RU2129530C1

RU2129530C1 - Method for water activation

Info

Publication number: RU2129530C1
Application number: RU98117452A
Authority: RU
Inventors: Ф.К. Алюшев; С.М. Еремин; И.А. Марков; Ю.А. Тен
Original assignee: Тен Юрий Александрович
Priority date: 1998-09-23
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 1999-04-27
Also published as: WO2000017111A1

Abstract

FIELD: industrial processes which use water solution of various chemical substances and compounds. SUBSTANCE: method involves processing distilled water by electric current in electric field which is generated in electrolyzer anode and cathode regions which are separated by diaphragm. Electric field has anisotropic intensity which level decreases from anode to cathode. In addition method involves generation of jump in field intensity which is located inside diaphragm. EFFECT: increased efficiency and degree of water activation, increased duration of its relaxation period during which water keeps its activity, so that it can be used in industrial processes with long life cycles, in particular, for planting Spirulins Platemsis. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водно-солевых растворов, в частности к способам активации воды, и может быть использовано для интенсификации технологических процессов с участием водных растворов широкого спектра химических веществ и соединений, в технологических процессах, связанных с растворением органических и неорганических веществ. The invention relates to the electrochemical treatment of water and water-salt solutions, in particular to methods for activating water, and can be used to intensify technological processes involving aqueous solutions of a wide range of chemicals and compounds in technological processes associated with the dissolution of organic and inorganic substances.

Известны способы активации воды и водно-солевых растворов, заключающиеся в электрообработке постоянным электрическим током в зонах диафрагменного электролизера с применением химически активных электродов. Недостаток этих способов заключается в недостаточно высокой степени активации. Это объясняется тем, что активация обусловлена изменением структуры воды, а наличие в ней примесных ионов, имеющих гидратные оболочки, снижает активность воды и водно-солевых растворов (а.с. 1650603, C 02 P 1/46, 1991). Known methods for the activation of water and water-salt solutions, which consist in electrical processing by direct electric current in the areas of the diaphragm electrolyzer using chemically active electrodes. The disadvantage of these methods is the insufficiently high degree of activation. This is because activation is caused by a change in the structure of water, and the presence of impurity ions in it having hydrated shells reduces the activity of water and water-salt solutions (A.S. 1650603, C 02 P 1/46, 1991).

Наиболее близким к заявленному объекту изобретения является способ активации воды, заключающийся в том, что воду предварительно подвергают дистиллированию и обрабатывают постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой (патент РФ 2067836, C 02 F 1/46, 1996). Отсутствие примесных ионов в этом случае обуславливает более высокую степень активации воды. Вместе с тем, недостаток данного способа заключается в низкой эффективности активации. Это обусловлено тем, что в процессе электрообработки дистиллированной воды не соблюдаются оптимальные соотношения между параметрами электрообработки, позволяющие повысить эффективность активации и тем самым достичь более высокой степени активности воды, поскольку процесс активации воды, приводящий к модификации внутренней структуры воды, находящейся в катодной зоне, является динамическим процессом, в котором одновременно с активацией воды происходит ее дезактивация. Эффективность активации воды и конечная степень ее активности определяется скоростями активации и дезактивации, которые, в свою очередь, определяются параметрами обработки, в том числе видом электрического поля. Closest to the claimed object of the invention is a method of activating water, which consists in the fact that the water is preliminarily subjected to distillation and treated with direct electric current in an electric field created in the anode and cathode zones of the electrolyzer separated by a diaphragm (RF patent 2067836, C 02 F 1/46 , 1996). The absence of impurity ions in this case leads to a higher degree of activation of water. However, the disadvantage of this method is the low activation efficiency. This is due to the fact that during the electrical treatment of distilled water, the optimum ratios between the electrical processing parameters are not observed, which increase the activation efficiency and thereby achieve a higher degree of water activity, since the process of water activation, which leads to modification of the internal structure of the water located in the cathode zone, is a dynamic process in which, simultaneously with the activation of water, its deactivation occurs. The effectiveness of water activation and the final degree of its activity is determined by the rates of activation and deactivation, which, in turn, are determined by the treatment parameters, including the type of electric field.

