РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ	(19) RU (11) 2344996 (13) C2
	(51) МПК C02F 1/46 (2006.01)

(21)(22) Заявка: 2007100597/15, 09.01.2007 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 09.01.2007 (43) Дата публикации заявки: 20.07.2008 Бюл. № 20 (45) Опубликовано: 27.01.2009 Бюл. № 3 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ХАХАЛИН В. Активатор для рассады. - Моделист конструктор, 1987, №3, с.26-27. RU 2153474 С2, 27.07.2000. SU 486782 А, 05.10.1975. RU 95114610 А, 20.08.1997. US 5427667 А, 27.06.1995. Адрес для переписки: 634050, г.Томск, пр. Ленина, 40, ТУСУР, патентно-информационный отдел, В.И. Карнышеву

(72) Автор(ы): Пасько Ольга Анатольевна (RU), Семенов Анатолий Васильевич (RU), Смирнов Геннадий Васильевич (RU), Смирнов Дмитрий Геннадьевич (RU) (73) Патентообладатель(и): Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) (RU)

(54) БЫТОВОЙ ДИАФРАГМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР

Изобретение относится к прикладной электрохимии и может быть использовано в качестве бытового электролизера для получения из воды и водосодержащих жидкостей веществ, стимулирующих и нормализующих процессы в различных биологических объектах, а также для получения антисептиков (антимикробных, антивирусных и антигрибковых средств).

Известен бытовой диафрагменный электролизер для получения католита («живой» воды) и анолита («мертвой» воды), содержащий водонепроницаемый корпус-сосуд (стеклянную банку), прямоугольные анодный и катодный электроды, выполненные из нержавеющей стали (относящийся к неблагородному проводящему материалу) и закрепленные на диэлектрической крышке корпуса-сосуда, выпрямительный полупроводниковый диод, закрепленный на диэлектрической крышке и подключенный катодом к анодному электроду, водонепроницаемый брезентовый мешочек, помещенный в корпус-сосуд, в который, в свою очередь, помещается анодный электрод, и двухпроводной шнур питания, первый конец первого провода которого соединен с анодом диода, первый конец второго провода подключен к катодному электроду и вторые концы которого оканчиваются вилкой, включаемой в сеть переменного напряжения 220 В [1].

Недостатком такого электролизера является то, что отрываемые электрическим полем с поверхности анодного электрода катионы (положительные ионы) за счет создаваемых электрохимическими процессами на поверхности анодного электрода конвекционных потоков жидкости быстро, менее чем за минуту, достигают внутренней поверхности мешочка, проходят через его поры и попадают в катодную камеру, окружающую мешочек. Католит оказывается загрязненный ионами металлов, входящих в состав нержавеющей стали, в частности, ионами никеля. Употреблять такой католит внутрь организма небезопасно для здоровья человека.

Наиболее близким к заявляемому устройству является диафрагменный электролизер для получения католита и анолита из воды, содержащей прямоугольный водонепроницаемый корпус-сосуд, выполненный из инертного диэлектрического материала, катодный и анодный электроды, выполненные из нержавеющей стали, размещенные внутри корпуса-сосуда и разделенные между собой двумя стеклянными стаканами, стенки которых наращены обечайками из ватмана, выполняющих роль пористых диафрагм, и источник однополярного пульсирующего напряжения, отрицательный и положительный выводы которого соединены соответственно с катодным и анодным электродами [2]. Электролизер питается от сети переменного напряжения через последовательно соединенные полупроводниковый выпрямительный диод и лампу накаливания 220 В, 40 Вт, выполняющую роль гасящего избыточное напряжение сопротивления. Параллельно лампе накаливания подключен выключатель, при замыкании которого форсируется процесс получения католита и анолита. Стеклянные стаканы располагаются на опускаемом в корпус-сосуд поддоне. Обечайки располагаются друг от друга на расстоянии около 1 см (судя по двум проекциям прибора, представленным на рис.1, в [2], с.26).

