Патент на изобретение №2171863
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ПЛАЗМОХИМОТРОННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ H2O2+O2
(57) Реферат: Изобретение относится к области обработки растворов физико-химическими и электрохимическими технологиями. Способ заключается в пропускании асимметричного по плотности выпрямленного электрического тока между анодом и стержневым катодом с одновременным продавливанием через дырчатый анод и полый катод, создающими газожидкостную смесь в межэлектродной камере, подкисленного или подщелоченного водного раствора электролита. В этих условиях, при потенциалах в межэлектродной камере от 220 ![]() ![]() Изобретение основывается на открытом в 1987-89 годах “Плазмохимотронном эффекте” [1]. Условия, необходимые для существования в высоковольтном электролизере устойчивой химотронной плазмы – проточная подкисленная или подщелоченная деионизованная вода в межэлектродном пространстве, неоднородное электрическое поле, позволяющее создать высокую плотность тока на катоде. При достижении в межэлектродном пространстве потенциалов от 115 ![]() ![]() ![]() ![]() – окислительный потенциал ![]() ![]() ![]() – восстановительный потенциал ![]() ![]() ![]() Окислительный потенциал должен соответствовать анодному образованию H2O2, восстановительный – образованию ее при самоокислении на катоде. Механизм процесса получения катодной перекиси водорода очень сложен и является малоизученным. Единственным электродным материалом, позволяющим достигнуть необходимых для электрохимических процессов получения H2O2+O2 при высоких потенциалах, являются платина или платиносодержащие материалы. Известны электрохимические способы получения H2O2+O2 на платиносодержащих анодах в растворах кислородосодержащих кислот или щелочей [2]. В промышленных электролизерах используется раствор H2SO4 или подкисленных H2SO4 сульфатов. При потенциалах 4-6 В они окисляются на платиновых анодах до надсерной кислоты H2S2O8 или ее солей. Из надсерной кислоты (или ее солей) путем гидролиза образуется H2SO4 и перекись водорода. Круговой процесс для серной кислоты может быть представлен в виде следующей схемы: ![]() В результате кругового процесса образуется H2O2+O2, расходуется только электрическая энергия и вода. Выход H2O2+O2 по току составляет 70 ![]() ![]() ![]() – высокие затраты электроэнергии, 10-15 кВт ![]() – необратимый расход драгметаллов – высокие капитальные затраты для осуществления способа Известны электрохимические способы получения H2O2+O2 катодным восстановлением кислорода [3]. Теоретически установлено, что для хороших выходов H2O2 на катоде необходимы: высокая концентрация кислорода в католите и низкая плотность тока ( ![]() ![]() ![]() По уравнению (2) каталитическое восстановление растворенного в электролите кислорода выделяющимся с катода атомарным водородом идет при малых концентрациях H2O2. С повышением концентрации H2O2 (более 0,7%) включается механизм реакции (3), сопровождающийся резким снижением выхода по току H2O2. Для промышленной реализации метода предложено вести электролиз под давлением ( ![]() ![]() – высокие затраты электроэнергии, 10-20 кВт ![]() – применение высокого давления для осуществления способа; – низкая концентрация H2O2 в водном растворе; – применение амальгам и драгоценных металлов. Известен электрохимический способ [4], согласно которому для получения H2O2 + O2 применяются как анодный, так и катодный процессы. Благодаря двойному использованию тока количество электричества, затраченное на синтез целевого продукта уменьшается вдвое. Разработанному способу присущи недостатки перечисленные в технологиях [2, 3]. Известны физико-химические методы получения парогазовой смеси H2O2 + O2 при электрических разрядах (тлеющем, электродуговом, электроискровом) [5]. Смесь получается в качестве промежуточного продукта реакций между ионизированным водородом и кислородом. Выход 2O2 при этом зависит от температуры охлаждения стенок физико-химического реактора. Так, если при температуре 20oC выход H2O2 составляет 6,4%, то при температуре жидкого воздуха – 87,5%. Недостатки известных физико-химических методов: – высокая энергоемкость, 30- 60 кВт ![]() – применение вакуума; – интенсивная эрозия материалов электродов; – применение драгоценных и редкорассеянных металлов. Известен метод получения H2O2 + O2 воздействием на газовую смесь H2+O2 атомарным водородом [6]. Газовую смесь H2+O2 облучают ультрафиолетовым светом