СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕГКОЙ ВОДЫ Российский патент 2007 года по МПК C01D5/00 B01D59/00 B01D59/02 B01D3/14 

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода, а более конкретно - к способу и установке для получения легкой, особо чистой воды с повышенным содержанием в ней доли молекул ¹Н₂ ¹⁶О.

Вода с точки зрения химии является веществом, состоящим из молекул Н₂О. В природе совершенно чистой воды не существует. Природная вода всегда в той или иной мере содержит механические, химические и биологические примеси.

На сегодняшний день проблема очистки воды для ее использования в различных отраслях промышленности стоит очень остро.

В зависимости от предполагаемого применения вода подвергается разным способам очистки. Фильтрация, дистилляция, использование эффекта обратного осмоса позволяют получать воду с необходимой степенью чистоты: дистиллированную, деионизированную, при этом стерильную или нестерильную, апирогенную и т.д. и т.п. Количество механических, химических, биологических примесей может быть снижено до весьма низких уровней, например, при использовании методов с применением процесса осмоса. Однако традиционные способы очистки не изменяют изотопный состав молекул Н₂О, в результате чего остаются молекулы воды, содержащие тяжелые изотопы водорода и кислорода, в среднем в природной воде суммарно по весу до 2,97 г/кг (расчеты приведены далее).

Общеизвестно, что молекула воды Н₂О состоит из двух химических элементов - водорода Н и кислорода О. В свою очередь каждый элемент представляет собой совокупность нескольких изотопов [1].

В дальнейшем в тексте:

- понятие «водород» (буквенное обозначение: H) подразумевает под собой химический элемент как совокупность всех возможных изотопов водорода;

- понятие «кислород» (буквенное обозначение: O) подразумевает под собой химический элемент как совокупность всех возможных изотопов кислорода;

- понятие «вода» подразумевает под собой любую реальную воду, в том числе природную или полученную промышленным способом, представляющую собой смесь Н₂О и большого числа различных веществ в виде механических примесей, растворенных газов, солей, биологических примесей и т.д., подлежащих или не подлежащих удалению в зависимости от дальнейшего применения воды;

- буквенное обозначение Н₂О подразумевает под собой совокупность всех возможных изотопных разновидностей молекул воды, образованных изотопами химических элементов - водорода H и кислорода O;

Водород в природе представлен стабильными нерадиоактивными изотопами:

- протием (буквенное обозначение ¹Н);

- дейтерием (буквенное обозначение ²H, историческое обозначение D, далее по тексту используются буквенные обозначения D, либо равнозначное ²Н).

Кислород, в свою очередь, представлен тремя стабильными нерадиоактивными изотопами:

- кислородом-16 (буквенное обозначение ¹⁶О);

- кислородом-17 (буквенное обозначение ¹⁷О);

- кислородом-18 (буквенное обозначение ¹⁸О).

Данное изобретение касается только вышеперечисленных стабильных нерадиоактивных изотопов.

Стабильные изотопы водорода со стабильными изотопами кислорода образуют 9 изотопных разновидностей молекул воды, а именно: ¹Н₂ ¹⁶О, ¹Н₂ ¹⁷О, ¹H₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶О, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O. В количественном отношении основная масса воды природных источников представлена молекулами ¹Н₂ ¹⁶О, состоящими из легких изотопов ¹Н и ¹⁶О. Количество молекул воды, содержащих тяжелые изотопы: D, ¹⁷O, ¹⁸O, зависит от концентрации указанных изотопов, которая в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP.

Объем запасов воды в различных резервуарах гидросферы Земли равен примерно 1834 млн м³. Из них доля вод Мирового океана составляет 1370 млн м³, речных и озерных вод - 0,231 млн м³, ледниковых вод - 24 млн м³ и т.д. [2].

Поскольку основная часть воды на Земле сосредоточена в Мировом океане и океаническая вода весьма стабильна по изотопному составу, количественное содержание тяжелых изотопов D и ¹⁸O в ней принято в качестве международного стандарта SMOW (стандарт среднеокеанической воды).