Недостатком эликтролизера-прототипа является то, что он вырабатывает католит, в котором содержатся катионы анодного электрода, небезопасные для здоровья человека и животных, в частности, катионы никеля. Это обусловлено тем, что катионы преодолевают ближайшее расстояние между диафрагмами в электролизере-прототипе за время, существенно меньшее времени электролиза воды, и катионы анодного электрода оказываются в катодной камере электролизера-прототипа задолго до окончания процесса электролиза.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - улучшение качества католита («живой» воды) за счет исключения попадания в катодную камеру катионов, отрываемых электрическим полем от анодного электрода электролизера при изготовлении анодного электрода из неблагородных проводящих материалов (для изготовления анодов бытовых электролизеров применяют графит и нержавеющую сталь).

Решение поставленной задачи достигается тем, что в диафрагменном электролизере, содержащем прямоугольный водонепроницаемый корпус-сосуд, изготовленный из инертного диэлектрического материала, катодный и анодный электроды, выполненные из неблагородных проводящих материалов, размещенные внутри корпуса-сосуда и разделенные между собой двумя пористыми диафрагмами, и источник однополярного пульсирующего напряжения, отрицательный и положительный выводы которого соединены соответственно с катодным и анодным электродами, пористые диафрагмы размещены друг от друга на расстоянии, определяемом соотношением:

1,3E·b·t≥L>1,0E·b·t,

где L - расстояние между пористыми диафрагмами, в см; Е - средняя напряженность пульсирующего электрического поля между электродами в жидкости, в В/см; b - подвижность жидких наиболее быстрых катионов, отрываемых от анодного электрода электрическим полем, в см²·В^-1·с^-1 при Е=1 В/см; t - время электролиза, в с.

В частном случае пористые диафрагмы выполнены в форме прямоугольных стаканов из пористой керамики, вставляемых в корпус-сосуд.

В другом частном случае пористые диафрагмы выполнены прямоугольной формы и соединены с днищем и противоположно расположенными стенками корпуса-сосуда, разделяя его на три отсека: катодный, промежуточный и анодный.

Коэффициент 1,3 в левой части вышеприведенного соотношения дает гарантию, что катионы, отрываемые электрическим полем с поверхности анодного электрода, не попадут в катодную камеру электролизера при не учитываемых факторах, например, относительно высокой температуры обрабатываемой жидкости. Выбор L=1,3 E·b·t увеличивает габариты электролизера относительно минимально возможных габаритов незначительно, так же как и незначительно увеличивает время обработки воды или водосодержащей жидкости.

В электролизере-прототипе расстояние между электродами составляет около 8 см, ближайшее расстояние между мембранами, как сказано выше, - около 1 см. При замыкании лампы накаливания выключателем на электроды будет подаваться напряжение в виде полупериодов синусоид с промежутками между ними, также равными полупериоду синусоид. Постоянная составляющая такого напряжения равна .

При этом средняя напряженность электрического поля в плоскости, проходящей через продольные оси электродов, составит 12,375 В/см. Время электролиза воды в электролизере-прототипе при постоянной составляющей напряжения на электродах 99 В составляет 10-15 мин. В электролизере-прототипе большая часть катионов, отделяемая от анодного электрода в процессе электролиза жидкости, попадает в катодную камеру (в католит).

В предлагаемом устройстве при расстоянии между мембранами 10 см и расстоянии между электродами 18 см напряженность электрического поля в воде между электродами, на которые подается напряжение с постоянной составляющей 99 В, равна 5,5 В/см (в 2,25 раз меньше, чем в электролизе-прототипе). Если считать, что время обработки воды в предлагаемом электролизере по отношению к времени обработки воды в электролизере-прототипе также возрастет в 2,25 раз и составит 22,50-33,75 мин, то за время обработки воды в течение 33,75·60=2025 с катионы, отделяемые от анодного электрода, пройдут в межмембранном пространстве длину, не превышающую 10 см.

Значения подвижностей ионов в водной среде, кроме ионов Н⁺ и ОН^-, лежат в сравнительно узком интервале (6±2)·10^-8 м²·В^-1·с^-1 [3]. Если перейти от скорости ионов, измеряемой в м/с, к скорости ионов, измеряемой в см/с, и от напряженности электрического поля, измеряемой в В/м, к напряженности, измеряемой в В/см, то значения подвижностей ионов, кроме ионов Н⁺ и ОН^-, будут находиться в интервале b=(0,0006±0,0002) см²·В^-1·с^-1.

