Способ получения воды с пониженным содержанием дейтерия
Владельцы патента RU 2521627:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") (RU)
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. Способ включает электролиз дистиллированной воды в электролизере с получением обедненного дейтерием водорода на газодиффузионном водородном катоде электролизера, осушение полученных электролизных газов, подачу осушенных газов в колонну каталитического изотопного обмена для обогащения водорода дейтерием и обеднения им водяного пара, для чего в колонну подается пар из парогенератора, который снабжается дистиллированной водой из питателя, при этом обогащенный дейтерием водород направляется противотоком с водяным паром для дальнейшей ионизации, а обедненный водяным паром водород поступает в конденсатор, для конденсации паров воды и дальнейшей минерализации обедненной дейтерием воды. Изобретение обеспечивает эффективное разделение изотопов водорода, получение более качественного продукта и уменьшение себестоимости процесса. 1 ил.
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.
