СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПНЫХ ВИДОВ ВОДЫ Российский патент 2011 года по МПК C02F1/22 C01B5/00 B01D59/08 

Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды. Изобретение относится к способам определения кристаллизации и образования льда тяжелых изотопных видов воды в природной при ее равномерном охлаждении и применяется в датчиках кристаллизации установок разделения легкой и тяжелых вод.

Известен «способ определения кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды» при равномерном, объемном охлаждении природной воды [1]. Он состоит в определении образования льда воды на поверхности 2-х плавающих электродов, погруженных острием в воду на глубину до 0,5 мм, и площадью электрического контакта с поверхностью воды до 1 мм². Электроды подключены к устройству, которое вырабатывает сигнал после уменьшения электропроводности межэлектродного пространства, вызываемое образованием льда на поверхности электродов. Они имеют конусовидную форму и изготовлены из углерода (графита).

Идея этого способа состоит в следующем: известно, что кристаллизация тяжелых видов воды ¹Н₂ ¹⁷О, ¹Н₂ ¹⁸О, ¹Н²Н¹⁶О, ¹Н²Н¹⁷О, ¹Н²Н¹⁸О, ²Н₂ ¹⁶О, ²Н₂ ¹⁷О, ²Н₂ ¹⁸О происходит при температуре в диапазоне от +3.81 до +0.28С°. Рыхлая масса кристаллов тяжелых видов воды образуются после выделения энергии кристаллизации молекул в воду и случайной встрече таких же молекул при циркуляции воды. Легкая вода ¹Н₂ ¹⁶О кристаллизуется и образует лед при 0С° после выделения энергии кристаллизации легкой воды в окружающую среду. Поэтому при медленном, равномерном, с циркуляцией охлаждении объема воды в момент начала кристаллизации легкой воды ¹Н₂ ¹⁶О все остальные виды тяжелой изотопной воды находятся в виде кристаллов льда в объеме воды и образуют взвесь кристаллов в воде. Кристаллизация легкой воды начинается с ее поверхности, так как присутствует эффект испарения воды, понижающий температуру поверхности, относительно остального объема. Поэтому при равномерном, с циркуляцией охлаждении природной воды начало образования льда легкой воды на поверхности свидетельствует о завершении кристаллизации тяжелых изотопных видов воды. Известно, что лед обладает свойствами полупроводника и диэлектрика, а вода обладает электрической проводимостью в зависимости от солевого состава [2, 3]. Поэтому при размещении на поверхности воды двух электродов и прикладывании к ним электрического напряжения через воду проходит электрический ток, а при образовании льда на поверхности электродов ток через воду прекращается. В связи с тем, что 8 видов тяжелой воды составляют около 0.27% объема воды, и при равномерном, объемном охлаждении природной воды к моменту образования льда на электродах 8 видов тяжелой воды в виде взвеси уже находятся в кристаллической форме в объеме воды, а площадь поверхности контакта электродов с водой составляет сотые и даже возможно ниже доли процентов площади поверхности, можно утверждать, что на поверхности электродов образуется лед легкой воды ¹Н₂ ¹⁶О.

Поэтому время образования льда воды на электродах, на которых имеется разность потенциалов и которые размещены на поверхности равномерно охлаждаемой воды, и, как следствие, время прекращения электрического тока через воду и электроды является временем, к которому завершена кристаллизация тяжелой воды.

Способ-прототип работает при условии, что электрический ток через воду не оказывает сколь-нибудь существенного влияния на воду, поэтому электроды должны иметь минимальную площадь, а напряжение на них минимальное, достаточное для определения электропроводности воды. Эти ограничения выполняются, если электроды погружены острием в воду на глубину до 0,5 мм, и имеют площадь электрического контакта с поверхностью воды до 1 мм², а напряжение находится в пределах 5-15V.

Использование известного способа кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды в изготовленных датчиках кристаллизации сопровождается несколькими нежелательными явлениями;

Известно, что при пропускании постоянного электрического тока через воду происходит диссоциация и поляризация молекул воды, что приводит к постепенному увеличению ее удельного электрического сопротивления. Это приводит к постепенному уменьшению величины тока через электроды и воду, а именно резкое уменьшение величины тока и является определяющим признаком и прототипа и заявленного способа. В условиях высокой интенсивности охлаждения воды в конце процесса ее охлаждения удельное электрическое сопротивление воды будет близким к начальному, а в условиях низкой интенсивности охлаждения воды будет приближаться к величине входного порогового сопротивления измерительного устройства. Это вызывает необходимость в установлении интенсивности охлаждения в зависимости от начальной температуры воды и требует высокой точности настройки измерительного устройства.

