предпочтительно не более 3 мм, что обеспечивает высокую скорость протекания воды и исключает возможность скопления образующихся в электролитической камере газообразных продуктов электролиза, что может привести к снижению эффективности процесса.
При пропускании воды через предлагаемое устройство достигается снижение ее окислительно-восстановительного потенциала в среднем на 600-700 единиц от исходных показателей. На выходе из устройства вода имеет отрицательное значение ОВП от минус 180 до минус 520 мВ, в зависимости от свойств исходной воды.
При этом, как показали проведенные исследования, отрицательный окислительно-восстановительный потенциал воды сохраняется до 10 суток, что делает возможным промышленное производство активированной воды.
Все отличительные существенные признаки заявляемого устройства работают в совокупности, обеспечивая получение чистой воды с отрицательным ОВП и длительным сроком его сохранения.
На входе воды в камеру, сообщенную в верхней части со средствами подачи воды, а в нижней части - с электролитической камерой, целесообразно установить постоянные магниты. Как известно, молекула воды, образованная соединением двух атомов водорода и одного атома кислорода, частично поляризована: сторона водорода - более положительная, а сторона кислорода - более отрицательная. Пропускание воды между мощными постоянными магнитами, например неодимовыми, способствует упорядочиванию структуры воды, повышению эффективности процесса электролиза и дополнительному увеличению срока сохранения отрицательного ОВП воды.
В предпочтительных случаях реализации устройства:
- анод выполнен в виде стержня диаметром 80-100 мм,
- камеры сообщены между собой через отверстия, выполненные в нижней части катода.
- корпус закрыт сверху крышкой, в которой закреплены электроды и выполнены каналы для подачи и отвода воды.
Электроды соединены с источником постоянного пульсирующего тока через узел коммутации. В процессе электролиза используют частоту пульсаций от 0 до 1000 Гц.
Как известно и доказано, именно эти низкие частоты оказывают наиболее благотворное влияние на биологические системы (растения, животных и человека).
Устройство достаточно простое по конструкции, компактное, имеет высокую производительность и обеспечивает эффективное решение поставленных задач.
Процессы, происходящие при пропускании воды через устройство, обеспечивают высокую степень обеззараживания воды (до 100%), что подтверждено результатами микробиологических исследований. Полученная в результате обработки на предлагаемом устройстве вода пригодна для питья в сыром виде даже для маленьких детей.
Возможность промышленной осуществимости предлагаемого технического решения подтверждается приведенными ниже примерами осуществления.
Осуществление изобретения
На чертеже изображено предлагаемое устройство, общий вид, схематично. Устройство для снижения окислительно-восстановительного потенциала воды содержит диэлектрический корпус 1 с крышкой 2, в которой сформированы канал 3 подачи воды и канал 4 отвода воды, снабженные штуцерами для подключения соответствующих трубопроводов. В крышке закреплены два электрода: цилиндрический катод 5 и коаксиально размещенный в нем стержневой анод 6, образующие между собой проточную электролитическую камеру 7.
Коаксиальное расположение электродов обеспечивается втулкой 8 из диэлектрического материала и посадочными отверстиями крышки 2.
Между внутренней стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью катода 5 образована камера 9, сообщенная в верхней части с каналом 3 подачи воды, а в нижней части - с электролитической камерой 7, например, через отверстия 10, выполненные по периметру катода 5.
На трубопроводе 11 подачи воды, расположенном на входе в камеру 9, установлены постоянные магниты 12, например мощные неодимовые магниты, размещенные в корпусах с ложементами для охвата трубопровода.
В качестве материала для изготовления катода 5 использован чистый титан.
Анод 6 выполнен в виде стержня диаметром 80-100 мм из чистого графита либо шунгита. Эти материалы на 99% и более состоят из углерода и имеют высокую химическую стойкость и пористую структуру, что исключает пассивацию анода и обеспечивает возможность дополнительной очистки воды.
Зазор между катодом 5 и анодом 6 составляет не более 3 мм. Электроды 5 и 6 подключают к соответствующим полюсам источника постоянного пульсирующего тока 13 через узел коммутации 14.
Устройство работает следующим образом.
Включают подачу воды. Вода проходит по трубопроводу 11, подвергается воздействию магнитного поля постоянных магнитов 12 и через канал 3 попадает в камеру 9. Под воздействием магнитного поля магнитов 12, подаваемая вода поляризуется и структурируется, и в камеру 9 поступает вода, диполи (частицы) которой ориентированы определенным образом.
