Портативное устройство для изменения электрохимических свойств воды

Портативное устройство для электрохимической обработки питьевой воды
Техническое решение относится к обработке питьевой воды в целях улучшения ее потребительских характеристик путем изменения ее окислительно-восстановительного потенциала, очистки обеззараживания и насыщения воды водородом и кислородом и может быть использовано в медицинских, косметических и пищевых целях.
Из уровня техники известен электролизер, который содержит два коаксиально расположенных электрода: внешний электрод представляет собой трубку с продольным отверстием, внутренний электрод представляет собой трубку или стержень. Между электродами установлены диэлектрические втулки. Часть внешнего электрода, на которой выполнено продольное отверстие, представляет собой сектор цилиндра, а на конце электродов расположен электрический разъем для подвода к электродам напряжения от сетевого адаптера. При этом внешний электрод, представляющий собой анод, выполнен из титана, а внутренний, представляющий собой катод, выполнен из нержавеющей стали. Рабочий ток не превышает 0,1 А. Время активации воды объемом 0,3-0,5 л составляет 3-4 мин. Изобретение позволяет повысить производительность работы электролизера за счет снижения электрического сопротивления слоя воды между рабочими поверхностями электродов, Устройство выполнено компактным и простым в эксплуатации. RU 2636725 C2, 27.11.2017
Из уровня техники известен бездиафрагменный электролизер выполнен в виде металлической трубки-катода с перфорированной нижней частью. Внутри трубки-катода выше ее перфорированной части размещена цилиндрическая диэлектрическая втулка с резьбовым отверстием, плотно прилегающая к внутренней поверхности металлической трубки-катода, с вкрученным в диэлектрическую втулку металлическим цилиндрическим стержнем-анодом, резьбовой конец которого частично выходит за пределы диэлектрической втулки, рабочая часть стержня-анода, расположенная в перфорированной части трубки-катода, покрыта слоем платины, на внутреннюю поверхность нижнего конца трубки-катода от ее торца до диэлектрической втулки и на поверхности отверстий перфорации нанесены слои инертного диэлектрика, внутри трубки-катода поверх диэлектрической втулки размещены батарея гальванических элементов, положительный вывод которой соприкасается с торцевой резьбовой частью стержня-анода, и металлическая пружина сжатия, соприкасающаяся нижним концом с отрицательным выводом батареи гальванических элементов, сверху трубка-катод закрыта металлической крышкой, в дно которой упирается верхний конец пружины сжатия. Технический эффект - уменьшение габаритов электролизера до размеров карманного прибора, питающегося от автономного источника напряжения (RU 2350568 C2, 27.03.2009).
Из уровня техники известно устройство для электрохимической обработки воды, которое содержит корпус, источник питания, анод и катод. Анод выполнен в виде имеющей сквозные отверстия трубки, запрессованной в корпус из металлопласта, а катод выполнен в виде стального стержня, который установлен в центр анода, причем анод и катод подключены к источнику питания с помощью гибкого многожильного кабеля, зафиксированного по центру ручки крышкой, а место подключения проводов к аноду и катоду закрыто ручкой, выполненной из металлопласта, которая заполнена герметиком. Изобретение направлено на расширение областей применения, уменьшение времени обработки жидкости и снижение стоимости устройства (RU 2531284C1, 20.10.2014).
Из уровня техники известно устройство для повышения биологической активности и очистки воды, содержащее корпус, электроды, подсоединенные к источнику напряжения, отличающееся тем, что корпус устройства имеет наполнитель в виде поляризуемых дисперсных частиц, в верхней крышке корпуса имеются два канала с отверстиями для подачи исходной воды и выпуска обработанной воды, а также установлен газоотделительный клапан, электроды выполнены в виде системы трех коаксиальных цилиндров, в нижней части центрального цилиндрического электрода выполнены отверстия для выпуска обработанной воды или подачи регенерирующей жидкости, защищенные сеткой с ячейками размером менее 0,8 мм, верхняя часть центрального цилиндрического электрода соединена с выходным каналом устройства, а наполнитель заполняет межэлектродное пространство на 1/4-3/4 объема (RU 80840U1, 27.02.2009).
