Разделение тяжелых изотопов дейтерия (D), трития (T) и кислорода (18О)

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПОВ ДЕЙТЕРИЯ (D), ТРИТИЯ (T) И КИСЛОРОДА (18О)

к.х.н. О.В. Мосин (Россия)

Доктор наук, проф.

И. Игнатов

1. ВВЕДЕНИЕ

Особенности изотопного строения воды определяются входящими в ее состав химическими элементами. Эти элементы - водород и кислород - широко распространены как в Космосе, так и на Земле.

Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной. Его содержание в природе составляет 17 ат.%. Водород составляет более половины массы Солнца и большинства звезд. Он также присутствует в атмосфере некоторых планет, в кометах, газовых туманностях и межзвездном газе.

Атом водорода состоит из одной положительно заряженной элементарной частицы протона, который находится в ядре, и одного отрицательного электрона, который располагается на внешней 1s-электронной орбите атома. В ядре атома водорода может также находиться несколько нейтральных частиц - нейтронов, количество которых определяет нуклеарную массу водорода.

Водород имеет три природных изотопа: протий 1H, дейтерий 2Н (или D) и тритий 3Н (или Т), последний из которых радиоактивен с периодом полураспада 12, 26 лет. В последнее время искусственно синтезированы и более тяжелые, чем тритий радиоактивные изотопы 4H и 5H с периодом полураспада 10-20 сек. Изотопы различаются массовыми числами, обозначаемые верхними индексами, характеризующими количество тяжелых частиц - нуклонов (протонов и нейтронов) - в ядре У протия в ядре один протон, у дейтерия - один протон и один нейтрон, у трития - один протон и два нейтрона. В природной воде протий и дейтерий содержатся в соотношении 1:5500. В среднем, в 1 тонне речной воды содержится 150-200 г дейтерия в виде тяжелой (D2O) воды. Физические свойства тяжелой воды отличаются от таковых для обычной воды [1]. Тяжёлая вода кипит при 101, 44 0С, замерзает при 3, 82 0С, имеет плотность при 20 0С 1, 105 г/см3, причём максимум плотности приходится не на 4 0С, как у обычной воды, а на 11, 2 0С (1, 106 г/см3).

Трития в природе ещё меньше, чем дейтерия. Тритий образуется под действием жёсткого радио- и нейтронного излучения в ядерных реакторах. В земных условиях тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где протекают природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота и кислорода нейтронами космического излучения. В небольших количествах тритиевая (сверхтяжелая) вода попадает на Землю в составе осадков. Ежеминутно на каждый 1 см2 земной поверхности попадают 8-9 атомов трития. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных [2]. Во всей гидросфере Земли всего насчитывается около 15 кг Т2О. По своим физическим свойствам Т2О еще значительнее отличается от обычной: кипит при 104 °С, замерзает при 4, 9 °С, имеет плотность 1, 33 г/см3.

Согласно расчетам, гравитационное поле Земли недостаточно сильно для удержания Н, и планета постепенно теряет легкий водород, который улетучивается быстрее тяжелых дейтерия и трития, в результате диссоциации в межпланетное пространство. Поэтому в течение геологического времени должно происходить накопление дейтерия и трития гидросфере и поверхностных водах [3]. В планетарном масштабе осуществляется испарительно-конденсационный процесс формирования протиевой воды Н216О и обогащения ею туч и облаков.

Кислород - также очень распространенный в природе элемент. Он составляет более 85% гидросферы, более 45% литосферы и более 23% атмосферы. Кислород стоит на первом месте по числу природных минералов, в живых организмах содержится около 70% кислорода, он входит в состав важнейших природных органических соединений - белков, жиров, аминокислот, а также в состав скелета. Исключительно велика роль кислорода в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. Практически все животные, растения и микроорганизмы (за исключением микробов-анаэробов) получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счет биологического окисления различных веществ при помощи кислорода. Все окислительные процессы в природных водах, приводящие к самоочищению водных объектов, также протекают благодаря присутствию в воде кислорода.

