Разделение изотопов воды

Добрый  день господин Мосин!

С интересом узнал, что ректификация используется для разделения изотопов воды. Мною разработана, и получила промышленное внедрение (спиртовая промышленность) инновационная технология массообмена. Эффективноть разделения компонентов  в 3-4 раза выше, при уменьшении затрат пара в 1,5-2 раза, чем в обычных колоннах. Я ищу новые области использования своей технологии. Как понял из Вашего сайта, это может быть ядерная энергетика. Если можете, подскажите, к кому  обратиться для получения консультации.  Скачать 3D анимации на процесс на сайте

С уважением, Владимир Малета

Ответ:

Уважаемый господин Малета,

Большое спасибо за интерес к нашему сайту.

Промышленная технология глубокой очистки воды от дейтерия и трития методом колоночной ректификации была разработана в 2004 году А. А. Тимаковым и В. И. Петриком.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду путём электролиза обычной воды.

В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую воду. Известна сверхтяжелая вода T₂O (атомная масса трития - Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов ¹⁶O атомы ¹⁷O и ¹⁸O. В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D₂O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO), а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 10¹⁸ атомов ¹H. Тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота нейтронами космического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8-9 атомов трития. В небольших количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг Т₂0. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104°С, замерзает при 4...9°С, имеет плотность 1,33 г/см³.

Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н₂О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из них 39 вариантов — радиоактивные, а стабильных вариантов всего девять:

Н₂ ¹⁶O, Н₂¹⁷O, Н₂¹⁸O, HD¹⁶O, HD¹⁷O, HD¹⁸O, D₂¹⁶O, D₂¹⁷O, D₂¹⁸O.

Классической водой следует считать протиевую воду ¹H₂¹⁶O в чистом виде, то есть без малейших примесей остальных 134 изотопных разновидностей. И хотя содержание протиевой воды в природе значительно превосходит содержание всех остальных вместе взятых видов, чистой ¹H₂¹⁶O в естественных условиях не существует. Во всем мире такую воду можно отыскать лишь в немногих специальных лабораториях. Ее получают очень сложным путем и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения чистой ¹H₂¹⁶O ведут очень тонкую, многостадийную очистку природных вод или синтезируют воду из исходных элементов ¹H₂ и ¹⁶O, которые предварительно тщательно очищают от изотопных примесей. Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

При этом основные физико-химические константы обычной и тяжелой воды существенно различаются. Обычная вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается химической формулой H₂O, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед образуется при 0°С (273 K), а закипает вода при 100 °C (373 K). Тяжелая вода превращается в лед при 3,813 °C, а пар образуется при 101,43 °C. По вязкости тяжелая вода на 20 % превосходит обычную воду, а максимальная плотность наблюдается при температуре 11,6 °C. Ее химическая формула D₂O, где водород заменен на дейтерий, атомная масса которого в 2 раза больше. Окись дейтерия имеет молекулярную массу 20,027. Удельная масса ее на 10 % выше, чем у обычной воды. Вот почему она и называется тяжелой водой.

Таблица Физические свойства обычной и тяжёлой воды

Физические свойства

D2O

H2O

Молекулярная масса

20

18

Плотность при 20C (г/см3)

1,1050

0,9982

T кристаллизации (C)

3,8

0

T кипения (C)

101,4

100

В 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах тяжелой воды обнаружено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Таким образом, речные, озерные, грунтовые и морские воды весьма несхожи по изотопному составу и, следовательно, как объекты, используемые для получения тяжелой воды, далеко не равнозначны. Было время, когда ее считали "мертвой водой" и полагали, что присутствие тяжелой воды в обычной замедляет обмен веществ, способствует старению организма. Случаи долгожительства на Кавказе некоторые исследователи связывают с меньшим количеством окиси дейтерия в горных потоках ледникового и атмосферного происхождения. Возникновение пустынь, исчезновение оазисов и гибель даже целых цивилизаций древности нередко приписывают накоплению тяжёлой воды в питьевой воде. И это не случайно, поскольку тяжелая вода подавляет все живое. Клетки животных способны выдерживать до 25-30% тяжёлой воды в среде, растений (50%), а клетки простейших микроорганизмов способны жить на 80% тяжелой воде. Поэтому тяжёлая вода высокой концентрации токсична для организма; химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных.

