СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ТАЛОЙ ВОДЫ
METHOD OF PRODUCING AND STORAGE OF MELT WATER

Изобретение относится к способу очистки воды методом перекристаллизации, улучшающим ее биологические свойства путем изменения структуры воды, оптимизации ее окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), pH, удаления растворенных в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине.
Известен способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в замораживании исходной воды, дроблении льда и его таянии. Замораживание воды проводят до 70-90% от ее объема, таяние льда осуществляют путем теплоизоляции его боковых и нижней поверхностей до образования 30-55% от объема талого стока с последующим его удалением (Патент РФ №2077160, МПК C02F 1/22, опубл. 10.04.1997 г.).
К недостаткам вышеприведенного способа можно отнести низкое качество очищенной талой воды и быструю потерю ее органолептических и биологически активных свойств (в течение не более 4-6 часов).
Наиболее близким аналогом (прототипом) способа является способ получения и хранения талой воды (патент РФ №2393996, МПК C02F 1/22, опубл. 10.07.2010 г.), включающий первое охлаждение воды в термостатируемой рабочей емкости и последующее ее постепенное замораживание при температуре выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в течение времени, достаточного для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями, слив указанного рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры до значений, превышающих температуру кристаллизации тяжелой воды, и выдержку льда при указанной температуре до полного его размораживания, повторное охлаждение воды до температуры кристаллизации тяжелой воды и выдержку ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды и слив готового продукта в виде очищенной талой воды в потребительскую емкость при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки. Нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов в автоматическом режиме, температуру среды внутри рабочей емкости при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°C/мин, время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°C, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,05-0,1°C/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 10°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,16-0,18°C/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже плюс 2°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°C/мин.
Для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды перед ее сливом в потребительскую емкость процесс повторной кристаллизации воды поддерживают при температуре не более +2°C в течение не менее 300 минут.
К недостаткам вышеприведенного способа можно отнести недостаточное качество очищенной талой воды (низкая степень удаления дейтерия и трития) и потерю органолептических и биологически активных свойств очищенной талой воды в течение 7-10 часов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа получения и хранения талой воды замораживанием, который обеспечивает повышение качества очищенной талой воды и ее полезных свойств, а также более длительное их сохранение.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения и хранения талой воды, включающем замораживание воды в термоизолированной емкости до получения массы очищенного льда, слив жидкого концентрата органических и неорганических примесей, плавление массы льда при положительной температуре до получения талой воды и хранение ее при положительной температуре, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками охладительных и нагревательных элементов, согласно изобретению на начальном этапе плавления поверхностного слоя льда талую воду сливают в канализацию в количестве 3,0-5,0 мас. %, а остальную часть талой воды хранят в термоизолированной емкости в режиме термостатирования при наибольшей плотности и температуре +4,0°C.
В талой воде при +4°C и наибольшей плотности структурные комплексы плотно упакованы и наиболее длительное время сохраняют физико-химические параметры (ОВП = от -90 мВ до -100 мВ, pH 7,4-8,0, низкое содержание газов и т.п.), присущие воде, находящейся в кристаллическом состоянии и проявляющей  наибольшую биологическую активность. ОВП = от -90 мВ до -100 мВ и pH 7,36-7,44 соответствуют показателям крови человека, вследствие чего талая вода, полученная заявляемым способом, наиболее благоприятна для организма человека.
На фиг.1 представлена схема аппарата для реализации заявляемого способа получения и хранения талой воды.