В природе известны три изотопных разновидности кислорода: 16О, 17О и 18О (тяжелый), среднее содержание которых составляет соответственно 99, 759; 0, 204 и 0, 037% от общего числа атомов кислорода в природе. Эти изотопы различаются количеством нейтральных частиц (нейтронов), входящих в состав ядра, при этом количество протонов в ядре одинаково и равно восьми (табл. 1). Два природных стабильных изотопа кислорода - 17O и 18O, формируют тяжелокислородные воды H217O и Н218O. По физическим свойствам тяжелокислородная вода (Н218O) меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее в основном перегонкой природной воды и используют как источник препаратов с меченым кислородом [4]. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа 16O приходится 4 атома изотопа 17O и 20 атомов изотопа 18O.

Таблица 1. Изотопы воды

Кроме природных, существуют 10 искусственно созданных изотопов с массовыми числами от 12 до 24. Из них: 12O, 13O, 14O и 15O - легкие, 19O, 20O, 21O, 22O и 23O - тяжелые, а сверхтяжелый изотоп - 24O получен в 1975 году. Как и искусственные изотопы водорода, они недолговечны и радиоактивны. Большинство радиоактивных изотопов кислорода имеют периоды полураспада от несколько десятков секунд до наносекунд. Наиболее стабильные изотопы 14O и 15О с периодом полураспада 122 и 50 сек.

С учетом этих данных количество возможных изотопных разновидностей воды (изотопологов) с химической формулой Н20 составляет 135, в которых атомы Н, D, T, 16O, 17O и 18O представлены в различных сочетаниях. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (иключением является тритий, период полураспада которого составляет 12 лет). За это короткое время никакие химические связи просто не успевают образоваться, поэтому молекул воды с такими изотопами в природных условиях не существует, хотя молекулы таких вод могут быть получены в условиях современных ускорителей изотопов - в синхрофазотронах.

Если подсчитать все возможные изотопные разновидности воды, существующие в природе с общей формулой Н2О, то общее количество возможных “тяжёлых вод” получится 18 (поскольку существует два стабильных изотопа водорода и три -- кислорода). Из них 9 вариантов - нерадиоактивные (стабильные) и 9 радиоактивных с участием трития [5].

Стабильные:

Н2 16O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O

Радиоактивные:

T216O, T217O, T218O, DT16O, DT17O, DT18O, HT16O, HT17O, HT18O

Таким образом, в природе возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из трех водородных изотопов (Н. D и Т) и 3 изотопа кислорода (17O и 18O) в любом сочетании. Однако 99, 97% всей водs - в гидросфере представлено обычной водой химической формулы 1Н2160, доля тяжелой воды 2Н2160 составляет менее 0, 02%. В среднем в природных водах в 10000 молекул содержится 9973 молекул H216O, 3 молекулы HD16O, 4 молекул H217O, 20 молекул H218O и около 2 молекул D216O [6]. Еще реже, чем D216O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий.

По международному стандарту SMOW, соответствующему глубинной воде Мирового океана, которая весьма стабильна по изотопному составу, абсолютное содержание D и 18O в океанической воде составляет: D SMOW/1H SMOW=(155, 76±0, 05)Ч10-6 (155, 76 ppm), 18O SMOW/16O SMOW =(2005, 20±0, 45)Ч10-6 (2005 ppm) [7]. Для международного стандарта природной воды из Антарктики SLAP концентрации в воде составляют: для D D/H=89Ч10-6 (89 ppm), для 18O - 18O/16O=1894Ч10-6 (1894 ppm). Содержание самого лёгкого изотополога H216O в воде, соответствующей по изотопному составу SMOW, составляет 997, 0325 г/кг (99, 73 мол.%), а по изотопному составу SLAP - 997, 3179 г/кг (99, 76 мол.%). Для природных вод СНГ чаще всего характерны отрицательные отклонения от SMOW на (1, 0-1, 5).10-5, в отдельных случаях до (6, 0-6, 7).10-5, но встречаются и положительные отклонения до 2, 0.10-5.

Изотопологи воды различаются друг от друга по физическим свойствам (табл. 2). Химическое строение молекул изотопологов воды аналогично строению молекул Н2O, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов между ними. Однако разница атомных масс изотопов в природной воде велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H > 100%, 18O/16O >12, 5%. Наиболее эффективно изотопы водорода и кислорода фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды. Равновесное давление паров у изотопологов воды cущественно различается. При этом чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, поэтому пар, равновесный с водой, обогащён лёгкими изотопами водорода 1Н и кислорода 16О, что позволяет осуществлять изотопное фракционирование воды.