Задачей данного изобретения или техническим результатом является повышение эффективности активации и степени активности воды. The objective of the invention or the technical result is to increase the efficiency of activation and the degree of activity of water.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе активации воды, заключающемся в обработке предварительно дистиллированной воды электрическим током в электрическом поле, создаваемом в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, электрическое поле согласно изобретению создают с неравномерной напряженностью, величина которого убывает от анода к катоду, линейно или не линейно. Усиление технического результата достигается другим отличительным признаком - дополнительно формируют скачок напряженности электрического поля, локализуя этот скачок в объеме диафрагмы. В преимущественном варианте вектор скачка напряженности электрического поля формируют совпадающим с направлением вектора напряженности электрического поля, создаваемого в анодной и катодной зонах электролизера. The specified technical result is achieved by the fact that in the method of activating water, which consists in treating pre-distilled water with an electric current in an electric field created in the anode and cathode zones of the electrolyzer separated by a diaphragm, the electric field according to the invention is created with uneven intensity, the value of which decreases from the anode to cathode, linearly or non-linearly. The enhancement of the technical result is achieved by another distinguishing feature - they additionally form a jump in the electric field strength, localizing this jump in the diaphragm volume. In an advantageous embodiment, the electric field strength jump vector is formed to coincide with the direction of the electric field strength vector created in the anode and cathode zones of the cell.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема электролизера, где 1 - анод, 2 - катод, 3 - диафрагма, 4 - анодная зона электролизера, 5 - катодная зона. На фиг. 2 изображено распределение напряженности электрического поля E в зонах электролизера. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 is a schematic diagram of an electrolyzer, where 1 is an anode, 2 is a cathode, 3 is a diaphragm, 4 is an anode zone of an electrolyzer, 5 is a cathode zone. In FIG. 2 shows the distribution of the electric field E in the zones of the cell.

Прежде чем изложить описание процессов, происходящих при протекании постоянного электрического тока в зонах диафрагменного электролизера и приводящих, при определенных условиях, к повышению активности воды вследствие модификации ее внутренней структуры в катодной зоне, следует пояснить основные характеристики дистиллированной воды. Согласно современным представлениям в нормальных условиях (T = 20^oC, P = 1 атм) и при отсутствии внешних воздействий вода представляет собой однородную изотропную смесь объемных кластеров, полярных молекул воды и ее амбиполярных радикалов. Объемные кластеры объединяют группы ассоциированных молекул воды, образуемые водородными связями между молекулами воды и имеющими тетраэдрическую структуру. Отдельная, свободная, не охваченная водородными связями молекула воды обладает собственным электрическим дипольным моментом и является полярной. Для молекул воды характерно проявление самопроизвольно происходящих в нормальных условиях процессов диссоциации их на амбиполярные радикалы (автопротолиз) и ассоциации этих радикалов с образованием молекулы воды (автогидролиз). Положительный радикал существует в воде в форме гидратированного протона H₃O⁺ (ион гидроксония), а отрицательный имеет форму OH^- (ион гидроксила).Before describing the processes that occur when a direct current flows in the zones of the diaphragm electrolyzer and, under certain conditions, leads to an increase in water activity due to a modification of its internal structure in the cathode zone, the main characteristics of distilled water should be explained. According to modern concepts, under normal conditions (T = 20 ^o C, P = 1 atm) and in the absence of external influences, water is a homogeneous isotropic mixture of bulk clusters, polar molecules of water and its ambipolar radicals. Volumetric clusters unite groups of associated water molecules formed by hydrogen bonds between water molecules and having a tetrahedral structure. A separate, free, not covered by hydrogen bonds, water molecule has its own electric dipole moment and is polar. Water molecules are characterized by the manifestation of spontaneous processes of their dissociation into ambipolar radicals (autoprotolysis) and the association of these radicals with the formation of a water molecule (autohydrolysis) under normal conditions. A positive radical exists in water in the form of a hydrated proton H ₃ O ⁺ (hydroxonium ion), and a negative one has the form OH ^- (hydroxyl ion).

