Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для электроактивации воды

Изобретение относится к техническим средствам для активации воды с применением процесса электролиза постоянным током и предназначено для использования преимущественно в сельском хозяйстве.

Важным параметром воды является показатель кислотно-основного состояния, характеризуемый концентрацией водородных ионов (рН), рекомендуемое значение которого при поливе и орошении растений составляет от 6,5 до 8,0, что соответствует нейтральной либо слабощелочной реакционной способности воды.

Другим важным параметром воды является ее окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), который в клетках растений имеет отрицательную величину от -50 мВ до -200 мВ. Отрицательное значение ОВП свидетельствует о наличии доноров электронов в водной среде и возможности протекания процессов восстановления. Такая вода легче усваивается растением, восполняет отрицательный заряд в клетках и является стимулятором роста растений. При поливе и орошении используемая вода имеет ОВП от +200 до +400 мВ. Уменьшить ОВП воды возможно посредством ее обработки постоянным током в установках электрохимической активации (ЭХА).

Известна установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды, содержащая вертикально установленные полый цилиндрический и стержневой электроды с трубчатой пористой диафрагмой между ними, разделяющей межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, имеющие патрубки для подвода и отвода воды, смонтированные неподвижно и коаксиально совместно с диафрагмой, изолированные посредством втулок из диэлектрического материала [1]. При электролизе воды постоянным током в известной установке получают католит - воду со свойствами щелочи и отрицательным потенциалом и анолит - воду со свойствами кислоты и положительным потенциалом. Получаемый в ЭХА католит приобретает отрицательный потенциал одновременно со свойствами щелочи. Так, при ОВП католита, равном - 200 мВ, величина рН равна 9,5. Полив растений водой со щелочной реакцией неблагоприятно сказывается на их развитии из-за нарушения в усвоении калия, магния, микроэлементов, вызывая хлорозы и другие заболевания. Применение католита для полива реализуется посредством доведения его водородного показателя до оптимального значения, например, за счет разбавления водой [2] или смешивания с анолитом [3]. Однако уже при добавлении свыше 20% католита к водопроводной воде и более 10% анолита к католиту образуется смесь с положительным значением ОВП при величине рН больше 9,0.

Биологическую активность приобретает вода при насыщении водородом в количестве не менее 18 мл/л. Через 2 мин контакта водорода с водой ОВП снижается с +350…+400 мВ до -200…-250 мВ без изменения величины рН [4]. В проточных электрохимических реакторах процесс активации основан на разделении продуктов электрохимических реакций посредством пористой диафрагмы, в результате чего получается активированная вода с кислотными и щелочными свойствами.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является электролизер для очистки сточных вод, содержащий ванну (корпус) с патрубками для подачи и вывода обрабатываемой среды, расположенные в корпусе параллельно боковым стенкам аноды и катоды, засыпанную между ними измельченную токопроводящую руду и барботажную систему [5]. Известный электролизер имеет увеличенную площадь электродной системы за счет токопроводящих зерен руды, выполняющих роль биполярных электродов, между которыми происходит электролиз обрабатываемой среды.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, обусловленная наличием системы очистки зерен руды посредством барботажной системы с применением сжатого воздуха, низкая эффективность процесса обработки воды, вызванная потерей во внешнюю среду выделяемого водорода и кислорода из открытой горизонтально расположенной ванны и значительные энергетические потери, связанные с нагревом большого объема жидкости в зоне гальванической развязки анодов, выполненных из металлических стержней и установленных внутри перфорированных труб.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение эффективности устройства для электроактивации воды.

Техническим результатом является уменьшение энергозатрат устройства при получении активированной воды, упрощение конструкции и повышение производительности активатора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для электроактивации воды, содержащем корпус, магистрали для прохода воды, электроды, расположенные в корпусе, засыпанные между электродами гранулы измельченного токопроводящего материала, контактирующие с одним из электродов, источник тока, соединенный с электродами, согласно изобретению корпус устройства образован вертикально установленными цилиндрическим и трубчатым электродами, скрепленными герметично и коаксиально втулками, выполненными из диэлектрического материала, снабжен сеткой из электроизоляционного материала, размещенной между одним из электродов и засыпкой из токопроводящих гранул, наибольший размер которых не превышает половины толщины засыпки, при этом концы трубчатого электрода подключены к магистралям для прохода воды, а в верхней и нижней частях трубчатого электрода выполнены радиальные отверстия, расположенные между втулками из диэлектрического материала.

Использование вертикально установленных цилиндрического и трубчатого электродов в качестве корпуса под засыпку гранулами из измельченного токопроводящего материала с заданным соотношением между размером гранул и толщиной засыпки, а также гальваническая развязка одного из электродов от токопроводящих гранул посредством сетки из изоляционного материала позволяют уменьшить расстояние между электродами, увеличить насыщение обрабатываемой среды водородом и кислородом, что в совокупности повышает эффективность устройства для активации воды.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже представлено устройство для электроактивации воды.

Устройство включает цилиндрический 1 и трубчатый 2 электроды, коаксиальное расположение которых обеспечивается втулками 3, 4 из диэлектрического материала. Для герметизации зоны контакта между втулками 3,4 и электродами 1, 2 предназначены уплотнительные кольца 5, 6. Между электродами расположены гранулы 7 из измельченного токопроводящего материала, отделенные от одного из электродов (в представленном варианте устройства трубчатого электрода 2) сеткой 8 из электроизоляционного материала. Для подвода воды служит магистраль 9, соединенная с нижней частью 10 трубчатого электрода 2, в которой выполнены радиальные отверстия 11. Отвод активированной воды осуществляется посредством магистрали 12 через верхнюю часть 13 трубчатого электрода 2, снабженную радиальными отверстиями 14. Радиальные отверстия 11 и 14 в трубчатом электроде 2 отделены перегородкой 15.