При пропускании через воду тока образуется тепловая энергия, температурный градиент которой максимален в точках контакта электродов с водой. При пропускании через воду постоянного тока тепловая энергия выделяется постоянно. Это обстоятельство ухудшает условия образования льда на электродах. Количество выделенной энергии зависит от солевого состава воды, который различен в разных местностях, особенно в случае использования природной воды, подверженной сезонным колебаниям солевого состава По этим причинам затрудняется определение времени завершения кристаллизации тяжелой воды.

Кроме этого при пропускании электрического тока через воду происходит электролиз воды и происходят электрохимические реакции [2]. В промышленных установках при больших объемах обрабатываемой воды этим можно пренебречь, но в бытовых установках объемом воды на 5 литров и длительности цикла около 5 часов происходит существенное изменение солевого состава воды. При использовании способа прототипа в бытовых устройствах получения легкой воды, изменение состава воды является непредсказуемым и нежелательным явлением.

В установках получения легкой воды равномерность охлаждения воды по объему достигается аэрацией воздухом и озоновоздушной смесью, что оказывает влияние на точность определения времени завершения кристаллизации тяжелой воды. В таких установках независимо от мощности установки и объема обрабатываемой воды наблюдается случайное скапливание пузырьков воздуха на электродах датчиков кристаллизации и поэтому возможна кратковременная потеря контакта электродов с водой, что вызывает ложные сигналы.

Выявлено, что при замерзании воды в порах графита лед вызывает постепенное разрушение электродов, пропадает контакт воды с электродом, начинается аварийный режим работы установки. Если в промышленных установках за этим может следить и ремонтировать обслуживающий персонал, то в бытовых установках требуется сервисное обслуживание специалистами.

Предлагаемое изобретение направлено на снижение воздействия измерительных токов электродов на обрабатываемую воду и исключение воздействия воздуха аэрации на электроды, что вызывает повышение точности определения кристаллизации тяжелой воды и повышение качества легкой воды, а также на повышение долговечности электродов, что вызывает повышение надежности установок получения легкой воды и снижение затрат на их обслуживание.

Предлагаемый способ снижает воздействия на обрабатываемую воду измерительных токов датчиков кристаллизации тяжелой воды заменой постоянного тока электродов на импульсный. В связи с тем, что длительность процессов охлаждения природной воды и кристаллизации тяжелой воды зависит от интенсивности охлаждения воды, зависящей от температуры воздуха, окружающего емкость кристаллизации, измерения свойств межэлектродного пространства вполне достаточно проводить 1 раз за 30-200 с, при длительности импульса напряжения до 2 секунд. При периодическом подведении импульсов электрического напряжения к двум электродам, расположенным на поверхности равномерно охлаждаемой воды, первый и последующие импульсы, которые не вызывают ток через воду вследствие образования на электродах льда воды означают завершение образования кристаллов льда 8 видов воды тяжелых изотопов водорода и кислорода. Суть предлагаемого изобретения состоит в замене постоянного измерительного напряжения электродов на два вида поочередных импульсов. Один вид импульсов - постоянного тока предназначен для определения изменения электропроводности межэлектродного пространства при образовании льда на поверхности электродов. Другой вид импульсов - переменного тока, которые предназначены для определения появления полупроводниковых свойств льда на электроде. Известно, что граница льда и воды обладает полупроводниковыми свойствами [3]. Эти свойства позволяют определить образование льда на поверхности электрода датчика кристаллизации тяжелой воды. Импульсы подаются на электроды после начала кристаллизации тяжелой воды в диапазоне температур между +2-0С° и до его завершения, с выдачей сигнала. При возникновении импульсов постоянного тока происходит поляризация молекул воды, причем скорость поляризации молекул воды и их деполяризации одинакова. Учитывая отсутствие постоянной поляризации воды и что длительность интервала между импульсами значительно превышает длительность импульса, можно утверждать, что при использовании заявленного изобретения соблюдается стабильность удельного электрического сопротивления межэлектродного пространства. По этой причине отпадает необходимость в шунтировании электродов во время отсутствия импульсов напряжения для устранения поляризации молекул воды. Существенное снижение величины среднего тока через воду позволяет использовать инертные металлические электроды, которые не разрушаются кристаллами льда и не изменяют солевой состав воды даже в малообъемных установках. При попадании пузырьков на электрод возможен отрыв электрода от воды и возникновение ложного сигнала. Поэтому один электрод должен обеспечивать поверхностный контакт с водой, а другой может быть в форме сетчатого полушара или цилиндра, кольца и даже сегмента кольца и должен ограждать электрод от всплывающих или движущихся по поверхности пузырьков. В итоге для устранения влияния пузырьков газа на электроды один электрод выполнен как защитное ограждение второго от пузырьков воздуха, который не изменен и обеспечивает поверхностный контакт с водой. Также для устранения влияния пузырьков газа на электроды перед моментом измерения процесс аэрации воды озоно воздушной смесью может быть остановлен на участке размещения электродов или он полностью прекращен в малообъемных установках. Как вариант, имеется решение, при котором частью воздуха, вырабатываемого компрессором аэрации, проводится сдувание и отгон пузырьков воздуха от электрода. Воздуховод для этого пропускается через охлаждаемую воду и воздух приобретает температуру воды.