Аппарат для реализации способа получения и хранения талой воды имеет корпус 1, в верхнем торце которого расположена крышка 2 для доступа к рабочей емкости 3. На лицевой стороне аппарата имеется панель управления, выполненная в виде сенсорного окна с электронной индикацией (на чертеже не показана). Сзади и по бокам корпуса 1 выполнены вентиляционные окна 4. Рабочая емкость 3 имеет наклонное (коническое) днище 5 с осевым отверстием 6 для слива воды Термоэлектрическая батарея 7 для замораживания воды и таяния льда расположена на боковых стенках емкости 3. В нижней части корпуса 1 расположены емкость 8 для приема талой очищенной воды и съемный контейнер 9 для приема грязной воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Сливные трубопроводы 10 и 11 содержат средство 12 для управления сливом воды и подсоединены к отверстию 6 конического днища 5 рабочей емкости 3. Сливные патрубки 13 и 14 трубопроводов 10 и 11 установлены соответственно над емкостью 9 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия и над емкостью 8 для приема очищенной талой воды. Термоэлектрическая батарея 7 содержит термоэлектрические элементы 15, расположенные снаружи на боковой поверхности рабочей емкости 3 для замораживания воды и таяния льда, имеющей в горизонтальном сечении квадратную форму. Средство 12 для управления сливом воды в трубопроводах 10 и 11 содержит установленные в последних электроклапаны 16 и 17. Кроме того, аппарат имеет электронный блок 18 управления, включающий блок 19 управления термоэлектрической батареей 7, соединенной с его элементами 15, блок 20 управления клапанами 16 и 17, соединенный с последними, программный автомат 21 и блок 22 измерения температуры с датчиком 23 температуры, установленным на стенке или днище 5 емкости 3 для замораживания воды и таяния льда. Программный автомат 21 подключен к блоку 20 управления клапанами, блоку 22 измерения температуры и блоку 19 управления термоэлектрической батареей 7.
Экспериментальный образец аппарата для получения и хранения талой воды имеет вес около 6 кг, объем рабочей емкости 2000 мл, объем потребительской емкости для чистой воды 700 мл, объем контейнера для слива загрязнений 1000 мл.
Описание способа получения и хранения талой воды. Способ очистки воды осуществляют посредством, например, аппарата, изображенного на фиг.1. В термоизолированную емкость 3 объемом, например, 2 л заливают 1,5 л водопроводной воды. Все процессы: нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют снаружи термоизолированной емкости 3 посредством контактирования с ее термопроводной стенкой термоэлементов 15 для охлаждения и нагрева воды в автоматическом режиме с использованием электронного блока 18 управления и алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды. При включении термоэлектрического агрегата на режим охлаждения термоэлементов 15 происходит охлаждение воды через термопроводную стенку емкости 3. Температуру среды внутри рабочей емкости 3 при охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°C со скоростью изменения температуры воды в рабочей емкости,  равной интервалу значений 0,1-0,3°C/мин. Далее осуществляют процесс кристаллизации воды. С помощью датчика температуры 23, прикрепленного к поверхности дна 5 или стенки емкости 3,  рассчитывается время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости 3 не менее чем на 0,5°C. Температуру воды внутри емкости 3 при кристаллизации воды снижают до величины минус 4,0-5,0°C (температура выше температуры кристаллизации жидкого концентрата с органическими и неорганическими примесями) со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости 3, равной интервалу значений 0,05-0,1°C/мин. В течение времени (около 5 часов) достигается полная кристаллизация очищенной воды в виде слоя льда у стенки емкости 3, где расположены термоэлементы 15, и формирование жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в приосевой зоне емкости 1. В течение нескольких минут жидкий концентрат примесей объемом от 300 до 550 мл сливают в канализацию или контейнер 9 при включении электроклапана 16.
После этого в емкости 3 лед подвергают плавлению путем переключения термоэлементов 15 с режима охлаждения на режим нагрева. Температуру стенки емкости 3 при таянии льда до полного его расплавления после слива концентрата примесей повышают до величины плюс 10-15°C.
Причем в процессе плавления льда после оттаивания его наружной поверхностной части полученную талую воду сливают в канализацию или в контейнер 9 в количестве 3-5 мас.%, которая содержит основное количество дейтерия и трития, вредных для живых организмов, и примесей, оставшихся на поверхности льда.