Для стандарта SMOW отношение содержания в воде дейтерия к протию составляет D/H=155,76×10^-6, а отношение содержания изотопов кислорода составляет ¹⁸О/¹⁶О=2005,20×10^-6 [3].

Концентрация изотопов D, ¹⁷О, ¹⁸О в воде может выражаться либо в долях, либо в атомных процентах (ат. % или ⁰/₀₀), либо в единицах ppm (part per million - часть на миллион) [2, 4]. Сумма концентраций протия и D, равно как и сумма концентраций трех изотопов кислорода, равна 100 ат.% или миллиону (в единицах ppm).

По международному стандарту SMOW абсолютное содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет:

D_SMOW/¹H_SMOW=(155,76±0,05)×10^-6, или 155,76 ppm

¹⁸O_SMOW/¹⁶O_SMOW=(2005,20±0,45)×10^-6, или 2005 ppm [3].

Именно эти значения в стандарте SMOW приняты за точку отсчета. Существуют относительные единицы, выражающие содержание дейтерия и кислорода-18 в молекулах воды, приравненные к нулю и обозначаемые для дейтерия как δD=0⁰/₀₀ (или 155,76 ppm), для кислорода-18 δ¹⁸O=0⁰/₀₀ (или 2005,2 ppm).

В образцах проб воды с содержанием изотопных разновидностей молекул Н₂О отличающимся от SMOW, величины δD и δ¹⁸O выражаются в ⁰/₀₀ в виде относительного отклонения от нулевого значения в большую (со знаком +) или меньшую (со знаком -) сторону.

Для расчета единиц δD и δ¹⁸O используется следующая формула [5]:

В результате проведения математических преобразований и подстановок значений вышеуказанных величин получаем следующую формулу для пересчета концентрации из относительных величин δD и δ¹⁸O в единицы ppm:

(D) ppm=155,76 (δD/1000+1)

(¹⁸О) ppm=2005,2 (δ¹⁸O/1000+1),

где (D) ppm и (О) ppm содержание соответственно D и ¹⁸О, выраженное в ppm.

Наименьшие концентрации дейтерия и кислорода-18, обнаруженные в природной воде, описываются международным стандартом SLAP (стандарт легких антарктических осадков). Концентрация дейтерия по SLAP составляет D/H=89×10^-6 (89 ppm или δD=-428⁰/₀₀). Концентрация кислорода-18 по SLAP составляет ¹⁸O/¹⁶O=1894×10^-6 (1894 ppm или δ¹⁸O=-55,5⁰/₀₀) [3].

Изменение концентрации кислорода-17 в природных водах в связи с его физико-химическими свойствами достаточно жестко связано с изменением концентрации кислорода-18. По данным разных авторов соотношение концентраций ¹⁸О/¹⁷О находится в пределах от 4,9 до 5,5 [6, 7]. Таким образом, концентрация кислорода-17 в природных водах по SMOW составляет 390 ppm (0,039 ат.%), а по SLAP может снижаться до 368 ppm (0,0368 ат.%) [2, 3, 6].

Вышеприведенные стандартные значения концентраций тяжелых изотопов дают возможность подсчитать процентное и, в конечном итоге, весовое количество изотопных разновидностей молекул в воде из природных источников в рамках стандартов SMOW и SLAP.

В воде между молекулами Н₂О происходит интенсивный изотопный обмен атомами водорода (протием и дейтерием). При этом устанавливается термодинамическое равновесие между изотопными разновидностями молекул воды, содержащими дейтерий. В результате этого процесса наибольшую в количественном отношении долю молекул воды, содержащих дейтерий, составляют молекулы ¹HD¹⁶О. В водах, близких по изотопному составу к природным, количественная доля молекул D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O, HD¹⁷O, HD¹⁸O мала и составляет в сумме менее 0,0009 г/кг. В дальнейших расчетах доля этих молекул присоединяется к доле ¹HD¹⁶О.

