Что происходит с водой в установках «Изумруд»? Что такое электролиз воды?

Электролиз - разложение воды электричеством представляет собой физико-химическую модификацию состава водной среды (вещества Н2О) с появлением в ней ионов Н+, ОН-, а также гидратов окисей металлов, кислот, перекисных соединений и радикалов, свободного хлора, озона, перекиси водорода, аниона гипохлорита и т.д., возникающих в результате реакций продуктов электролитического разложения воды с присутствующими в ней примесями. При внешних воздействиях (в том числе при прохождении через воду постоянного тока) дипольная молекула Н2О (см. рис. 1 и 2) меняет форму за счет изменения валентного угла и межъядерных расстояний. Разложение воды - крайний вариант деформации ее дипольной структуры.

Как говорилось, вода в обычных условиях (даже самая чистая) представляет собой сильно разбавленный раствор минеральных и некоторых органических веществ. В случае реального электролиза водно-минеральной среды (в том числе обычной питьевой воды, обладающей тем или иным фоном минерализации) происходят многочисленные, многообразные, в значительной степени уникальные реакции. Чистые продукты этих реакций в полном наборе нельзя приобрести в магазине химреактивов (то есть их нельзя подвергнуть выделению и фасовке), так как многие из них синтезируются исключительно в условиях электрохимического реактора и существуют только в совокупности с другими компонентами электрохимического синтеза (и не существуют без этих компонент). Иными словами, в процессе электролитического разложения воды (даже дистиллированной) образуются частицы и соединения, которые не могут существовать вне воды, т.е. в ином агрегатном состоянии.

В кустарных установках для получения «живой» и «мертвой» воды получали именно электролизную воду, точнее фракции воды, обработанные раздельно в анодной и катодной камерах (анолит и католит). Как пользоваться анолитом и (или) католитом в медицинских, бытовых и иных целях - вопрос иной, - на него нельзя ответить однозначно.

Основные стадии очистки воды в установках ИЗУМРУД.

(1) Электролитическое, а также гетерофазное и жидкофазное электрокаталитическое окисление в анодной камере модуля ПЭМ в составе электрохимического реактора РПЭ. Эти термины нуждаются в разъяснении.

Катализ - явление изменения скорости химических реакций под влиянием различных веществ, которые влияют на протекание реакции, но сами при этом практически не расходуются. Такие вещества называются катализаторами. Прямое электролитическое окисление - ускорение процессов анодного окисления на поверхности анода (вещество анода играет роль катализатора). Электрокаталитическое окисление происходит на особых каталитических центрах поверхности электрода и в объеме воды, но при этом роль катализаторов играют коротко-живущие вещества переносчики, образующиеся на аноде. Такое окисление называется или гетерофазным, если в реакции катализа принимает участие твердое вещество электрода (твердая фаза) и вода (жидкая фаза) Если подобное каталитическое окисление происходит только в воде (в образующимся анолите), то оно называется жидкофазным (твердая фаза в этом процессе прямого участия не принимает). Если в воде, проходящей через анодную камеру, присутствуют органические соединения (органические загрязнители), то они подвергаются каталитическому окислению в жидкой среде, то есть происходит жидкофазное каталитическое окисление органических соединений.

(2) Электролитическое, а также гетерофазное и жидкофазное электрокаталитическое восстановление в катодной камере модуля ПЭМ в составе электрохимического реактора РПЭ. В данном случае происходит катализ восстановительных реакций в катодной камере также с участием вещества электрода (катода) и жидкой среды (образующегося католита). В результате этих реакций образуются труднорастворимые и малотоксичные гидроксиды тяжелых металлов.

