Способ разделения воды на спин-модификации и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области разделения веществ. Пары воды подают при определенном давлении в разделительную колонку, заполненную веществом, селективно адсорбирующим одну из спин-модификаций. В процессе адсорбции водяной пар внутри колонки оказывается обогащенным другой модификацией. Водяной пар откачивается из колонки для использования или для накопления в кювете путем намораживания. Водяной пар, образующийся внутри колонки в результате процесса десорбции, также откачивается для использования. Повторяя циклы раз за разом, можно получать воду, обогащенную как орто-, так и пара-спин-модификацией. Технический результат заявленного изобретения выражается в технической реализации способа разделения воды на спин-модификации. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области разделения веществ, а более конкретно к обогащению воды орто- или пара-спин-модификациями, и может быть использовано в химической технологии, в медицине, сельском хозяйстве, биотехнологии, косметической и парфюмерной промышленности.

Известно явление селективной по спин-модификациям адсорбции молекул воды на поверхности некоторых веществ [1]. Явление это связано с зависимостью скорости адсорбции молекул на поверхности металла и кристаллов от вращательного состояния молекулы. Совокупность всех вращательных состояний молекулы воды можно разбить на две подсистемы, принадлежащие соответственно пара- и орто-модификациям. Внутри каждой подсистемы устанавливается термодинамическое равновесие за счет релаксационных переходов между вращательными уровнями во время соударения молекул. В то же время переход из одной подсистемы в другую в очень большой степени запрещен, практически можно считать водяной пар состоящим из двух различных не переходящих друг в друга веществ (постоянная времени, с которой полная система стремится к термодинамическому равновесию, составляет примерно 4,4 суток). В определенном диапазоне давлений, когда еще далеко не все центры адсорбции на поверхности вещества заполнены молекулами воды, вероятность адсорбции для молекулы воды будет зависеть от принадлежности к той или другой подсистеме уровней.

Известен способ разделения газов на спин-модификации на основе явления светоиндуцированного дрейфа (СИД-эффект). Излучение мощного лазера пропускают вдоль трубки с газом низкой плотности, что вызывает движение молекул газа к одному из концов трубки в случае, когда частота излучения совпадает с частотой линии поглощения молекулы. Лазерное излучение настраивают на частоту поглощения одной из спин-модификаций, что вызывает движение молекул именно этой спин-модификации и приводит к разделению [2].

Однако разделение спин-модификаций воды этим способом до сих пор технически реализовать не удалось.

Наиболее близким к предлагаемому является способ разделения воды на спин-модификации, основанный на явлении гетерогенной конденсации молекул воды на кластерах углекислого газа. Пары воды и углекислый газ смешивают в форкамере и полученную смесь подвергают расширению в вакуум через отверстие, что приводит к образованию сверхзвуковой струи в вакуумной камере. На определенном расстоянии от отверстия газовая смесь в струе охлаждается до температуры конденсации углекислого газа. Молекулы воды захватываются кластерами углекислоты, причем на кластерах преимущественно конденсируются молекулы пара-модификации воды. Кластеры отбираются в кювету из сверхзвуковой струи с помощью трубки Пито, проходя через ударную волну перед наконечником трубки, в то время как легкая газовая компонента смеси рассеивается на ударной волне. В кювете образуется смесь углекислого газа и паров воды, обогащенных молекулами пара-модификации [3].

Недостатками данного способа являются необходимость использования аппаратуры для создания сверхзвукового газового потока, что усложняет установку, низкая производительность вследствие конденсации на кластерах только незначительной части воды из газового потока, возможность обогащения воды только одной спин-модификацией (пара-водой) и невозможность получить обогащение орто-модификацией. Кроме того, конечным продуктом в этом способе является смесь углекислого газа и паров воды, и для получения чистой воды с повышенным содержанием пара-модификации требуется произвести разделение их смеси.

Технической задачей изобретения "Способ разделения воды на спин-модификации" является увеличение производительности процесса обогащения воды одной из спин-модификаций (орто- или пара-водой).

В предлагаемом изобретении пары равновесной по спин-модификациям дистилированной воды подают в разделительную колонку, заполненную веществом, селективно адсорбирующим одну из спин-модификаций. Для конкретности описания будем считать, что адсорбируется преимущественно пара-модификация (в общем случае это может быть и наоборот, орто-модификация). После завершения процесса адсорбции водяной пар внутри колонки оказывается обогащенным орто-водой, и его откачивают из колонки для использования в качестве орто-воды. Через время, характерное для данного адсорбирующего вещества, внутри колонки в результате процесса десорбции накапливается водяной пар, обогащенный пара-модификацией воды, и его также откачивают для использования в качестве пара-воды. Процесс десорбции продолжается более длительное время, чем процесс адсорбции, и к его завершению степень обогащения водяного пара пара-модификацией уже незначительна, поэтому последние порции десорбированного водяного пара откачивают в атмосферу без использования. Таким образом завершается полный цикл процесса разделения воды на спин-модификации и, повторяя циклы раз за разом, получают как орто-воду, так и пара-воду.