В результате перераспределения атомов дейтерия между молекулами воды величина ¹HD¹⁶O/¹H¹⁶O удваивается по сравнению с величиной D/¹H.

Например, для SMOW при соотношении концентрации D/¹H=155,76×10^-6 соотношение концентраций ¹HD¹⁶О/¹H₂ ¹⁶O удваивается и составляет 311,52×10^-6.

Таким образом, в природных водах в 1000000 молекул Н₂О в среднем содержится 997284 молекулы ¹Н₂ ¹⁶O, 311 молекул ¹HD¹⁶O, 390 молекул ¹H₂ ¹⁷O и около 2005 молекул ¹Н₂ ¹⁸О. Массовая доля и соответствующее ей весовое количество изотопных разновидностей молекул Н₂O в природной воде, соответствующей стандарту SMOW, приведено в таблице 1. Аналогичные показатели для природной воды, соответствующей стандарту SLAP, приведены в таблице 2.

При расчете молекулярных масс изотопных разновидностей молекул воды использовались следующие значения атомных масс в международных углеродных единицах:

масса ¹Н равна 1.007825035,

масса D равна 2,014101779,

масса ¹⁶О равна 15,99491463,

масса ¹⁷О равна 16,9991312,

масса ¹⁸О равна 17,9991603 [9].

Как видно из результатов, представленных в таблицах, в совокупности в природной воде весовая концентрация молекул ¹H₂ ¹⁷O, ¹Н₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷О, D₂ ¹⁸O, может составлять до 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой с содержанием в природной воде других характерных компонентов. Например, общая минерализация питьевой воды может составлять от 1 до 5 г/кг. Такой переход от условных атомарных единиц к весовым показателям количества изотопных разновидностей молекул Н₂О позволяет оценить чистоту и однородность воды по изотопному составу.

В соответствии с приведенными данными можно условно определить понятия изотопно-легких и изотопно-тяжелых вод.

К изотопно-легким относят природную воду, в которой содержание молекул, включающих в себя тяжелые изотопы, приближается к стандарту SLAP. Также к этой категории относятся искусственно полученные воды с пониженной концентрацией дейтерия, но с природным изотопным составом кислорода в Н₂О. Такими водами являются «Талая вода», «Реликтовая вода» и ряд других [9-14]. Автором патентов [13, 14] для воды, из которой определенным методом удаляется дейтерий, предлагается собственное название DDW (Deuterium Depleted Water - вода, обедненная по дейтерию) [4].

Традиционно в литературе в отношении изотопно-тяжелых вод употребляется несколько терминов.

Тяжелой водой называется вода с повышенным содержанием дейтерия и природным изотопным составом кислорода.

Тяжелокислородной водой называется вода с повышенным содержанием кислорода-18 и природным изотопным составом водорода.

Тяжелокислородной по кислороду-17 водой называется вода с повышенным содержанием кислорода-17 и природным изотопным составом водорода.

Таким образом, изотопно-тяжелой, в целом, может считаться вода с увеличенным содержанием, как минимум, одной из разновидностей молекул: ¹H₂ ¹⁷О, ¹H₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O, и соответственно уменьшенным содержанием молекул ¹Н₂ ¹⁶О, а изотопно-легкой - вода с уменьшенным содержанием, как минимум, одной из разновидностей молекул: ¹H₂ ¹⁷O, ¹H₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O, и соответственно увеличенным содержанием молекул ¹H₂ ¹⁶О. При этом увеличение или уменьшение количества молекул ¹Н₂ ¹⁶O, а также молекул, содержащих тяжелые изотопы, может быть не только абсолютным (выше или ниже стандартных показателей SMOW и SLAP), но и относительным - по отношению к этому показателю, характерному для питьевой воды в конкретном регионе проживания человека.

Молекула ¹H₂ ¹⁶О является наиболее легкой из совокупности изотопных разновидностей молекул воды. Поэтому вода с существенно увеличенной долей ¹Н₂ ¹⁶О характеризуется меньшим молекулярным весом, обладает меньшей плотностью и является наиболее легкой в категории изотопно-легких вод. Такая вода в заявленном изобретении терминологически определяется как легкая очищенная или легкая особо чистая вода.

