Линия электролитического получения воды с пониженным содержанием дейтерия
Техническое решение относится к области электролитического получения воды с пониженным содержанием в ней дейтерия путем ее изотопного разделения на обедненную и обогащенную дейтерием фракции. Линия включает блок питания 1, электролизер 2, осушитель электролизных газов 3, обратные клапаны 4 и 8 для рециркуляции газовой смеси, преобразователь электролизных газов в воду 5 выполненный в виде низкотемпературного водород-кислородного топливного элемента, электрически соединенный с электролизером 2, и сборник обедненной дейтерием воды. При этом преобразователь электролизных газов в воду совмещен с разделителем газовой смеси и выполнен в виде в виде топливного элемента с диффузионным анодом каталитически селективным по отношению к водороду и диффузионным катодом каталитически селективным по отношению к кислороду. Кроме этого между осушителем газовой смеси 3 и топливным элементом 5 установлен обратный клапан 4, а анодное и катодное пространства топливного элемента 5 разделены вторым обратным клапаном 8. Линия позволяет более эффективно, чем в прототипе получать качественный продукт при меньших материальных и энергетических затратах. 1 илл.
Заявленное техническое решение относится к области электролитического получения 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 H2 O состоит из двух элементов, каждый из которых представляет собой смесь изотопов. Водород в природе представлен двумя стабильными изотопами:
- протаем (обозначение 1H или H)
- дейтерием (обозначение 2H или D).
Естественное содержание изотопов 1 H и 2H в природных объектах составляет 99,985 и 0,015%. Легкая (обогащенная H или обедненная O) 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 [Барышев М.Г., Басов А.А., Болотин С.Н., Джимак С.С, Кашаев Д.В., Федосов СР., Фролов В.Ю., Малышко В.В., Власов Р.В. ЯМР и ЭПР исследование влияния воды с пониженным содержанием дейтерия на показатели прооксидантно-антиоксидантной системы у лабораторных животных // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2011. 
3. С. 16-20.], [Барышев М.Г., Басов А.А., Болотин С.Н., Джимак С.С., Кашаев Д.В., Федосов С.Р., Фролов В.Ю., Шашков Д.И., Лысак Д.А., Тимаков А.А. Оценка антирадикальной активности воды с модифицированным изотопным составом с помощью ЯМР-, ЭПР- и масс-спектроскопии // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2012. Т. 76. 12. С. 1507]. 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: [Фролов В.Ю., Барышев М.Г., Болотин С.Н., Джимак С.С. RU 2438765], [Фролов В.Ю., Барышев М.Г., Джимак С.С, Ломакина Л.В., Болотин С.Н., Петриев И.С. RU 128127], [Барышев М.Г., Джимак С.С., Долгов М.А., Ломакина Л.В., Фролов В.Ю., RU 113977], [Фролов В.Ю., Джимак С.С. RU 97994], [Фролов В.Ю., Барышев М.Г., Ломакина Л.В., Джимак С.С., Болотин С.Н. RU 106559], [Фролов В.Ю., Барышев М. Г., Ломакина Л.В., Джимак С.С. RU 101648]. Известен также ряд физико-химических методов изменения изотопного состава водорода, входящего в состав воды [Андрееев Б.М. и др., Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. Москва: Энергоатом-издат. 1982. сс. 44-49, 68-69, 75-79], [Барышев М.Г., Болотин С.Н., Фролов В.Ю., Джимак С.С., Пикула А.А., Долгов М.А., Шашков Д.И., Петриев И.С. Способы получения воды с пониженным содержанием дейтерия // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2013. 1. С. 13-17.]
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является патент [Барышев М.Г., Фролов В.Ю., Ломакина Л.В., Джимак С.С. RU 101648]. Согласно прототипу линия по получению биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия, содержит 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 снабжена разделителем газовой смеси, содержащим палладиево-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:
- необходимость затрат дополнительной энергии в процессе разделения водорода с кислородом в разделителе газовой смеси;
- линия не обеспечивает высокую эффективность процесса электролитического получения воды с пониженным содержанием дейтерия;
- ограниченная диффузионная проницаемость мембранного разделителя газовой смеси, а также нежелательная каталитическая реакция части газовой смеси на поверхности палладиево-серебряной мембраны приводит к низкой эффективности процесса разделения газовой смеси.
Технической задачей заявляемого решения является:
1. Упрощение технологической линии за счет уменьшения количества узлов, а именно удаление мембранного разделителя газовой смеси при одновременном снижении затрат энергии при эксплуатации за счет исключения процесса разделения электролизных газов.
2. Повышение эффективности линии за счет перемещения процесса разделения газообразных водорода и кислорода из разделителя газовой смеси на анод и катод топливного элемента за счет последовательной рециркуляции газовой смеси через каталитически селективные анод и катод топливного элемента.
3. Увеличение коэффициента использования газов в топливном элементе при проведении процесса при обычных условиях и с рециркуляцией в отсутствие разделителя газовой смеси.
