“Тяжёлая” вода

РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ЭТОЙ ВОДЫ ИЗ СМЕСИ С “ОБЫЧНОЙ (ПИЩЕВОЙ)” ВОДОЙ

Изотопный ряд молекул воды. Воду можно отнести к самому необычному веществу на нашей планете “Земля”. Это единственное вещество на земном шаре, в свойствах смежных изотопных вариантов которого есть существенные принципиальные различия.

Молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода. Но теоретически установлено, что может существовать пять вариантов изотопов водорода и девять вариантов изотопов кислорода. Соответственно, изотопных разновидностей молекул воды расчетным путем может быть составлено, как минимум, сорок пять вариантов. Реально в природе мы сталкиваемся только с двумя изотопными разновидностями воды. Это самая распространенная “обычная (пищевая)” вода на базе изотопа водорода “протия” и “тяжелая” вода на базе изотопа водорода “дейтерия”.

Следующей в ряду изотопных вариантов молекул воды по ее массе является молекула воды на базе изотопа водорода “тритий”.  Но этот изотоп распространен в природе в очень малых объемах. На всей планете в каждый текущий период времени может быть в сумме не более 20 кг воды на основе этого изотопа.

Все последующие расчетные варианты в ряду изотопных вариантов молекул воды по возрастанию их массы не встречаются в природе. Их можно получить только искусственным способом в ускорителях элементарных частиц. Все эти изотопные варианты по времени полураспада следует отнести к “короткоживущим”, а по массе — к “тяжелым” и “сверхтяжелым”.

 Изотоп водорода “дейтерий”. Вода на базе изотопа водорода дейтерия была выделена в чистом виде из природного материала только примерно восемьдесят лет тому назад. Дейтерий примерно на 10% тяжелее протия. Поэтому протиевую воду часто еще называют “легкой” или “обычной” водой, дейтериевую – “тяжелой” водой. Формулу обычной воды записывают, как H₂O, дейтериевой – D₂O.

Ядро атома водорода изотопа протия состоит из одного протона, а ядро атома изотопа дейтерия – из одного протона и одного нейтрона. И в этом все отличие строений этих изотопов. Тяжелая вода внешне выглядит, как обычная — бесцветная жидкость без запаха и вкуса. А вот по некоторым своим свойствам и негативному воздействию на растения и живые организмы тяжелая вода сильно отличается от обычной воды. В природе молекулы тяжелой воды содержатся в разных количествах во всех водоемах, как вкрапления в водную среду обычной протиевой воды. В водах мирового океана концентрация молекул тяжелой воды составляет в среднем 0,018 %. Причем в Средиземном море концентрация молекул тяжелой воды выше этой средней величины. В водоемах пресной воды (реки, озера) концентрация молекул тяжелой воды ниже этой средней величины.

Применение тяжелой воды. Очень важным в настоящее время свойством тяжелой воды является то, что она практически не поглощает нейтроны. Поэтому ее используют в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя. Ее используют также в качестве изотопного индикатора в химии, биологии, агрохимии и др. Соединения дейтерия используются также при спектроскопических исследованиях. В физике элементарных частиц тяжелая вода используется для детектирования нейтрино.

В перспективе (в будущем) дейтерий, возможно, будет использоваться как “топливо” для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. Этот вопрос подробнее будет рассмотрен далее.

Промышленное производство тяжелой воды. В первые годы промышленного производства тяжелой воды единственным применявшимся методом был многократный электролиз. Но этот метод требовал большого расхода электроэнергии. В последующем электролиз был заменен технологиями ректификации жидкого водорода и изотопного обмена в системах водород – жидкий аммиак,  водород – вода и сероводород – вода.

Современное массовое производство тяжелой воды основывается на двух стадийном процессе. На первой стадии применяется двух температурная противоточная сероводородная технология изотопного обмена. Эта операция позволяет получить раствор с концентрацией тяжелой воды (5 – 10)%. На второй стадии осуществляется каскадный электролиз раствора щелочи при температуре 0^оС. Эта операция позволяет получить раствор с концентрацией тяжелой воды (99,750 – 99,995)%.

Во всем мире промышленное производство тяжелой воды связано с высокой трудоемкостью производства, огромными затратами энергии и с использованием очень сложного и дорогостоящего производственного оборудования.