Физические, химические и биологические свойства изотопно-тяжелых вод (тяжелой по D, тяжелой по кислороду ¹⁷O и кислороду ¹⁸O) существенно отличаются друг от друга и от свойств природной воды. Например, изменяются температуры кипения и замерзания, плотность скорость химических и биохимических реакций [2, 9, 10, 11]. Это позволяет рассматривать вышеперечисленные тяжелые изотопные модификации Н₂О как различные самостоятельные вещества, которые по отношению к воде ¹Н₂ ¹⁶О являются примесями.

Реакция биосистем при воздействии на них Н₂О, может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава Н₂О. 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 [12]. 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 [4, 13-21]. То есть 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. Наличие примесей в виде изотопно-тяжелой воды, уменьшая долю ¹H₂ ¹⁶O, изменяет некоторые характеристики и, следовательно, качество воды, так как первичным активным действующим началом является именно вода с молекулярным составом ¹Н₂ ¹⁶O, т.е. собственно «вода по определению» в химическом, физическом и биологическом смыслах. В природных водах количественное соотношение изотопных разновидностей молекул Н₂О зависит от географического положения региона, климатических условий, осадков, сезона года [3]. Океаническая вода, которая составляет основную массу воды на Земле, содержит меньшее количество ¹Н₂ ¹⁶O по сравнению с основными запасами пресных вод. Для пресноводных источников этот показатель колеблется, но в целом имеет тенденцию к увеличению по сравнению с океанической водой. Однако природные источники воды с наибольшим содержанием ¹Н₂ ¹⁶O (антарктические и высокогорные ледники), находятся в местах малонаселенных или практически незаселенных человеком.

Хотя изотопный состав атмосферной влаги поверхностных и подземных вод континентов колеблется в довольно широких пределах, эти колебания, однако, подчиняются определенным закономерностям [3]. Например, при уменьшении концентрации дейтерия в атмосферных осадках содержание кислорода-17 и кислорода-18 также снижается. Это обусловлено физико-химическими процессами испарения-конденсации воды, протекающими в природе. Корреляционная зависимость между δD и δ¹⁸О для природной воды, построенная на основании большого количества опытных данных, впервые была установлена Крейгом [5] и уравнение регрессии δD=8δ¹⁸O+10%o носит его имя.

Поэтому предпочтительнее, чтобы увеличение содержания ¹Н₂ ¹⁶О в воде при ее промышленном производстве происходило за счет удаления молекул, содержащих не только дейтерий, но и тяжелые изотопы кислорода (¹⁷О и ¹⁸О).

Уровень техники по вопросам производства изотопно-легкой воды представлен рядом патентов, однако все они касаются способов и установок, позволяющих снизить в воде в той или иной мере только количество тяжелых изотопов водорода, в основном дейтерия, при сохранении исходного изотопного состава кислорода в Н₂О.

Так, описаны способ и установки для получения «талой» и «реликтовой» воды с пониженным содержанием тяжелых изотопов дейтерия и трития [13-15]. Сущность предлагаемого способа состоит в том, что он включает операции охлаждения воды и последующего оттаивания замороженной воды [13]. Однако степень снижения количества дейтерия при этом весьма невелика. Существует установка, позволяющая методом электролиза достигать довольно значительного обеднения воды изотопами дейтерия в условиях отсутствия гравитации с целью использования такой воды в обитаемых космических объектах [16]. Но производительность такой установки крайне мала.

Наиболее близким техническим решением к объектам наших изобретений является патент RU 2125817 [17].