Степень диссоциации молекул воды весьма мала и составляет значение 1,6•10^-9 при абсолютных концентрациях ионов гидроксония и гидроксила 5,35•10¹³ 1/см³. Существование амбиполярных радикалов воды обусловлено разностью в скоростях диссоциации ее молекул на ионы и рекомбинации их в равновесной динамической реакции 2H₂O ⇄ H₃O⁺+ OH^-, которая определяет константу равновесия этой реакции (константа диссоциации).The degree of dissociation of water molecules is very small and amounts to 1.6 • 10 ^-9 at absolute concentrations of hydroxonium and hydroxyl ions 5.35 • 10 ¹³ 1 / cm ³ . The existence of ambipolar water radicals is due to the difference in the rates of dissociation of its molecules into ions and their recombination in the equilibrium dynamic reaction 2H ₂ O ⇄ H ₃ O ⁺ + OH ^- , which determines the equilibrium constant of this reaction (dissociation constant).

В общем случае рекомбинация радикалов воды может происходить не только прямым актом взаимодействия амбиполярных ионов H⁺, OH^-, но и по схеме замещения их в молекуле воды:

Возможность такого механизма рекомбинации, сопровождающейся "эстафетным" перемещением заряда, обусловлена полярным характером молекулы воды, имеющей треугольное строение. При обычных условиях (T = 20^oC, P = 1 атм) в воде преобладает квазикристаллическая структура, подобная структуре тримидида, формируемая водородными связями, вызывающими координирование молекул воды. При изменении внешних условий константа диссоциации и координационное число, характеризующее долю скоординированных молекул воды в общем ее объеме, изменяется. Наличие постоянного дипольного электрического момента у молекул воды, водородных связей между ними и существование амбиполярных ее радикалов предопределяют поведение воды во внешнем статистическом электрическом поле. При наложении электрического поля заданного направления полярные молекулы воды ориентируются так, чтобы их дипольные моменты были параллельны полю. Это обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости воды ε = 80. Водородные связи между молекулами воды, гибкие, непрочные в нормальных условиях, пространственные в масштабах отдельного тетраэдра, направленно упрочняются в направлении поля и ослабляются или рвутся в противоположном направлении. В результате тримидидная структура воды модифицируется. Амбиполярные радикалы воды при наложении внешнего электрического поля начинают мигрировать в противоположных направлениях, параллельных вектору напряженности этого поля. Разнонаправленное перемещение амбиполярных зарядов радикалов воды в электрическом поле, создаваемом помещенными в нее электродами, обуславливает протекание электрического тока в воде, а зарядово-обменные реакции между амбиполярными зарядами радикалов воды и электродами, сопровождающиеся выделением газообразных кислорода и водорода, обеспечивают замыкание цепи полного электрического тока. При этом перенос электрических зарядов в воде происходит не только вследствие простого перемещения в электрическом поле, но и вследствие взаимодействия их как с отдельными молекулами воды, так и с группами ассоциированных молекул (эстафетный и крокетный механизмы переноса зарядов).In the general case, the recombination of water radicals can occur not only through a direct act of the interaction of ambipolar ions H ⁺ , OH ^- , but also according to their substitution pattern in a water molecule:

