В.М.Бахир, Ю.Г.Задорожний
ВНИИИМТ НПО “ЭКРАН”, г. Москва
В хронологической последовательности приоритета изобретений
описаны технические системы для электрохимической активации жидкостей, созданные
авторами.
Электрохимическая активация, технические системы
Первые опыты, которые положили начало технологии электрохимической
активации, были выполнены в 1972 году в Среднеазиатском НИИ Природного Газа.
Они состояли в исследовании параметров бурового раствора, подвергнутого электрохимической
обработке при помощи пары электродов в виде металлических пластин. Буровой раствор
— это сложная полидисперсная система из частиц глинистых минералов в воде с
добавками органических веществ — стабилизаторов, структурообразователей, понизителей
вязкости и водоотдачи. Основной технологической функцией бурового раствора является
вынос на поверхность кусочков выбуренной породы с забоя скважины. При пропускании
тока через буровой раствор на аноде обычно быстро нарастает плотная глинистая
корка из наиболее мелкодисперсных и высокозаряженных глинистых частиц. Эта корка
препятствует поступлению в буровой раствор продуктов анодных электрохимических
реакций, поэтому рН раствора повышается под влиянием катодной, фактически униполярной
катодной обработки бурового раствора. Было отмечено, что при одном и том же
затрачиваемом удельном количестве электричества, усиление тиксотропных свойств
бурового раствора (структурно-механической прочности) при одновременном понижении
его динамической вязкости (парадокс) тем больше, чем меньше площадь катода в
сравнении с площадью анода. Изучение этого феномена в течение двух лет как в
лаборатории, так и в условиях реального бурения позволило объяснить природу
и механизм происходящих процессов. Описанный эффект ранее не был известен, поэтому
процесс униполярной катодной электрохимической обработки бурового раствора был
вначале назван В.М.Бахиром низковольтной поляризацией, а затем, спустя
три года — электрохимической активацией. В 1974 году была подана первая
заявка на изобретение [1], в которой описывался способ улучшения параметров
бурового раствора без применения химических реагентов путем обработки в электрохимической
системе, состоящей из источника тока и двух электродов, причем катод имел поверхность
меньшую в сравнении с анодом. Анодом в этом изобретении фактически служили все
металлические поверхности циркуляционной системы буровой установки, с которыми
соприкасался буровой раствор. Практические испытания подтвердили высокую эффективность
описанной электрохимической системы, что выражалось в возможности экономии до
30 % химических реагентов, обычно используемых при бурении скважины. Однако
выявилось существенное неудобство: сложность периодического удаления глинистой
корки с поверхности анода.
Поэтому в более позднем варианте [2] была изменена конструкция
электрохимического реактора: помимо основных плоских электродов (анода и катода)
использовались вспомогательные отрицательные электроды, а внутри сложного составного
анода осуществлялась циркуляция вспомогательного электролита. Плотная глинистая
корка могла быть удалена из электрохимического блока изменением режима работы
электродов. Суммарный ток, протекающий через электрохимический блок опытных
образцов устройства составлял до 1200 А при напряжении 24 В.
Было установлено, что степень изменений в буровом растворе
после электрохимической обработки тем выше, чем больший объем раствора непосредственно
соприкасается с поверхностью рабочего (отрицательного) электрода. Дальнейшим
логическим шагом явилась подача на отрицательный электрод ультразвуковых колебаний
[3]. Были получены блестящие результаты на лабораторных моделях, но в промышленном
устройстве изобретение не было реализовано ввиду сложности в наладке и эксплуатации.
Поиски наиболее рационального пути автоматизации удаления
электрофоретически образованной глинистой корки с поверхности положительных
электродов привели к созданию конструкции [4], в которой была предусмотрена
перемена полярности электродов в электрохимическом реакторе по сигналу от датчика
контроля плотности бурового раствора.
Одним из вариантом контроля параметров электрохимического
воздействия на буровой раствор и определения частоты переключения полярности
электродов в электрохимическом блоке явилась система [5], которая позволяла
измерять электрокинетические параметры частиц твердой фазы бурового раствора,
протекающего с постоянной скоростью по каналу с различными радиусами кривизны.
Полученные электрические сигналы использовались для управления работой электрохимического
блока установки.