Согласно этому патенту воду с пониженным содержанием дейтерия получают методами дистилляции и/или стандартного электролиза. Из описания следует, что дистилляция происходит путем кипячения дистиллированной воды в перегонной колонке на 30-50 тарелок при давлении 50-60 мбар с флегмовым числом 12-13 и 10-кратным кубовым остатком. При использовании таких параметров концентрация дейтерия в первых фракциях составляет 20-30 ppm. Увеличивая число тарелок, можно еще снизить содержание дейтерия в воде до 1-10 ppm. В этом же патенте [17] предлагается способ производства D-обедненной воды с использованием электролиза. При этом концентрация D в полученной таким образом воде составляет 30-40 ppm. Далее предлагается смешивать приготовленную такими способами воду с обычной водой до получения содержания дейтерия между 111 и 135 ppm. To есть основной задачей является снижение в получаемой воде только содержания тяжелого изотопа водорода - дейтерия.

Хотя снижение содержания дейтерия в воде и приводит к некоторому увеличению доли ¹Н₂ ¹⁶O в H₂O, тем не менее обеднение воды только по дейтерию ограничивает возможность дальнейшего увеличения в ней содержания ¹Н₂ ¹⁶О. Как показали наши расчеты, максимально возможное содержание ¹Н₂ ¹⁶О в DDW, как и в любой воде, из которой удаляются только тяжелые изотопы водорода, составляет не более 997,36 г/кг (при минимальном остаточном содержании дейтерия 0,01 ppm), что находится в пределах, близких к природному уровню по стандарту SLAP.

Таким образом, предложенные способы и установки не дают возможности, тем более в промышленном масштабе, существенным образом увеличить долю ¹Н₂ ¹⁶О в исходной воде. Существенное возрастание доли ¹H₂ ¹⁶O в Н₂О возможно лишь при удалении всех разновидностей тяжелых изотопов D, ¹⁷О, ¹⁸О, точнее при удалении максимального числа молекул, содержащих вышеназванные изотопы: ¹Н₂ ¹⁶О, ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶О, ¹HD¹⁷О, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷О, D₂ ¹⁸O.

Задачей настоящего изобретения является создание способа и установки для производства воды с повышенным содержанием ¹H₂ ¹⁶O в промышленном масштабе. Исходной водой для производства воды с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О может служить натуральная природная вода, водопроводная вода, вода любой степени очистки (дистиллированная, деионизированная и т.д.).

Решение поставленной задачи достигается за счет разработки способа получения легкой воды, предусматривающего ректификацию исходной воды с помощью ректификационной колонны, содержащей контактное устройство, увеличивающее площадь поверхности для взаимодействия пар-жидкость, при этом содержание ¹Н₂ ¹⁶О в легкой воде составляет не менее 997,13 г/кг от общего количества Н₂О, а суммарное содержание ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляет не более 2,87 г/кг от общего количества Н₂О, при этом ректификация включает в себя следующие этапы:

- приготовление водяного пара из исходной воды с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной C₁;

- подача водяного пара в ректификационную колонну;

- взаимодействие пар-жидкость между нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара на поверхности контактного устройства внутри ректификационной колонны, путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны;

- конденсация водяного пара с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной С₂, в конденсаторе, установленном в верхней части ректификационной колонны, и накопление части конденсата в виде конденсированной легкой воды, при этом С₂>C₁;

предпочтительно, чтобы давление пара в ректификационной колонне составляло от 0,05 до 0,6 бар;

предпочтительно, чтобы выход сконденсированной легкой воды составлял от 0,001 до 0,25 от общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну.

Контактное устройство может быть представлено в виде тарелок.

Предпочтительнее, чтобы контактное устройство представляло собой структурированную или рандомизированную насадку.

Предпочтительнее, чтобы содержание ¹Н₂ ¹⁶О в полученной легкой воде составляло не менее 997,36 г/кг от общего количества Н₂О, а суммарное содержание ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляло не более 2,64 г/кг от общего количества Н₂О.

Более предпочтительно, чтобы содержание ¹Н₂ ¹⁶О в легкой воде составляло не менее 997,51 г/кг от общего количества Н₂О, а суммарное содержание ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляло не более 2,49 г/кг от общего количества Н₂О.