Примечание по п.п. 1 и 2. В работающих электродных камерах (анодной и катодной) непосредственно у поверхности электродов образуется двойной электрический слой ДЭС, образованный поляризованными молекулами ориентированными к поверхности электрода соответственно его знаку, (толщина слоя соответствует двум молекулам воды). Во время электролиза главные структурные преобразования молекул воды происходят не в толще электролита, а на поверхности электрода - в ДЭС толщиной 10-8 м, где напряженность тока составляет 106 - 107 В/см. Так, прямое электрохимическое окисление органических соединений (метанол, этанол, барбитураты) происходит непосредственно на аноде Аналогичным образом на аноде происходит окислительная деструкция бактериальных клеток и других органических объектов. Однако при этом очень высокий окислительный потенциал препятствует образованию токсических хлорорганических соединений (в том числе диоксинов), поскольку они распадаются, не успев возникнуть. Так как щелевой зазор электродных камер в элементе ПЭМ не превышает 1 мм практически каждая дипольная молекула воды мигрирует к поверхности электрода, где она в непосредственном контакте с ДЭС подвергается локальному действию электрического тока очень высокого напряжения. Если при этом молекула воды не подвергается полному разложению с выделением водорода и кислорода, ее структура деформируется настолько и ее энергетические характеристики остаются измененными в течение десятков часов. Реакционная способность такой молекулы повышается и она становится активированной. В целом этот процесс называется электрохимической активацией (ЭХА). На катоде происходит образование ряда химических соединений, обладающих химической восстановительной активностью (из них наиболее известно ОН-) и образование нерастворимых или трудно растворимых гидроксидов тяжелых металлов

Тяжелые металлы (например, свинец, ртуть, хром, серебро, осмий, золото, вольфрам и т.д.) отличаются большим атомным весом. Они присутствуют в воде в очень низких концентрациях, но обладают высокой токсичностью. Токсическое действие металлов тяжелых и с меньшей массой проявляется, когда они находятся и форме ионов (символическое изображение Меn+, где n - число положительных зарядов). В результате катодного восстановления ионы токсических металлов переходят в форму гидроксидов [Ме(ОН)n]. Гидроксиды металлов химически инертны и для человека безопасны. Если они вместе с водой попадают в среду желудочного сока, то активность кислоты желудочного сока недостаточна, чтобы превратить их снова в форму ионов. Таким образом катодная обработка воды в установках ИЗУМРУД удаляет токсические металлы в форме ионов, но не удаляет их вообще. Иногда по этой причине возникают недоразумения. При лабораторных анализах пробы воды, обработанной в установках ИЗУМРУД, растворяют в очень крепких кислотах, которые разлагают гидроксиды металлов до ионных форм. Однако, в средах организма, в которых не бывает высоких концентраций крепких кислот, подобные превращения гидроксидов металлов в ионные формы невозможны. При рентгенологических исследованиях больным дают внутрь большие объемы так называемой «бариевой каши» (сульфат бария - BaSO4). В таком виде барий совершенно нетоксичен, отравление произойдет только в том случае, если в организме сульфат бария диссоциирует до катиона Ва2+, но в реальных физиологических условиях этого никогда не происходит.

Восстановление тяжелых металлов, присутствующих в питьевой воде, необходимо для освобождения воды от токсических ионов тяжелых металлов за счет их связывания в физиологически инертных гидроксидах.

Помимо токсичных металлов питьевая вода содержит ряд полезных биомикроэлементов, необходимых для организма (кальций, магний, калий, литий, йод и др.). По своей химической природе эти элементы не превращаются в гидроксидные формы при обработке в установках ИЗУМРУД и сохраняются в обработанной воде. Только избыток кальция откладывается на электродах. По этой причине установки ИЗУМРУД требуют регулярного промывания.

(3) Понятие электромиграционного удаления ионов тяжелых металлов в реакторе РПЭ в установках ИЗУМРУД. Здесь необходимо рассказать о всех процессах электромиграционного переноса заряженных ионов через мембрану электрохимического реактора.

При электролизе питьевой воды, представляющей собой сильно разбавленный водно-солевой раствор, образуются отрицательно заряженные анионы (Аn-) и положительные катионы (Kat+). Соответственно, положительно заряженные частицы (катионы) притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а отрицательно заряженные анионы стремятся к положительному аноду. Поскольку в элементе ПЭМ анодная и катодная камеры разделены проницаемой мембраной, то перенос (миграция) анионов - к аноду и катионов к катоду совершается через поры мембраны.