Исследования всего диапазона напряжений, которые могли
быть использованы для управления свойствами жидкостей, привели к разработке
конструкции [6], которая позволяла предварительно активировать глинистые частицы
в зоне коронного разряда отрицательного электрода перед тем, как подать их в
смеситель для ввода в катодно обработанную в диафрагменном электрохимическом
реакторе воду (католит). Устройство, реализующее это изобретение, было испытано
на нескольких скважинах и продемонстрировало возможность экономии глинопорошка
в процессе приготовления бурового раствора на 40-50%.
Конструкции диафрагменных электролизеров с плоскими электродами
для электрохимической обработки воды и водных растворов электролитов известны
давно. Вероятно, первым шагом в области изучения свойств обычной пресной воды,
подвергнутой анодному или катодному электрохимическому воздействию в диафрагменном
электролизере, можно считать исследования русского академика В.В.Петрова в 1802
г. (за 30 лет до открытия М.Фарадеем законов электролиза). С помощью созданной
им мощной гальванической батареи В.В.Петров обнаружил, что выделение электролизных
газов у электродов сопровождается подкислением воды у анода и подщелачиванием
у катода. Ко времени начала наших исследований по раздельной электрохимической
обработке воды (1976) были известны сотни патентов на электрохимические реакторы
с плоскими и концентрично установленными электродами и диафрагмами, разделяющими
электродное пространство. Практические испытания известных систем выявили целый
ряд недостатков. В частности, во всех электролизерах с плоскими электродами
при обработке воды с минерализацией менее 50 г/л наблюдалось явление “пятнистой”
электропроводности (термин авторов), значительно снижающее к.п.д. электрохимических
систем. В устройстве [7] авторами была предпринята попытка решить проблему возникновения
“пятнистой” электропроводности между системой плоскопараллельных электродов,
разделенных гибкими диафрагмами (бельтинг, хлорин). Предлагалось шарнирное крепление
электродов в зоне поступления воды в электродный блок для того, чтобы в зависимости
от параметров процесса изменять угол схождения электродов и увеличить тем самым
глубину обработки. Площадь одного электрода устройства составляла 0,7 м2,
количество электродов в блоке — 17 (9 катодов и 8 анодов). Суммарный потребляемый
ток при работе этой установки был в пределах 300 А. Несмотря на явное улучшение
параметров электрохимической обработки, эту проблему решить не удалось.
Поскольку буровой раствор является гетерофазной, насыщенной
электрически активными коллоидными частицами и поэтому весьма чувствительной
к внешним воздействиям системой, он весьма сильно откликается на любые электрофизические
воздействия. В устройстве [8] было реализовано воздействие на буровой раствор
электромагнитным полем с резонансной частотой, соответствующей массе и электрокинетическому
потенциалу частиц дисперсной фазы, причем, одновременно на обрабатываемый раствор
воздействовали искровым высоковольтным разрядом при помощи отрицательного электрода,
размещенного над поверхностью раствора.
Много интересной информации о свойствах различных жидкостных
систем было получено в ходе создания и практического испытания устройства [9]
для разрушения пены. Разрушение пены происходит под влиянием коронного разряда
высоковольтных отрицательных электродов.
В устройстве [10] была показана принципиальная возможность
опреснения воды в коронном разряде, возникающем между коаксиально размещенными
высоковольтными электродами и объемом воды, ограниченном диафрагмами.
Устройство [11] для очистки бурового раствора состоит из
электрохимического реактора, приемной емкости для вспомогательного электролита,
центробежного насоса, источника постоянного тока и регулятора давления. В этом
устройстве впервые был использован вспомогательный электролит, циркулирующий
внутри анодов, для электрофоретического удаления излишнего количества высокодисперсных
заряженных частиц твердой фазы из бурового раствора.
Устройство для обработки бурового раствора [12] является
одним из вариантов установки для униполярной электрообработки бурового раствора
УОБР, серийное производство которой было организовано в 1979 году на кокандском
заводе “Большевик”. Устройство состоит из желоба, на дне которого на диэлектрической
прокладке установлен положительный электрод, состоящий из металлической плиты
с размещенными на ней шипами и надетой на плиту металлической пластины с отверстиями
для шипов. Отрицательный электрод, выполнен из гофрированной металлической ленты
и имеет на своей поверхности прорези и направляющие потока раствора. Всего в
различных модификациях было выпущено более 5 тысяч установок УОБР. Электрохимический
реактор установки УОБР работал при напряжении 24 В и силе тока до 800 А.