Таблица 2. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении

2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ЛЕГКОЙ И ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ

Как показали исследования, биологические объекты очень чувствительно реагируют на изменение изотопного состава воды. При воздействии на них вод различного изотопного состава их реакция изменяется в зависимости от изотопного состава воды. В ряду стабильных изотопов 17О, 18О и D самые большие изотопные эффекты в разнице констант скоростей химических реакций с соотношением kh/kd = 7-10 наблюдаются в тяжёлой воде для C-H/C-D, N-H/N-D и O-H/O-D связей [8]. Поэтому изотопные эффекты в биологических объектах, в основном, определяются дейтерием. В смесях тяжёлой воды с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен с образованием “полутяжелой” воды (НDO): Н2O + D2O = 2НDO. Поэтому дейтерий при малом содержании присутствует в воде почти полностью в форме НDO, а при высоком - в форме D2O. Вышеназванные факторы, а также большая структурированность, плотность и вязкость D2O по сравнению с обычной водой приводят к изменению скоростей (замедлению) и специфичности ферментативных реакций в тяжёлой воде [9]. Однако, существуют и такие реакции, скорость которых в тяжёлой воде выше, чем в Н2O. В основном это реакции, катализируемые ионами D+ или H+или OD- и ОН-.

При попадании клетки в тяжёлую воду, из неё не только удаляется протонированная вода за счет реакции обмена Н2О-D2О, но и происходит быстрый изотопный (H-D) обмен в гидроксильных (-ОН), сульфгидрильных (-SH) и аминогруппах (-NH2) всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Известно, что в этих условиях только ковалентная С-Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого только соединения со связями типа С-D могут синтезироваться de novo [10]. В зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия, опосредованные межмолекулярными взаимодействиями. В этом аспекте наиболее важными для структуры макромолекулы являются динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и тяжелой водой из окружающей среды и играют главную роль в поддержании пространственной структуры макромолекул и в межмолекулярных взаимодействиях.

Другое важное свойство определяется пространственной структурой тяжёлой воды, имеющей тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекул, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул тяжёлой воды. Поэтому структура макромолекул белков и нуклеиновых кислот в присутствии D2О стабилизируется [11].

Полученные нами экспериментальные данные свидетельствуют о том, что клетка реализует особые адаптивные механизмы, способствующие функциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в тяжёлой воде. Так, например, нормальному синтезу и функционированию в тяжёлой воде таких важных соединений как нуклеиновые кислоты и белки способствует поддержание их структуры посредством формирования водородных (дейтериевых) связей в молекулах. Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от аналогичных водородных связей. Большая прочность связи D-O, по сравнению с Н-О, обуславливает различия в кинетике реакций тяжёлой и обычной воды. По теории абсолютных скоростей разрыв С-H-связей может происходить быстрее, чем С-D-связей, подвижность ионовD3O+ на 28, 5% ниже Н3O+, а ОD- - на 39, 8% ниже ОН-, константа ионизации тяжёлой воды меньше константы ионизации обычной воды [12]. Эти эффекты отражаются на химической кинетике и скорости химических реакций в тяжёлой воде. Протеолитические реакции и биохимические процессы в D2O значительно замедлены.