При использовании предлагаемого изобретения в установках получения легкой воды несколько повышается точность разделения легкой и тяжелых вод, а изменение солевого состава воды минимально и несущественно. При использовании изобретения на промышленных предприятиях значительно снижаются затраты на периодическую замену электродов датчиков кристаллизации установок получения легкой воды. В связи с тем, что работа установок наиболее эффективна в зимнее время, а низкие температуры при ремонтных и профилактических работах создают дополнительные трудности рабочим, поэтому повышение срока службы электродов также является положительным эффектом предлагаемого изобретения. В результате снижается время простоя установок получения легкой воды, а в бытовых установках увеличивается время работы до отказа.

Источники информации

1. М.М.Муратов, Р.Ф Зинатуллин, Заявка RU №2006123162 на изобретение «Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды».

2. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Изд-во «Наука», 1980 г.

3. А.А.Шибков, М.А.Желтов и А.А.Королев. Собственное электромагнитное излучение растущего льда. журнал "Природа", N9, 2000.

Изобретение относится к обработке воды. Плавающие электроды конусовидной формы погружают острием в воду на глубину до 0,5 мм с площадью электрического контакта с поверхностью воды до 1 мм² и подключают к электронному устройству. При этом электроды изготовлены из инертного металла и один из них является защитным ограждением другого от пузырьков воздуха аэрации. После начала кристаллизации тяжелой воды в диапазоне температур +2-0°С поочередно подают импульсы постоянного и переменного измерительного напряжения с длительностью до 2 секунд и периодом между импульсами 30-200 секунд. При подаче импульса постоянного напряжения определяют изменения электропроводности межэлектродного пространства. При подаче импульсов переменного напряжения определяют появление полупроводниковых свойств льда на электроде. Перед моментом измерения проводят остановку процесса аэрации воды полностью или на участке размещения электродов. Изобретение позволяет снизить воздействия измерительных токов датчиков кристаллизации тяжелой воды на обрабатываемую воду, повышает точность определения кристаллизации тяжелой воды, повышает долговечность электродов.

Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды при равномерном объемном охлаждении природной воды, состоящий в определении времени образования льда на поверхности плавающих электродов конусовидной формы, погруженных острием в воду на глубину до 0,5 мм с площадью электрического контакта с поверхностью воды до 1 мм², подключенных к электронному устройству для пропускания и измерения тока через воду и выдачи сигнала, отличающийся тем, что на электроды, изготовленные из инертного металла, один из которых является защитным ограждением другого от пузырьков воздуха аэрации, после начала кристаллизации тяжелой воды в диапазоне температур +2°С - 0°С поочередно подают импульсы постоянного и переменного измерительного напряжения с длительностью до 2 с и периодом между импульсами 30-200 с, причем при подаче импульса постоянного напряжения определяют изменения электропроводности межэлектродного пространства, а при подаче импульсов переменного напряжения - появление полупроводниковых свойств льда на электроде, а перед моментом измерения проводят остановку процесса аэрации воды полностью или на участке размещения электродов.