Устройство, описанное в [13] позволяло совместить электрохимическую
обработку бурового раствора с его очисткой от частиц выбуренной породы (шлама).
Очистка бурового раствора реализуется при помощи вращающегося отрицательного
электрода, через который протекает ток большой плотности (до 1500 А/м2),
причем по ходу вращения адгезионного слоя бурового раствора его обрабатывают
в поле отрицательного коронирующего электрода, а затем (в зоне удаления адгезионного
слоя с поверхности вращающегося электрода) в поле коронного разряда положительного
высоковольтного электрода. Опытные образцы устройства показали высокую эффективность
очистки и обработки бурового раствора: экономия химических реагентов составила
от 50 до 60 %. Отрицательный вращающийся электрод имел диаметр 500 мм и длину
1500 мм, скорость вращения составляла от 500 до 2000 об/мин, сила тока регулировалась
в пределах 400 — 800 А при напряжении 24 В.
В процессе практической работы на буровых было установлена
целесообразность не только катодной, но также в ряде случаев и анодной униполярной
электрохимической обработки бурового раствора, т.е. полярность рабочего электрода
выбиралась исходя из необходимости компенсации дестабилизирующего воздействия,
которое оказывали на буровой раствор разбуриваемые горные породы [14]. Для этой
цели использовались диафрагменные электрохимические реакторы снабженные системами
автоматической очистки анода различной конструкции.
С 1979 года все большее внимание в разработках технических
электрохимических систем уделялось очистке электродов. Устройство [15] предназначено
для подготовки высокоминерализованной воды (более 50 г/л) для приготовления
бурового раствора. Оно содержит корпус, коаксиально расположенные электроды,
разделенные диафрагмой и патрубки ввода и вывода обрабатываемой жидкости, а
также источник постоянного тока. Анод и катод выполнены в виде усеченных конусов,
причем, меньшее основание катода соединено с патрубком для слива обработанной
жидкости, концентрично установленным по отношению к катоду, так что слив обработанной
жидкости происходит навстречу потоку поступающей в устройство жидкости. Анод
выполнен перфорированным по всей своей поверхности и меньшее его основание соединено
через изоляционную прокладку со шламосборником. Диафрагма размещена на внутренней
поверхности анода, а по внешней поверхности катода жестко закреплены спиралеобразные
ребра, преобразующие межэлектродную камеру в коническую спиралеобразную полость.
Устройство [16] для обработки бурового раствора содержит
вращающийся дисковый электрод, который не нуждается в специальных методах очистки.
Однако сложности практической эксплуатации такого устройства не компенсируют
его преимуществ.
Практическая реализация закономерностей электрохимического
перевода жидкостей в метастабильное состояние получила развитие в электрохимической
системе [17], представленной проточным диафрагменным электрохимическим реактором
с плоскопараллельными электродами, межэлектродное пространство в котором разделено
диафрагмой на две камеры — основного и вспомогательного электродов, причем,
материал основного электрода выбран по принципу наибольшего перенапряжения электрохимических
реакций, а материал вспомогательного — по принципу наименьшего значения перенапряжения.
Длительные исследования и эксперименты с многочисленными
диафрагменными электрохимическими реакторами, снабженными плоскопараллельными
электродами показали их неперспективность в процессах электрохимической обработки
воды и водных растворов с минерализацией менее 50 г/л. Устройства [18-23] —
это первые варианты проточных диафрагменных электрохимических реакторов с коаксиально
размещенными электродами и диафрагмой, которые представляют второе поколение
промышленных установок для электрохимической активации жидкостей. Их отличия
между собой состоят в возможности осевого перемещения конического анода с целью
регулирования межэлектродного расстояния (МЭР), в способности вращения анода,
в конструкции диафрагмы с целью улучшения очистки и сохранения конфигурации
электродной камеры при перепадах давления, в форме и соотношении размеров электродных
камер, способе подвода и отвода жидкостей и пр.
Аноды этих реакторов изготавливались из графита, катоды
из стали, диафрагмы из хлорина, мипласта на каркасе из перфорированной полипропиленовой
трубы или асбоцемента. Поверхность единичного анода — 0,2 — 0,3 м2.