Эффекты тяжелой воды определяются концентрациями дейтерия. В природных водах содержание дейтерия распределено неравномерно: от 0, 02-0, 03 мол% для речной и морской воды, до 0, 015 мол.% для воды из Антарктического льда, - наиболее “обедненной” по дейтерию природной воды с содержанием дейтерия в 1, 5 раза меньшим, чем в морской воде. Талая снеговая и ледниковая воды в горах и некоторых других регионах Земли также содержат меньше тяжелой воды, чем обычная питьевая вода. В 1 тонне речной воды содержится 150-200 г тяжелой воды. Согласно расчетам, в организм человека на протяжении всей жизни поступает около 80 тонн воды, содержащей в своем составе 10-12 кг дейтерия и значительные количества коррелирующих с ним изотопов водорода и кислорода - D и 18О. Такое значительное количество тяжелых изотопов водорода и кислорода в составе питьевой воды способно к наступлению половой зрелости человека повредить его гены и привести к развитию некоторых онкологических заболеваний, а также инициировать старение организма. Тяжёлая вода высокой концентрации токсична для организма; химические реакции в её среде проходят медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных [13]. Клетки животных способны выдерживать до 25-30% D2O, растений - до 60% D2O, а клетки простейших микроорганизмов способны жить на 90% D2O (рис. 1). Попадая в организм, тяжелая вода может стать причиной нарушений обмена веществ, работы почек, гормональной регуляции и снижения иммунитета. При больших концентрациях тяжелой воды (дейтерия) в организме подавляются ферментативные реакции, клеточный рост, углеводный обмен и синтез нуклеиновых кислот. Особенно страдают те системы, наиболе чувствительные к замене Н+ на D+, которые используют высокие скорости образования и разрыва водородных связей. Такими системами являются аппарат биосинтеза макромолекул и дыхательная цепь. Последний факт позволяет рассматривать биологическое воздействие тяжёлой воде, как комплексное воздействие, действующему одновременно на функциональное состояние большого числа систем: метаболизм, биосинтетические процессы, транспорт веществ, структуру и функции макромолекул. В результате это приводит к гибели клеток в D2O.

Рис. 1. Выживаемось различных организмов в воде с различными содержаниями дейтерия (по данным авторов).

Тем не менее тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Важным обстоятельством, является то, что углеродные связи с участием дейтерия более прочны и стабильны, чем углеродные связи с участием водорода. Изотопные эффекты, энергия связи, константа диссоциации, подвижность, длина связи для пары водород/тритий также различны. А это означает, что в первичной воде на Земле самоорганизующиеся дейтерированные структуры смогли сохраниться дольше во времени. Есть основания полагать, что в ту эпоху существовал процесс структурирования в водной тяжёловодородной среде органических молекул, поскольку структурирующее свойства и стабилизирующее воздействие тяжёлой воды на химические связи более выражены, чем у обычной воды [14].

Систематическое изучение воздействия тяжелой воды на клетки животных, растений и бактерий в нашей стране начато сравнительно недавно [15]. Различные исследователи установили, что тяжелая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды. Эксперименты проводились клетках животных, растений и простейших. Подопытных мышей поили водой, 1/3 часть которой была заменена водой состава HDO. Через несколько дней у животных начиналось расстройство обмена веществ, впоследствии разрушались почки. При увеличении концентрации дейтерия в потребляемой воды животные погибали [16]. И наоборот, уменьшение концентрации дейтерия в питьевой воде стимулировало биологические процессы и обмен веществ. Это свидетельствует о том, что дейтерий тормозит, а протий способствует обмену веществ в биологических объектах.

Тяжелая вода также способна вызывать физиологические, морфологические, цитологические и генетические изменения в клетке [17]. Возможное повреждение генофонда организма тяжелыми изотопами водорода в составе воды может иметь тяжелые последствия для человечества, если оно не перейдет на употребление лёгкой воды, обедненной дейтерием и другими тяжелыми изотопами - 18О и Т. Поэтому в начале XXI-го века появилось мнение о полном исключении тяжёлых изотопов - дейтерия D, кислорода 18О и трития Т из потребляемой питьевой воды. Эта задача достигается различными физико-химическими методами - изотопным обменом в присутствии палладия или платины, многоступенчатым электролизов воды в сочетании с каталитическим изотопным обменом между водой и водородом; низкотемпературной ректификации жидкого водорода с последующим сжиганием Н2 с кислородом; вакуумной заморозкой воды с последующим оттаиванием, вакуумной ректификацией и др. Для получения особо чистой H216O проводят очень тонкую, многостадийную очистку природной воды совокупностью вышеуказанных методов, или синтезируют воду из исходных газообразных элементов 1H2 и 16O, которые предварительно очищают от изотопных примесей. Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

По данным Г. Д. Бердышева, даже неглубокая (на 5-10%) очистка воды от тяжелых изотопов (D и 18О) способна значительно улучшить ее качества и придать воде полезные очистительные свойства [18]. В Институте медико-биологических проблем РАН был проведен 240-суточный эксперимент по изучению изменений изотопного состава биогенных химических элементов в организме человека, в ходе которого установлено, что в условиях сильного стресса и неблагоприятных внешних воздействий организм, в первую очередь, выводит тяжелые изотопы D и 18О за счет реакций изотопного (H/D, 16О/18О-обмена) [19]. Поэтому для повышения жизненных сил организма в условиях неблагоприятных вешних воздействий, целесообразно потреблять свободную от тяжелых изотопов легкую воду. В Японии, США и некоторых других странах “легкую” воду используют для профилактики опухолевых заболеваний. При этом снижение риска онкологических заболеваний при регулярном употреблении “легкой” воды связывают с очисткой организма от тяжелых изотопов, в первую очередь от дейтерия.

