Способ получения обедненной дейтерием воды
Владельцы патента RU 2548442:
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 воды с пониженным содержанием дейтерия путем ее изотопного разделения на обедненную и обогащенную дейтерием фракции. Способ получения обедненной дейтерием воды включает электролиз дистиллята в электролизере с получением электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, ее минерализацию в процессе сбора обедненной дейтерием воды, при этом электролиз дистиллята проводят одновременно в двух электролизерах, катодные пространства которых посредством насоса и обратного клапана замкнуты в контур циркуляции электролита, причем исходная вода с природным содержанием дейтерия подается в анодные пространства обоих электролизеров, при этом водород, обедненный дейтерием, из катодного пространства первого электролизера поступает в анодное пространство второго, где ионизируется с образованием воды, обедненной дейтерием, а водород, обогащенный дейтерием, из катодного пространства второго электролизера поступает в анодное пространство первого, где он ионизируется с образованием воды, обогащенной дейтерием, которую разбавляют и сливают. Изобретение обеспечивает эффективное получение обедненной дейтерием воды и снижение себестоимости. 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 1Н или Н);
- дейтерием (обозначение 2Н или D).
Естественное содержание изотопов 1Н и 2H 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.Н., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O 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: Энергоатомиздат, 1982, сс.44-49, 68-69, 75-79].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению 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 дорогостоящи.
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 обедненной дейтерием воды, включающий электролиз дистиллята в электролизере с получением электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, ее минерализацию в процессе сбора обедненной дейтерием воды. Электролиз дистиллята проводят одновременно в двух электролизерах, катодные пространства которых посредством насоса и обратного клапана замкнуты в контур циркуляции электролита. В анодные пространства обоих электролизеров подается исходная вода, например, водопроводная, с природным содержанием дейтерия. При этом водород, обедненный дейтерием, из катодного пространства первого электролизера поступает в анодное пространство второго, где ионизируется с образованием воды, обедненной дейтерием, а водород, обогащенный дейтерием, из катодного пространства второго электролизера поступает в анодное пространство первого, где также ионизируется с образованием воды, обогащенной дейтерием. Эту воду разбавляют до безопасного состояния и сливают.
На Фиг. 1 изображена линия для реализации предлагаемого способа.
Она содержит блок питания 1, электрически связанный с электролизерами 2 и 5, газовые выходы катодных пространств которых 3 и 6 соединены газовыми трубопроводами с газовыми входами анодных пространств электролизеров 4 и 7 соответственно. Катодные пространства обоих электролизеров 3 и 6 соединены жидкостными трубопроводами по контуру, а анодные пространства обоих электролизеров 4 и 7 соединены параллельно с линией подачи исходной воды. Катодное пространство 3 электролизера 2 соединено водородопроводом с анодным пространством 7 электролизера 5. А катодное пространство 6 электролизера 5 соединено водородопроводом с анодным пространством 4 электролизера 2. Выход анодного пространства 4 электролизера 2 связан гидравлически со сборником обедненной дейтерием воды 9, а выход анодного пространства 7 электролизера 5 - со сливом воды обогащенной дейтерием.
Способ осуществляется следующим образом.
Переменный трехфазный ток внешней электрической сети преобразуется в постоянный блоком питания 1 и поступает на электролизеры 2 и 5, куда подается и дистиллированная вода. Образовавшийся в катодном пространстве 6 электролизера 5 водород, обедненный дейтерием, поступает по газовому трубопроводу в анодное пространство 4 электролизера 2, где электрохимически превращается в воду, обедненную дейтерием, а вода, обогащенная дейтерием, в составе католита поступает из катодного пространства 6 электролизера 5 в катодное пространство 3 электролизера 2, где превращается в водород, обогащенный дейтерием, который поступает по водородопроводу из катодного пространства 3 электролизера 2 в анодное пространство 7 электролизера 5, где образует воду, обогащенную дейтерием, которую разбавляют до безопасного состояния и направляют на слив. Далее нормализованная вода из катодного пространства 3 электролизера 2 посредством насоса 8 возвращается в катодное пространство 6 электролизера 5. Цикл замыкается.
Циркуляция электролита между катодными пространствами электролизеров, организованная предложенным способом, приводит к попеременному обогащению и обеднению дейтерием воды католита с поддержанием постоянной концентрации дейтерия в циркулирующем электролите. При этом легкий водород, образующийся в катодном пространстве одного электролизера, поступает в анодное пространство другого электролизера, где образует обедненную дейтерием - «легкую» воду. А водород, обогащенный дейтерием, поступает из катодного пространства противоположного элекролизера в анодное другого, где образует воду, обогащенную дейтерием - «тяжелую», которая разбавляется исходной водой до безопасной концентрации дейтерия и выводится на слив. Перекрестная циркуляция водорода между электродными пространствами двух электролизеров приводит к увеличению эффективности процесса за счет сокращения энергозатрат при замене кислородных электродов в электролизерах на водородные, что снижает напряжение на отдельной ячейке электролизера в 2-5 раз по сравнению с электролизером, содержащим кислородный электрод.
Предлагаемый способ позволит более эффективно, чем в прототипе, получать качественный продукт при меньших материальных и энергетических затратах.
Способ получения обедненной дейтерием воды, включающий электролиз дистиллята в электролизере с получением электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, ее минерализацию в процессе сбора обедненной дейтерием воды, отличающийся тем, что электролиз дистиллята проводят одновременно в двух электролизерах, катодные пространства которых посредством насоса и обратного клапана замкнуты в контур циркуляции электролита, причем исходная вода с природным содержанием дейтерия подается в анодные пространства обоих электролизеров, при этом водород, обедненный дейтерием, из катодного пространства первого электролизера поступает в анодное пространство второго, где ионизируется с образованием воды, обедненной дейтерием, а водород, обогащенный дейтерием, из катодного пространства второго электролизера поступает в анодное пространство первого, где он ионизируется с образованием воды, обогащенной дейтерием, которую разбавляют и сливают.