В камере 9 поляризованная вода соприкасается с наружной отрицательно заряженной поверхностью катода 5 и отдает ей часть своих положительно заряженных частиц. По сути, в камере 9 уже начинается процесс электролиза, в котором вода выступает в роли второго электрода, обмениваясь частицами с отрицательно заряженным катодом 5.
Пройдя сверху вниз между стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью катода 5, вода попадает через отверстия 10 катода 5 в электролитическую камеру 7, где происходит основной процесс электролиза. Благодаря тому, что зазор между анодом 6 и катодом 5 составляет не более 3 мм, обеспечивается высокая скорость протекания воды через электролитическую камеру 7. Вода поднимается снизу вверх между электродами 5 и 6 и выводится через канал 4.
Образующееся в пространстве между электродами ламинарное течение создает условия для хорошего перемешивания и насыщения воды частицами водорода и кислорода, образующимися на электродах, при этом исключено накопление газообразных продуктов электролиза в электролитической камере 7.
Помимо электрохимических реакций при соприкосновении с анодом 6 происходит очистка воды от вредных примесей, которые адсорбируются на пористой поверхности графитового (шунгитового) анода 6.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает многоступенчатую обработку воды, которая позволяет получить на выходе чистую воду с низким отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом от -180 до -520 мВ, нейтральным рН и длительным сроком хранения - до 10 суток и более.
Пример 1. Устройство применяли для обработки воды из местной централизованной системы водоснабжения, имеющей начальные показатели ОВП (+584) мВ и  рН=7,76.  На электроды подавали напряжение до 12 В при силе тока до 3А с частотой 7,83Гц, 400 Гц и 1000 Гц.
Пробы воды, полученной в результате обработки на заявленном устройстве, были подвергнуты лабораторным исследованиям, которые показали, что значение ОВП снизилось до -182 мВ (достигнутое снижение потенциала более чем на 740 единиц). При этом значение водородного показателя рН практически не изменилось и составило 7,36.
Результаты исследований, проведенных аккредитованной сертифицированной лабораторией ОАО «Омскводоканал», также показали, что в результате пропускания воды через устройство в ней снизилось содержание кальция, алюминия, нитрат-ионов и некоторых других вредных примесей.
3
Проведенный микробиологический анализ показал, что общее микробное число (ОМЧ), КОЕ/100см равно нулю, при допустимой норме 50, колиформные бактерии (ОКБ) отсутствуют.
3
3
Биохимический анализ на присутствие активного хлора показал, что общее содержание свободного и связанного хлора в обработанной воде составляет менее 0,05 мг/дм при содержании хлора в исходной воде 0,63 мг/дм.
Полученная вода хранилась в холодильнике при температуре + 3°С, при этом каждый день замеряли значение окислительно-восстановительного потенциала.
Измерения показали на 7 сутки ОВП (-150) мВ, на 10 сутки (-50) мВ.
Вода из природных источников, не подвергнутая техногенным воздействиям, имеет изначально более низкий ОВП, чем обработанная хлоркой водопроводная вода. В этих случаях электролиз протекает быстрее, а достигаемые значения ОВП более низкие.
Пример 2. Устройство применяли для обработки воды, взятой из артезианской скважины (г. Анапа). На электроды подавали напряжение до 12 В при силе тока до 3А с частотой 400 - 432Гц.
Значение ОВП полученной в результате обработки воды составило минус 380 мВ.
Емкость с водой и открытой поверхностью продержали на воздухе под солнцем двое суток. Проведенные замеры ОВП показали значение (-120) мВ.
Для удаления двойного электрического слоя, образующегося на электродах в процессе работы устройства и замедляющего процесс электролиза, используют периодическое кратковременное отключение питания, например на 2-3 секунды. Для упомянутого отключение служит узел коммутации 14, выполненный в виде реле времени. Достигаемый ОВП воды за время кратковременного отключения не изменяется.
В настоящее время проблемой водоснабжения населения городов и других населенных пунктов является низкое качество питьевой воды, попадающей потребителю. Даже если на выходе станции централизованного водоснабжения вода имеет высокую степень очистки, то пройдя по устаревшим трубопроводам к месту назначения, она становиться непригодной для питья. Предлагаемое устройство, установленное у потребителя воды, позволяет решить вышеупомянутую проблему.
Предлагаемое устройство имеет достаточно простую и технологичную конструкцию, характеризуется невысокими затратами на его производство и эксплуатационное обслуживание.
Предлагаемое устройство, представляющее собой проточный электрохимический модуль, позволяет получать до 600 литров активированной воды в час.
С целью увеличения производительности может быть использовано несколько модулей (устройств), включенных параллельно.