Сложным и дорогостоящим является также измерительный комплекс, который требуется при производственных операциях, связанных с получением и использованием тяжелой воды. Для этого могут быть использованы такие методы, как масс-спектральный анализ, инфракрасный анализ, методы атомной адсорбционной спектроскопии, денсиметрии, изотопного обмена.

Такой сложный и дорогостоящий технологический процесс производства приводит к очень высокой стоимости производимой тяжелой воды. Так стоимость  одного  кубометра  этой  воды  в  2012  году    в   Европе   составляла

250∙10³ € и более. Сравните. Стоимость одного кубометра обычной воды составляет   в среднем 1,16 €.

Перспектива использования дейтерия для энергетики будущего. Дейтерий может быть использован для получения больших количеств энергии относительно более дешевой и, главное, более безопасной, чем энергия, получаемая при использовании радиоактивных материалов. При этом энергия будет получена по принципу прямо противоположному, чем тот, который применяется в  атомной технике. Для получения энергии необходимо будет произвести слияние ядер дейтерия, а не расщепление ядер, как при использовании радиоактивных материалов. Рассматриваемое новое явление можно назвать “Управляемый термоядерный синтез”.

Именно дейтерий рационально использовать для реализации управляемого термоядерного синтеза, так как по определению физиков ядерщиков ядра дейтерия значительно проще в сравнении с другими материалами подвергаются слиянию.

Для реализации рассматриваемого процесса необходимо создать в среде дейтерия очень высокую (критическую) температуру порядка миллиона градусов.  Необходим “запальник”. При температуре ниже критической между ядрами соседних молекул дейтерия действуют электростатические отталкивающие силы. При создании температуры выше критической энергия ядер молекул дейтерия настолько возрастает, что она может преодолеть отталкивающие электростатические силы. Это приводит к тому, что соседние ядра сливаются в одно ядро. Начавшийся процесс слияния примет характер цепной реакции, в которую будут вовлечены соседние молекулы. Каждое образовавшееся новое ядро имеет меньшую массу, чем в сумме оба исходных ядра. Разница в массе преобразуется в энергию, что определяется уравнением Эйнштейна,   выражающим   соотношение   между   массой  m  и   энергией E (E= mc²). Часть этой энергии передается другим ядрам, вызывая их слияние. А остаток  энергии через выходную электрическую цепь можно будет подавать к внешним потребителям. Причем энергия, которую можно будет получить из дейтерия, содержащегося в одном литре морской воды, эквивалентна энергии около 350 литров бензина.

     Когда будут найдены способы дешевого и безопасного получения необходимой начальной (критической) температуры и способы ее локализации, то наступит время, когда ядерный синтез в качестве источника промышленной энергии окажется экономически более выгодным и безопасным, чем использование радиоактивных способов получения энергии с применением расщепляющихся материалов.

     Преимущества управляемого термоядерного синтеза в сравнении с процессом, в котором используются радиоактивные расщепляющиеся материалы:

     — процесс, в котором осуществляется управляемый термоядерный синтез не будет давать опасных для окружающей среды радиоактивных отходов;

— запасы дейтерия, который будет использоваться в процессе получения энергии, в мировом океане планеты  «Земля» безграничны в отличие от запасов радиоактивных расщепляющихся материалов.

Вот кратко о положительной роли изотопа водорода «дейтерия» в промышленном производстве. Но…

4:      Дейтерий и живые организмы природы. По утверждению ряда научных коллективов и отдельных специалистов в области природоведения, медицины и экологии обычная вода с высокой концентрацией тяжелой воды  подавляет все живое. При низкой концентрации негативное влияние тяжелой воды снижается. Однако все еще остается существенным. Отмечается, что тяжелая вода замедляет биологические процессы и действует угнетающе на живые организмы. Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают, растения и цветы вянут при поливке такой водой. Тяжелая вода даже в небольших дозах при длительном употреблении губительно влияет на животных и человека. Поэтому должны быть поставлены высокие требования к содержанию тяжелой воды в пищевой воде. В пищевой воде не должно быть превышения экологически допустимой примеси тяжелой воды.

В Израиле отмечается существенный дефицит резервов пресной пищевой воды. Для устранения этого дефицита намечена грандиозная программа осуществления опреснения морской воды из соленой воды Средиземного моря.

