Перспективы получения и применения легкой воды

Известно химическое разнообразие молекул воды. В среднем, на 10 тыс. молекул природной воды приходится 9973 молекулы легкой воды 1Н216О, 3 молекулы HD16O, 4 молекулы H217O, 20 молекул H318O и 2 молекулы тяжелой воды — D216O. Дейтерий является изотопом водорода с молекулярной массой 2 и имеет один протон и один нейтрон в ядре атома. Для жизни всего живого на Земле важное значение имеет соотношение легкой воды с молекулярной массой 18 и тяжелой воды с молекулярной массой 20, что обуславливает их различия в физических свойствах. Природное соотношение легкой и тяжелой воды в мировом океане нарушилось после проведения ядерных испытаний, когда отработанную тяжелую воду (используемую в качестве замедлителя нейтронов) закачивали глубоко под землю, и она распространялась во все водные объекты. Кроме того, происходит накопление дейтерия в поверхностных слоях водоемов из-за потерь более легкого протия при диссоциации в окружающее межпланетное пространство. Качество воды в мировом океане соответствует 155,76 ppm (VSMOW — Венский стандарт океанской воды), среднеевропейской воды 149−150 ppm, воды в Москве-реке — 142 ppm, в озере Байкал — 137 ppm, а талой ледниковой воды — 128−132 ppm. Единица измерения ppm показывает, какое количество частиц дейтерия приходится на 1 млн. частиц водорода.

Легкая — протиевая — вода считается «живой» и поддерживает жизнедеятельность растений и животных, а тяжелая — дейтериевая — вода относится к условной категории «мертвой», поскольку губительна для всего живого.

По статистическим данным Федеральной эпидемиологической службы США снижение содержания дейтерия в питьевой воде на 10% способствует уменьшению распространения депрессии на 30%, диабета — на 38%, ишемической болезни сердца — на 25%, инсульта — на 37%, гипертонии и инфаркта миокарда — на 22%.

В связи с этим, возникла проблема удаления дейтерия из водопроводной и артезианской воды техническими средствами. Установлено, что химическая связь D-O прочнее, чем связь H-O, а это определяет различие в кинетике их химических реакций. При этом следует принять во внимание разницу в температуре кипения легкой воды (100 С) и тяжелой воды (101,44 С). Температура замерзания легкой воды с плотностью 1,000 г/см3 при 20 С — 0 С, а тяжелой воды с плотностью 1,1053 г/см3 при 20 С — 3,82 С, и максимум ее плотности — 1,106 г/см3 — приходится на 11,2 С, а не на 4 С, как у легкой воды.

Состояние исследований и актуальность работы. Удалять тяжелые изотопы дейтерия и кислорода из обычной питьевой воды довольно сложно. В настоящее время имеет место следующее состояние исследований по разработке способов получения и использования легкой воды: с этой целью используются различные физико-химические методы — изотопный обмен [1], электролиз [5, 6], вакуумная заморозка с последующим оттаиванием [7]; ряд авторов дают оценку биологической активности воды с пониженным содержанием дейтерия [3, 12, 13]. Большое внимание в ряде развитых стран уделяется изучению изотопного состава воды и ее структурных особенностей [2, 4, 8, 9, 10]. Актуальность выполненных в различных странах исследований, подтверждается активным внедрением различных вариантов технологии получения воды с пониженным содержанием дейтерия.

Методики определения состава легкой и тяжелой воды в природных водах контролируются двумя стандартами: Венским стандартом SMOW (Standard Mean Ocean Water), соответствующим глубинной воде Мирового океана с содержанием легкой воды 1H216O, равным 997,0325 г/кг (99,73%) и стандартом SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation), соответствующим природной воде из Антарктики, в которой доля легкой воды составляет 997,3179 г/кг (99,76%) [11]. По стандарту SMOW содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет: D SMOW / 1H SMOW = (155,76 ± 0,05) Ч 10−6, или 155,76 ppm 18O SMOW/16O SMOW = (2005,20 ± 0,45) Ч 10−6, или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют: дейтерия — D/H = 89Ч10−6 или 89 ppm, кислорода-18 -18O/16O = 1894Ч10−6 или 1894 ppm. Изотопный состав воды VSMOW определяется как соотношение численности молярного редкого изотопа деленного на количество наиболее распространенных изотопов и выражается в частях на миллион (ppm). Соотношение изотопов VSMOW в воде определялось как 2:1 = 155,76 ± 0,1 промилле или 3:1 = 1,85 ± 0,36Ч10−11 промилле.

