СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ

На сегодняшний день производители лёгкой воды применяют метод дистилляции в ректификационных колоннах [11], основанный на разнице в скорости испарения различных по массе изотопов, которая тем выше, чем меньше масса атома. Для обычной воды H₂O при атмосферном давлении температура кипения равна 100,0 °С, для тяжёлой D₂O – 101,4 °С, для тяжёлой HDO – 100,7 °С. В природной воде присутствует HDO, а D₂O практически не встречается. Таким образом, разница температур кипения составляет 0,7 °С. Недостатком данного метода является крайне низкий коэффициент разделения, обусловленный сложностью поддержания равномерной температуры кипящей жидкости. Чтобы в 3 раза снизить содержание дейтерия, нужно 100 раз снова и снова испарять одну и ту же воду, что делает метод дорогостоящим.

Для получения лёгкой воды также предлагается использовать мембраны [12]. Недостатком данного метода является высокая стоимость производства мембран, которые требуют сверхчистой исходной воды и быстро изнашиваются, а метод не позволяет снизить содержание дейтерия менее 117 ppm.

Метод кристаллизации позволяет уменьшить содержание дейтерия не ниже 136 ppm, что хоть и полезно для здоровья, но недостаточно для применения в медицинских целях.

Существует и множество других методов разделения изотопов. Большинство из них имеют очень низкий коэффициент разделения – порядка 1,01, то есть изменяют содержание вещества на 1 %, остальные слишком дороги в создании и эксплуатации [13].

      НАШ МЕТОД

Нами разработан электролитический способ производства лёгкой воды (Рис. 1), имеющий в 2 раза меньшую себестоимость в сравнении с ректификационными колоннами. Такой способ применялся ранее для обратного процесса – получения тяжёлой воды, использующейся в ядерной энергетике.

Разделение происходит следующим образом. Производится электролиз воды, при котором разложению подвергаются в основном молекулы, содержащие протий, по причине меньшей энергии ковалентной связи. На данном этапе главным условием является поддержание минимального напряжения, при котором начинается процесс электролиза, которого достаточно для отделения водорода, но недостаточно для отделения дейтерия. Ток на коэффициент разделения не влияет и может быть любым, он регулируется содержанием щёлочи в растворе – гидроксида натрия или калия.

Для увеличения коэффициента разделения и уменьшения перенапряжения водорода электроды изготовлены из никеля. Ввиду агрессивности чистого кислорода, от которого ржавеет даже нержавеющая сталь, гальванические покрытия пластин являются непригодными по причине их неизбежной пористости, поэтому используется листовой никель. У платины и палладия перенапряжение водорода ещё ниже, чем у никеля, однако из-за высокой стоимости их использование в данном случае не оправдано.

Раствор прокачивается через электролизёр, а образующийся газ проходит вначале через пеноотделитель, а затем последовательно через 2 гидрозатвора для предохранения электролизёра в случае воспламенения газа. Далее идёт синтез воды из смеси кислорода и водорода, обеднённого дейтерием. Синтез происходит без пламени в палладиевом каталитическом реакторе.

Палладий имеет на 15 % меньшую каталитическую активность, чем платина, поэтому требуется на 15 % большая площадь, чем у реактора с платиной. При этом цена палладия на 130 % ниже, чем у платины, а значит удельная стоимость активности у палладия ниже, и для данной цели, когда нет жёстких ограничений по размеру, целесообразнее использовать палладий.

Реактор представляет собой медные пластины с напаянной на них палладиевой фольгой. Пластины с двух сторон зажимают спираль из проволоки для увеличения пути прохождения газа. Чтобы образующаяся вода не оставалась на палладии и не уменьшала площадь его контакта с газом, реактор предварительно разогревается до 120 °С. После запуска электролизёра температура реактора поддерживается за счёт выделяющейся энергии при синтезе воды из водорода и кислорода. На этом этапе реактор требует принудительного охлаждения. Образующийся водяной пар поступает в конденсатор, а затем в сборник.

Коэффициент разделения равен 3, то есть в полученной воде содержание дейтерия в 3 раза ниже, чем в исходной. В ходе функционирования установки дейтерий накапливается в исходном растворе щёлочи. После получения количества лёгкой воды, равного двум объёмам раствора, прокачиваемого через электролизёр, раствор заменяется на новый.

Слитый раствор щёлочи может быть использован в качестве эффективного средства прочистки канализационных труб, ничем не уступающего имеющимся в продаже средствам, которые также представляют собой раствор щёлочи. Таким образом, производство лёгкой воды получается безотходным.

Электролитическое разделение воды является более энергоёмким процессом, чем испарение, но получение лёгкой воды электролитическим методом позволяет в 2 раза снизить затраты электроэнергии для достижения той же степени очистки от дейтерия по сравнению с дистилляцией в ректификационных колоннах за счёт производства в 1 этап.

Полученная лёгкая вода при хранении в герметичной таре сохраняет свои свойства в течение неограниченного времени. При контакте с воздухом происходит постепенный изотопный обмен между лёгкой водой и содержащимися в воздухе парами воды, что приводит к постепенному выравниванию содержания дейтерия в воде и в воздухе, поэтому хранение в открытой ёмкости не допускается.

В предоставленном нам помещении на территории бизнес-инкубатора ФГБОУ ВПО КубГУ действуют изготовленные нами линии по получению лёгкой воды производительностью 0,3 литра в час (Рис. 1), 1 литр в час (Рис. 2), а также 3 линии производительностью по 3 литра в час каждая (Рис. 3).

Рис. 1 – Линия получения лёгкой воды производительностью 0,3 л/час

Рис. 2 – Линия получения лёгкой воды производительность 1 л/час

Рис. 3 – Линии получения лёгкой воды производительность по 3 л/час каждая

Контроль качества производимой продукции осуществляется на спектрометре ядерного магнитного резонанса (JNM ECA 400, 400 МГц), находящимся в наноцентре Кубанского государственного университета.

На линию по получению питьевой воды с модифицированным изотопным составом электролитическим методом нами получен патент РФ № 113977.

На сегодняшний день разработанный нами способ является самым дешёвым способом получения лёгкой воды.