Данные системы явились основой промышленных установок для униполярной электрообработки
воды серии УЭВ (УЭВ-4, УЭВ-6, УЭВ-8 и др.). Серийное производство установок
УЭВ было организовано в 1980 году на кокандском заводе “Большевик”. Всего в
период с 1980 по 1984 годы было произведено более 800 установок УЭВ-6 производительностью
20000 литров в час. Суммарный ток питания электрохимических реакторов этих установок
был в пределах от 300 до 1200 А при напряжении до 30 В.
Эти установки работали на буровых многих регионов — в Туркмении,
Узбекистане, Азербайджане, Киргизии, Украине, Белоруссии, России. Они обеспечивали
экономию химических реагентов на 25 — 35 %, предохраняли двигательные установки
буровых с дизельным приводом от накипеобразования. Срок окупаемости установок
УЭВ составлял 2 недели при сроке их службы 5 лет.
Одновременно проводилась работа по созданию более совершенных
и в то же время более простых систем для электрохимической обработки бурового
раствора. К их числу относится [24] — один из последних вариантов установки
УОБР. Многолетние испытания и исследования установок УОБР позволили установить,
что электрохимическое униполярное воздействие на буровой раствор является уникальным,
т.к. его невозможно моделировать химическим путем, а также что при прочих равных
условиях, в частности, при равенстве удельного количества электричества, затрачиваемого
на электрохимическую обработку бурового раствора, изменение его параметров тем
сильнее, чем выше поляризация (чем больше плотность тока) на катоде и чем большее
количество микрообъемов бурового раствора соприкасается с поверхностью катода
в процессе электрообработки.
Начиная с 1980 года возникла потребность в разработке технических
электрохимических систем, которые были бы пригодны для применения в различных
технологиях, далеких от бурения. Однако, названия многих изобретений того времени
(1980-1984) сохраняли “буровую” направленность. Кстати, между пищевыми эмульсиями,
суспензиями, даже между кровью и буровым раствором очень много общего.
Устройство [25] было разработано для униполярной электрохимической
обработки диэлектрических жидкостей, таких, как прямогонный бензин, который
используется в качестве сырья в процессе пиролиза. Главной особенностью этой
электрохимической системы является возможность создания высокого давления (до
2 кгс/см2) в камере рабочего (основного) электрода для обеспечения
заполнения и смены жидкости в камере вспомогательного электрода путем фильтрации
жидкости через диафрагму. Конструктивно оригинально удалось решить задачу предотвращения
пробоя между электродами (в тексте описания изобретения информация отсутствует
— know how). Устройства данного типа испытывались в лабораториях производственного
объединения “Нижнекамскнефтехим”, а также на стендах для исследования двигателей
внутреннего сгорания ташкентского автодорожного института. Результаты испытаний
подтвердили возможность существенного изменения физико-химических свойств диэлектрических
жидкостей, участвующих в реакциях пиролиза и горения, посредством предварительной
униполярной электрохимической обработки в описанном устройстве.
В устройстве [26] была решена весьма актуальная задача
униполярной электрохимической обработки эмульсий, суспензий и любых типов коллоидных
систем без очистки рабочего электрода. Основной особенностью устройства является
быстровращающийся дисковый электрод, установленный c зазором 3 мм у поверхности
плоской керамической диафрагмы, за которой расположена проточная камера вспомогательного
электрода с независимой циркуляцией (под давлением или без давления) вспомогательного
электролита. Была выпущена опытная партия установок такого типа, в которых использовался
дисковый электрод диаметром 360 мм и скоростью вращения 1500 об/мин. При силе
тока в электрохимическом реакторе установки 150 А и напряжении 14 В она вполне
заменяла установку УОБР, т.е. данная техническая система позволяла уменьшить
расход электроэнергии более чем вдвое, однако сложности изготовления и эксплуатации
не позволили ей успешно конкурировать с установками УОБР.
Расширение медицинских исследований в области ЭХА, а также
бытового применения электрохимически активированных растворов потребовало получения
большого количества только анолита или только католита путем электрохимического
преобразования воды или раствора в емкости без принудительной подачи его через
электродную камеру электрохимического реактора. Эта задача была решена посредством
устройства [27], которое явилось первым образцом принципиально нового в прикладной
электрохимии типа электрохимических реакторов — погружных. Оно содержит герметичную
камеру вспомогательного электрода, соединенную с системой подачи и отвода вспомогательного
электролита и основной электрод, укрепленный у поверхности диафрагмы с наружной
стороны. На устройствах подобного типа были детально исследованы конвективные
течения растворов в открытой (рабочей) электродной камере под действием электрического
тока.