В литературе приведено довольно много данных об эквивалентной ионной электропроводности водных растворов, измеряемой как в Ом^-1·м²·моль^-1 (См·м²·моль^-1) [4], так и в Ом^-1·м²·г-экв^-1 [5] (что одно и то же).

Подвижность ионов равна эквивалентной ионной проводимости, умноженной на число Фарадея F=96490 Кл/моль=96490 Кл/г-экв [5, 6] (F≈10⁵ Кл/моль≈10⁵ Кл/г-экв). Зная значение эквивалентной ионной проводимости, можно перейти к значению подвижности ионов (значения их отличаются только порядком чисел).

В большинстве литературных источников данные о подвижности ионов в водных средах приведены для значений температур жидкостей 18 и 25°С. Чтобы рассчитать подвижность ионов при других температурах жидкостей, необходимо значение подвижностей ионов при Т=18°С или Т=25°С умножить на [1+α(Т-18)] или на [1+α(Т-25)], где α - коэффициент электрической проводимости [4]. α≈0,02. Средняя температура водного раствора в процессе его электролиза в большинстве случаев не превышает 25°С, поскольку в бытовой электролизер заливают водопроводную воду, имеющую температуру 8-18°С, или отстоянную сырую или охлажденную кипяченую воду, имеющую температуру 16-18°С. Обычно конечная температура жидкости в электролизере не превышает 40°С. При температуре жидкости больше 40°С кластерная структура жидкости начинает разрушаться, и качество трех модификаций электрохимически активированной воды (получаемых в трех камерах электролизера), особенно католита, начинает ухудшаться. При этом средняя температура жидкости, подвергнутой электролизу, не превышает 30°С.

Почему выполняется предложенное соотношение 1,3E·b·t≥L>1,0E·b·t

в заявляемом электролизере и не выполняется в электролизере-прототипе, покажем на нижеследующих примерах.

Предположим, что мы изготавливаем анод бытового электролизера из нержавеющей стали марки 12Х18Н9, содержащей 1,2% углерода С, 18% хрома Cr и 9% никеля Ni; остальное (71,8%) - железо Fe. Находим подвижности катионов железа, хрома и никеля в водном растворе, имеющем температуру 25°С, из литературного источника [4], в котором приведены значения предельной (максимальной) молярной электрической проводимости ионов в воде для фиксированных значений температур растворов в интервале 0-100°С. Для катионов Fe³⁺, Cr³⁺ и Ni²⁺ значения эквивалентной ионной проводимости составляет 68·10^-8, 67·10^-8 и 54·10^-8 Ом^-1·см²·моль^-1. Значения подвижностей этих катионов составляет соответственно 0,00068, 0,00067 и 0,00054 см²·В^-1·с^-1 [3]. Значение подвижностей катионов углерода С взято из [7] при 18°С и пересчитано для температуры раствора 25°С. При этой температуре подвижность катионов С⁴⁺ равна 0,00077 см²·В^-1·с^-1.

Из ионов Fe³⁺, Cr³⁺, Ni²⁺ и С⁴⁺ наибольшей подвижностью (скоростью) обладают катионы углерода. Следовательно, они могут пройти расстояние между пористыми диафрагмами быстрее других катионов. И если самые быстрые катионы в процессе электролиза водного раствора не достигнут катодной камеры электролизера, то и остальные катионы ее не достигнут.

Приведем два примера расчета расстояний, проходящих катионами С⁴⁺ при средних температурах водных растворов 25 и 30°С, при одинаковых значениях постоянного напряжения на электродах электролизера-прототипа и предлагаемого электролизера 99 В и при одинаковых значениях произведения E·t, соответствующего завершению процесса электролиза водного раствора. У прототипа расстояние между катодом и анодом, как сказано выше, составляет 8 см, у предлагаемого - 18 см. Ближайшее расстояние между пористыми диафрагмами в прототипе составляет около 1 см, в предлагаемом устройстве - 10 см. Время обработки раствора в устройстве-прототипе выбираем 15 мин (900 с), время обработки раствора в предлагаемом устройстве - 33,75 мин (2025 с). При этом напряженность электрического поля в водной среде прототипа будет 12,375 В/см, в водной среде предлагаемого устройства - 5,5 В/см. Расстояние, на которое могут перемесится катионы С⁴⁺ в водной среде (при данных значениях Е и t для прототипа и предлагаемого устройства и b=0,00077 см²·В^-1·с^-1 при t=25°С), равно E·b·t=8,576 см. При температуре обрабатываемой жидкости 30°С подвижность катионов С⁴⁺ (расчетная) достигает 0,000847 см²·В^-1·с^-1. При этой температуре раствора катионы С⁴⁺ могут переместиться на расстояние 9,43 см.

