Способ получения воды с пониженным содержанием дейтерия

Способ получения воды с пониженным содержанием дейтерия

Реферат

Изобретение относится к способу получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием в ней дейтерия путем ее изотопного разделения на обедненную и обогащенную дейтерием фракции.

Вода с точки зрения химии является веществом, состоящим из молекул H₂O. В природе совершенно чистой воды не бывает, она всегда содержит механические, химические и биологические примеси.

Молекула H₂O состоит из двух элементов, каждый из которых представляет собой смесь изотопов. Водород в природе представлен двумя стабильными изотопами:

- протием (обозначение ¹H или H);

- дейтерием (обозначение ²H или D).

Естественное содержание изотопов ¹H и ²Н в природных объектах составляет 99,985 и 0,015%. Легкая (обогащенная Н или обедненная D) вода обладает высокой биологической активностью. Употребление легкой воды приводит к нормализации углеводного и липидного обмена, коррекции веса, выведению шлаков и токсинов из организма и т.д. Результатами клинических испытаний доказано [Лобышев В.П., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D20 в биологических системах. - М.: Наука, 1978.], что при употреблении такой воды повышается работоспособность, физическая активность, выносливость и сопротивляемость организма.

Известно, что в легкой воде изменяется скорость протекания химических реакций, сольватация ионов, их подвижность и т.д. Легкая вода оказывает стимулирующее действие на живые системы, существенно повышает их активность, жизнестойкость к различным негативным факторам, репродуктивную деятельность, улучшает и ускоряет обмен веществ. Для сельскохозяйственных культур действие легкой воды проявляется в повышении всхожести и урожайности, для человека - в оздоровительном эффекте. Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава воды. Применение воды с повышенной концентрацией тяжелых изотопов, в частности дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма, ограничивая возможность ее использования в лечебно-профилактических целях [Kushner D.J., Baker F., Dunstall T.G. Can. J. Physiol. Pharmacol, 1999. Feb. 77 (2): 79-88].

В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод, полученных с помощью различных технологических процессов, относящихся к категории изотопно-легких, со сниженной в той или иной мере по сравнению с исходной концентрацией дейтерия [М.Г.Барышев, А.А.Басов, С.Н.Болотин, С.С.Джимак, Д.В.Кашаев С.Р.Федосов, В.Ю.Фролов, Д.И.Шашков, Д.А.Лысак, А.А.Тимаков // Оценка антирадикальной активности воды с модифицированным изотопным составом с помощью ямр-, эпр- и масс-спектроскопии / Известия РАН. серия физическая, 2012, том 76, №12, с.1507-1510]. Т.е. количественные и качественные показатели изотопного состава воды существенным образом отражаются на ее эффективности при использовании воды в качестве растворителя или ингредиента. Поэтому очевидна необходимость в зависимости от целей применения регулирования изотопного состава воды, употребляемой человеком для технологических процессов, питья, в составе лекарственных, косметических, гигиенических, парфюмерных средств и т.д.

Уровень техники получения изотопно-легкой воды представлен рядом патентов на изобретения №№2031085, 2091335, 2091336, 2438765, 2438766 и полезные модели №№113977, 97994, 106559, 101648 и др. Известен также ряд физико-химических методов изменения изотопного состава водорода, входящего в состав воды [Андреев Б.М. и др., Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. Москва: Энерго-атомиздат. 1982. сс.44-49, 68-69, 75-79].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент на изобретение RU №2438766. Согласно прототипу способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия включает электролиз дистиллята в электролизере, осушение полученных электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, последующую конденсацию паров воды и ее минерализацию. Электролиз дистиллята осуществляют с использованием каталитически активных электродов, покрытых с анодной стороны серебряным покрытием, а с катодной - покрытием из никеля Ренея. Полученную на выходе из электролизера смесь водорода и кислорода осушают, затем подают в газодиффузионный разделитель с палладиево-серебряной мембраной. Последующее преобразование разделенных газов в воду осуществляют в водородно-кислородном топливном элементе с ионообменными мембранами. При этом постоянный ток, генерируемый топливным элементом, направляют на вход электролизера.

Недостатками описанного способа являются:

- происходящая со временем деградация электродов, вызываемая рекристаллизацией электродного покрытия из никеля Ренея, что приводит к уменьшению коэффициента разделения изотопов водорода, увеличению поляризации электродов и, как следствие, к увеличению затрат электроэнергии, которые составляют 80-90% от себестоимости производимого продукта, в несколько раз, в течение срока службы, а также к повышенному содержанию дейтерия в получаемой воде [Федотьев Н.П. и др. Прикладная электрохимия. - Л.: Химия 1967. с.346], что приводит к повышенной себестоимости получаемого продукта и ухудшению его качества;

- при реализации способа происходят значительные потери электроэнергии в виде тепла, связанные с использованием кислородных электродов с высоким перенапряжением, на которых теряется существенно больше электроэнергии, чем на водородных, что также приводит к повышению себестоимости получаемого продукта;

- кислородо-водородный топливный элемент, используемый в прототипе, насколько известно, до настоящего времени серийно не производится, а несерийные изделия высокостоящие.

