Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения католитов-антиоксидантов электроактивированных водных растворов солей и их хранение

Изобретение относится к технологии электрообработки водных растворов солей и может быть использовано для получения электроактивированных средств и их хранения.

Способы электроактивирования водных растворов солей щелочных металлов, в том числе солей натрия, находят применение в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине [1].

Электрохимическая активация (ЭХА) воды и водных растворов осуществляется в диафрагменных электролизерах-активаторах под действием постоянного электрического тока. При этом в катодной камере электролизера получают щелочной раствор, в анодной - кислотный раствор. На катоде выделяется водород, на аноде - кислород (при наличии хлоридов - хлор и кислород. Католит содержит восстановители (антиоксиданты), анолит - окислители. Католит имеет рН в интервале 8…12, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, редокс-потенциал) -100…-1000 мВ (относительно хлорсеребряного электрода сравнения ХСЭ), анолит - рН 2…5, ОВП+200…+1000 мВ. В процессе ЭХА водных растворов солей, кроме того, происходят некоторые структурно-энергетические преобразования воды (растворителя) [1, 2].

Католит обладает моющими свойствами, биологическими свойствами, в частности, стимуляцией прорастания семян растений, стабилизированием показателей качества мясного сырья и его хранения в охлажденном состоянии; анолит - дезинфицирующими свойствами, биоактивностью [2].

Описан способ ЭХА растворов поваренной соли (NaCl) с концентрацией в исходном растворе 5…10% на установках типа СТЭЛ проточного типа (изготовитель НПО «Экран», Москва) [3]. Установка СТЭЛ-МТ-1 снабжена вертикальным электролизером с керамической диафрагмой, катодом из титана, анодом типа ОРТА. Проток раствора осуществляется с помощью водоструйного насоса с расходом 10 л/ч [3]. Анолит с установки содержит до 300 мг/л активного хлора. Недостатки способа - большой расход соли и сложность технологии. При использовании католита анолит является побочным продуктом, который требуется утилизировать, а запах хлора создает неблагоприятные условия труда обслуживающего персонала и осложняет экологическую ситуацию.

Описан способ ЭХА водных растворов солей сульфата натрия и ацетата натрия с концентрацией 5…9,5 г/л на установке СТЭЛ-МТ-1 в проточной системе при соотношении скорости протока католита и анолита 0,744…0,942 с удельным расходом количества электричества 0,370…0,448 Ампер-часов на 1 л суммарно католита и анолита [4].

ЭХА растворов применяют для обработки сельхозкультур, в том числе семян растений и оборудования.

Недостатки способа:

- относительно большой расход солей и количества электричества;

- сложность технологии, оборудования и контроля параметров;

- разбавление исходного раствора водопроводной водой, что нежелательно.

Описан способ получения католита раствора 1 г/л хлорида натрия в электроактиваторе в течение 15 минут при силе тока 1-1,4 А с рН 12,44 ОВП - 877 мВ. Через неделю хранения при t=18-20°С ОВП составил +40 мВ, при t=-20°С ОВП +30 мВ [5]. Использование NaCl в виде раствора приводит к получению анолита, содержащего активный хлор. Возможно присутствие органических веществ, образование трихлорметана - токсичного вещества.

Описан способ активации водных растворов солей натрия [6] - сульфата и фосфата - с концентрацией 0,9…2,2 г/л на установке непроточного типа «МЕЛЕСТА» (изготовитель ООО «МЕЛЕСТА», г. Уфа). ЭХА раствора применяют для обработки сельхозсырья (например, мясного сырья).

Установка является усовершенствованным вариантом установки (прибора), выпускаемым в РФ. Она включает корпус вместимостью 1 л со сменным стаканом (0,33 л) для анолита. В стенке, обращенной к катоду, встроено окно, закрытое полупроницаемой диафрагмой из пластикового брезента. Объем катодной камеры 0,66 л. Катод из нержавеющей стали, анод - типа ОРТА. Электроды - пластины шириной 1 см, длиной 5 см, толщиной 1 мм, площадь электродов по 5 см². Вместо крышки вставлена полоса оргстекла шириной 4 см, к которой крепятся электроды. В качестве выпрямителя используется аппарат ВСА-5К. Эти изменения позволяют наблюдать за ходом ЭХА, контролировать параметры процесса, отбор проб и т.п.

ЭХА проводили до рН в катодной камере 11,9, в анодной - 2,1; плотность тока на электродах 0,08-0,14 А/см², ОВП католита -200…-400 мВ (ХСЭ), удельный расход количества электричества 0,208…0,243 Ампер-часов на 1 л католита и анолита. Продолжительность хранения католита определялась опытным путем и составила 4-6 часов при 20-25°С, 6-8 часов при 6-8°С.