При температурах раствора 25 и 30°С соотношения между L и E·b·t для предлагаемого устройства записываются следующим образом:

1,3E·b·t=11,15 см>L=10 см>1,0E·b·t=8,576 см (Т=25°С),

1,3E·b·t=12,26 см>L=10 см>1,0E·b·t=9,43 см (Т=30°С).

При температурах раствора 25 и 30°С соотношения между L и E·b·t для устройства-прототипа выглядит таким образом:

1,3E·b·t=11,15 см>L=1 см<1,0E·b·t=8,576 см (Т=25°С),

1,3E·b·t=12,26 см>L=1 см<1,0E·b·t=9,43 см (Т=30°С).

Таким образом, расстояние, на котором размещены друг от друга диафрагмы (мембраны), удовлетворяет приведенному соотношению для предлагаемого устройства и не удовлетворяет приведенному соотношению для устройства-прототипа (правая часть соотношения L>1,0E·b·t накладывает запрет на попадание катионов, отрываемых от анода, в катодную камеру электролизера, а левая часть соотношения 1,3E·b·t≥L ограничивает габариты устройства).

Те же соотношения будут иметь место в случае выполнения анода электролизера из графита.

На фиг.1 в упрощенном виде приведена конструкция предлагаемого бытового электролизера, на которой обозначено: 1 - прямоугольный водонепроницаемый корпус-сосуд, изготовленный из инертного материала; 2 - крышка корпуса-сосуда 1, в котором размещена диодная мостовая схема (диодная мостовая схема пропускает оба полупериода переменного напряжения); 3 и 4 - катодный и анодный электроды, вмонтированные верхними концами в крышку 2; 5 и 6 - пористые диафрагмы, выполненные в форме прямоугольных керамических стаканов; 7 - диэлектрический корпус с размещенным в нем разделительным конденсатором, выполняющим роль ограничительного реактивного сопротивления (не потребляющего электрическую энергию от сети переменного напряжения); 8 - электрическая вилка для подключения к розетке переменного напряжения 220 В; 9 и 10 - электрические шнуры; 11 - обрабатываемая в электролизере жидкость.

На фиг.2 изображен второй вариант корпуса-сосуда 1, в котором пористые диафрагмы 5 и 6 выполнены прямоугольной формы и соединены с днищем и противоположно расположенными стенками корпуса-сосуда (могут выполняться съемными, например, из пористой керамики). На фиг.2 обозначено: 12 - диэлектрическая пластина с тремя торцевыми гнездами, содержащими пустотелые цилиндрические части, и сообщающиеся с ними прямоугольные щели, ширины которых выполнены меньшими диаметров цилиндрических частей; 13-15 - гибкие упругие диэлектрические сливные трубки; 16-18 - твердые диэлектрические концевые втулки-наконечники, введенные в конечные части трубок 13-15 для увеличения внешних диаметров их концов. В нижней части корпуса-сосуда 1 имеются три цилиндрических отверстия, в которые первыми концами запрессованы или вклеены отрезки трубок, выполненные из твердого диэлектрика (на фиг.2 не показаны). Во втором варианте корпуса-сосуда 1 (фиг.2), так же как и в первом варианте, используется крышка корпуса-сосуда 2 с вмонтированными в нее катодным 3 и анодным 4 электродами и диодной мостовой схемой, и электролизер содержит те же элементы и узлы 7, 8, 9 и 10, которые приведены на фиг.1.

Жидкость, взятая после электролиза воды из пространства, расположенного между диафрагмами 5 и 6, является антиоксидантом (восстановителем, донором электронов), обладающим биологически активными свойствами, и может использоваться в качестве стимулятора роста и развития растений и для других целей.