Исследования показали, что в процессе электрохимического
преобразования разбавленных растворов в проточных электрохимических реакторах,
возникают значительные перепады давления на диафрагме и если она изготовлена
из таких материалов, как бельтинг, брезент, хлорин, открытопористый полиэтилен,
мипор, мипласт и другие полимерные материалы, деформация диафрагмы приводит
к изменению конфигурации электродной камеры, что резко отрицательно сказывается
на параметрах электрохимического воздействия. Было избрано направление совершенствования
проточных диафрагменных электрохимических реакторов посредством создания жестких
конструкций с керамическими диафрагмами. Испытывались электрохимические реакторы
с керамическими диафрагмами из различных керамических материалов с внутренним
диаметром от 20 до 150 мм, толщиной стенки от 2,5 до 6,0 мм и длиной от 200
до 450 мм. Экспериментальным путем были установлены оптимальные соотношения
между диаметром анода и катода, шириной электродных камер (расстояние между
поверхностью электрода и диафрагмой) и их длиной в указанных диапазонах размеров
и при исследованных материалах электродов и диафрагмы. В результате этих исследований
была создана конструкция электрохимического реактора [28], который представлял
собой цилиндрический электрод-моноблок из графита, покрытый защитным слоем диэлектрического
материала, с параллельными его оси сквозными отверстиями, в каждом из которых
коаксиально установлены диафрагмы и стержневые электроды — аноды.
Этот электрохимический реактор не имел аналогов, и открывал
собой третье поколение проточных диафрагменных реакторов с коаксиально размещенными
электродами и диафрагмами. Он использовался во многих установках, которые производились
серийно: ЭЛХА — 003, первые варианты установок “Редокс” для очистки диализаторов
искусственной почки, первые варианты установок ЭХАТРОН для птицефабрик и ЭХАТРОН-К
для осахаривания соломы, первые варианты установок ЭЛЬФ для пищевой промышленности
и некоторые другие.
Применение керамических диафрагм решило много сложных вопросов,
однако породило проблему электроосмоса, т.е. электроосмотического перетока жидкости
через пористую гидрофильную диафрагму. Электроосмотические перетоки существенно
усложняли конструирование электрохимических систем с замкнутым объемом медленно
возобновляемого вспомогательного электролита. Одним из вариантов решения этой
проблемы вначале был решен на примере лабораторного электрохимического реактора
с погруженной (работающей без перепада давления) керамической диафрагмой. Проблема
решалась путем соединения электродных камер каналом с размещенными в нем дополнительными
электродами, которые были подключены к отдельному источнику тока.
Необходимость управления электроосмотическими перетоками
в напорных системах с проточными электрохимическими реакторами и емкостями для
вспомогательного электролита привела к появлению системы, описанной в [30].
Контакты в верхней части герметичной емкости вспомогательного электролита, соединенные
через блок управления с электромагнитным клапаном для выпуска электролизных
газов, предотвращают потерю вспомогательного электролита при избытке давления
в камере основного электрода.
Всегда важной оставалась проблема адаптации источника тока
к изменяющейся электропроводности раствора, протекающего через камеру основного
электрода электрохимического реактора, а также проблема согласования силы тока,
протекающего через реактор с количеством вспомогательного электролита, которое
необходимо подавать в камеру вспомогательных электродов для обеспечения нормального
протекания процесса электрохимической обработки. Эта задача частично была решена
в устройстве [31], снабженном источником питания с “мягкой” нагрузочной характеристикой
и парой дополнительных электродов, подключенных параллельно основному и вспомогательному
электродам электрохимического реактора и установленных в герметичной подпиточной
емкости вспомогательного электролита. Интенсивность выделения электролизных
газов, выделяющихся в подпиточной емкости и обеспечивающих поступление вспомогательного
электролита в электрохимический реактор, пропорциональна силе тока, протекающего
в цепях электродов электрохимического реактора и дополнительных электродов.
Исследование проблемы электросорбции органических компонентов
на различных материалах, в том числе углеродных, нашло отражение не только в
понимании процессов проектирования электродов для электрохимических реакторов,
но также практически было реализовано в устройстве [32] для сорбции токсических
веществ из биологических сред.