Плавление основной очищенной от тяжелой воды массы льда осуществляют около 1,4 часа до полного его размораживания. Дальнейшее хранение талой воды осуществляют в термоизолированной рабочей емкости 3, температура в которой поддерживается в диапазоне плюс 3,5-4,5°C в автоматическом режиме. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды около 6-6,5 часов. Содержание чистой талой воды составляет не менее 65 об. % от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 1,5-2 раза. Чистую талую воду потребляют путем открытия электроклапана 17 и слива талой воды в емкость 8.
Аппарат работает следующим образом. Устройство включают в электрическую сеть. Открывают крышку 2, в рабочую емкость 3 заливают 1,5-1,7 литра воды (питьевая, водопроводная по ГОСТу). Крышку 2 закрывают. На пульте управления (на чертеже не показан) включают кнопку «Сеть», соединенную с электронным блоком 18 управления. Загорается индикация сети. Нажимают кнопку «Начать процесс». Программный автомат 21 в электронном блоке управления 18 выполняет следующий алгоритм работы устройства. Блок управления клапанами 20 открывает клапаны 16 и 17. Происходит промыв трубопроводов 10, 11 (от предыдущего цикла очистки воды) водой в объеме до 50 мл из рабочей емкости 3 и слив грязной воды в емкость 9. Клапаны 16 и 17 закрываются. Блок 19 управления термоэлектрической батареей 7 включает термоэлектрические элементы 15 в режим охлаждения. Электронный блок управления 18 включает блок 22 измерения температуры. В емкости 3 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации 0°C. Процесс кристаллизации - образование льда и охлаждение полученного льда до минус 4-5°C осуществляется в течение 4,5-5 часов. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенок рабочей емкости 3, охлаждаемых термоэлектрическими элементами 15, к центру. У боковых стенок емкости 3 в первую очередь формируется слой льда, содержащий кристаллы тяжелой воды (D20), которая имеет температуру замерзания +3,8 градуса Цельсия. Отвод тепла от горячих спаев термоэлектрических элементов 15 обеспечивается с помощью радиаторов.
Растворенные в воде примеси (соли металлов, органические загрязнения и т.д.) в процессе образования льда вытесняются в объем, расположенный по центру рабочей емкости 3, тем самым происходит образование «рассола» - вода с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного «рассола» составляет минус 6-7°C. Блок 20 управления клапанами открывает клапан 16 (клапан 17 закрыт). Происходит слив «рассола» из рабочей емкости 3 по трубопроводу 11 в емкость 9 в течение 2-3 минут. Клапан 16 закрывается. Блок 19 управления термоэлектрической батареей 7 включает термоэлектрические элементы 15 в режим нагрева. Происходит повышение температуры льда в рабочей емкости 3 до температуры 0°C, при которой наступает плавление льда, и в первую очередь тает наружный кристаллический слой тяжелой воды. Блок 20 управления клапанами открывает клапан 16 (клапан 17 закрыт). Происходит слив тяжелой воды (3-5 мас. %) из рабочей емкости 3 по трубопроводу 11 в емкость 9 в течение 1-2 минут. Клапан 16 закрывается.
Последующее таяние чистого льда и получение очищенной талой воды происходит при температуре стенок емкости 3 плюс 10-15°C в течение 2-х часов. Процесс хранения талой воды осуществляется в термоизолированной емкости 3 в режиме термостатирования при наибольшей ее плотности и температуре +4,0°C.
Для потребления талой воды нажимают кнопку «Талая вода». Блок 20 управления клапанами открывает клапан 17 (клапан 16 закрыт), происходит слив талой воды по трубопроводу 10 в емкость 8 в течение 2-3 минут.
Далее блок 20 управления клапанами закрывает клапан 17. Блок 19 управления термоэлектрической батареей 7 выключает термоэлектрические элементы 15. Электронный блок 18 управления выключает блок 22 измерения температуры и выключается сам. Кнопку «Сеть» выключают.
Общее усредненное время протекания процесса получения талой воды составляет 6,0-6,5 часа.
