Линия по получению воды с пониженным содержанием дейтерия
Техническое решение относится к области получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием в ней дейтерия путем ее изотопного разделения на обедненную и обогащенную дейтерием фракции. 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. Линия эффективна, она позволяет получить более качественный продукт. При этом менее энерго- и материалоемка и затратна.
1 илл.
Заявленное техническое решение относится к области 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 Н2O. В природе совершенно чистой воды не бывает, она всегда содержит механические, химические и биологические примеси.
Молекула Н2O 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 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.Н., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2 O 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 техническим решением к заявляемому является патент RU 101648. Согласно прототипу устройство для получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия, включает электролизер, осушитель электролизных газов, преобразователь электролизных газов в воду, конденсатор паров воды и сборник обедненной дейтерием воды, при этом электролизер содержит блок биполярных электродов покрытых с анодной стороны серебряным покрытием, а с катодной - покрытием из никеля Ренея, осушитель заполнен регенерируемым водопоглощающим веществом, при этом линия дополнительно снабжена разделителем газовой смеси содержащим паладиево-серебряную мембрану, установленным между осушителем и топливным элементом, а преобразователь электролизных газов в воду выполнен в виде низкотемпературного водород-кислородного топливного элемента с ионообменными мембранами, причем топливный элемент электрически соединен с электролизером для частичной компенсации энергозатрат в процессе электролиза, кроме того сборник обедненной дейтерием воды одновременно служит минерализатором.
Недостатками описанного устройства 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 в течение срока службы в несколько раз, а затраты электроэнергии составляют 80-90% от себестоимости производимого продукта и качества воды [Федотьев Н.П. и др. Прикладная электрохимия. Л.: Химия 1967. с.346.]., что приводит к повышенной себестоимости получаемого продукта.
- значительные потери электроэнергии в виде тепла связанные с использованием кислородных электродов с высоким перенапряжением, на которых теряется существенно больше электроэнергии чем на водородных;
- 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. Использование менее дорогих по сравнению с кислородными водородных электродов вместо кислородо-водородного топливного элемента и как следствие снижение стоимости способа;
Для решения технической задачи предлагается линия по получению воды с пониженным содержанием дейтерия, содержащая электролизер, осушитель электролизных газов, преобразователь электролизных газов в воду, конденсатор паров воды и сборник обедненной дейтерием воды. При этом электролизер выполнен в виде двух газодиффузионных водородных электродов, а линия дополнительно снабжена питателем дистиллированной воды связанным с парогенератором, который связан паропроводом с колонной противоточного каталитического изотопного обмена, включенной в водородопровод между катодом и анодом электролизера, а колонна соединена паропроводом с конденсатором паров воды и далее со сборником.
На предложенном рисунке схематически изображена линия по получению воды с пониженным содержанием дейтерия.
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 преобразуется в постоянный, блоком питания 1 и поступает на электролизер 2. 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 8, 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, предлагаемая линия более эффективна, чем прототип, и позволяет получить более качественный продукт. При этом существенно менее энерго- и материалоемка, т.к. менее затратна.
Линия по получению воды с пониженным содержанием дейтерия, содержащая электролизер, осушитель электролизных газов, преобразователь электролизных газов в воду, конденсатор паров воды и сборник обедненной дейтерием воды, отличающаяся тем, что электролизер выполнен в виде двух газодиффузионных водородных электродов, а линия дополнительно снабжена питателем дистиллированной воды, связанным с парогенератором, который связан по паропроводу с колонной противоточного каталитического изотопного обмена, включенной в водородопровод между катодом и анодом электролизера, при этом колонна соединена паропроводом с конденсатором паров воды и далее со сборником.