Принципиальные технические недостатки проточного диафрагменного
реактора для электрохимической обработки разбавленных водных растворов и обслуживающих
его систем были устранены в устройствах [28 — 31]. В процессе дальнейшей практической
работы начало формироваться понимание, что именно с момента создания надежного
электрохимического реактора начинается технология электрохимической активации
в частности и технология “персональной” прикладной электрохимии вообще. Пояснить
эту мысль можно на примере сопоставления. Если уподобить электрохимический реактор
транзистору (и в том и другом есть три важнейших компонента: эмиттер, коллектор
и база — в транзисторе; анод, катод и диафрагма — в электрохимическом реакторе),
то станет понятным, что все многообразие современных электронных систем, в которых
основным элементом является транзистор (от микрокалькулятора до комплекса управления
стратегическими межконтинентальными ракетами), которое обусловлено особенностями
соединений транзисторов между собой и наличием вспомогательных элементов, обеспечивающих
нормальное функционирование всей электрической схемы: конденсаторов, сопротивлений,
катушек индуктивности, стабилизаторов напряжения, тока, частоты и т.д., эквивалентно
гидравлическим схемам с использованием диафрагменных электрохимических реакторов,
где вспомогательными элементами являются емкости для вспомогательного электролита,
гидравлические сопротивления, промежуточные емкости, газоотделители, сепараторы,
редукторы, обратные клапаны, дозаторы, флотационные и каталитические реакторы,
регуляторы расхода, уровня, минерализации и пр. Следует отметить, что по числу
факторов многообразия, электрохимические системы более чем на три порядка превосходят
электронные, но несмотря на это (а может быть, и благодаря этому), в будущем
будут встречаться намного чаще, чем компьютеры или микрокалькуляторы.
В [33] впервые была предложена электрохимическая система,
которая позволяла производить удаление белковых загрязнений из глубинных пор
диализных мембран за счет электроосмотического потока воды, возникающего под
действием разности окислительно-восстановительных потенциалов анолита и католита
по разные стороны мембраны.
Дальнейшие исследования конвективного течения жидкости
в электродной камере в процессе электрохимической обработки привели к созданию
устройства со статическим электрохимическим реактором для раздельной обработки
воды [34]. Устройство состоит из корпуса с размещенными в нем плоскими электродами
и вертикальной диафрагмой, разделяющей корпус на электродные камеры. Оно снабжено
двумя емкостями, каждая из которых сообщается с соответствующей электродной
камерой посредством сквозных отверстий в электродах, причем отверстия выполнены
наклонно от электродной камеры к дну соответствующей емкости.
Решение практической задачи создания стиральной машины
с использованием электрохимически активированных растворов привело к появлению
электрохимической системы, работающей под повышенным давлением [35]. Особенностью
этой системы является подача электролизных газов, образующихся в анодной камере
(кислород, хлор) на вход катодной камеры, т.е. усиление моющего и отбеливающего
эффекта католита, полученного из водопроводной воды.
Автоматическая очистка электродов посредством периодической
подачи импульсов тока обратной полярности малой продолжительности реализована
в электрохимическом активаторе [36]. Важным является выбор анодного и катодного
материалов, оптимальных для такой системы очистки.
В [37] заявлена электрохимическая система, состоящая из
двух проточных диафрагменных электрохимических реакторов, камеры электродов
противоположной полярности которых соединены с одной и той же емкостью вспомогательного
электролита. Очищенная для гемодиализа вода протекает через свободные (не связанные
с емкостью вспомогательного электролита) электродные камеры реакторов. Изменяя
расход и давление, а также силу тока в каждом реакторе можно в широких пределах
управлять параметрами воды на выходе.
Весьма важной работой, открывшей путь к созданию электрохимических
систем для очистки питьевой воды явилось устройство “Базекс” [38] (приоритет
от 06.07.90), целью которого являлась электрохимическая модификация и доочистка
воды, которая используется для приготовления диализных растворов в процессах
гемодиализа, т.е. воды, содержащей не более 0,15 — 0,20 г/л растворенных солей.
Эта вода подвергается электрохимической катодной обработке в устройстве “Базекс”,
а затем смешивается с концентратом диализирующего раствора и направляется в
диализатор искусственной почки. Устройство “Базекс” явилось прототипом, на основе
которого в этом же году были разработаны несколько технологических процессов
очистки воды, получивших впоследствии наименования “Изумруд”, “Кристалл” и “Сапфир”.
