Рассмотрение особых свойств горной ледниковой воды. Определение содержания дейтерия. Изучение испарительно-конденсационных процессов образования протиевой воды. Характеристика биологических эффектов легкой воды. Разработка установки обработки 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. 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. 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. 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]. 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].
Введение
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 изза 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) ? 10-6, или 155,76 ppm 18O SMOW/16O SMOW = (2005,20 ± 0,45) ? 10-6, или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют: дейтерия - D/H = 89?10-6 или 89 ppm, кислорода-18 -18O/16O = 1894?10-6 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 ± 0,36?10-11 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 51232-2003, 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»).
Список литературы
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. 2438766 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 - № 2010121326/05; заявл. 25.05.2010; опубл. 10.01.2012; Бюл. №1.
6. Пат. 97994 на полезную модель, Российская Федерация, МПК C02F 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. - № 2010121319/05. заявл. 25.05.2010; опубл. 27.09.2010; Бюл. №27.
7. Пат. 98995 на полезную модель, Российская Федерация, МПК C02F 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. - № 2009149851/21. 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.
References
1. Baryshev, M.G. Primenenie vody s modificirovannym izotopnym sostavom i PH v mjasnoj promyshlennosti / M.G. Baryshev, S.S. Dzhimak, M.A. Dolgov, A.S. Dydykin // Izvestija vuzov. Pishhevaja tehnologija. - 2012. - № 2-3. - S.42-44.
2. Bisikalo, A.L. Kolichestvennaja spektroskopija JAMR 2Н, 13С i 17O v izuchenii izotopnogo sostava vody i ee strukturnyh osobennostej v rastvorah: avtoreferat dis. ... kand. himich. nauk / A.L. Bisikalo - Irkutsk, 2012. - 24 s.
3. Martynov, A.K. Ocenka biologicheskoj aktivnosti vody s ponizhennym soderzhaniem dejterija / A.K. Martynov, I.V. Artemkina, A.A. Timakov, i dr. // Novye biokiberneticheskie i telemedicinskie tehnologii XXI veka: materialy konferen-cii. - Petrozavodsk, 2003. - S. 57.
4. Mosin, O.V. Ochistka vody ot tjazhelyh izotopov dejterija (D), tritija (T) i kisloroda (18O) / O.V. Mosin // Santehnika: vodosnabzhenie i inzhenernye sistemy. - 2012. - №1. - S. 58-62.
8. Potoroko, I.Ju. K voprosu obespechenija kachestva i bezopasnosti vody, ispol"zuemoj v pishhevyh proizvodstvah / I.Ju. Potoroko, I.V. Kalinina, R.I. Fatkul-lin // Vestnik Juzhno-Ural"skogo gosudarstvennogo universiteta. Serija «Jekonomika i menedzhment». - 2013. - T.7, №3.- S.165-169.
9. Smirnov, A.N. Struktura vody: gigantskie geterofaznye klastery vody / A.N. Smirnov, V.B. Lapshin, A.V. Balyshev, I.M. Lebedev, V.V. Goncharuk, A.V. Syroeshkin // Himija i tehnologija vody. - 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.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