Задачей заявляемого технического решения является:

1. Увеличение коэффициента разделения изотопов водорода за счет замены дисперсных электродов из никеля и серебра Ренея на платиноидные дисперсные каталитические электроды, имеющие большой срок службы и низкую деградацию, связанную с низкой скоростью рекристаллизации дисперсных платиновых металлов, что приводит также к уменьшению поляризации электродов, и, как следствие, к уменьшению затрат электроэнергии в течение срока службы в несколько раз;

2. Снижение потерь электроэнергии в виде тепла при замене кислородных электродов с высоким перенапряжением на водородные диффузионные электроды, то есть уменьшение себестоимости по сравнению с аналогами и прототипом;

3. Удешевление способа за счет использования при электролизе только обратимых водородных электродов, дешевых и имеющих большой рабочий ресурс.

Для решения технической задачи предлагается способ получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающий электролиз дистиллята в электролизере, осушение полученных электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, последующую конденсацию паров воды и ее минерализацию в процессе сбора обедненной дейтерием воды. При этом электролиз дистиллята осуществляют путем получения обедненного дейтерием водорода на газодиффузионном водородном катоде электролизера, с последующим направлением его противотоком с водяным паром в колонну каталитического изотопного обмена. Пар подается из парогенератора, питаемого питателем дистиллированной воды, для обогащения водорода дейтерием и обеднения им водяного пара в колонне, дальнейшей ионизации обогащенного водорода на газодиффузионном водородном аноде электролизера и конденсации обедненного в процессе изотопного обмена пара воды в конденсаторе.

На фиг.1 изображена линия, реализующая предлагаемый способ.

Линия содержит: блок питания 1, электрически связанный с электролизером 2, выход катода 3 которого соединен газовым трубопроводом со входом осушителя 4. Осушитель 4 соединен газовым трубопроводом с газовым входом колонны каталитического изотопного обмена 5, газовый выход которой соединен с входом анода 6 электролизера 2. Питатель дистиллированной воды 7 жидкостным трубопроводом связан с парогенератором 8, который связан по паровой фазе с паровым входом колонны каталитического изотопного обмена 5. Паровой выход колонны 5 связан с входом конденсатора 9, соединенного жидкостным трубопроводом со сборником обедненной дейтерием воды 10.

Работа линии осуществляется следующим образом.

Переменный трехфазный ток внешней электрической сети блоком питания 1 преобразуется в постоянный и поступает на электролизер 2, куда подается и дистилтированная вода. Образовавшийся в электролизере на катоде 3 водород с пониженным содержанием дейтерия для предотвращения обратного изотопного обмена водорода с парами воды поступает по газовому трубопроводу в осушитель 4, где осушается регенерируемым водопоглощающим веществом. Далее осушенный водород поступает в колонну каталитического изотопного обмена 5, где обменивается дейтерием с парами воды на поверхности твердого катализатора. После этого водород, обогащенный дейтерием до природной концентрации, поступает на анод 6 электролизера 2, где вновь ионизируется. Дистиллированная вода природного изотопного состава поступает из питателя 7 в парогенератор, где образует пар, который поступает в колонну каталитического изотопного обмена 5, где на поверхности твердого катализатора обменивается дейтерием с водородом, после чего по паропроводу поступает в конденсатор 9, из которого вода, обедненная дейтерием, поступает в сборник 10.

Исключение из электрохимической стадии кислородных электродов электролизера и топливного элемента, обладающих по сравнению с водородными диффузионными электродами плохой обратимостью и высокими потерями энергии в виде омического тепла, приводит к уменьшению затрат энергии процесса электролиза в несколько раз по сравнению с прототипом. При этом процесс в электролизере сводится фактически к переносу водорода с катода 3 на анод 6, а по пути между электродами за счет каталитического обмена с парами воды образуются пары воды с пониженным содержанием дейтерия, которые конденсируются и выводятся в виде конечного продукта [В.Фильштих / Топливные элементы, М. Мир, 1968 с.389]. Кроме того, использованные в процессе электролиза электродные материалы технологически более отработаны и устойчивы в процессе электролиза, чем в прототипе, и позволяют получать в одностадийном процессе электролиза воду, в несколько раз более обедненную дейтерием, чем в прототипе [Э.Юсти, А.Винзель / Топливные элементы // Изд.-во Мир, М. 1964, с.283-286], что делает ее существенно биологически активнее.

Таким образом, предлагаемый способ более эффективен, чем прототип, т.к. позволяет получить более качественный продукт. При этом существенно менее энерго- и материалоемок, т.е. менее затратен.

Способ получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающий электролиз дистиллята в электролизере, осушение полученных электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, последующую конденсацию паров воды и ее минерализацию в процессе сбора обедненной дейтерием воды, отличающийся тем, что электролиз дистиллята осуществляют путем получения обедненного дейтерием водорода на газодиффузионном водородном катоде электролизера, последующим направлением его противотоком с водяным паром, подаваемым из парогенератора, питаемого питателем дистиллированной воды, в колонну каталитического изотопного обмена для обогащения водорода дейтерием и обеднения им водяного пара, дальнейшей ионизацией обогащенного водорода на газодиффузионном водородном аноде электролизера и конденсацией обедненного в процессе изотопного обмена пара воды в конденсаторе.