Из уровня техники известно портативное устройство для обработки загрязненной воды посредством электрокоагуляции, содержащее: по меньшей мере два электрода и корпус, который электрически изолирован от указанных по меньшей мере двух электродов и к которому они прикреплены на некотором расстоянии друг от друга, причем когда они по меньшей мере частично погружены в загрязненную воду и на них подано электрическое напряжение, один из них является растворимым для образования ионов в загрязненной воде. Один из указанных по меньшей мере двух электродов предпочтительно образует коагулирующие ионы в загрязненной воде. Указанные по меньшей мере два электрода имеют примерную общую массу менее 15 кг. Наиболее предпочтительно, чтобы их общая масса была примерно 5, 2, 1 или 0,2 кг. Устройство преимущественно содержит источник питания, приспособленный для подачи электрического напряжения на указанные по меньшей мере два электрода. Источник питания преимущественно создает напряжение 1-100 В. Более предпочтительно, если источник питания создает напряжение 2-40 В. Еще более предпочтительно, если источник питания создает напряжение 3-15 В. Устройство предпочтительно содержит источник питания, приспособленный для подачи напряжения на указанные по меньшей мере два электрода. Кроме того, устройство предпочтительно оснащено выключателем источника питания (WO 2007003003 A1, 11.01.2007)
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является бездиафрагменный электролизер, содержащий два коаксиально расположенных электрода: внешний электрод представляет собой трубку с продольным отверстием, внутренний электрод представляет собой трубку или стержень, а между электродами установлены диэлектрические втулки, отличающийся тем, что внутренняя поверхность внешнего электрода не имеет диэлектрического покрытия, внешний электрод на части своей длины, на которой выполнено продольное отверстие, представляет собой сектор цилиндра, а на конце электродов расположен электрический разъем (RU 2636725 C1, 27.11.2017)
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что внешний электрод на части своей длины, на которой выполнено продольное отверстие, представляет собой сектор цилиндра, то есть незамкнутую цилиндрическую оболочку. Что приводит к снижению механической прочности устройства, существенно снижает площадь поверхности внешнего электрода и замедляет процесс изменения электрохимических свойств воды. Кроме того, описанная в аналоге конструкция не защищает внутренний электрод от механических воздействий, что может привести к преждевременному удалению покрытия электрода.
Технический результат, достигаемый посредством использования устройства заключается в изменении состава, окислительно-восстановительного потенциала, снижении жесткости питьевой воды.
Технический результат достигается за счет того, что для устройство для обработки питьевой воды, содержит металлический электрод в виде цилиндрического тела, размещенный в металлическом корпусе в виде замкнутой цилиндрической оболочки, в котором установлены торцевая нижняя заглушка и торцевая верхняя заглушка, нижняя часть электрода закреплена в нижней торцевой заглушке, а верхняя часть электрода закреплена в верхней торцевой заглушке, которая имеет центральное сквозное отверстие, с обеих сторон стенки верхней торцевой заглушки размещен проводник, одна часть которого соприкасается с замкнутой металлическим корпусом, при этом другая часть проводника расположена с внутренней стороны стенки верхней торцевой заглушки, на верхней части электрода расположен стержень, размещенный внутри сквозного отверстия в верхней торцевой заглушке, причем в металлическом корпусе выполнены протяженные щелевидные отверстия.
Предпочтительно, что суммарная площадь отверстий составляет менее половины площади внешней поверхности оболочки.
Предпочтительно, что верхние и нижние края протяженных щелевидных отверстий выполнены закругленными, при этом ширина каждого отверстия меньше диаметра металлического электрода.
Предпочтительно, что стержень выполнен монолитно с металлическим электродом.
Предпочтительно, что высота щелевидных отверстий меньше расстояния между заглушками.
Металлический корпус может быть изготовлен из нержавеющей легированной стали.
Электрод может быть выполнен в виде протяженного цилиндра из титана или титанового сплава, внешняя поверхность которого имеет покрытие из платины, серебра или меди.
Предпочтительно, что нижняя заглушка имеет цилиндрическую стенку, глухое центральное цилиндрическое отверстие и плоское монолитно соединенное со стенкой уплощенное цилиндрическое основание, при этом внешний диаметр цилиндрической стенки нижней заглушки равен внутреннему диаметру металлического корпуса, а диаметр цилиндрического основания больше внешнего диаметра металлического корпуса.