Рис. 8. Схематическое изображение одного из вариантов электромиграционного удаления ионов (катионов) по технологии «Сапфир».

На рис.8 схематически показан модуль ПЭМ, разделенный пористой диафрагмой на анодную камеру (А) и катодную камеру (К). В анодную камеру поступает исходная вода, содержащая заряженные анионы и катионы. Вход в катодную камеру в данном случае частично закрыт.

Фильтрат из анодной камеры проникает в катодную камеру. Отрицательно заряженные анионы из катодной камеры мигрируют через пористую мембрану к аноду по стрелке 1. Положительно заряженные катионы из анодной камеры, мигрируют через пористую диафрагму к отрицательному катоду по стрелке 2. Таким образом вода в анодной камере обогащается анионами, которые окисляются на аноде (в том числе фенолы, нитриты), а содержимое катодной камеры обогащается катионами (по преимуществу ионами тяжелых металлов). Соответственно вода в анодной камере.

В данном случае гидравлическая схема установки устроена таким образом, что вода, предназначенная для потребителя, проходит обработку только в анодной камере, где она частично освобождается от избыточных катионов. Затем анодно обработанная вода проходит через вихревую реакционную и каталитическую камеры. Вода из катодной камеры, обогащенная ионами тяжелых металлов и некоторыми другими токсическими катионами, к потребителю не поступает и сбрасывается в дренаж.

С помощью технологического процесса «Сапфир» потребитель получает анолит питьевой воды с несколько повышенным окислительным потенциалом при нормальных значениях рН с удалением избытка тяжелых металлов дополнительной очисткой и нейтрализацией продуктов электролиза в вихревой реакционной и каталитической камерах. В течение нескольких часов после обработки по технологии «Сапфир» вода содержит микроконцентрации некоторых соединений активного кислорода, который осуществляет дополнительную окислительную детоксикацию гидрофобных ядов. Вода, полученная по данной технологии соответствует требованиям ГОСТ.

Рис. 9. Схема технологического процесса электрохимической очистки воды с применением двойного электромиграционного удаления ионов в реакторе из двух элементов ПЭМ по технологии «Кристалл».

Существуют более сложные технологические схемы очистки воды от избытка анионов и катионов на основе электромиграционных процессов. Одна из таких схем, изображающих процесс электрохимической очистки воды по технологии «Кристалл», представлена на рис.9.

В начале данного технологического цикла вода проходит через анодную камеру первого элемента ПЭМ (отмечен цифрой 1), где благодаря электромиграционному процессу освобождается от избытка катионов, как это показано на рис.8. Затем, как и при технологическом процессе «Сапфир», анодно обработанная вода проходит реакционную вихревую камеру и каталитическую камеру (на рис.9 обозначения t и К), а затем поступает в катодную камеру второго

элемента ПЭМ (отмечен цифрой 2), в которой подвергается катодной обработке, освобождается от избыточных анионов с помощью электромиграционного процесса по стрелке 3. При этом из анодной камеры второго элемента ПЭМ по стрелке 4 в катодную камеру того же элемента мигрируют оставшиеся в воде катионы. В этом специфика технологического процесса «Кристалл», реализуемого в установках ИЗУМРУД-К. Вода, обработанная по технологии «Кристалл», отличается хорошими химическими восстановительными свойствами (окислительный потенциал снижен или равен 0).

Электромиграционное удаление избыточных ионов из питьевой воды осуществляется также в установках ИЗУМРУД-МФ и ИЗУМРУД-КФ, реализующих технологические процессы «Рубин» и «Аквамарин».

Примечание к п. 3. Электромиграционное удаление ионов при электрохимической обработке воды в элементах ПЭМ рассчитано на удаление избытка ионов тяжелых металлов, общее обессоливание воды при этом незначительно. Решение проблемы глубокого обессоливания воды решается другими техническими способами.

(4) В промежуточной реакционной емкости (вихревая реакционная камера) вода после анодной обработки перемешивается в течение 1 - 2 секунд. При этом вещества-катализаторы, образовавшиеся в анодной камере, продолжают участвовать в жидкофазном каталитическом окислении органических веществ. Термин «жидкофазное каталитическое окисление» означает, что катализ в данном случае происходит в самой воде (то есть в жидкой фазе).