Для решения технической задачи предлагается линия электролитического получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающаяся электролизер, осушитель электролизных газов, разделитель газовой смеси, преобразователь электролизных газов в воду в виде низкотемпературного водород-кислородного топливного элемента, электрически соединенный с электролизером для частичной компенсации энергозатрат в процессе электролиза, конденсатор паров воды и сборник обедненной дейтерием воды. Линия отличается тем, что преобразователь электролизных газов в воду совмещен с разделителем газовой смеси и выполнен в виде топливного элемента с диффузионным анодом каталитически селективным по отношению к водороду и диффузионным катодом каталитически селективным по отношению к кислороду, при этом между осушителем газовой смеси и топливным элементом установлен обратный клапан для рециркуляции газовой смеси, а анодное и катодное газовые пространства топливного элемента разделены другим обратным клапаном для улучшения коэффициента использования
На Фиг. 1 схематически изображена линия электролитического получения воды с пониженным содержанием дейтерия.
Линия содержит блок питания 1 электрически связанный с электролизером 2, выход которого соединен газовым трубопроводом с входом осушителя 3, также соединенного газовым трубопроводом с обратным клапаном 4, который соединен прямым и обратным трубопроводами соответственно с газовыми камерами топливного элемента 5 через вход анодного газового пространства 6 и выход катодного газового пространства 7. При этом наиболее эффективный сбор воды может быть достигнут в топливном элементе с ионообменными мембранами. Для повышения коэффициента использования газов за один цикл катодное и анодное газовые пространства топливного элемента 5 разделены другим обратным клапаном 8. Топливный элемент 5 электрически соединен с электролизером 2. Выход топливного элемента 5 соединен жидкостным трубопроводом со сборником обедненной дейтерием воды 9.
Работа линии осуществляется следующим образом.
Переменный трехфазный ток внешней электрической сети преобразуется в постоянный блоком питания 1 и поступает на электролизер 2, куда подается и дистиллированная вода. Образовавшаяся в электролизере 2 смесь кислорода и обедненного дейтерием водорода для предотвращения обратного изотопного обмена водорода с парами воды поступает по газовому трубопроводу в осушитель 3, где осушается регенерируемым водопоглощающим веществом. Далее осушенная газовая смесь поступает в газовое анодное пространство 6 топливного элемента 5, где водород из смеси вступает в электродную реакцию на каталитически селективном к водороду аноде, а газовая смесь обедненная водородом через обратный клапан 8 поступает в газовое катодное пространство 7, где кислород из смеси вступает в катодную электродную реакцию на каталитически селективном к кислороду катоде. После этого нормализованная водород-кислородная смесь через обратный клапан 4 поступает на вход анодного газового пространства 6 топливного элемента 5 для подпитки свежей смесью из электролизера. Образовавшаяся в топливном элементе 5 вода поступает в сборник обедненной дейтерием воды 9, где подвергается минерализации. Постоянный ток, генерируемый на электродах топливного элемента подается на вход электролизера 2 для компенсации части энергозатрат процесса электролиза.
Использование в линии в качестве разделителя водород-кислородной смеси диффузионного анода каталитически селективного по отношению к водороду и диффузионного катода каталитически селективного по отношению к кислороду позволяет исключить из схемы мембранный разделитель газов с палладиево-серебряной мембраной и таким образом упростить конструкцию установки и повысить ее эффективность, устранив энергозатраты на процесс мембранного разделения водород-кислородной смеси.
Устранение мембраны также позволит снизить металлоемкость установки по редким и драгоценным металлам, т.е. удешевить ее и производить разделение газовой смеси на компоненты на электродах топливного элемента при последовательной циркуляции газовой смеси через каталитически селективный по отношению к водороду анод и далее каталитически селективный по отношению к кислороду катод, при этом процесс протекает при обычных условиях. Кроме того отсутствие мембранного разделителя газовой смеси позволяет увеличить коэффициент использования газовой смеси на 25-30%, т.к. исключается возможность каталитического взаимодействия кислорода с водородом на поверхности палладий-серебряной мембраны.
Таким образом, предлагаемая линия по получению биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия позволяет более эффективно, чем в прототипе получать качественный продукт при меньших материальных и энергетических затратах.
Линия электролитического получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающая электролизер, осушитель электролизных газов, разделитель газовой смеси, преобразователь электролизных газов в воду в виде низкотемпературного водород-кислородного топливного элемента, электрически соединенный с электролизером для частичной компенсации энергозатрат в процессе электролиза, конденсатор паров воды и сборник обедненной дейтерием воды, отличающаяся тем, что преобразователь электролизных газов в воду совмещен с разделителем газовой смеси и выполнен в виде топливного элемента с диффузионным анодом каталитически селективным по отношению к водороду и диффузионным катодом каталитически селективным по отношению к кислороду, при этом между осушителем газовой смеси и топливным элементом установлен обратный клапан для рециркуляции газовой смеси, а анодное и катодное газовые пространства топливного элемента разделены другим обратным клапаном для улучшения коэффициента использования газов.