Предпочтительно, что верхняя заглушка имеет цилиндрическую стенку, центральное сквозное отверстие, которое выполнено цилиндрическим и плоскую монолитно соединенную со стенкой уплощенную цилиндрическую крышку, при этом внешний диаметр цилиндрической стенки верхней заглушки равен внутреннему диаметру металлического корпуса, а диаметр цилиндрического основания больше внешнего диаметра металлического корпуса.
Предпочтительно, что для размещения проводника в стенке верхней заглушки выполнены сквозные отверстия, в которые пропущен проводник, выполненный в виде изогнутого провода или металлической клипсы в виде изогнутой пластинки.
Устройство поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показан изометрический вид.
На Фиг. 2 показан вид спереди.
На Фиг. 3 показан поперечный разрез в области отверстий в
металлическом корпусе.
На Фиг. 4 показан вид сверху.
На Фиг. 5 показан продольный разрез в области отверстий в металлическом корпусе.
На Фиг. 6 показано устройство в разобранном виде.
На Фиг. 7 показан узел подключения коннектора (продольный разрез).
Портативное устройство для обработки питьевой воды содержит металлический электрод 1 в виде цилиндрического тела (Фиг. 3, 5, 6).
Электрод 1 размещен в металлическом корпусе 2, выполненном в виде замкнутой цилиндрической оболочки (Фиг. 1-2).
В металлическом корпусе 2 с натягом установлены торцевые пластиковые заглушки - нижняя торцевая заглушка 3 и верхняя торцевая заглушка 4, в которых также с натягом закреплен металлический электрод 1.
Нижняя часть 5 электрода 1 закреплена в нижней торцевой заглушке 3, а верхняя часть 6 электрода 1 закреплена в верхней торцевой заглушке 4 (Фиг. 5).
Верхняя торцевая заглушка 4 имеет центральное сквозное отверстие 7, причем с обеих сторон стенки 8 верхней торцевой заглушки 4 размещен проводник 9 (Фиг. 5-7).
Одна часть 10 проводника 9 соприкасается с металлическим корпусом 2, другая часть 11 проводника 9 расположена с внутренней стороны стенки 8 верхней торцевой заглушки 4 (Фиг. 7).
На верхней части электрода 1 расположен стержень 12, размещенный внутри сквозного отверстия 7 в верхней торцевой заглушке 4. Стержень 12 монолитно соединен с электродом 1.
В металлическом корпусе 2, предпочтительно, симметрично выполнены протяженные щелевидные отверстия 13 для пропуска воды. Верхние и нижние края отверстий 13 выполнены закругленными для обеспечения прочности металлического корпуса 2 (Фиг. 1, 2).
Для исключения ослабления корпуса, предпочтительно, что высота h (длина) щелевидных отверстий 13 меньше расстояния Н между заглушками 3 и 4 (Фиг. 5).
Нижняя заглушка 3 имеет цилиндрическую стенку 14, глухое центральное цилиндрическое отверстие 15 (Фиг. 6) и плоское монолитно соединенное со стенкой уплощенное цилиндрическое основание 16. Внешний диаметр цилиндрической стенки 14 нижней заглушки 3 равен внутреннему диаметру металлического корпуса 2, при этом диаметр цилиндрического основания 16 больше внешнего диаметра металлического корпуса.
Верхняя заглушка 3 имеет цилиндрическую стенку 8, центральное сквозное отверстие 7, которое также выполнено цилиндрическим (Фиг. 6) и плоскую монолитно соединенную со стенкой 8 уплощенную цилиндрическую крышку 17. Внешний диаметр цилиндрической стенки 14 верхней заглушки 3 равен внутреннему диаметру металлического корпуса 2, при этом диаметр цилиндрического основания 16 больше внешнего диаметра металлического корпуса.
Для размещения проводника 9 в стенке 8 верхней заглушки выполнены сквозные отверстия 18. В упомянутые отверстия 18 пропущен проводник 9 который может быть выполнен в виде изогнутого провода или металлической клипсы в виде изогнутой пластинки (Фиг. 6).
Обе заглушки 3 и 4 выполнены из пищевого упругого пластика.