На рисунке 1 показаны количества вариаций природных изотопов водорода в водных источниках Краснодарского края: 1 — талая вода ледника горы Фишт; 2 — вода глубоководной скважины на территории филиала 1 Очаковского пиво-безалкогольного комбината; 3 — вода Черного моря на глубине 100 м; 4 — вода Азовского моря на глубине 10 м; 5 — вода Краснодарского водохранилища у плотины на глубине 10 м; 6 — вода озера Абрау; 7 -сбросная вода Краснодарской ТЭЦ; 8 — ливневые сточные воды; 9 — вода, поступающая на очистные сооружения.

Рисунок 1 — Вариации природных изотопов водорода в водных источниках Краснодарского края.

Материалы и методы исследований. В качестве объекта исследования использовали питьевую воду, параметры которой соответствовали требованиям ГОСТ Р 51 232−2003, в частности rH — окислительно-восстановительный потенциал +250 мВ, рН 4,5. Содержание дейтерия в воде составляло 135 мг/дм3. Для снижения микробной обсемененности и изменения структуры воды ее обрабатывали электромагнитным полем низких и крайне низких частот.

Содержание дейтерия в воде и органических растворах определяли методом спектроскопии ЯМР по модифицированной методике Бисикало А. М. (г. Иркутск, Иркутский государственный университет). Измерения проводились с помощью комплекса спектральной аппаратуры Кубанского государственного университета.

Постановка и решение задачи. Научная новизна работы определяется тем, что для получения питьевой воды с более низким содержанием дейтерия нами предлагается использование термального способа, основанного на разнице температур замерзания тяжелой и легкой фракций воды. При этом вначале необходимо очистить энергоинформационную матрицу воды. Для достижения поставленных задач в качестве предварительной подготовки питьевой воды происходит ее обработка в электромагнитном поле низкой частоты от 18 до 48 Гц, резким охлаждением и перемешиванием с гранулами твердого СО2, в соотношении 1:10, разделением жидкой и твердой фаз и дальнейшего использования жидкой фазы с низким содержанием дейтерия при последующем нагревании и утилизации твердой фазы. Структурирование питьевой воды осуществляется путем фильтрования через шунгитовый фильтр.

Предварительно выполненные исследования позволили разработать принципиальную схему получения легкой структурированной воды в лабораторных условиях (рисунок 2).

Рисунок 2 — Принципиальная схема получения легкой структурированной воды В результате получили «легкую воду», из которой удалены тяжелые изотопы водорода и кислорода. Установлено что отношения рН и rH тесно взаимосвязаны. Окислительные процессы понижают показатель активной реакции воды (чем выше показатель rH, тем ниже рН), восстановительные — способствуют повышению рН. В свою очередь, показатель рН влияет на величину rH. У легкой воды, полученной в лабораторных условиях, окислительно-восстановительный потенциал равен -100 мВ, рН 5,6, содержание дейтерия — 47 мг/дм3.

Для промышленного внедрения новой технологии и оборудования еще предстоит выполнить цикл работ по созданию опытно-промышленной установки, обеспечивающей линейную скорость воды 25 см/мин, получение гранулированного твердого диоксида углерода с диаметром гранул от 4,0 до 1,5 мм, обработку потока воды ЭМП НЧ в диапазоне 18−48 Гц.

Результаты и выводы. Авторами разработан способ производства структурированной легкой воды, своими свойствами имитирующей талую воду высокогорных ледников, и устройство, позволяющее его реализовать. Этот способ состоит из следующих этапов (рисунок 3): 1 — нагревание водопроводной воды в гелиоколлекторе под вакуумом, 2 — конденсация паров легкой воды, 3 — охлаждение воды до точки замораживания тяжелой воды, 4 — удаление ледяной шуги с тяжелой водой, 5 — выдержка воды с пониженным содержанием дейтерия в емкости со слоем шунгита и облучением ЭМП НЧ.

12 34 5.

Рисунок 3 — Схема получения легкой воды способом нагревания-охлаждения Разработана установка для получения пищевой протиевой воды в лабораторных условиях, позволяющая очищать водопроводную воду от содержания дейтерия, трития, солей и вредных примесей.

Использование легкой воды при осуществлении химических реакций позволяет изменять скорость их протекания, влиять на сольватацию ионов, и их подвижность. Трудами многих исследователей доказано стимулирующее воздействие легкой воды на живые системы с существенным повышением их активности, стойкости к различным негативным факторам, а также улучшению и ускорению обменных процессов. Многие сельскохозяйственные культуры отвечают на полив легкой водой повышением всхожести семян и урожайности. Причем воздействие легкой воды на биосистемы во многом зависит от количественных и качественных изменений изотопного состава воды. Из других свойств легкой воды следует отметить ранее доказанные антиоксидантные, общеукрепляющие и тонизирующие свойства, повышающие умственную и физическую работоспособность человека.