В качестве измельченного токопроводящего материала применимы гранулы из графита, антрацита, шунгита. Электроды могут быть изготовлены из устойчивой к электролизу нержавеющей стали, никеля, титана. В качестве электроизоляционного сетчатого материала возможно применение сетки из капрона.

Устройство для электроактивации воды работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость из магистрали 9 через радиальные отверстия 11, расположенные в нижней части 10 трубчатого электрода 2, подается в основание засыпки из гранул 7 измельченного токопроводящего материала, проходит вертикально вверх по зазорам между гранулами 7, частично вдоль сетки 8 и через радиальные отверстия 14, расположенные в верхней части 13 трубчатого электрода 2, отводится по магистрали 12. При подключении источника тока к электродам 1, 2 через гранулы 7 протекает ток, создавая между ними разность потенциалов и образуя биполярные электроды, на поверхности которых происходит электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода с кислородом.

Для обеспечения надежной гальванической развязки трубчатого электрода 2 от гранул 7 при наименьшем зазоре между ними применяется сетка 8 из электроизоляционного материала с размером ячейки меньше минимального линейного размера гранул 7, что создает большее гидравлическое сопротивление для протекающей через сетку 8 жидкости, чем в зазорах между гранулами 7. При этом основной поток жидкости активируется между гранулами 7, а создание наименьшего зазора в зоне гальванической развязки трубчатого электрода 2 посредством электроизоляционной сетки 8 уменьшает расстояние между электродами и снижает потери, связанные с нагревом обрабатываемой жидкости.

Примененная система подачи жидкости через радиальные отверстия 11 и отвода через радиальные отверстия 14 в сочетании с вертикальным расположением корпуса устройства, роль которого выполняют цилиндрический 1 и трубчатый 2 электроды, обеспечивают равномерное перемещение жидкости совместно с выделяемым водородом и кислородом по всему объему засыпки из гранул 7 и повышает эффективность насыщения активируемой жидкости водородом и кислородом.

Проведенные исследования по оценке эффективности процесса активации воды от количества выделяемого водорода в устройстве показали, что при наибольшем размере гранул, равном половине толщины засыпки, между электродами размещается не менее двух слоев гранул, при этом площадь поверхности электродной системы увеличивается на порядок, а выделяемого водорода в заявленном конструктивном исполнении устройства оказывается достаточно для придания проточной воде биологической активности посредством снижения ОВП до -300 мВ. Установленная зависимость между толщиной засыпки и размером гранул позволяет уменьшить межэлектродное расстояние, что обеспечивает снижение энергозатрат процесса активации воды.

Эксплуатационная надежность установки обеспечивается простотой очистки электродов и токопроводящих гранул от катодных отложений посредством периодической смены полярности подаваемого на электроды напряжения.

Промышленная применимость заявленного предложения подтверждается следующим примером. При обработке воды с общей минерализацией 200 мг/л при исходных значениях рН 7,5 и ОВП +288 мВ на опытной установке с цилиндрическим электродом в качестве катода и трубчатым - в качестве анода с токопроводящей засыпкой из шунгита объемом 0,5 л была получена активированная вода с ОВП -310 мВ и рН 7,25 при расходе воды 0,24 м³/ч и потребляемой мощности 1,15 кВт⋅ч/м³. При смене полярности подаваемого на электроды напряжения ОВП составил -310 мВ, а водородный показатель уменьшился до 7,05.

Полученная в опытной установке предлагаемого технического решения активированная вода имеет нейтральный водородный показатель, отрицательное значение ОВП и характеризуется малыми удельными затратами электричества, равными 75 Кл/л. Обработанная в данном устройстве вода, кроме водорода, насыщается также кислородом, что усиливает интенсивность дыхания корневой системы растений после полива и улучшает поглощение ионов из почвы. Некоторая часть кислорода, выделяясь в почву из активированной воды, способствует улучшению почвенных условий, участвуя в окислении вредных веществ.

Приведенные данные свидетельствуют о выполнении поставленной задачи, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение эффективности устройства для электроактивации воды.

Источники информации

1. Пат. RU 2252920, MПK⁷ C02F l/46. Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды / Карпунин В.В. и др. - №2004119650/15; заявл. 28.06.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. №15.

2. Пат. RU 2349072, МПК А01С 21/00. Способ некорневой подкормки озимой пшеницы / Александрова Э.А. и др. - №2007124950/12; заявл. 02.07.2007; опубл. 20.03.2009, Бюл. №8.

3. Пат. RU №2206973, МПК А01С 21/00. Способ возделывания томатов / Пындак В.И., Лагутин В.В. - №2002107174/13; заявл. 20.03.2002; опубл. 27.06.2003.

4. И.М. Пискарев и др. Установление окислительно-восстановительного потенциала воды, насыщенной водородом. Биофизика. - 2010. - Т. 55, вып. 1. - С. 19-24.

5. АС SU 865826, МКИ³ C02F 1/46. Электролизер для очистки сточных вод / С.С. Зон-Зам и др. - №2442811/23-26; заявл. 18.01.1977; опубл. 23.09.1981, Бюл. №35.