Реализация этой программы началась с создания Ашкелонской опреснительной станции. Производительность этой станции составляет 120∙10⁶  кубических метров пресной воды в год (2012 год). В последующие годы планируется построить в Израиле на побережье Средиземного моря еще ряд опреснительных станций, после чего общая производительность опреснительных станций составит 2 миллиарда кубических метров пресной воды в год. Считают, что Израиль не только обеспечит себя опресненной водой но и станет крупным экспортером опресненной воды в своем регионе.

Как бы не так.

Планируется, что все опреснительные станции в Израиле, как и уже действующая “Ашкелонская опреснительная станция”, будут использовать для опреснения “Метод обратного осмоса” (ОО). Этот принцип работы никак нельзя отнести к оптимальному варианту. Метод  ОО начали применять в мире в пятидесятые годы прошлого столетия, используют в Израиле в настоящее время и предполагают использовать в последующие годы. Вряд ли можно отыскать подобного долгожителя в мире высоких технологий. Этот метод обладает многочисленными недостатками, что приводит к высокой себестоимости производимой опресненной воды. Но главный недостаток состоит в том, что метод обратного осмоса не отделяет из опресняемой воды молекулы тяжелой воды. Сколько тяжелой воды входит в опреснитель с морской водой столько же и выходит с опресненной водой. Вообще, хорошо известно, что никакие механические фильтры не отделяют тяжелую воду из смеси ее с обычной водой. А ведь Средиземное море отличается одной из самой высокой в мире концентрацией содержания тяжелой воды.

О неблагоприятном воздействии тяжелой воды на организм человека многократно было отмечено в научной литературе. Об этом постоянно пишут в течении последних сорока лет. В том числе и в Большой Советской Энциклопедии. Но веским поводом для тревоги во всем мире послужили события в городе  нефтяников Актау (Казахстан). В прошлом — г.Шевченко. Население этого города на протяжении многих лет использовало в пищевых целях опресненную морскую воду Каспийского моря, получаемую на местной опреснительной установке методом ОО. Причем вода Каспийского моря характеризуется более низким содержанием тяжелой воды, чем вода  Средиземного моря. В результате длительного употребления опресненной воды Каспийского моря у населения города Актау начали возникать тяжелые заболевания. В том числе и онкологические. Употребление опресненной воды родителями отрицательно сказалось и на новорожденных детях.

Сейчас в Израиле в некоторой степени следует остерегаться повторения ошибок, вызвавших экологические катастрофы в г.Актау. Из-за отрицательных последствий правительство Казахстана приняло решение использовать опресненную морскую воду только в технических целях. Вообще в мире отмечается тенденция отказываться от применения опресненной морской воды в пищевых целях. Так, в Саудовской Аравии и в большинстве других южных странах  опресненную морскую воду применяют лишь для технических нужд. В Израиле же ограничились только тем, что опресненную морскую воду несколько разбавили чистой водой и запустили эту смесь в городской водопровод.

Все приведенные примеры негативного влияния тяжелой воды на человеческий организм свидетельствуют о необходимости разработки экономичных, высокопроизводительных и надежных способов удаления тяжелой воды из смеси с обычной пищевой (протиевой) водой. Этот вопрос очень актуален при решении вопросов получения больших объемов пищевой воды в Израиле и в большом числе стран, у которых состояние ресурсов пищевой воды официально оценивают, как кризисное. Такое кризисное состояние в большинстве стран пытаются устранить путем пополнения ресурсов пищевой воды опреснением морской воды в больших объемах. Но при этом обязательно необходимо решить вопрос удаления из опресненной воды “тяжелой” воды. Этот вопрос все еще на стадии решения.

Разработка рациональных способов удаления тяжелой воды из смеси с опресненной морской водой. Устройство для удаления тяжелой воды из смеси с опресненной морской водой должно обеспечивать высокое качество и высокие экономические показатели выполнения процесса, для которого оно предназначено, а также высокую удельную производительность. В противном случае цены на опресненную морскую воду, очищенную от тяжелой воды,  чрезмерно возрастут.