The possibility of such a recombination mechanism, accompanied by "relay" charge movement, is due to the polar nature of the water molecule, which has a triangular structure. Under ordinary conditions (T = 20 ^° C, P = 1 atm), a quasicrystalline structure predominates in water, similar to the structure of a trimidide, formed by hydrogen bonds that cause coordination of water molecules. When external conditions change, the dissociation constant and the coordination number characterizing the proportion of coordinated water molecules in its total volume changes. The presence of a constant electric dipole moment in water molecules, hydrogen bonds between them and the existence of its ambipolar radicals determine the behavior of water in an external statistical electric field. When applying an electric field of a given direction, the polar water molecules are oriented so that their dipole moments are parallel to the field. This leads to a high value of the dielectric constant of water ε = 80. Hydrogen bonds between water molecules, flexible, unstable under normal conditions, spatial on the scale of an individual tetrahedron, directionally harden in the field direction and weaken or break in the opposite direction. As a result, the trimidide structure of water is modified. Ambipolar water radicals, when an external electric field is applied, begin to migrate in opposite directions parallel to the vector of the field's intensity. The multidirectional movement of the ambipolar charges of water radicals in the electric field created by the electrodes placed in it causes the flow of electric current in water, and the charge-exchange reactions between the ambipolar charges of water radicals and the electrodes, accompanied by the release of gaseous oxygen and hydrogen, ensure the closure of the circuit of the total electric current. In this case, the transfer of electric charges in water occurs not only due to simple movement in an electric field, but also due to their interaction with both individual water molecules and groups of associated molecules (relay and crocket charge transfer mechanisms).

Важно выделить еще одну особенность поведения воды в статическом электрическом поле. Это увеличение скорости диссоциации молекул воды на амбиполярные радикалы с ростом напряженности поля при неизменной скорости их рекомбинации. В результате степень диссоциации воды во внешнем электрическом поле и ее электропроводность возрастают. При этом степень диссоциации воды, определяемая внешними условиями, поддерживается в межэлектродном пространстве на достигнутом уровне. Иными словами, убыль заряженных радикалов воды из ее объема за счет разряда на электродах восполняется диссоциацией нейтральных молекул. It is important to highlight another feature of the behavior of water in a static electric field. This is an increase in the rate of dissociation of water molecules into ambipolar radicals with increasing field strength at a constant rate of their recombination. As a result, the degree of dissociation of water in an external electric field and its electrical conductivity increase. Moreover, the degree of dissociation of water, determined by external conditions, is maintained in the interelectrode space at the achieved level. In other words, the loss of charged water radicals from its volume due to the discharge on the electrodes is made up for by the dissociation of neutral molecules.