Поставленная задача также решается за счет создания установки для получения легкой воды, включающей в себя ректификационную колонну, которая содержит контактное устройство для увеличения поверхности для взаимодействия пар-жидкость, при этом содержание ¹Н₂ ¹⁶О в легкой воде составляет не менее 997,13 г/кг от общего количества Н₂О, а суммарное содержание ¹H₂ ¹⁷O, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляет не более 2,87 г/кг от общего количества Н₂О, при этом установка включает в себя:

- узел приготовления водяного пара из исходной воды с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной C₁;

- узел подачи водяного пара в ректификационную колонну;

- ректификационную колонну, представляющую собой узел взаимодействия пар-жидкость между нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара на поверхности контактного устройства внутри ректификационной колонны путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны;

- узел конденсации водяного пара с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной С₂, в конденсаторе, установленном в верхней части ректификационной колонны, и накопление части конденсата в виде конденсированной легкой воды, при этом С₂>С₁;

предпочтительно, чтобы давление пара в ректификационной колонне составляло от 0,05 до 0,6 бар;

предпочтительно, чтобы выход сконденсированной легкой воды составлял от 0,001 до 0,25 от общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну.

Контактное устройство может быть представлено в виде тарелок.

Предпочтительнее, чтобы контактное устройство представляло собой структурированную или рандомизированную насадку.

Предпочтительнее, чтобы содержание ¹Н₂ ¹⁶О в полученной легкой воде составляло не менее 997,36 г/кг от общего количества Н₂О, а суммарное содержание ¹H₂ ¹⁷O, ¹H₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶O, 1HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляло не более 2,64 г/кг от общего количества H₂O.

Более предпочтительно, чтобы содержание ¹Н₂ ¹⁶О в легкой воде составляло не менее 997,51 г/кг от общего количества Н₂О, а суммарное содержание ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляло не более 2,49 г/кг от общего количества Н₂О.

Иллюстративным примером материала насадки является медь, никель, нержавеющая сталь или сплавы.

Процесс ректификации исходной воды с целью получения воды с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О иллюстрируется фиг.1, где схематично изображена установка, состоящая из узла приготовления водяного пара из исходной воды с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной С₁ (1), узла подачи водяного пара в ректификационную колонну (2), узла взаимодействия пар-жидкость, представляющего собой ректификационную колонну (3) с контактным устройством внутри нее (4), узла конденсации водяного пара с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной С₂ (5), где С₂>С₁; стрелками показаны направления потоков восходящего пара и нисходящей жидкости.

Варьируя количество ступеней разделения в колонне, рабочее давление, а также отношение отбора части конденсата в виде воды с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О к потоку жидкости в ректификационной колонне, получаем заданную степень обогащения воды ее наиболее легкой составляющей ¹Н₂ ¹⁶О. Степень обогащения зависит от конкретной цели применения легкой воды.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание эффективного способа и установки для промышленного производства легкой особо чистой воды с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О. Способ и установка для производства легкой воды, предложенные в патенте, позволяют промышленным путем достигать весьма значительной степени удаления из исходной воды совокупности молекул, содержащих тяжелые изотопы водорода и кислорода: ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O и, следовательно, значительного увеличения содержания Н₂ ¹⁶О. В результате этого получается новый продукт - легкая особо чистая вода с высокой степенью однородности по изотопному составу. Работ по созданию целенаправленной технологии получения воды с увеличенным содержанием доли ¹H₂ ¹⁶O в патентной и периодической литературе не обнаружено.

Процесс производства легкой очищенной воды с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О с применением способа и установки, заявленных в изобретении, продемонстрирован в примере. Пример приведен только для иллюстрации эффективности и возможностей данного изобретения, ни в коей мере не ограничивая области его применения.

Пример 1 Процесс производства легкой особо чистой воды с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О с применением способа и установки, заявленных в изобретении.