Католит, полученный в катодной камере предлагаемого электролизера, может использоваться как самостоятельно, так и в смеси с кислотными веществами. Смесь может иметь различные значения водородного показателя рН, но во всех случаях она остается антиоксидантом, нормализующим и ускоряющим процессы в биологических объектах, в том числе за счет наличия в смесях католита с кислотными веществами сверхнизкочастотных фликкер-шумовых электрических и акустических колебаний, существующих в процессе их релаксации (при переходе отклоненного от равновесного состояния готового продукта в равновесное состояние). На основе католита, получаемого в заявляемом электролизере, могут готовиться и лекарственные средства.

Анолит, получаемый в заявляемом электролизере, ничем не отличается по своим свойствам от анолита, получаемого в электролизере-прототипе. Обработка воды или водосодержащей жидкости в предлагаемом устройстве осуществляется так же, как и в устройстве-прототипе. В сосуд 1 с расположенными в нем пористыми мембранами 5 и 6 наливается жидкость 11, подлежащая электролизу, до уровня, не доходящего до верхних краев мембран на 5-10% от их высоты. Далее в сосуд опускается крышка 2 с вмонтированными в нее электродами 3 и 4. Затем вилка 8 включается в сеть переменного напряжения 220 В. Обработка жидкости 11 считается завершенной, когда ее температура достигнет 30-40°С. Для питьевой водопроводной воды это время обычно не превышает 30 мин. При нагреве жидкости 11 выше 40°С начинается разрушение ее структуры, сформированной в процессе электролиза, и качество жидкостей в катодной, промежуточной и анодной камерах начинает ухудшаться.

Предлагаемый электролизер является более экономичным устройством, чем электролизер-прототип, в котором в качестве гасящего сопротивления используется лампа накаливания, потребляющая электрическую энергию, поскольку в предлагаемом устройстве в качестве гасящего сопротивления используется конденсатор, не потребляющий электрическую энергию.

Источники информации

1. Лечение «живой» и «мертвой» водой. - СПб.: Лениздат, «Ленинград», 2005. - 320 с. [с.91-92].

2. В.Хахалкин. Активатор для рассады // Моделист-конструктор, 1987, №3, с.26-27 - прототип.

3. Багоцкой В.С. Основы электрохимии. - М.: Химия, 1988. С.170.

4. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 8-е, перераб. / Под ред. А.А.Равделя и A.M.Пономаревой. - Л.: Химия, 1983. С.123, 124.

5. Добош Д. Электрические константы. Справочник для электрохимиков. М.: Мир, 1980. С.18, 19, 73, 76.

6. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. Изд. второе, перераб. и дополн. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1977. С.269, 270, 281.

7. Кэй Д., Лэби Т. Справочник физика-экспериментатора. М.: ИЛ, 1949. С.212.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Бытовой диафрагменный электролизер, содержащий прямоугольный водонепроницаемый корпус-сосуд, изготовленный из инертного диэлектрического материала, катодный и анодный электроды, выполненные из неблагородных проводящих материалов, размещенные внутри корпуса-сосуда и разделенные между собой двумя пористыми диафрагмами, и источник однополярного пульсирующего напряжения, отрицательный и положительный выводы которого соединены, соответственно, с катодным и анодным электродами, отличающийся тем, что пористые диафрагмы размещены друг от друга на расстоянии, определяемом соотношением:

1,3 E·b·t ≥ L ≥ 1,0 E·b·t,

где L - расстояние между пористыми диафрагмами, см; Е - средняя напряженность пульсирующего электрического поля между электродами в жидкости, В/см; b - подвижность в жидкости наиболее быстрых катионов, отрываемых от анодного электрода электрическим полем, см²·В^-1·с^-1 при Е=1 В/см; t - время электролиза, с.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что пористые диафрагмы выполнены в форме прямоугольных стаканов, вставляемых в корпус-сосуд.

3. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что стаканы выполнены из керамики.

4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что пористые диафрагмы выполнены прямоугольной формы и соединены с днищем и противоположно расположенными стенками корпуса-сосуда, разделяя его на три отсека: катодный, промежуточный и анодный.