Сущность изобретения становится понятной из рассмотрения физики процессов, происходящих при электрообработке дистиллированной воды в зонах 4 и 5 диафрагменного электролизера. Сформируем распределение электрического поля в соответствии с фиг. 2. Амбиполярные радикалы воды под действием электрического поля начинают мигрировать. При этом в катодной зоне 5 за счет убыли положительных протонов и процесса автопротолиза создается избыток отрицательных ионов гидроксила, локализованный в области, примыкающей к плоскости диафрагмы со стороны катода 2. По такой же причине в анодной зоне 4 убыль отрицательных ионов гидроксила на анод 1 создает избыток положительных зарядов у поверхности диафрагмы 3 со стороны анода. Различие в величинах напряженности электрического поля в анодной и катодной зонах обуславливает и различие степеней диссоциации воды в них. В результате в каждой из зон электролизера устанавливается свое зарядовое равновесие, обеспечивающее электрическую нейтральность воды в них и характеризующееся более высокими значениями концентрации положительных зарядов в анодной зоне 4 по сравнению с концентрацией отрицательных зарядов в катодной зоне 5. Наличие скачка напряженности электрического поля в объеме диафрагмы, разделяющей зоны электролизера, и разница в скоростях миграции отрицательных и положительных зарядов в электрическом поле приводит к тому, что последние приобретают повышенную энергию и при выходе из объема диафрагмы 3 в катодную зону 5 вступают во взаимодействие с отрицательными радикалами воды и ее нейтральными молекулами, приводящее к модификации внутренней структуры и активации воды, происходящей в катодной зоне в области, примыкающей к поверхности диафрагмы. Одновременно в электрическом поле этой зоны происходит ее дезактивация. The essence of the invention becomes clear from a consideration of the physics of processes occurring during the electrical treatment of distilled water in zones 4 and 5 of the diaphragm electrolyzer. We form the distribution of the electric field in accordance with FIG. 2. Ambipolar water radicals begin to migrate under the influence of an electric field. In this case, in the cathode zone 5, due to a decrease in positive protons and the process of autoprotolysis, an excess of negative hydroxyl ions is created, localized in the region adjacent to the plane of the diaphragm from the side of cathode 2. For the same reason, in the anode zone 4, the decrease in negative hydroxyl ions to anode 1 creates an excess positive charges at the surface of the diaphragm 3 from the side of the anode. The difference in the magnitude of the electric field in the anode and cathode zones causes a difference in the degrees of dissociation of water in them. As a result, a charge equilibrium is established in each of the electrolytic cell zones, which ensures the electrical neutrality of water in them and is characterized by higher concentrations of positive charges in the anode zone 4 compared to the concentration of negative charges in the cathode zone 5. The presence of a jump in the electric field strength in the volume of the diaphragm the separating zone of the electrolyzer, and the difference in the migration rates of negative and positive charges in the electric field leads to the fact that the latter acquire they melt higher energy and when they exit the volume of the diaphragm 3 into the cathode zone 5, they interact with negative radicals of water and its neutral molecules, which leads to a modification of the internal structure and activation of water occurring in the cathode zone in the region adjacent to the surface of the diaphragm. At the same time, in the electric field of this zone, its deactivation occurs.

Скорость активации воды определяется концентрацией положительных зарядов, мигрирующих из анодной зоны, и уровнем их энергии при выходе их объема диафрагмы в катодную зон, а скорость дезактивации - значением напряженности электрического поля в катодной зоне. Поэтому при соблюдении предложенной конфигурации распределения напряженности электрического поля в зонах электролизера скорость активации выше скорости дезактивации. В результате в катодной зоне происходит динамическое накопление активированной воды с модифицированной структурой, которая сохраняется в ней после выделения из объема электролизера в течение некоторого времени, когда эта структура релаксирует к исходной, характеризующей дистиллированную воду. The rate of water activation is determined by the concentration of positive charges migrating from the anode zone and their energy level when their diaphragm volume exits into the cathode zone, and the deactivation rate is determined by the electric field strength in the cathode zone. Therefore, subject to the proposed configuration of the distribution of electric field strength in the zones of the cell, the activation rate is higher than the deactivation rate. As a result, a dynamic accumulation of activated water with a modified structure takes place in the cathode zone, which remains in it after isolation from the electrolyser volume for some time, when this structure relaxes to the initial one characterizing distilled water.

Данный способ активации обеспечивает повышение эффективности и степени активации воды и увеличивает период ее релаксации, в течение которого вода сохраняет активность, что позволяет использовать ее в технологических процессах с длительными по времени циклами, в частности при культивировании Spirulins Platensis. This activation method provides an increase in the efficiency and degree of activation of water and increases the relaxation period during which the water remains active, which makes it possible to use it in technological processes with long time cycles, in particular during cultivation of Spirulins Platensis.

Claims

1. A method of activating water, comprising treating pre-distilled water with an electric current in an electric field created in the anode and cathode zones of the electrolyzer separated by a diaphragm, characterized in that the electric field is created with uneven intensity, the magnitude of which decreases from the anode to the cathode.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the electric field decreases linearly.

3. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the electric field decreases non-linearly.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that in addition to the electric field created in the anode and cathode zones of the electrolyzer, an electric field strength jump is generated, localizing this jump in the diaphragm volume.

5. The method according to p. 4, characterized in that the jump vector of the electric field is formed coinciding with the direction of the vector of the electric field created in the anode and cathode zones of the cell.