Теперь понятно, почему так важно очищать воду от тяжёлых изотопов и, в первую очередь от дейтерия, трития и ¹⁸О. Однако, эффективной очистки отработанной тяжёлой воды, загрязнённой тритием и другими тяжёлыми изотопами до последнего времени не существовало. Поэтому утилизация отработанной тяжёлой воды в атомной промышленности представляла серьёзную экологическую проблему, сдерживающую внедрение новых более эффективных типов ядерных реакторов. Важнейшим свойством тяжёлой воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах на уране-235 для торможения быстрых нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии и биологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино в Канаде содержит 1 килотонну тяжёлой воды.

Поскольку молекула тяжёлой воды имеет большую массу, чем молекула обычной воды, а связи атомов дейтерия с атомом кислорода прочнее связи атомов водорода с кислородом, тяжёлая вода имеет активнее удерживается в жидкой конденсированной фазе, в отличие от обычной воды. Поэтому давление пара тяжёлой воды всегда ниже, чем обычной воды. На построено фракционное разделение изотопов. В естественных условиях эти явления наблюдаются в экваториальных водах, когда в процессе испарения в поверхностных водах увеличивается концентрация изотопа D по сравнению с глубинными горизонтами. Изучение атмосферных осадков показывает, что в первую очередь с дождем выпадают тяжелые изотопы D или ¹⁸O. Изотопное разделение происходит в процессе замерзания и таяния. Арктический лед, образующийся из морской воды, содержит на 2 % изотопов D больше, чем вода, из которой он образовался.

Однако на практике коэффициент разделения изотопов методом ректификации довольно низкий. Ректификация воды осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами – насадками или тарелками. В процессе ректификации воды происходит непрерывный обмен между движущимся относительно друг друга молекул жидкой и паровой фазы. При этом жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим – тяжёлой водой и другими тяжёлыми изотопами трития ³Н и кислорода ¹⁸О. В большинстве случаев ректификацию осуществляют в противоточных колонных аппаратах с различными контактными элементами  - насадками или тарелками. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы – насадки и тарелки, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок.

Рис. Схема ректификационной колонны

Рис. Экспериментальная ректификационная установка по депротеинизации обычной воды, разработанная в Санкт-Петербургской лаборатории разделения изотопов водорода. Фото с сайта nrd.pnpi.spb.ru/lriv/home_rus.htm

На практике для более глубокой очистки воды от изотопов используется не одна ректификационная колонная, а целая серия – батарея колонн из 20 отдельных колонн.

Рис. Общий вид батареи колонн ректификации для разделения молекул воды на “лёгкие” и ”тяжёлые”. Фото с сайта www.langvey.ru

Сейчас работы по улучшению качества воды ведутся во всех странах мира. Яркий пример тому – деятельность Российской компании по производству лёгкой воды – Лангвэй.

Лёгкая вода (т.е. вода, свободная от дейтерия и других изотопов) – это сложный по своей структуре и составу продукт, оказывающий полифизиологическое действие на организм человека. В этой связи важно оценить, какое влияние на организм окажет очистка питьевой воды от тяжелых молекул при сохранении всех других компонентов воды на регламентируемых гигиеническими нормативами уровнях. Учитывая роль воды в организме и известные изотопные эффекты тяжелой воды, и результаты, полученные по легкой воде, можно ожидать, что наибольший эффект такая очистка может оказать на свойства биологических мембран, регуляторные системы и энергетический аппарат живой клетки. Хорошо известно, например, что под влиянием тяжелой воды ингибируется инициируемый глюкозой выход инсулина из ткани поджелудочной железы и островков Лангерганса, уменьшается скорость поглощения кислорода митохондриями клеток.