Эксперименты на животных и растениях показали, что при потребление воды с пониженным на 25-30% содержанием дейтерия свиньи, крысы и мыши дают более крупное и многочисленное потомство, содержание домашней птицы с 6-суточного возраста и до половозрелости на бездейтериевой воде приводит к ускоренному развитию половых органов (по размерам и весу) и усилению процесса сперматогенеза, яйценоскость кур повышается почти вдвое, пшеница созревает раньше и дает более высокий урожай [20]. Кроме того, лёгкая вода с пониженным содержанием дейтерия задерживает появление первых узелков метастаз на месте перевивки рака шейки матки, оказывает иммуномоделирующее и радиопротекторное действие. Потребление “легкой” воды онкологическими больными во время или после сеансов лучевой терапии позволяет восстановить состав крови и снять приступы тошноты после сеансов. По данным Г. Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994-2001 г.г. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них значительно выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию.

Исследования “легкой” воды в Московском научно-исследовательском онкологическом институте им. П. А. Герцена и в НИИ Канцерогенеза Российского Онкологического Научного центра им. Н.Н. Блохина РАМН совместно с Институтом медико-биологических проблем [21] подтвердили ингибирующие эффекты “легкой” воды на процесс роста различных опухолей и установили, что в среде с более низким, чем природное, содержанием дейтерия деление опухолевых клеток аденокарциномы молочных желез MCF-7 начинается с задержкой на 5-10 часов. У 60% мышей с подавленным иммунитетом и пересаженными грудными человеческими опухолями MDA и MCF-7 прием “легкой” воды (30 ppm) вызывал регрессию опухолей. У группы мышей с пересаженной человеческой опухолью простаты РС-3 прием “легкой” воды (90 ppm) увеличивал уровень выживаемости на 40%, при этом соотношение числа делящихся клеток к погибшим в опухолях животных опытной группы составляло 1, 5:3, а контрольной группе - 3, 6:1. Особого внимания заслуживают два показателя: задержка метастазирования и потеря веса животных за время экспериментов. Ярко выраженное стимулирующее действие легкой воды на иммунную систему животных привело к задержке развития метастазов на 40% по сравнению с контрольной группой, а потеря массы у животных, которые пили легкую воду, к концу опыта была в два раза меньше.

При воздействии на подопытных животных г-облучением в дозе LD50 обнаружено, что выживаемость животных, употреблявших в течение 15 дней перед облучением легкую воду (30 ррм), в 2, 5 раза выше, чем в контрольной группе (доза облучения 850 R), что указывает на радиопротекторные свойства легкой воды. При этом у выживших мышей опытной группы количество лейкоцитов и эритроцитов в крови осталось в пределах нормы, в то время как в контрольной группе оно значительно сократилось. Было отмечено также четкое положительное влияние воды на показатели насыщения тканей печени кислородом: при этом увеличение рО2 составляло 15%, т. е. дыхание клеток увеличивалось в 1, 3 раза. О полезном действии реликтовой воды на здоровье мышей свидетельствовала их повышенная резистентность и увеличение веса по сравнению с контролем. Это означает, что употребление “легкой” воды для жителей больших городов, в условиях повышенного фона радиации, является обоснованным. Лёгкая вода увеличивает скорость метаболических реакций, например, при старении, метаболическом синдроме, диабете и т. п. [22]. Кроме этого, согласно данным предварительных исследований, в пробах легкой воды сперматозоиды несколько дольше сохраняли свою функциональную активность, которая повышается по мере снижения содержания дейтерия в воде. Если принять во внимание общеизвестный факт о том, что воспроизводство жизни связано с потенциалом жизнедеятельности половых клеток, то станет ясно значение реликтовой воды для будущих поколений. Данные факты способствуют разработке промышленных установок для извлечения тяжелых изотопов из воды.