Известно устройство для разделения спин-модификаций на основе СИД-эффекта. Устройство содержит лазер, кювету с разделяемым газом, систему откачки. Устройство работает следующим образом: излучение лазера проходит через кювету, при этом часть излучения поглощается одной из спин-модификаций, что вызывает светоиндуцированный дрейф и разделение спин-модификаций [2].

Недостатками устройства являются необходимость использования мощного лазера, что существенно усложняет установку и требует больших энергозатрат из-за низкого КПД процесса, и низкая производительность.

Известно устройство, наиболее близкое к предлагаемому, для обогащения паров воды одной из спин-модификаций, описанное в [3]. Устройство содержит баллон со сжатым углекислым газом, сосуд с водой, форкамеру, вакуумную камеру с расположенной в ней трубкой Пито, кювету для сбора смеси углекислого газа и воды, систему вакуумной откачки. Устройство работает следующим образом: водяной пар и углекислый газ смешивают в форкамере, и образовавшаяся смесь истекает в вакуумную камеру через отверстие в стенке форкамеры. В трубку Пито отбирают кластеры углекислоты и сконденсировавшиеся на них молекулы воды (преимущественно пара-модификации), которые затем собирают в кювете.

Недостатками устройства являются необходимость использования аппаратуры для создания сверхзвукового газового потока, что усложняет установку, низкая производительность вследствие конденсации на кластерах только незначительной части воды из газового потока, возможность обогащения воды только одной спин-модификацией (пара-водой) и невозможность получить обогащение орто-модификацией. Кроме того, конечным продуктом в этом способе является смесь углекислого газа и паров воды, и для получения чистой воды с повышенным содержанием пара-модификации требуется произвести разделение их смеси.

Технической задачей изобретения является техническая реализация предложенного "Способа разделения воды на спин-модификации".

На фиг. 1 показано устройство разделения воды на спин-модификации.

Сосуд с дистиллированной водой (1) присоединен к мерному соплу для контроля расхода паров воды (2) и затем ко входу двухходового коммутирующего вакуумного крана (3). Один выход крана (3) присоединен к системе откачки (7), другой - ко входу разделительной колонки (4). К выходу разделительной колонки присоединен трехходовой коммутирующий вакуумный кран (6). Монометр (5) также присоединен к разделительной колонке. Один выход крана (6) присоединен к системе откачки (7), второй - к кювете для сбора орто-воды (8) и третий - к кювете для сбора пара-воды (9).

Устройство работает следующим образом.

Пары обыкновенной воды, равновесной по спин-модификациям, поступают из сосуда с водой (1) в разделительную колонку (4), заполненную веществом, селективно адсорбирующим одну из спин-модификаций. Мерное сопло (2) служит для создания контролируемого расчетного расхода паров воды. Для конкретности описания будем считать, что адсорбируется преимущественно пара-модификация (в общем случае это может быть и наоборот, орто-модификация). В результате процесса селективной адсорбции водяной пар внутри колонки оказывается обогащенным орто-водой. В течение этого процесса кран (3) соединяет сосуд с водой (1) и вход разделительной колонки (4), а кран (6) соединяет выход разделительной колонки и кювету для сбора орто-воды (8). После завершения процесса селективной адсорбции, когда заполнено большинство центров адсорбции, кран (3) закрывается, а кран (6) переключается на соединение разделительной колонки и кюветы с пара-водой. Время переключения определяется в зависимости от объема колонки и адсорбирующего вещества. В колонке начинается процесс десорбции и накапливается водяной пар, обогащенный пара-водой, который собирается в кювете для пара-воды (9). Процесс десорбции продолжается более длительное время, чем процесс адсорбции, и к его завершению степень обогащения водяного пара пара-модификацией уже незначительна, поэтому последние порции десорбированного водяного пара откачиваются в атмосферу без использования. Коммутирующий кран (6) при этом соединяет выход разделительной колонки и систему откачки. Таким образом завершается полный цикл процесса разделения воды на спин-модификации, и, повторяя циклы раз за разом, можно получать как орто-воду, так и пара-воду. Перед началом работ кран (3) переключается на соединение сосуда с водой (1) и системы откачки для обезгаживания дистиллированной воды. Манометр (5) служит для контроля давления в разделительной колонке.