Недостатки способа:

- узкий интервал концентраций исходных растворов и природы солей;

- малый срок хранения католита.

Технический результат - разработка способа ЭХА, позволяющего расширить интервал концентраций солей и их природу, повысить сроки хранения католитов-антиоксидантов, расширить их ассортимент.

Предварительными опытами было установлено, что ЭХА получены в этих целях католиты с более высоким показателем ОВП с отрицательным значением, что указывает на высокие антиоксидантные свойства с большим выбором солей (K₂SO₄, CH₃COONa) с концентрацией 1…3 г/л. Это позволило продлить сроки хранения в замороженном состоянии (-18…-20°С) до 5…6 суток.

Процесс ЭХА проводили при температуре 20…30°С при плотности тока 0,08-0,13 А/см², удельным расходом количества электричества 0,11…0,20 Ампер-часов на 1 л суммарно католита и анолита. Получали католиты с рН 11,76…11,80 ОВП-50…-130 мВ (ХСЭ).

Пример 1.

Приготавливали водный раствор K₂SO₄ с концентрацией 1 г/л (реактив ЧДА) в мерной колбе на 1 л с дистиллированной водой. Исходные показатели: рН 8,73 ОВП+140 мВ (ХСЭ). В катодную камеру загружали 600 мл раствора 1 г/л K₂SO₄, в анодную камеру 300 мл. Проводили ЭХА на установке «МЕЛЕСТА» при силе тока 0,25…0,5 А, напряжении 42…43 В, температуре 23…24°С, в течение 15 минут. Удельный расход количества электричества 0,11 Ампер-часов на 1 л католита и анолита.

Пробы католита и анолита по 100 мл поместили в ПЭТ бутылки 0,5 л в сжатом виде с закрытой пробкой и хранили в замороженном состоянии (t -18°С) в течение 1 суток.

После оттаивания показатели католита-антиоксиданта составляли: рН 11,77 ОВП -100 мВ (ХСЭ), через 5 суток - рН 11,78 ОВП -50 мВ (ХСЭ). Отрицательные величины ОВП католита указывают на сохранность антиоксидантных свойств в течение 5 суток.

В соответствии с литературными данными водные системы организма человека имеют ОВП от -50 до 100 мВ. Поэтому этот предел был задан в изобретении.

Пример 2.

Приготавливали водный раствор ацетата натрия с концентрацией 3 г/л в мерной колбе на 1 л из соли реактивной чистоты. Исходные данные: рН 8,70 ОВП+170 мВ (ХСЭ). По примеру 1 проводили ЭХА раствора при силе тока 0,5…0,7 А, напряжении 42…43 В, температуре 26…29°С, в течение 20 минут. Удельный расход количества электричества 0,2 Ампер-часов на 1 л католита и анолита.

Пробы католита и анолита по 100 мл поместили в ПЭТ бутылки 0,5 л в сжатом виде с закрытой пробкой и хранили в замороженном состоянии при температуре -17…-18°С в течение 6 суток.

После оттаивания показатели католита-антиоксиданта составили: рН 11,77 ОВП - 150 мВ (ХСЭ). Отрицательные величины ОВП католита указывают на антиоксидантные свойства.

Указанные католиты-антиоксиданты на основе водных растворов K₂SO₄ и СН₃СООNа могут быть использованы в качестве добавок в напитки и в качестве средства для предварительной обработки мясного сырья перед его хранением в охлажденном состоянии.

Таким образом, предложенный способ позволяет расширить интервал концентраций солей (1…3 г/л) сульфата калия и ацетата натрия, увеличить продолжительность хранения католитов-антиоксидантов до 5-6 дней, расширить ассортимент католитов.

Перечень источников информации

1. Бахир В.М. Современные технические электрохимические системы для обеззараживания, очистки и активации воды. М., ВНИИИМТ, 1999, 84 с.

2. Бахир В.М. Электрохимическая активация - М., ВНИИИМТ, 1992, т. 1 и 2, 657 с.

3. Установка СТЭЛ-МТ-1 Руководство оператора с режимно-технологической картой. М, НПО «Экран», 1993.

4. Пат. RU №2548967, C02F 1/46, опубл. 20.04.2015 г.

5. Бывальцев А.И. и др. Свойства активированной воды и ее использование в пищевой технологии // Хранение и переработка сельхозсырья, 2008, №7, С. 49-53.

6. Пат. RU №2297980, C02F 1/46, опубл. 27.04.2007 г.