Разделение изотопов воды
Разделение изотопов воды
Хороший день государь Мосин!
С энтузиазмом вызнал, что ректификация употребляется для разделения изотопов воды. Мною разработана, и получила промышленное внедрение (спиртовая индустрия) инноваторская разработка массообмена. Эффективноть разделения компонентов в 3-4 раза выше, при уменьшении издержек пара в 1,5-2 раза, чем в обыденных колоннах. Я ищу новые области использования собственной технологии. Как сообразил из Вашего веб-сайта, это может быть ядерная энергетика. Если сможете, подскажите, к кому обратиться для получения консультации. Скачать 3D анимации на процесс на веб-сайте
С почтением, Владимир Малета
Ответ:
Почетаемый государь Малета,
Огромное спасибо за энтузиазм к нашему веб-сайту.
Промышленная разработка глубочайшей чистки воды от дейтерия и трития способом колоночной ректификации была разработана в 2004 году А. А. Тимаковым и В. И. Петриком.
Молекулы тяжёловодородной воды были в первый раз обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду оковём электролиза обыкновенной воды.
В составе обыкновенной воды можно найти не только лишь томную воду. Известна сверхтяжелая вода T2O (атомная масса трития — Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат заместо атомов 16O атомы 17O и 18O. В природных водах соотношение меж тяжёлой и обыкновенной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя по сути он отчасти находится в составе полутяжёлой воды HDO), а чтоб найти один атом трития, нужно иметь по последней мере 1018 атомов 1H. Тритий зарождается в больших слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из товаров бомбардировки атомов азота нейтронами галлактического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8-9 атомов трития. В маленьких количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере сразу насчитывается только 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 обыкновенной: бурлит при 104°С, леденеет при 4…9°С, имеет плотность 1,33 г/см3.
Если подсчитать все вероятные разные соединения с общей формулой Н2О, то полное количество вероятных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из их 39 вариантов — радиоактивные, а размеренных вариантов всего девять:
Н2 16O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.
Традиционной водой следует считать протиевую воду 1H216O в чистом виде, другими словами без мельчайших примесей других 134 изотопных разновидностей. И хотя содержание протиевой воды в природе существенно превосходит содержание всех других взятых вместе видов, незапятанной 1H216O в естественных критериях не существует. В мире такую воду можно найти только в немногих особых лабораториях. Ее получают очень сложным методом и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения незапятанной 1H216O ведут очень узкую, многостадийную чистку природных вод либо синтезируют воду из начальных частей 1H2 и 16O, которые за ранее кропотливо очищают от изотопных примесей. Такую воду используют в опытах и процессах, требующих исключительной чистоты хим реактивов.
При всем этом главные физико-химические константы обыкновенной и тяжеленной воды значительно различаются. Рядовая вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается хим формулой H2O, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед появляется при 0°С (273 K), а закипает вода при 100 °C (373 K). Томная вода преобразуется в лед при 3,813 °C, а пар появляется при 101,43 °C. По вязкости томная вода на 20 % превосходит обыденную воду, а наибольшая плотность наблюдается при температуре 11,6 °C. Ее хим 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 обыкновенной воды. Вот почему она и именуется тяжеленной водой.
Таблица Физические характеристики обыкновенной и тяжёлой воды
Физические характеристики
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 находится около 150 г тяжеленной. В океанской воде ее чуток больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах тяжеленной воды найдено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Таким макаром, речные, озерные, грунтовые и морские воды очень несхожи по изотопному составу и, как следует, как объекты, применяемые для получения тяжеленной воды, далековато не равнозначны. Было время, когда ее считали «мертвой водой» и считали, что присутствие тяжеленной воды в обыкновенной замедляет обмен веществ, содействует старению организма. Случаи долгожительства на Кавказе некие исследователи связывают с наименьшим количеством окиси дейтерия в горных потоках ледникового и атмосферного происхождения. Появление пустынь, исчезновение оазисов и смерть даже целых цивилизаций древности часто приписывают скоплению тяжёлой воды в питьевой воде. И это не случаем, так как томная вода подавляет все живое. Клеточки животных способны выдерживать до 25-30% тяжёлой воды в среде, растений (50%), а клеточки простых микробов способны жить на 80% тяжеленной воде. Потому тяжёлая вода высочайшей концентрации токсична для организма; хим реакции в её среде проходят несколько медлительнее, по сопоставлению с обыкновенной водой, водородные связи с ролью дейтерия несколько посильнее обыденных.
Сейчас понятно, почему так принципиально очищать воду от тяжёлых изотопов и, сначала от дейтерия, трития и 18О. Но, действенной чистки отработанной тяжёлой воды, загрязнённой тритием и другими тяжёлыми изотопами до ближайшего времени не было. Потому утилизация отработанной тяжёлой воды в атомной индустрии представляла серьёзную экологическую делему, сдерживающую внедрение новых более действенных типов атомных реакторов. Важным свойством тяжёлой воды будет то, что она фактически не поглощает нейтроны, потому употребляется в ядерных реакторах на уране-235 для торможения стремительных нейтронов и в качестве теплоносителя. Она употребляется также в качестве изотопного индикатора в химии и биологии. В физике простых частиц тяжёлая вода употребляется для детектирования нейтрино; так, наикрупнейший сенсор солнечных нейтрино в Канаде содержит 1 килотонну тяжёлой воды.