Исходная дистиллированная вода с содержанием ¹Н₂ ¹⁶О, равным 997,0927 г/кг (концентрация С₁), поступает в отдельную емкость для приготовления водяного пара (1, фиг.1). Пар вырабатывается с помощью тепло-электронагревательных элементов общей мощности 12 кВт. Полученный водяной пар направляется в ректификационную колонну через специальный узел подачи и распределения водяного пара (2, фиг.1), примыкающий к основанию ректификационной колонны. Отсюда водяной пар поступает непосредственно в ректификационную колонну, представляющую собой узел взаимодействия между восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости (3, фиг.1). Процесс происходит путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны. Колонна представляет собой полый цилиндр, выполненный из нержавеющей стали 02Х12Т, толщина стенки 2 мм, высотой 6000 мм, диаметром 100 мм. Внутреннее пространство колонны засыпным способом заполнено рандомизированной насадкой (4, фиг.1) для увеличения поверхности взаимодействия между восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости в ректификационной колонне.

Насадка представляет собой 3-миллиметровые спирально-призматические элементы, выполненные из нержавеющей проволоки диаметром 0,2 мм. Удельная поверхность насадки составляет 2550 м²/м³, доля свободного объема 0,84 м²/м³, масса единицы объема 1100 кг/м³.

Процесс обогащения водяного пара наиболее легкими молекулами происходит в ректификационной колонне на поверхности контактного устройства (насадки) при температуре 60°С и давлении 0,2 бар. Полученный водяной пар с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О в объеме 16 л/час конденсируется в узле конденсации (5, фиг.1), расположенном в верхней части ректификационной колонны. Выход сконденсированной легкой воды составляет 0,025 часть от общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну, и равен 0,4 л/час. Готовый продукт - легкая вода с повышенным содержанием ¹Н₂ ¹⁶О, равным 997.65 г/кг (концентрация С₂; при этом С₂>C₁).

Источники информации

1. Глинка. Общая химия. М.: «Химия», 1975 г., стр.102.

2. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. Москва: ИздАТ, 2000 г., с.186.

3. Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г., стр.47., стр.10, 47, 46, 10.

4. Somlyai G. «Let's Defeat Cancer!». Akademiai Kiado, Budapest, 2001.

5. Creig H. «Standard for reporting concentration of deuterium and oxygen-18 in natural water». Science, 1961, vol.133, p.1833-1834.

6. Шатенштейн А.И. Варшавский Я.М. и соавт. Изотопный анализ воды. Москва: Издательство Академии Наук, 1954 г., стр.15.

7. ACOS Bulletin, №21, October 1979, стр.14.

8. Куликов И.С. Изотопы и свойства элементов. Справочник. Москва: Металлургия, 1990.

9. Кульский Л.А., Гороновский И.Т., Когановский А.М., Шевченко М.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. Киев: Наукова думка, 1980.

10. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D₂O в биологических системах. Москва: Наука, 1978 г.

11. Лобышев В.И. Механизмы термодинамических и кинетических изотопных эффектов D₂O в биологических системах Автореф. докт. диссертации. Москва, - 1987 (биофак МГУ).

12. Kushner D.J., Baker F., Dunstall T.G. Can. J. Physiol. Pharmacol. 1999, Feb.77(2): 79-88.

13. Патент RU 2031085. Способ получения биологически активной питьевой воды и установка вин-6 для его осуществления. Варнавский И.И. и др.

14. Патент RU 2091335. Установка ВИН-7 "Надiя" для получения целебной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и трития "Реликтовая вода". Варнавский И.Н. и др.

15. Патент RU 2091336. "Способ получения целебной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и трития "Реликтовая вода". Варнавский И.Н. и др.

16. Патент RU 2182562. Способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия устройство для ее получения. Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем, Синяк Ю.Е.

17. Патент RU 2125817. Пищевой продукт для профилактики развития заболеваний и способ производства пищевых продуктов, пригодных для профилактики развития опухолевых заболеваний. Шомяи Г. (Hu).

18. Патент RU 2139062. Гигиенические и косметические препараты для профилактики и лечения заболеваний кожи. Шомяи Г. (Hu).