Заявляемый способ получения и хранения талой воды замораживанием обеспечивает повышение качества очищенной талой воды и ее полезных свойств за счет более полного удаления тяжелой воды (дейтерия и трития), а также обеспечивает более длительное их сохранение при температуре +4,0°C. При этой температуре вода имеет наибольшую плотность, вследствие чего структура талой воды наиболее полно и более длительно сохраняет свои биологически активные свойства.
Ниже приведены экспериментальные доказательства повышения качества очищенной талой воды, повышения ее полезных свойств, а также более длительного их сохранения (т.е. достижения указанного технического результата).
+
-
+
-
+
-
-5
-1
2
Уникальность фазового перехода лед↔вода заключается в том, что в талой воде концентрация ионов водорода Н и гидроксила ОН непродолжительное время сохраняется неравновесной, какой она была во льду, то есть в тысячу раз меньшей, чем в обычной воде. Через некоторое время концентрация ионов Н и OH в воде принимает свое равновесное значение. Поскольку ионы водорода и гидроксила играют решающую роль в формировании надмолекулярных комплексов воды, вода на некоторое время остается в более активном метастабильном состоянии. Реакция ее диссоциации HO→Н+ОН требует значительной затраты энергии и протекает достаточно медленно. Константа скорости этой реакции составляет всего 2,5·10 с при +20°C, а при ее наименьшей плотности при +4°C константа скорости указанной реакции будет протекать еще медленней.
Поэтому время возвращения талой воды в равновесное состояние теоретически должно составлять 10-17 часов при +20°C, что и наблюдается на практике. Исследования динамики изменения концентрации ионов водорода в талой воде во времени подтверждают этот факт.
В таблице 1 приведены результаты экспериментальных исследований по очистке водопроводной воды заявляемым методом замораживания-оттаивания и ее хранению при +20°C и +4°C с использованием количественного метода определения содержания микроэлементов и тяжелой воды атомно-адсорбционным методом анализа в соответствии с ГОСТ Р 51309-99.
Из таблицы 1 видно, что после очистки водопроводной воды заявляемым способом содержание дейтерия уменьшилось в два раза, значительно уменьшилось содержание неорганических примесей, повысился pH и снизился окислительно-восстановительный потенциал с +362 мВ до -98,0 мВ.
После 2-х суток хранения талой воды при +20°C значительно изменились показатели ОВП, pH воды, которые приблизились к исходной водопроводной воде, и несколько ухудшились органолептические свойства талой воды. После 2-х суток хранения талой воды при +4°C (при наибольшей плотности) параметры талой воды по сравнению с ее параметрами сразу после очистки заявляемым способом изменились незначительно, что подтверждает достижение заявляемого технического результата.
По данным биологических и медицинских исследований отрицательный ОВП воды положительно влияет на организм лабораторных животных («Влияние жидкостей с различным окислительно-восстановительным потенциалом на органы желудочно-кишечного тракта», тема диссертации и автореферата по ВАК 14.03.06, кандидат медицинских наук Колесниченко Павел Дмитриевич, Курск, 2012 г. http://www.dissercat.com/content/vliyanie-zhidkostei-s-razliehnym-okislitelno-vosslanovitelnyi-potentsialom-na-organy-zheludo):
- уточнены полученные ранее рядом авторов (В.М. Бахир, 1999; В.И. Прилуцкий, 1999) о том, что жидкость с ОВП минус 500-520 мВ может продлевать продолжительность жизни лабораторных животных;
- исследованы основные биохимические, цитологические и антирадикальные характеристики крови, морфофункциональное состояние слизистых оболочек и тканевых базофилов ЖКТ;
- впервые получены данные о том, что при длительном употреблении жидкости с отрицательным ОВП в крови снижается содержание малонового диальдегида - конечного продукта перекисного окисления липидов, свидетельствующее об усилении антирадикальных свойств крови, при этом зафиксировано снижение активности гаммаглютаминтранспептидазы, амилазы и щелочной фосфатазы.