Кюветы для сбора орто- и пара-воды могут находиться в намораживающей системе (10). В этом варианте водяной пар намораживается на стенках и орто- и пара-вода накапливаются для последующего использования. При этом используется различие времени релаксации спин-модифицированной воды к термодинамически равновесному состоянию для газовой фазы (4,4 суток), жидкой фазы (45 мин) и твердой фазы (время спин-конверсии для льда при температуре жидкого азота составляет 4,5 месяца) [4]. Замороженная спин-модификацированная вода может храниться длительное время и затем после размораживания использоваться сразу в больших количествах.

Процессы адсорбции и десорбции зависят от температуры адсорбирующего вещества. С повышением температуры скорость адсорбции падает, а скорость десорбции возрастает. Для управления процессами адсорбции и десорбции с целью увеличения производительности устройства разделительная колонка может иметь системы подогрева и охлаждения адсорбирующего вещества.

Еще одной возможностью увеличить производительность является использование сразу нескольких разделительных колонок, работающих последовательно одна за другой, так что процессы накопления орто- и пара-воды идут непрерывно. На фиг. 2 показана система из пяти колонок (4), объединенных коммутирующими кранами (3) и (6). Работа кранов синхронизируется управляющим устройством (11). В то время как в первой колонке (4-1) идет наработка орто-воды, во второй колонке (4-2) нарабатывается пара-вода, а три другие колонки откачиваются. В течение следующего периода орто-вода нарабатывается в колонке (4-5), пара-вода производится в (4-1), и три колонки откачиваются. И так далее, последовательно меняя колонки в каждом цикле.

Пример.

В проведенных испытаниях в качестве разделительной колонки использовался сосуд из нержавеющей стали объемом 30 литров, заполненный окисью алюминия, адсорбирующей преимущественно пара-модификацию. Перед началом работ разделительная колонка откачивалась до давления 0,1 Торр, исходная дистиллированная вода обезгаживалась откачкой в вакуум. Давление водяного пара в колонке в процессе адсорбции повышалось до 5 Торр. Процесс адсорбции длился 2 мин, наработка пара-воды продолжалась 2 мин, длительность откачки - 6 мин. Производительность установки составляла примерно 0,1 г воды, обогащенной орто-модификацией, и 0,025 г воды, обогащенной пара-модификацией. Степень обогащения для орто-воды: 96% орто-молекул и 4% пара-молекул; степень обогащения для пара-воды: 50% орто-молекул и 50% пара-молекул. Термодинамически равновесная вода состоит из 75% орто-молекул и 25% пара-молекул. Способ и устройство, предложенные в прототипе [3], позволяют получить за час не более 0,002 г воды, обогащенной пара-модификацией.

Источники информации 1. Конюхов В. К. , Тихонов В.И., Тихонова Т.Л. // Краткие сообщения по физике, N 9, с. 12-14, 1988.

2. Красноперов Л.Н., Панфилов В.Н., Струнин В.П., Чаповский П.Л. // Письма в ЖЭТФ, т. 39, с. 122, 1984 (аналог).

3. А.С. N 1469289, кл. 4 G 01 N 1/10, 1986 (прототип).

4. Конюхов В.К., Логвиненко В.П., Тихонов В.И. // Краткие сообщения по физике, N 5-6, с. 83-86, 1995.

Формула изобретения

1. Способ разделения воды на спин-модификации, в котором в качестве исходного вещества используют дистиллированную воду, переводят воду в водяной пар, проводят процесс адсорбции водяного пара на адсорбенте, селективно адсорбирующим одну из спин-модификаций, отличающийся тем, что производят предварительное обезгаживание дистиллированной воды, предварительную откачку разделительной колонки с адсорбентом до давления 0,1 Торр, повышают давление водяного пара в разделительной колонке до 5 Торр, затем раздельно собирают прошедшую через разделительную колонку и адсорбированную части водяного пара и хранят собранную воду в замороженном виде.

2. Устройство для разделения воды на спин-модификации, содержащее сосуд с дистиллированной водой, разделительную колонку, заполненную адсорбентом, селективно адсорбирующим одну из спин-модификаций, манометр для измерения давления паров воды в разделительной колонке, коммутирующие вакуумные краны, кюветы для сбора орто- и пара-модификаций воды и систему откачки, отличающееся тем, что первый коммутирующий вакуумный кран выполнен с возможностью соединения сосуда с дистиллированной водой или со входом разделительной колонки или с системой откачки, второй коммутирующий вакуумный кран выполнен с возможностью соединения выхода разделительной колонки или с кюветой для сбора орто-модификации, или с кюветой для сбора пара-модификации, или с системой откачки.

3. Устройство по п.2 отличающееся тем, что кюветы для сбора орто- и пара-модификаций воды снабжены системами охлаждения для замораживания собираемой воды.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что разделительная колонка снабжена системой нагрева и охлаждения адсорбирующего вещества.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2