Для достижения высокой удельной производительности весь процесс удаления тяжелой воды из опресненной морской воды должен осуществляться непрерывным поточным способом. Это исключает возможность использования в таком устройстве таких пропагандируемых в настоящее время тупиковых звеньев и операций, как замораживание, нагревание до стадии парообразования и подобных.

Самым рациональным в экономическом отношении вариантом получения очищенной пищевой воды из опресненной морской воды является установка, в которой одновременно в процессе опреснения осуществляется также и удаление из нее тяжелой воды. Это может быть установка гидроволнового или гидродинамического типа. И нужно ставить вопрос о создании именно такой единой опреснительной и очищающей от тяжелой воды установки. Однако создание промышленной установки для  одновременного выполнения двух указанных операций потребует много времени (лет), а получать очищенную пищевую воду для израильского водопровода нужно немедленно. Поэтому срочно, как первоначальную меру, нужно создать экспериментальную промышленную установку, состоящую максимально из уже производимых серийных производственных узлов и базовых деталей.

Кроме того, из экономических соображений необходимо сохранить и продолжать эксплуатировать определенное время уже находящийся в эксплуатации парк установок для опреснения морской воды по методу обратного осмоса.

Производство обычной пищевой воды на такой экспериментальной промышленной установке будет производиться в два последовательных этапа.

Первый этап.

На первом этапе должно быть произведено обычное опреснение морской воды на уже имеющихся установках. И если после этой операции в воде остается большое количество, с точки зрения безопасности ее употребления, вредных включений тяжелой воды, на втором этапе следует провести еще одну обработку, обеспечивающую удаление тяжелой воды.

Второй этап.

Удалить тяжелую водуD₂O из смеси с обычной пищевой водой H₂Oочень сложно, так как физические свойства этих двух изотопов мало отличаются. Наиболее отличающиеся показатели физических свойств указаны в приведенной таблице.

Отличающиеся физические свойства тяжелой воды D₂Oот обычной H₂O

Из приведенной таблицы видно, что только молекулярный вес рассматриваемых изотопов отличается на приемлемую для разделения по физическим свойствам величину — 10%. Остальные параметры по величине отличаются в пределах не более 4%. Лед, образованный из тяжелой воды, из-за более высокого молекулярного веса не плавает по водной поверхности, образованной из обычной воды, а тонет. Соответственно, параметр “Молекулярный вес” предпочтительнее других параметров может быть использован для реализации процесса удаления тяжелой воды из смеси с обычной пищевой водой. Этот параметр в характеристиках обычной и тяжелой воды может быть использован для применения некоторых распространенных в отраслях промышленности разделительных технических средств. Например, центрифугирование. Но при  такой  маленькой количественной разнице величин масс (0,015% и 99,985%) обеспечить качественное и полное разделение на молекулярном или близком к молекулярному уровню будет очень сложно. Да и не требуется. Поэтому для выполнения второго этапа в непрерывном потоке можно предложить применение достаточно изученного и освоенного в ряде отраслей промышленности технологического процесса тонкослойного цетрифугирования. При определенной доработке серийно выпускаемых промышленных центрифуг, сводящейся к тому, чтобы осуществлялось отделение только одного тонкого наружного по отношению к оси его барабана слоя жидкости, этот агрегат обеспечит выполнение требуемой операции удаления тяжелой воды из морской воды, опресненной на первом этапе. Это будет, конечно, опреснение не на молекулярном уровне. Из-за технических возможностей даже специально приспособленных центрифуг из общей массы потока воды минимально будет удалено (2 – 5)% жидкости. Но этого количества будет достаточно для полной очистки опресненной морской воды от находящихся в ней молекул тяжелой воды, так как в это количество удаленной центрифугированием воды с высокой вероятностью войдет все количество молекул тяжелой воды, подлежащей удалению.

Образовавшиеся при центрифугировании отходы, теперь уже с высоким содержанием тяжелой воды, можно будет предложить для использования в организации, которые занимаются получением тяжелой воды из обычного водного сырья, где концентрация тяжелой воды на два порядка меньше, чем в отходах, полученных при тонкослойном центрифугировании опресненной морской воды. Такое использование отходов центрифугирования опресненной морской  воды существенно повысит экономическую эффективность всего процесса работы установки.

Лев БОРОШОК, GrandPh. D., Technical, профессор. Израиль.