Так как молекула тяжёлой воды имеет огромную массу, чем молекула обыкновенной воды, а связи атомов дейтерия с атомом кислорода прочнее связи атомов водорода с кислородом, тяжёлая вода имеет активнее удерживается в водянистой конденсированной фазе, в отличие от обыкновенной воды. Потому давление пара тяжёлой воды всегда ниже, чем обыкновенной воды. На выстроено фракционное разделение изотопов. В естественных критериях эти явления наблюдаются в экваториальных водах, когда в процессе испарения в поверхностных водах возрастает концентрация изотопа D по сопоставлению с глубинными горизонтами. Исследование осадков указывает, что сначала с дождиком выпадают томные изотопы D либо 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.
Но на практике коэффициент разделения изотопов способом ректификации достаточно маленький. Ректификация воды осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами – насадками либо тарелками. В процессе ректификации воды происходит непрерывный обмен меж передвигающимся относительно друг дружку молекул водянистой и паровой фазы. При всем этом водянистая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза — более низкокипящим – тяжёлой водой и другими тяжёлыми изотопами трития 3Н и кислорода 18О. Почти всегда ректификацию производят в противоточных колонных аппаратах с разными контактными элементами — насадками либо тарелками. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны меж стекающей вниз флегмой и поднимающимся ввысь паром. Что интенсифицировать процесс массообмена используют контактные элементы – насадки и тарелки, что позволяет прирастить поверхность массообмена. В случае внедрения насадки жидкость стекает узкой пленкой по ее поверхности, в случае внедрения тарелок пар проходит через слой воды на поверхности тарелок.
Рис. Схема ректификационной колонны
Рис. Экспериментальная ректификационная установка по депротеинизации обыкновенной воды, разработанная в Санкт-Петербургской лаборатории разделения изотопов водорода. Фото с веб-сайта nrd.pnpi.spb.ru/lriv/home_rus.htm
На практике для более глубочайшей чистки воды от изотопов употребляется не одна ректификационная колонная, а целая серия – батарея колонн из 20 отдельных колонн.
Рис. Вид батареи колонн ректификации для разделения молекул воды на “лёгкие” и ”тяжёлые”. Фото с веб-сайта www.langvey.ru
На данный момент работы по улучшению свойства воды ведутся во всех странах мира. Броский пример тому – деятельность Русской компании по производству лёгкой воды – Лангвэй.
Лёгкая вода (т.е. вода, свободная от дейтерия и других изотопов) – это непростой по собственной структуре и составу продукт, оказывающий полифизиологическое действие на человеческий организм. В этой связи принципиально оценить, какое воздействие на организм окажет чистка питьевой воды от томных молекул при сохранении всех других компонент воды на регламентируемых гигиеническими нормативами уровнях. Беря во внимание роль воды в организме и известные изотопные эффекты тяжеленной воды, и результаты, приобретенные по легкой воде, можно ждать, что больший эффект такая чистка может оказать на характеристики био мембран, регуляторные системы и энергетический аппарат живой клеточки. Отлично понятно, к примеру, что под воздействием тяжеленной воды ингибируется инициируемый глюкозой выход инсулина из ткани поджелудочной железы и островков Лангерганса, миниатюризируется скорость поглощения кислорода митохондриями клеток.
Основное действие, оказываемое легкой питьевой водой на организм человека – постепенное понижение содержания дейтерия в жидкостях тела за счёт реакций изотопного обмена. Анализ приобретенных результатов позволяет гласить о том, что чистка воды организма от тяжеленной воды при помощи легкой питьевой воды позволяет сделать лучше работу важных систем организма.
Каждодневное употребление легкой питьевой воды позволяет естественным образом понизить содержание тяжеленной воды в человеческом организме за счёт реакций изотопного обмена. Такая уникальная чистка восстанавливает работу клеточных мембран, улучшает общее самочувствие, увеличивает работоспособность, наращивает энерго ресурсы организма, содействует резвому восстановлению организма после огромных физических нагрузок.
Лёгкая питьевая вода «Лангвей» делается с разным остаточным содержанием дейтерия (от 125 до 50 ppm). Она фасуется в бутылки ПЭТ емкостью 0,55 л и 1,5 л) и создана для питья и изготовления еды. На основании клинических испытаний, проведенных в Русском Научном Центре восстановительной медицины и урортологии и в Институте красы, легкая питьевая вода «Лангвей» рекомендована в качестве каждодневного напитка для нормализации углеводного и липидного обмена, кровяного давления, корректировки веса, улучшения работы желудочно-кишечного тракта, ускорения водообмена и выведения шлаков и токсинов из организма.
Таблица. Сравнительная черта легкой питьевой воды «Лангвей» и минеральных вод узнаваемых марок
Наимено-вание минераль-
ной
воды
pН
Концентрация главных 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
Схожая разработка позволяет произвести чистку природной воды от дейтерия до рекордных величин порядка 1-2 ppm. Это по-настоящему химически незапятнанная лёгкая вода данного изотопного состава. Не считая того, производительность чистки воды этим способом на порядок величин выше хоть какого другого метода, что, соответственно, понижает ее цена. При широкомасштабном производстве лёгкой воды, в дальнейшем она станет доступной хоть какому человеку.
В текущее время компания по производству лёгкой воды Лангвэй – это оживленно развивающаяся на русском рынке компания, которая употребляет современные научные разработки наших и забугорных учёных.
Рис. Узел разлива лёгкой воды Лангвэй. Фото с веб-сайта www.langvey.ru
В будущих опытах планируется, что астронавты в межпланетных полетах будут пить в Космосе «легкую воду» — воду, из которой удалены томные изотопы водорода и кислорода и владеющую положительным биологическим эффектами, а именно, защищающие организм от радиации.
С почтением,
К.х.н. О.В. Мосин