длиной волны 2537А в присутствии сенсибилизатора (паров ртути). Поглощая свет, молекулы сенсибилизатора активизируются и передают избыток энергии молекулам водорода, заставляя их диссоциировать. Водородные атомы реагируют с кислородом с образованием преимущественно H2O2. Вода является вторичной реакцией, бурно протекающей при неохлажденной ртутной дуге. Процесс идет с аномально высокими скоростями, механизм которого основывается на цепных физико-химических реакциях. Максимальное количество смеси образуется в глубоком вакууме (P ![]() – высокая энергоемкость, 30-50 кВт ![]() – применение вакуума; – использование паров ртути; – необходимость создания высоких скоростей в камере для газовой смеси H2+O2. Известен способ синтеза H2O2 из газовой смеси с предварительной атомизацией H2 в ионизационной камере (между конденсаторными пластинами из покрытого алюминием кварца, питаемый током с частотой 104 Гц и напряжением 12000 В) [7]. Пары конденсируются в колонне и дают 10% H2O2. Недостатки метода: – высокие затраты на ионизацию, 30 – 40 кВт ![]() – высокие капитальные затраты на реализацию метода. Необходимость создания высоких скоростей для газовой смеси и использования вакуума. Наиболее близким из перечисленных выше аналогов является плазмохимотронный способ получения H2O2 + O2 в водных растворах электролитов [1]. В указанном способе H2O2 получается на межфазной границе водородосодержащий катодный газ – водный раствор электролита в химотронной плазме, спонтанно образующейся из ионизированных в неоднородном электрическом поле атомов водорода и молекул химической чистой воды. H2O2 в химотронной плазме синтезируется с аномально высокими скоростями. Механизм синтеза основан на взаимосогласованных ионно-атомных и ионно-молекулярных цепных реакциям. Для плазмохимотронного реактора [1] баланс материальных и энергетических потоков. ![]() Баланс материальных энергетических потоков в адекватных условиях для электрохимического реактора (представлен для сравнения): ![]() где Qэ.д. – энергия электролитической диссоциации Qhv – энергия монохроматического (красно-розового) излучения химотронной плазмы (Д) – индекс относится к деионизированной воде. H2O2 выделяется в раствор электролита из внешней (обращенной к аноду, отрицательно заряженной) обкладки биполярного плазменного электрода за счет электродонорной реакции, происходящей в химотронной плазме. ![]() где Qхп – энергия химотронной плазмы Из анализа экспериментальных данных следует, что выход H2O2 по энергии составляет ~50 ![]() ![]() – низкий выход парогазовой смеси H2O2 + O2 из химотронной плазмы и, как следствие, повышенные затраты электрической энергии на синтез целевого продукта. Техническим решением задачи является увеличение выхода парогазовой смеси H2O2 + O2 в плазмохимотронном реакторе и снижение затрат электроэнергии на ее получение. Решение задачи достигается: 1. за счет формирования химотронной плазмы в межзлектродной камере при потенциалах от 220 ![]() ![]() 2. расширенным применением компонентов в водном растворе электролита; 3. оптимальным интервалом температуры, необходимой для выхода парогазовой смеси H2O2+O2 из водного раствора электролита при синтезе; 4. эжекциoннoгo ввода через полый катод газожидкостной смеси за счет избыточного давления сжатого газа, неразрушающего парогазовую смесь. На чертеже представлены вольт-амперные характеристики заявляемого способа и известного технического решения, снятые в адекватных условиях. Смещение вольт-амперной характеристики в область высоких потенциалов изменяет механизм реакций синтеза H2O2 + O2 в химотронной плазме по отношению к реакциям (4,6) известного способа. Теории предсказывает, что при достижении в межэлектродном пространстве потенциалов 142 ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() (хп) – индекс, относящийся к химотронной плазме; (г) – индекс, относящийся к гидратированному протону и гидратированному электрону; (д) – индекс, относящийся к деионизованной воде. Уравнение (7) раскрывает физический смысл химотронной плазмы в биполярном плазменном электроде. Биполярный плазменный электрод состоит из биполярных кластерныx комплексов, образующихся в неоднородном электрическом поле высокой напряженности на межфазной границе водородосодержащий газ – водный раствор электролита, которые обладают способностью как к разделению протонно-электронных зарядов, так и связанного с ними вещества, используя неизвестное ранее явление “таутомерного энергетического поля активированного вещества”. Химически чистая перекись водорода получается в парогазовой смеси H2O2 + O2 при распаде отрицательно заряженных кластеров внешней обкладки биполярного плазменного электрода по уравнению: ![]() где Q* – дополнительная энергия, выделяющаяся в водный раствор электролита при распаде электронизированных кластеров химически чистой перекиси водорода; ![]() ![]() где (эх) – индекс, относящийся к адсорбированным дырчатым анодом молекулам H2O. Механизм синтеза вещества в заявляемом способе имеет биотический аналог – фотосинтез вещества в клетках. Признаки, совпадающие в механизме синтеза вещества заявляемым способом и в его биотическом аналоге: – энергия H4O*4 в два раза превышает энергию H2O2, полученную в известном техническом решении, равную 1,85+0,05 эВ ( ![]() ![]() ![]() ![]() – в синтезе вещества клетками, также как и в заявляемом способе, участвуют от 4 до 8 молекул H2О [8]; – аномально высокие выходы целевых продуктов по энергии [8]; – в механизме синтеза вещества растительными и животными клетками используется дополнительная энергия от источника энергии, возникающем в активированном веществе, природа происхождения которого до сих пор была неизвестна [9]. Учитывая сказанное выше, полученная заявленным способом парогазовая смесь H2O2+O2 является экологически чистым продуктом для живых организмов. При нормированной дозировке смесь H2O2 + O2 может быть широко использована для приготовления кислородонасыщенной воды и напитков, способствующих стабилизации синхронных обменных процессов в клетках растений, животных и человека. На основе разработанной выше технологии планируется выпуск (широкой гаммы продукции с этикеткой “Супервода”. В таблицах 1-4 представлены экспериментальные данные, снятые на стендовой установке, позволяющей в адекватных условиях испытать заявленный способ и известное техническое решение. В опытах были использованы методики проведения эксперимента и анализов [1]. Выход парогазовой смеси H2O2+O2 по энергии определены прямым методом по разнице между весом раствора на входе в реактор и на выходе из него с использованием диагностического стенда, включающего: – систему одновременного взвешивания водного раствора электролита, входящего в реактор и выходящего из него (вес пропускаемого раствора – 6000 грамм, точность взвешивания ![]() – счетчика злектроэнергии, установленного на входе в блок питания реактора; – систему одновременного замера температуры водного раствора электролита, входящего в реактор и выходящего из него; – систему наличия в парогазовой смеси H2O2+O2 водорода, использующей нижнию границу взрыва гремучей смеси (4 ![]() – часы и секундомеры для фиксирования времени работы реактора. Точность показания диагностического стенда при определении активной и нейтральной форм кислорода в парогазовой смеси проверялась методом поглощения парогазовой смеси в 60 литрах подкисленной деионизованной воды, находящейся в закрытом циркуляционном контуре в термостатированных условиях при t = 20+2oC, герметично соединенном с барабанным счетчиком газа. Содержание растворенных в подкисленной деионизованной воде форм кислорода замеряли с использованием проточного датчика растворенного кислорода и методами титрования по стандартным методикам. Выход парогазовой смеси H2O2+O2 по энергии ( ![]() ![]() где ![]() ![]() Рисх – вес водного раствора электролита, входящего в реактор, в граммах (кг); Ркон – вес водного раствора электролита, выходящего из реактора, в граммам (кг); Qист – количество электроэнергии от внешнего источника на синтез парогазовой смеси, замеренное по счетчику электроэнергии за промежуток времени работы реактора, кДж (кВт ![]() ![]() ![]() ![]() где Q* = Qпгсmin + Qp; ![]() Qp = Pисх ![]() ![]() Q* – энергия, затраченная на синтез парогазовой смеси H2O2+O2 в реакторе, кДж (кВт ![]() Qпгсmin – минимальная энергоемкость 1 г парогазовой смеси, определяемая по выходу 100% H2O2 (1125 г на 1 кВт ![]() Qр – затраты энергии на нагрев раствора в реакторе до температуры выхода парогазовой смеси H2O2+O2, кДж; Cр – теплоемкость исходного раствора Дж/г oC; t рк и tрн – соответственно температура раствора на выходе из реактора и на входе в реактор, oC; Точность определения ![]() ![]() ![]() ![]() – состав раствора – H2SO4 (хч) + деионизованная вода; – концентрация раствора – 2 М (2H раствор H2SO4); – массовая скорость раствора, проходящего через работающий реактор – 3,3 ![]() – температура исходного раствора – 20 ![]() – масса пропускаемого раствора – 6000 г. Данные табл. 1 показывают, что при V от 220 ![]() ![]() – общая концентрация ионов приведена к 1Н раствору H2SO4; – реактивы чистотой ЧДА, ХЧ; – растворители – деионизованная или дистилированная вода ( ![]() ![]() ![]() – потенциал устойчивый химотронной плазмы в межэлектродной камере – 200 ![]() – массовая скорость раствора, проходящего через реактор, температура, масса – см. табл. 1. Данные табл. 2 экспериментально подтверждают, что для существования в межэлектродном пространстве реактора химотронной плазмы необходимо присутствие в водном растворе ионов гидроксония (H3O+) или ионов гидроксила (OH–), обладающих аномально высокой подвижностью (превышающих на порядок подвижность ионов Na+, SO4– и других). Влияние химического состава водного раствора электролита на ![]() ![]() – общая концентрация ионов приведена к 1Н раствора H2SO4; – реактивы чистотой ЧДА, ХЧ; – растворители – деионизованная или дистилированная вода ( ![]() ![]() ![]() – массовая скорость раствора, проходящая через реактор, температура, масса – см. условия табл. 1. Экспериментальные данные табл. 3 доказывают возможность применения в заявляемом способе широкого спектра кислородосодержащих химических соединений в водном растворе электролита, применяемых для синтеза парогазовой смеси H2O2+O2. При этом наблюдается незначительное отклонение ![]() ![]() – концентрация ионов в водном растворе электролита – 1 Н раствор; – реактивы чистотой ЧДА, ХЧ, растворенные в деионизованной воде; – потенциал устойчивой химотронной плазмы – 200 ![]() – массовый расход, температура и масса пропускаемого раствора, см. условия в табл. 1. Эжекционный ввод водного раствора электролита через полый катод в виде газожидкостной смеси в межэлектродную камеру за счет избыточной энергии сжатого газа обеспечивает повышение не менее чем на 10%. ![]() ![]() Т.о., на основании экспериментальных данных, подтверждающих теорию механизма формирования химотронной плазмы и модель биполярного плазменного электрода, заявляемый способ по выходу целевых продуктов и по затратам электроэнергии в 1,5 – 2,0 раза более эффективен, чем технология получения H2O2+O2 в техническом решении [1]. Источники информации 1. Отчет о НИР “Разработка и испытание инженерно-энергетических комплексов обработки бытовых и агропромышленных сточных вод с использованием возобновляемых источников энергии” N Гос. регистрации 01890007585, Инв N – 2890055415, 1989, 143 с. 2. Перекись водорода и перекисные соединения. Под ред. Проф. Позина М.Е. М-Л, Изд-во ГНТИ Химической литературы 1951, с. 162-207. 3. Перекись водорода и перекисные соединения, М. – Л., Изд-во ГНТИ Хим. лит. 1951, с. 140-144. 4. Перекись водорода и перекисные соединения, М. – Л., Изд-во ГНТИ Хим. лит. 1951, с. 145-146. 5. Перекись водорода и перекисные соединения, М. – Л., Изд-во ГНТИ Хим. лит. 1951, с. 43-44. 6. Перекись водорода и перекисные соединения, М. – Л., Изд-во ГНТИ Хим. лит. 1951, с. 140-144. 7. Перекись водорода и перекисные соединения, М. – Л., Изд-во ГНТИ Хим. лит. 1951, с. 135 – 136. 8. Бергельсон Л.Д. Мембраны, молекулы, клетки. М., Наука, 1982, 182 с. 9. Ясайтис А. А. Молекулярная биоэнергетика. М., ВИНИТИ, 1973 (итоги науки и техники. Биофизика; т. 3). Формула изобретения
![]() ![]() ![]() ![]() РИСУНКИ
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Номер и год публикации бюллетеня: 32-2001
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 25.09.2001 № 13163
Извещение опубликовано: 20.11.2001
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Номер и год публикации бюллетеня: 4-2003
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 25.11.2002 № 15558
Извещение опубликовано: 10.02.2003
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Номер и год публикации бюллетеня: 21-2003
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 03.06.2003 № 16861
Извещение опубликовано: 27.07.2003
QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): ООО “Оргсин-Инвест”
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): ООО “Компания “ОКСИТЕХ”
Номер и год публикации бюллетеня: 10-2004
Договор № 18372 зарегистрирован 04.02.2004
Извещение опубликовано: 10.04.2004
* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 31.07.2008
Извещение опубликовано: 20.04.2009 БИ: 11/2009
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.04.2009
Извещение опубликовано: 20.04.2009 БИ: 11/2009
|
||||||||||||||||||||||||||