Основное действие, оказываемое легкой питьевой водой на человеческий организм – постепенное снижение содержания дейтерия в жидкостях тела за счёт реакций изотопного обмена. Анализ полученных результатов позволяет говорить о том, что очистка воды организма от тяжелой воды с помощью легкой питьевой воды позволяет улучшить работу важнейших систем организма.

Ежедневное употребление легкой питьевой воды позволяет естественным образом снизить содержание тяжелой воды в организме человека за счёт реакций изотопного обмена. Такая уникальная очистка нормализует работу клеточных мембран, улучшает общее самочувствие, повышает работоспособность, увеличивает энергетические ресурсы организма, способствует быстрому восстановлению организма после больших физических нагрузок.

Лёгкая питьевая вода «Лангвей» производится с различным остаточным содержанием дейтерия (от 125 до 50 ppm). Она фасуется в бутылки ПЭТ емкостью 0,55 л и 1,5 л) и предназначена для питья и приготовления пищи. На основании клинических испытаний, проведенных в Российском Научном Центре восстановительной медицины и урортологии и в Институте красоты, легкая питьевая вода «Лангвей» рекомендована в качестве ежедневного напитка для нормализации углеводного и липидного обмена, артериального давления, коррекции веса, улучшения работы желудочно-кишечного тракта, увеличения скорости водообмена и выведения шлаков и токсинов из организма.

Таблица. Сравнительная характеристика легкой питьевой воды "Лангвей" и минеральных вод известных марок

• Наимено-вание минераль- ной воды; pН; Концентрация основных ионов, мг/л; Концент- рация дейтерия, ppm
• Катионы; Анионы
• Ca2+; Mg2+; Na+; K+; Fe2+/3+; HCO3-; Cl -; F -; SO42-; NO3-
• Лангвей; 7,3; 43; 13,5; 2,3; 4,9; 0,02; 201,3; 4,8; 0,18; 4,8; <0,1; 50-125
• Московия; 7,2; 77,2; 24,4; 6,3; 10,4; <0,001; 378; 4,7; 1,2; 10,1; 0,1; 142
• Evian; 7,3; 80; 24,6; 5,5; 1; 0,005; 296; 3; 0,11; 11,5; 4,3; 148
• Perrier; 5,1; 142; 3,7; 15; 0,66; 0,015; 326; 30,5; 0,1; 76; 27; 145
• VITTEL; 7,2; 202; 36; 3,8; 2; 0,006; 402; 7,2; 0,28; 306; 6; 147
• VERA; 7,4; 33,7; 13,1; 2,3; 0,5; 0,001; 144; 2,1; 0; 15,3; 3,2; 145
• VICHY; 6,3; 108; 11,4; 1240; 70,8; 0,065; 3111; 240; 8,84; 173; 3,6; 144
• Вода высшей категории (СанПиН); 6,5 - 8,5; 25 - 80; 5 - 50; 20; 2 -20; 0,3; 30 - 400; 150; 0,6 - 1,2; 150; 5; Не регламен-тируется

Подобная технология позволяет произвести очистку природной воды от дейтерия до рекордных величин порядка 1-2 ppm. Это по-настоящему химически чистая лёгкая вода заданного изотопного состава. Кроме того, производительность очистки воды этим методом на порядок величин выше любого другого способа, что, соответственно, снижает ее стоимость. При широкомасштабном производстве лёгкой воды, в будущем она станет доступной любому человеку.  

В настоящее время компания по производству лёгкой воды Лангвэй – это динамично развивающаяся на российском рынке компания, которая использует современные научные разработки наших и зарубежных учёных. 

Рис. Узел разлива лёгкой воды Лангвэй. Фото с сайта www.langvey.ru

В будущих экспериментах планируется, что космонавты в межпланетных полетах будут пить в Космосе "легкую воду" - воду, из которой удалены тяжелые изотопы водорода и кислорода и обладающую положительным биологическим эффектами, в частности, защищающие организм от радиации.

С уважением,

К.х.н. О.В. Мосин