Плазмохимотронный способ получения парогазовой смеси h2o 2+o2
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 10 до 140
5 В, в прикатодном пространстве спонтанно образуется химотронная плазма, в которой при температуре выходящего из реактора раствора, находящейся в интервале от 70 до 98° С, происходит синтез парогазовой смеси H2O2+O2 с выходом по энергии, приближающимся к теоретически возможному. Технический результат - повышение выхода по энергии парогазовой смеси H2O2+O2 при одновременном снижении затрат электроэнергии на синтез целевых продуктов, возможность достижения экологической чистоты продуктов синтеза. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 4 табл.
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

















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
Рисунок 1, Рисунок 2PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Номер и год публикации бюллетеня: 4-2003
(73) Патентообладатель:
ЗАО "Газонефтехимическая компания" (RU)
Договор № 15558 зарегистрирован 25.11.2002
Извещение опубликовано: 10.02.2003
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
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