В 1988 году в Москве и Ташкенте авторами была начата разработка
электрохимических реакторов, названных позднее проточными электрохимическими
модульными элементами (ПЭМ). Эти реакторы являлись логическим развитием конструкции
электрохимического реактора [28] и могли использоваться индивидуально, а также
в составе проточных электрохимических реакторов (РПЭ). В 1989 году была выпущена
техническая документация на элемент ПЭМ, позднее названный ПЭМ-1, и на реактор
РПЭ из семи элементов ПЭМ [39], а также на опытном заводе ВНИИИМТ (ОЭЗ ВНИИИМТ
МЗ РФ) в этом же году была произведена опытная партия элементов ПЭМ-1 и реакторов
РПЭ. В [40] описаны результаты испытаний опытных образцов элементов ПЭМ-1
и различных лабораторных систем с их использованием, а также рассмотрены различные
технологические схемы их использования. Позднее (1991) были поданы заявки на
изобретения [41, 42], в которых описывались конструктивные особенности элемента
ПЭМ-1, а также принципиальная схема устройства для очистки воды, которое спустя
еще один год год появилось на Российском рынке как первый вариант установки
для очистки воды “Изумруд”. После того, как авторами были разработаны другие
технологические процессы воды, авторами было принято решение присвоить собирательное
название ИЗУМРУД (EMERALD) всем установкам для очистки воды с электрохимическими
реакторами из элементов ПЭМ, и ввести между ними различия названиями технологических
процессов очистки воды: ИЗУМРУД, САПФИР, КРИСТАЛЛ, РУБИН, АКВАМАРИН, ЯНТАРЬ,
КВАРЦ, БЕРИЛЛ, ТОПАЗ и другие.
В 1989 году на основе новых электрохимических реакторов
РПЭ были созданы первые варианты установок СТЭЛ для синтеза электрохимически
активированных стерилизующих, дезинфицирующих и моющих растворов. Исследования
элементов ПЭМ-1 выявили не только их явные преимущества в сравнении с электрохимическими
реакторами других типов, но также и существенные недостатки: капиллярное зависание
растворов при малых объемных расходах, дезактивация раствора в зоне выхода из
электрохимического реактора, конструктивная сложность изготовления коллекторов
и др. Обнаруженные недостатки были устранены в новой конструкции элемента ПЭМ,
названной ПЭМ-2 [43].
С использованием этих элементов были созданы и запущены
в серийное производство первые поколения установок СТЭЛ [44], Изумруд (технологический
процесс “Изумруд”) [45], технологические процессы “Сапфир” [46] и “Янтарь” [47].
В том же году был восполнен пробел в хронологии подачи
изобретений в области ЭХА и запатентовано переносное устройство для электрохимической
обработки воды, созданное авторами в 1986 году и известное под торговым наименованием
“Эсперо-1” [48]. Изобретательская идея данного устройства заключалась в фиксировании
мягкой диафрагмы между двумя перфорированными конусовидными стаканами, перфорационные
отверстия которых совпадали.
Дальнейшая работа в области систем для очистки воды привела
к появлению устройства [49], технология очистки воды в котором была названа
“Кристалл”. Отличительной особенностью этой технологии являлось медленное накопление
во время работы устройства кислотного раствора для удаления катодных отложений,
который синтезируется во время работы установки из электролизных газов, образующихся
в анодных камерах электрохимических реакторов и небольшого количества воды.
В настоящее время осуществляется реализация технологического процесса “Кристалл”
в усеченном виде, т.е. без автоматического удаления катодных отложений с помощью
этого раствора.
Необходимость увеличения производительности реакторов
для электрохимической обработки воды и водных растворов привела к созданию реактора
РПЭ-М [50]. Элементы ПЭМ в этом реакторе располагаются концентрично вокруг коллекторов
со специальными приспособлениями для равномерной подачи растворов в электродные
камеры элементов ПЭМ.
Опыт эксплуатации и постоянные исследования выявили недостатки
элемента ПЭМ-2: несоосность фиксирования диафрагмы, отсутствие требований к
ее форме (гладкий цилиндр или конус) и толщине стенки на различных участках,
а также требований к установке диафрагмы в элементе ПЭМ (узким основанием конуса
вверх или вниз, или применение диафрагмы в виде гладкого цилиндра) в зависимости
от технологии, в которой используется электрохимический реактор и др. Все это
резко отрицательно сказывалось на параметрах электрохимически активированных
растворов, синтезиро