19. Синяк Ю.Е., Левинских М.А., Гайдадымов В.Б., и др. Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях (материалы Российской конференции) Москва, 26-29 сентября 2000 г., стр.90-92.

20. Синяк Ю.Е., Гурьева Т.С., Гайдадымов В.Б., и др. Космическая биология и авиакосмическая медицина. (Тезисы док. 11 конференции), Москва, Россия, 22-26 июня, 1998 г., стр.201-202.

21. Родимов Б.Н. Действие снеговой воды на живые организмы. «Сельскохозяйственное производство Сибири и Дальнего Востока». Омск 4, 1965 г., стр.56-57.

Изобретение может быть использовано при проведении технологических процессов, получении лекарственных, парфюмерно-косметических средств и питьевой воды. Установка включает ректификационную колонну с контактным устройством для увеличения поверхности для взаимодействия пар-жидкость, узел приготовления водяного пара из исходной воды с концентрацией ¹H₂ ¹⁶O, равной C₁, узел подачи водяного пара в ректификационную колонну, узел конденсации водяного пара с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶O, равной C₂, в конденсаторе, установленном в верхней части ректификационной колонны, причем C₂>C₁. Способ по изобретению предусматривает накопление части конденсата в виде конденсированной легкой воды. Ректификационная колонна представляет собой узел взаимодействия пар-жидкость между нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара на поверхности расположенного внутри контактного устройства, при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны. Давление пара в ректификационной колонне 0,05-0,6 бар, выход конденсированной легкой воды - 0,001-0,25 от общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну. Контактное устройство может быть выполнено в виде тарелок, структурированной или рандомизированной насадки. Изобретение позволяет получить в промышленных масштабах легкую воду с содержанием ¹Н₂ ¹⁶O не менее 997,13 г/кг и суммарным содержанием ¹Н₂ ¹⁷O, ¹Н₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O не более 2,87 г/кг от общего количества H₂O. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ получения легкой воды, предусматривающий ректификацию содержащей исходной воды с помощью ректификационной колонны, содержащей контактное устройство, увеличивающее площадь поверхности для взаимодействия пар-жидкость, при этом содержание ¹Н₂ ¹⁶О в легкой воде составляет не менее 997,13 г/кг от общего количества H₂O, а суммарное содержание ¹H₂ ¹⁷O, ¹H₂ ¹⁸O, ¹HD¹⁶O, ¹HD¹⁷O, ¹HD¹⁸O, D₂ ¹⁶O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O в легкой воде составляет не более 2,87 г/кг от общего количества Н₂O, при этом ректификация включает в себя следующие этапы:

приготовление водяного пара из исходной воды с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶O, равной С₁;

подачу водяного пара в ректификационную колонну;

взаимодействие пар-жидкость между нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара на поверхности контактного устройства внутри ректификационной колонны путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны;

конденсацию водяного пара с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶O, равной С₂, в конденсаторе, установленном в верхней части ректификационной колонны, и накопление части конденсата в виде конденсированной легкой воды, при этом С₂>С₁;

при этом давление пара в ректификационной колонне составляет от 0,05 до 0,6 бар и выход конденсированной легкой воды составляет от 0,001 до 0,25 общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну.

при этом установка включает в себя

узел приготовления водяного пара из исходной воды с концентрацией ¹Н₂ ¹⁶О, равной C₁;

узел подачи водяного пара в ректификационную колонну;

ректификационную колонну, представляющую собой узел взаимодействия пар-жидкость между нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара на поверхности контактного устройства внутри ректификационной колонны путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны;

узел конденсации водяного пара с концентрацией ¹H₂ ¹⁶O, равной С₂, в конденсаторе, установленном в верхней части ректификационной колонны, и накопление части конденсата в виде конденсированной легкой воды, при этом C₂>C₁;

при этом давление пара в ректификационной колонне составляет от 0,05 до 0,6 бар и выход конденсированной легкой воды составляет от 0,001 до 0,25 общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну.