RU2548442C1

RU2548442C1 - Method of obtaining deuterium-depleted water

Info

Publication number: RU2548442C1
Application number: RU2013149198/05A
Authority: RU
Inventors: Михаил Геннадьевич Барышев; Владимир Юрьевич Фролов; Степан Сергеевич Джимак; Лариса Владимировна Ломакина
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-04-20
Also published as: RU2013149198A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: method of obtaining deuterium-depleted water includes the electrolysis of a distillate in an electrolyser with obtaining electrolysis gases, transformation of the electrolysis gases into water, its mineralisation in the process of deuterium-depleted water collection. The electrolysis of the distillate is carried out simultaneously in two electrolysers, cathode spaces of which are closed in a contour of an electrolyte circulation by means of a pump and a reverse valve. Initial water with natural content of deuterium is supplied into anode spaces of both electrolysers. Deuterium-depleted hydrogen from the cathode space of the first electrolyser is supplied into the anode space of the second electrolyser, where it is ionised with the formation of deuterium-depleted water, and deuterium-enriched hydrogen from the cathode space of the second electrolyser is supplied into the anode space of the first electrolyser, where it is ionised with the formation of deuterium-enriched water, which is diluted and discharged.

EFFECT: effective obtaining of deuterium-depleted water and reduction of prime cost.

1 dwg

Description

Изобретение относится к способу получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием в ней дейтерия путем ее изотопного разделения на обедненную и обогащенную дейтерием фракции.The invention relates to a method for producing biologically active drinking water with a reduced content of deuterium in it by its isotopic separation into depleted and enriched in deuterium fractions.

Вода с точки зрения химии является веществом, состоящим из молекул H₂O. В природе совершенно чистой воды не бывает, она всегда содержит механические, химические и биологические примеси.Water from the point of view of chemistry is a substance consisting of H ₂ O molecules. There is no completely pure water in nature; it always contains mechanical, chemical and biological impurities.

Молекула H₂O состоит из двух элементов, каждый из которых представляет собой смесь изотопов. Водород в природе представлен двумя стабильными изотопами:The H ₂ O molecule consists of two elements, each of which is a mixture of isotopes. Hydrogen in nature is represented by two stable isotopes:

- протием (обозначение ¹Н или Н);- protium (designation ¹ N or H);

- дейтерием (обозначение ²Н или D).- deuterium (designation ² N or D).

Естественное содержание изотопов ¹Н и ²H в природных объектах составляет 99,985 и 0,015%. Легкая (обогащенная Н или обедненная D) вода обладает высокой биологической активностью. Употребление легкой воды приводит к нормализации углеводного и липидного обмена, коррекции веса, выведению шлаков и токсинов из организма и т.д. Результатами клинических испытаний доказано [Лобышев В.Н., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D₂O в биологических системах. М.: Наука, 1978], что при употреблении такой воды повышается работоспособность, физическая активность, выносливость и сопротивляемость организма.The natural content of ¹ H and ² H isotopes in natural objects is 99.985 and 0.015%. Light (rich in H or depleted in D) water has a high biological activity. The use of light water leads to the normalization of carbohydrate and lipid metabolism, weight correction, elimination of toxins from the body, etc. The results of clinical trials proved [Lobyshev V.N., Kalinichenko L.P. Isotopic effects of D ₂ O in biological systems. M .: Nauka, 1978], that when such water is consumed, working capacity, physical activity, endurance and body resistance increase.

Известно, что в легкой воде изменяется скорость протекания химических реакций, сольватация ионов, их подвижность и т.д. Легкая вода оказывает стимулирующее действие на живые системы, существенно повышает их активность, жизнестойкость к различным негативным факторам, репродуктивную деятельность, улучшает и ускоряет обмен веществ. Для сельскохозяйственных культур действие легкой воды проявляется в повышении всхожести и урожайности, для человека - в оздоровительном эффекте. Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава воды. 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 [Kushner D.J., Baker F., Dunstall T.G. Can. J. Physiol. Pharmacol. 1999, Feb. 77(2): 79-88].It is known that in light water changes the rate of chemical reactions, solvation of ions, their mobility, etc. Light water has a stimulating effect on living systems, significantly increases their activity, resistance to various negative factors, reproductive activity, improves and speeds up metabolism. For crops, the effect of light water is manifested in increased germination and productivity, for humans - in the healing effect. The reaction of biosystems when exposed to water may vary depending on quantitative and qualitative changes in the isotopic composition of water. The use of water with an increased concentration of heavy isotopes, in particular deuterium, causes pronounced toxic effects at the body level, limiting the possibility of its use for therapeutic and prophylactic purposes [Kushner D.J., Baker F., Dunstall T.G. Can. J. Physiol. Pharmacol 1999, Feb. 77 (2): 79-88].

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 [М.Г. Барышев, А.А. Басов, С.Н. Болотин, С.С. Джимак, Д.В. Кашаев С.Р. Федосов, В.Ю. Фролов, Д.И. Шашков, Д.А. Лысак, А.А. Тимаков // Оценка антирадикальной активности воды с модифицированным изотопным составом с помощью ямр-, эпр- и масс-спектроскопии / Известия РАН. серия физическая, 2012, том 76, №12, с.1507-1510]. Т.е. 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.At the same time, positive biological activity of waters obtained using various technological processes belonging to the category of isotope-lungs with a decrease to one degree or another in comparison with the initial concentration of deuterium was recorded at different sites [M.G. Baryshev, A.A. Basov, S.N. Bolotin, S.S. Dzhimak, D.V. Kashaev S.R. Fedosov, V.Yu. Frolov, D.I. Shashkov, D.A. Lysak, A.A. Timakov // Evaluation of the antiradical activity of water with a modified isotopic composition using NMR, EPR and mass spectroscopy / Bulletin of the Russian Academy of Sciences. physical series, 2012, volume 76, No. 12, p. 1507-1510]. Those. quantitative and qualitative indicators of the isotopic composition of water significantly affect its effectiveness when using water as a solvent or ingredient. Therefore, the need is obvious depending on the purpose of the regulation of the isotopic composition of water used by humans for technological processes, drinking, as part of medicinal, cosmetic, hygienic, perfumery, etc.

Уровень техники получения изотопно-легкой воды представлен рядом патентов на изобретения №№2031085, 2091335, 2091336, 2438765, 2438766 и полезные модели №№113977, 97994, 106559, 101648 и др. Известен также ряд физико-химических методов изменения изотопного состава водорода, входящего в состав воды [Андреев Б.М. и др. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. Москва: Энергоатомиздат, 1982, сс.44-49, 68-69, 75-79].The prior art for producing isotope-light water is represented by a number of patents for inventions No. 2031085, 2091335, 2091336, 2438765, 2438766 and utility models No. 113977, 97994, 106559, 101648 and others. There are also a number of physicochemical methods for changing the isotopic composition of hydrogen, part of the water [Andreev B.M. et al. Separation of stable isotopes by physicochemical methods. Moscow: Energoatomizdat, 1982, pp. 44-49, 68-69, 75-79].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является патент на изобретение RU №2438766. Согласно прототипу способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия, включает электролиз дистиллята в электролизере, осушение полученных электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, последующую конденсацию паров воды и ее минерализацию. Электролиз дистиллята осуществляют с использованием каталитически активных электродов, покрытых с анодной стороны серебряным покрытием, а с катодной покрытием из никеля Ренея. Полученную на выходе из электролизера смесь водорода и кислорода осушают, затем подают в газодиффузионный разделитель с палладиево-серебряной мембраной. Последующее преобразование разделенных газов в воду осуществляют в водородно-кислородном топливном элементе с ионообменными мембранами. При этом постоянный ток, генерируемый топливным элементом, направляют на вход электролизера.The closest in technical essence to the claimed solution is a patent for an invention RU No. 2438766. According to the prototype, a method for producing biologically active drinking water with a reduced deuterium content includes electrolysis of the distillate in the electrolyzer, draining the obtained electrolysis gases, converting electrolysis gases into water, subsequent condensation of water vapor and its mineralization. The electrolysis of the distillate is carried out using catalytically active electrodes coated on the anode side with a silver coating, and with a cathode coating of Raney nickel. The mixture of hydrogen and oxygen obtained at the outlet of the electrolyzer is dried, then fed to a gas diffusion separator with a palladium-silver membrane. Subsequent conversion of the separated gases to water is carried out in a hydrogen-oxygen fuel cell with ion-exchange membranes. In this case, the direct current generated by the fuel cell is directed to the input of the electrolyzer.

Недостатками описанного способа являются:The disadvantages of the described method are:

- происходящая со временем деградация электродов, вызываемая рекристаллизацией электродного покрытия из никеля Ренея, что приводит к уменьшению коэффициента разделения изотопов водорода, увеличению поляризации электродов и как следствие к увеличению затрат электроэнергии, которые составляют 80-90% от себестоимости производимого продукта, в несколько раз, в течение срока службы, а также к повышенному содержанию дейтерия в получаемой воде [Федотьев Н.П. и др. Прикладная электрохимия. Л.: Химия, 1967, с.346], что приводит к повышенной себестоимости получаемого продукта и ухудшению его качества.- degradation of the electrodes occurring over time, caused by the recrystallization of the electrode coating from Raney nickel, which leads to a decrease in the electric energy polarization, which makes up 80-90% of the cost of the product, several times, during the service life, as well as to the increased content of deuterium in the produced water [Fedotiev NP and others. Applied electrochemistry. L .: Chemistry, 1967, p.346], which leads to increased cost of the resulting product and the deterioration of its quality.

- при реализации способа происходят значительные потери электроэнергии в виде тепла, связанные с использованием кислородных электродов с высоким перенапряжением, на которых теряется существенно больше электроэнергии, чем на водородных, что также приводит к повышению себестоимости получаемого продукта;- when implementing the method there are significant losses of electricity in the form of heat, associated with the use of oxygen electrodes with high overvoltage, which lose significantly more electricity than hydrogen, which also leads to an increase in the cost of the resulting product;

- кислородо-водородный топливный элемент, используемый в прототипе, насколько известно, до настоящего времени серийно не производится, а несерийные изделия дорогостоящи.- the oxygen-hydrogen fuel cell used in the prototype, as far as is known, is not yet mass-produced, and non-serial products are expensive.

Задачей заявляемого технического решения является:The objective of the proposed technical solution is:

1. Увеличение коэффициента разделения изотопов водорода за счет замены дисперсных электродов из никеля и серебра Ренея на платиноидные дисперсные каталитические электроды, имеющие большой срок службы и низкую деградацию, связанную с низкой скоростью рекристаллизации дисперсных платиновых металлов, что приводит также к уменьшению поляризации электродов, и как следствие, к уменьшению затрат электроэнергии в течение срока службы в несколько раз;1. An increase in the coefficient of separation of hydrogen isotopes by replacing dispersed electrodes of nickel and Raney silver with platinum dispersed catalytic electrodes having a long service life and low degradation associated with a low recrystallization rate of dispersed platinum metals, which also leads to a decrease in the polarization of the electrodes, and how the consequence, to reduce electricity costs over the life of several times;

2. Снижение потерь электроэнергии в виде тепла при замене кислородных электродов с высоким перенапряжением на водородные диффузионные электроды, то есть уменьшение себестоимости по сравнению с аналогами и прототипом;2. Reducing energy losses in the form of heat when replacing oxygen electrodes with high overvoltage with hydrogen diffusion electrodes, that is, a reduction in cost compared to analogues and prototype;

3. Удешевление способа за счет использования при электролизе только обратимых водородных электродов, дешевых и имеющих большой рабочий ресурс.3. The cost of the method due to the use of electrolysis only reversible hydrogen electrodes, cheap and having a large working resource.

Для решения технической задачи предлагается способ получения обедненной дейтерием воды, включающий электролиз дистиллята в электролизере с получением электролизных газов, преобразование электролизных газов в воду, ее минерализацию в процессе сбора обедненной дейтерием воды. Электролиз дистиллята проводят одновременно в двух электролизерах, катодные пространства которых посредством насоса и обратного клапана замкнуты в контур циркуляции электролита. В анодные пространства обоих электролизеров подается исходная вода, например, водопроводная, с природным содержанием дейтерия. При этом водород, обедненный дейтерием, из катодного пространства первого электролизера поступает в анодное пространство второго, где ионизируется с образованием воды, обедненной дейтерием, а водород, обогащенный дейтерием, из катодного пространства второго электролизера поступает в анодное пространство первого, где также ионизируется с образованием воды, обогащенной дейтерием. Эту воду разбавляют до безопасного состояния и сливают.To solve the technical problem, a method is proposed for producing deuterium-depleted water, including electrolysis of a distillate in an electrolysis cell to produce electrolysis gases, converting electrolysis gases into water, and its mineralization in the process of collecting deuterium-depleted water. The distillate is electrolyzed simultaneously in two electrolyzers, the cathode spaces of which are closed by a pump and a non-return valve in the electrolyte circulation circuit. Source water is supplied to the anode spaces of both electrolyzers, for example, tap water with a natural deuterium content. In this case, hydrogen depleted in deuterium from the cathode space of the first electrolyzer enters the anode space of the second, where it is ionized to form water depleted in deuterium, and hydrogen enriched in deuterium from the cathode space of the second cell enters the anode space of the first, where it also ionizes to form water enriched in deuterium. This water is diluted to a safe state and drained.

На Фиг. 1 изображена линия для реализации предлагаемого способа.In FIG. 1 shows a line for implementing the proposed method.

Она содержит блок питания 1, электрически связанный с электролизерами 2 и 5, газовые выходы катодных пространств которых 3 и 6 соединены газовыми трубопроводами с газовыми входами анодных пространств электролизеров 4 и 7 соответственно. Катодные пространства обоих электролизеров 3 и 6 соединены жидкостными трубопроводами по контуру, а анодные пространства обоих электролизеров 4 и 7 соединены параллельно с линией подачи исходной воды. Катодное пространство 3 электролизера 2 соединено водородопроводом с анодным пространством 7 электролизера 5. А катодное пространство 6 электролизера 5 соединено водородопроводом с анодным пространством 4 электролизера 2. Выход анодного пространства 4 электролизера 2 связан гидравлически со сборником обедненной дейтерием воды 9, а выход анодного пространства 7 электролизера 5 - со сливом воды обогащенной дейтерием.It contains a power supply 1, electrically connected to the electrolysers 2 and 5, the gas outputs of the cathode spaces of which 3 and 6 are connected by gas pipelines to the gas inputs of the anode spaces of the electrolyzers 4 and 7, respectively. The cathode spaces of both electrolytic cells 3 and 6 are connected by liquid pipelines in a loop, and the anode spaces of both electrolytic cells 4 and 7 are connected in parallel with the feed water supply line. The cathode space 3 of the electrolyzer 2 is connected by a hydrogen conduit to the anode space 7 of the electrolysis cell 5. And the cathode space 6 of the electrolyzer 5 is connected by a hydrogen conduit to the anode space 4 of the electrolyzer 2. The outlet of the anode space 4 of the electrolyzer 2 is hydraulically connected to the deuterium-depleted water collector 9, and the output of the anode space 7 of the electrolyzer 5 - with the discharge of water enriched in deuterium.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Переменный трехфазный ток внешней электрической сети преобразуется в постоянный блоком питания 1 и поступает на электролизеры 2 и 5, куда подается и дистиллированная вода. Образовавшийся в катодном пространстве 6 электролизера 5 водород, обедненный дейтерием, поступает по газовому трубопроводу в анодное пространство 4 электролизера 2, где электрохимически превращается в воду, обедненную дейтерием, а вода, обогащенная дейтерием, в составе католита поступает из катодного пространства 6 электролизера 5 в катодное пространство 3 электролизера 2, где превращается в водород, обогащенный дейтерием, который поступает по водородопроводу из катодного пространства 3 электролизера 2 в анодное пространство 7 электролизера 5, где образует воду, обогащенную дейтерием, которую разбавляют до безопасного состояния и направляют на слив. Далее нормализованная вода из катодного пространства 3 электролизера 2 посредством насоса 8 возвращается в катодное пространство 6 электролизера 5. Цикл замыкается.An alternating three-phase current of an external electric network is converted into a constant power supply unit 1 and supplied to electrolyzers 2 and 5, where distilled water is also supplied. Hydrogen depleted in deuterium 5 formed in the cathode space 6 of the electrolysis cell 5 enters through the gas pipeline into the anode space 4 of electrolytic cell 2, where it is electrochemically converted into deuterium depleted water, and water enriched in deuterium in catholyte enters from the cathode space 6 of electrolyzer 5 to the cathode space 3 of the electrolyzer 2, where it is converted into hydrogen enriched in deuterium, which enters through the hydrogen pipe from the cathode space 3 of the electrolyzer 2 into the anode space 7 of the electrolysis RA 5, where it forms water enriched in deuterium, which is diluted to a safe state and sent to the drain. Next, the normalized water from the cathode space 3 of the electrolyzer 2 through the pump 8 is returned to the cathode space 6 of the electrolysis cell 5. The cycle closes.

Циркуляция электролита между катодными пространствами электролизеров, организованная предложенным способом, приводит к попеременному обогащению и обеднению дейтерием воды католита с поддержанием постоянной концентрации дейтерия в циркулирующем электролите. При этом легкий водород, образующийся в катодном пространстве одного электролизера, поступает в анодное пространство другого электролизера, где образует обедненную дейтерием - «легкую» воду. А водород, обогащенный дейтерием, поступает из катодного пространства противоположного элекролизера в анодное другого, где образует воду, обогащенную дейтерием - «тяжелую», которая разбавляется исходной водой до безопасной концентрации дейтерия и выводится на слив. Перекрестная циркуляция водорода между электродными пространствами двух электролизеров приводит к увеличению эффективности процесса за счет сокращения энергозатрат при замене кислородных электродов в электролизерах на водородные, что снижает напряжение на отдельной ячейке электролизера в 2-5 раз по сравнению с электролизером, содержащим кислородный электрод.The circulation of the electrolyte between the cathode spaces of the electrolyzers, organized by the proposed method, leads to alternate enrichment and deuterium depletion of catholyte water with maintaining a constant concentration of deuterium in the circulating electrolyte. In this case, light hydrogen generated in the cathode space of one electrolysis cell enters the anode space of another electrolysis cell, where it forms “light” water depleted in deuterium. And hydrogen enriched in deuterium enters from the cathode space of the opposite electrolyzer into the anode of another, where it forms water enriched in deuterium - “heavy”, which is diluted with the source water to a safe concentration of deuterium and discharged. The cross circulation of hydrogen between the electrode spaces of two electrolytic cells leads to an increase in the process efficiency due to a reduction in energy consumption when replacing oxygen electrodes in electrolytic cells with hydrogen ones, which reduces the voltage on a single cell of the electrolyzer by 2-5 times in comparison with an electrolyzer containing an oxygen electrode.

Предлагаемый способ позволит более эффективно, чем в прототипе, получать качественный продукт при меньших материальных и энергетических затратах.The proposed method will allow more efficiently than in the prototype to obtain a quality product with less material and energy costs.

Claims

A method for producing deuterium-depleted water, comprising electrolysis of a distillate in an electrolysis cell to produce electrolysis gases, converting electrolysis gases to water, its mineralization in the process of collecting deuterium-depleted water, characterized in that the electrolysis of the distillate is carried out simultaneously in two electrolysis cells, the cathode spaces of which are pump and return valves are closed in the electrolyte circulation circuit, and the source water with the natural deuterium content is fed into the anode spaces of both electrolysis ov, while the hydrogen depleted in deuterium from the cathode space of the first electrolyzer enters the anode space of the second, where it is ionized to form water depleted in deuterium, and the hydrogen enriched in deuterium from the cathode space of the second cell enters the anode space of the first, where it is ionized with the formation of water enriched in deuterium, which is diluted and drained.