(5) В каталитическом реакторе происходит гетерофазная каталитическая деструкция соединений активного хлора, образовавшихся в анодной камере, а также гетерофазное каталитическое окисление органических веществ на поверхности гранул катализатора, не требующих замены, поскольку, как уже говорилось, при подобных реакциях катализатор не расходуется. В качестве катализатора, в частности, может использоваться обычный (неактивированный) уголь, замена или восстановление которого не требуются. Этот уголь не является сорбентом, а, именно, катализатором. Понятие «гетерофазные» реакция означает, что реакции протекают на границе твердых частиц катализатора (твердая фаза) и воды (жидкая фаза).

(6) В установках, работающих по технологиям «Рубин» и «Аквамарин», «Топаз» и «Аметист» имеется флотационный реактор, рассчитанный на механическое удаление из воды взвешенных частиц (мути). Известно, что взвешенные в воде частицы имеют свойство прилипать к пленке поверхностного натяжения пузырьков. Пузырьки всплывают и увлекают за собой посторонние частицы. Этот процесс легко проследить на примере образования «грязной пены» в реке во время половодья. Всплывание пузырьков в воде называется флотацией. Если при этом вместе с пузырьками всплывают частицы мути, то такой процесс очистки воды называют флотационным. В установках ИЗУМРУД, снабженных флотационным реактором, вода поступает во флотационный реактор, как правило, из катодной камеры. Такая вода, только что прошедшая катодную обработку, насыщена мелкими пузырьками водорода. Стенки пузырьков несут электрический заряд, что облегчает прилипание к ним взвешенных частиц. Это называется электрофлотацией или электрофлотационной очисткой. Для ускорения электрофлотационной очистки воды помогает дополнительное продувание флотационного реактора воздухом, что ускоряет процесс всплывания мелких пузырьков с прилипшими к ним частицами. Это - эрлифтная очистка воды. В установках ИЗУМРУД-ТЗ («Топаз») и ИЗУМРУД-AM («Аметист») имеется также очистительная колонка с кварцевым песком.

(7) Как уже говорилось в процессе электролиза в воде образуются продукты электролиза, многие из которых обладают химической и биологической активностью. Однако по своей природе эти вещества и соединения являются эубиотиками Они образуются в живом организме в результате естественных биохимических и электрохимических реакций, например, при фагоцитозе. Избыток продуктов электролиза в установках ИЗУМРУД удаляется в вихревой реакционной и каталитической камерах. Если свежеобработанную в установке ИЗУМРУД воды оставить в накопительной емкости (например, в эмалированной кастрюле или в стеклянной банке), то оставшиеся в воде в очень низких концентрация активные продукты электролиза приблизительно еще 6 - 8 часов осуществляют дополнительную химическую очистку воды, а сами при этом нейтрализуются. Вещества, чужеродные организму, называются ксенобиотиками. Такие вещества в установках ИЗУМРУД не вырабатываются. Напротив, остаточные концентрации активных продуктов электролиза (эубиотики) способствуют разрушению ксенобиотиков (например, фенолов, пестицидов, инсектицидов, моющих средств и т.д.). Насыщение воды микроконцентрациями соединений активного кислорода наиболее хорошо выражено в установке ИЗУМРУД-C («Сапфир»). Эти соединения полезны для лиц с пониженной кислотностью в желудке, так как они способствуют доокислению недоокисленных продуктов в желудочной среде. Эти соединения активного кислорода не следует путать с обычным молекулярным атмосферным кислородом (О2), который растворяется в любой воде, обработанной в установках ИЗУМРУД путем обычной физической сорбции. Растворенный в очищенной воде атмосферный кислород при обычном атмосферном давлении сам по себе особого физиологического значения не играет.

(8) В процессе электролиза на электродах ПЭМ образуются газовые микропузырьки Они принимают участие в организации структуры очищенной воды, в частности, они, по-видимому, способствуют образованию более мелких водных кластеров (см рис.3).