Установлено, что полученную легкую воду с различным pH и окислительно-восстановительным потенциалом можно использовать для создания функциональных напитков и других продуктов питания. С участием авторов выполнены исследования показавшие возможность повышения скорости проращивания семян в 1,3 раза и проращивание луковиц в 1,5 раза по сравнению с контролем. Добавление легкой воды при посоле мясного или рыбного фарша позволяет сдвинуть рН в область более высоких значений от изоэлектрической точки мышечных белков, что позволяет исключить добавление для этих целей небезопасных фосфатов. Изучено влияние легкой воды на влагосвязывающую способность (ВСС) мяса говядины при посоле в кусках или в виде фарша. Выявлено, что при посоле мяса в кусках ВСС увеличивается на 5−6%, а при посоле фарша — на 10−11%, по сравнению с контрольными образцами.

Розничная стоимость 1 л воды, полученной по предлагаемой нами технологии, составит 40−43 руб., при цене у конкурентов от 50 до 400 руб (Торговый дом «ВиВиДи», ООО «Протиус», ООО «Лонгвей»).

• 1. Барышев, М. Г. Применение воды с модифицированным изотопным составом и pH в мясной промышленности / М. Г. Барышев, С. С. Джимак, М. А. Долгов, А. С. Дыдыкин // Известия вузов. Пищевая технология. — 2012. — № 2−3. — С.42−44.
• 2. Бисикало, А. Л. Количественная спектроскопия ЯМР 2Н, 13С и 17О в изучении изотопного состава воды и ее структурных особенностей в растворах: автореферат дис. … канд. химич. наук / А. Л. Бисикало — Иркутск, 2012. — 24 с.
• 3. Мартынов, А. К. Оценка биологической активности воды с пониженным содержанием дейтерия / А. К. Мартынов, И. В. Артемкина, А. А. Тимаков, и др. // Новые биокибернетические и телемедицинские технологии XXI века: материалы конференции. — Петрозаводск, 2003. — С. 57.
• 4. Мосин, О. В. Очистка воды от тяжелых изотопов дейтерия (D), трития (T) и кислорода (18О) / О. В. Мосин // Сантехника: водоснабжение и инженерные системы. — 2012. — № 1. — С. 58−62.
• 5. Пат. 2 438 766 Российская Федерация, МПК B01D 59/40 (2006.01). Способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия / Фролов В. Ю., Барышев М. Г., Ломакина Л. В., Джимак С. С.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный университет — № 2 010 121 326/05; заявл. 25.05.2010; опубл. 10.01.2012; Бюл. № 1.
• 6. Пат. 97 994 на полезную модель, Российская Федерация, МПК C02 °F 1/00 (2006.01). Линия по получению биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия / Фролов В. Ю., Джимак С. С.; заявитель и патентообладатель Фролов В. Ю., Джимак С. С. — № 2 010 121 319/05. заявл. 25.05.2010; опубл. 27.09.2010; Бюл. № 27.
• 7. Пат. 98 995 на полезную модель, Российская Федерация, МПК C02 °F 1/22 (2006.01), F25C 1/12 (2006.01). Устройство для получения протиевой талой воды / Соколов М. В., Бабин В. И., Бабин Е. В.; заявитель и патентообладатель Соколов М. В., Бабин В. И. — № 2 009 149 851/21. заявл. 30.12.2009; опубл. 10.11.2010; Бюл. № 31.
• 8. Потороко, И.Ю. К вопросу обеспечения качества и безопасности воды, используемой в пищевых производствах / И. Ю. Потороко, И. В. Калинина, Р. И. Фаткуллин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Экономика и менеджмент». — 2013. — Т.7, № 3. С.165−169.
• 9. Смирнов, А. Н. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды / А. Н. Смирнов, В. Б. Лапшин, А. В. Балышев, И. М. Лебедев, В. В. Гончарук, А. В. Сыроешкин // Химия и технология воды. — 2005. № 2. — C. 11−37.
• 10. Lis, G. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples / G. Lis, L.I. Wassenaar, M.J. Hendry // Analytical Chemistry. — 2008. — V. 80(1). — P. 287−293.
• 11. Reference Sheet for International Measurement Standards https://nucleus.iaea.org/rpst/Documents/VSMOW2_SLAP2.pdf
• 12. Somlyai, G. The biological effect of deuterium depletion / G. Somlyai. — Budapest, Akademiai Klado, 2002.
• 13. Strekalova, T. Deuterium content of water increases depression susceptibility: The potential role of a serotonin-related mechanism / T. Strekalova, M. Evans, A. Chernopiatko et al. // Behav. Brain Res. — 2015. — V. 277. — P. 237−244.