Металлический корпус 2, предпочтительно, изготовлен из нержавеющей легированной стали и также является электродом (катодом).
Предпочтительно, что электрод 1 (анод), выполнен в виде протяженного цилиндра из титана или титанового сплава, внешняя поверхность которого имеет покрытие из платины, серебра или меди. При этом, предпочтительно, что ширина каждого щелевидного отверстия меньше диаметра металлического электрода для защиты покрытия электрода от механических воздействий.
Устройство работает следующим образом. К устройству подключают коннектор 19 (Фиг. 7), который посредством провода связан блоком питания постоянного напряжения (на чертежах условно не показан).
Коннектор 19 представляет собой цилиндр с металлической внешней контактной оболочкой 20, которая подключена к плюсовому контакту блока питания, при этом в коннекторе имеется центральное отверстие, в котором размещена внутренняя контактная часть 21, подключенная к минусовому контакту блока питания. Внешний диаметр коннектора равен внутреннему диаметру в сквозном отверстии 7 верхней заглушки 4.
Для подключения коннектор 19 вставляют в сквозное отверстие 7 в верхней 4 заглушке, при этом внешняя контактная оболочка 20 коннектора 14 контактирует с частью 11 проводника 9, а внутренняя контактная часть 21 контактирует со стержнем 12 электрода 1, причем часть 10 проводника 9 соприкасается с внутренней поверхностью металлического корпуса 1.
При подключении блока питания к электросети и подсоединения коннектора 19 к устройству на металлический корпус 1 через проводник 9 подается отрицательный заряд, а на электрод 1 через стержень 12 положительный заряд. После того как подключенное к электросети устройство помещают в емкость с водой и она через отверстия 13 попадает внутрь металлического корпуса 2 за счет наличия в воде солей начинается процесс электролиза, в результате которого изменяются свойства воды.
В частности результате электролиза в воде происходят следующие процессы.
2
2
2
2
+
-
-
-
В соответствии с формулой 2HO→O+4Н+4е на аноде образуется кислород, при этом на катоде образуется водород: 2HO+2е→Н+2OH.
2
3
2
2
2
2
-
+
-
-
Использование электродов с покрытиями позволяет производить из воды озон и перекись водорода. В этом случае реакция на аноде будет 3HO→O+6е+6Н, а на катоде O+2HO+2е→HO+2OH.
Не дистиллированная вода всегда содержит минеральные соли, такие как хлориды, сульфаты и карбонаты. Источниками образования хлора в процессе электролиза являются хлориды. В воде они представлены по большей части хлоридом натрия (NaCl), а также хлоридом кальция (CaCl) и хлоридом калия (KCl).
2
2
+
-
На примере с хлоридом натрия реакция образования хлора электролизом будет следующей: 2NaCl+HO→2Na+2Cl+2HO.
-
-
+
-
2
Во время электролиза на аноде формируется хлор: 2Cl→Cl+2е, в то же время у катода образуется гидроокись натрия. Na+ОН→NaOH.
2
2
Данная реакция является быстротечной, вследствие того, что хлор, образованный у анода, вступает в реакцию с гидроокисью натрия с образованием гипохлорита натрия: Cl+2NaOH→Н+2NaOCl.
Аналогичные реакции при электролизе также происходят с хлоридом кальция и хлоридом калия.
В результате описанного электролитического процесса происходит образование окислителей, которые позволяют нейтрализовать вредные для здоровья человека вещества, такие как аммоний, марганец, сероводород, двухвалентное железо и т.д.
При этом в воде даже с низким содержанием хлоридов образуется хлор, что приводит к обеззараживанию обрабатываемой воды. Таким образом, хлор образуется из естественных минеральных солей в воде, и сразу растворяется в ней.
Ослабление водородных связей способствует образованию атомарного кислорода, который способствует уменьшению жесткости воды.
+
+
2
2
В обычной (недистиллированной) воде всегда присутствует кальций. Ионы Са окисляются атомарным кислородом: Са+О→СаО, причем окись кальция, взаимодействуя с водой, образует гидрат окиси кальция: СаО+HO→Са(ОН).
Аналогичные процессы происходят и с другими элементами, в результате чего снижается жесткость воды.