3. УСТАНОВКИ РАЗДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПОВ

В настоящее время существует несколько способов извлечения тяжелых изотопов из воды: изотопный обмен в присутствии палладия и платины, электролиз воды в сочетании с каталитическим изотопным обменом между водой и водородом, колоночная ректификация, вакуумное замораживание холодного пара с последующим оттаиванием и др. [23]. В способе получения обедненной дейтерием питьевой воды за счет замораживания-оттаивания льда, получение льда осуществляют замораживанием пара, образующегося из исходной воды при температуре, не превышающей +10 0С, а в процессе оттаивания льда на него дополнительно воздействуют ультрафиолетовым и инфракрасным излучениями и насыщают талую воду газом или смесью газов. При смешивании легкой (Н2О) и тяжелой (D2O+T2O) воды происходит изотопный обмен: Н2О + D2O = 2НDO; H2O + T2O= 2НТО. Поэтому дейтерий и тритий в обычной воде находятся в форме HDO и НТО. При этом температура замерзания для D2O составляет +3, 8 0С, а для Т2О +9 0С, HDO и НТО замерзают соответственно при +1, 9 0С и при +4, 5 0С. Установлено, что при температуре в пределах +1, 9 - 0 0С молекулы воды с дейтерием и тритием в отличие от легкой (протиевой) воды находятся в метастабильно-твердом неактивном состоянии. Это свойство лежит в основе фракционного разделения легкой и тяжелой воды путем создания разряжения воздуха над поверхностью воды при этой температуре. Легкая вода интенсивно испаряется, а затем улавливается при помощи морозильного устройства, превращаясь в лед. Тяжелая же вода, находясь в неактивном твердом состоянии и обладая значительно меньшим парциальным давлением, остаётся в испарительной емкости исходной воды вместе с растворенными в воде солями и примесями. На этом принципе работает сконструированная Г. Д. Бердышевым и И. Н. Варнавским совместно с институтом экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р. Кавецкого РАН Украины промышленная установка ВИН-4 "Надія” по производству легкой воды с пониженным на 30-35% содержанием дейтерия и трития (рис. 2). Установка состоит из корпуса 1, в котором установлена испарительная емкость 2 для исходной воды с устройствами нагрева 3 и охлаждения воды 4. Здесь же имеется вентиль 5 для подачи воды в испаритель и вентиль б для слива отработанного остатка, обогащенного тяжелыми изотопами водорода. В корпусе также расположено устройство 7 для конденсации и замораживания холодного пара в виде набора тонкостенных трубчатых элементов, которые соединены с насосом для прокачивания через них хладагента. Устройство 7 совместно с источниками ультрафиолетового 8 и инфракрасного 9 излучений размещено над емкостью 10 для сбора талой воды. Внутренняя полость корпуса 1 соединена патрубком 11 с вакуумным насосом - источником разряжения воздуха. Кроме того, корпус 1 снабжен устройством 12 для подачи в его внутреннюю полость установки очищенного воздуха или смеси газов. Дополнительно установка ВИН-4 оборудована системой терморегулирования в полости испарительной емкости 2 для контроля заданной температуры процесса испарения исходной обрабатываемой воды. В корпусе имеются иллюминаторы для наблюдения за процессами испарения, замораживания холодного пара и таяния льда -13 и 14. Емкость сбора талой воды 10 снабжена вентилями 15 для слива талой воды и патрубком 16 для соединения с блоком формирования структуры и свойств талой воды 17. Блок 17 включает внутреннюю коническую емкость 18 с минералами. На выходе емкости 19 установлен адсорбционный фильтр 20 и сливной вентиль 21.

Рис. 2. Схематическое изображение установки ВИН-4 “Надія”. Обозначения: 1 - корпус, 2 - испарительная емкость, 3 - устройство для нагрева воды, 4 - устройство для охлаждения воды, 5 - вентиль для подачи воды в испаритель, 6 - вентиль для слива отработанного остатка, 7 - устройство 7 для конденсации и замораживания холодного пара, 8, 9 - источники ультрафиолетового и инфракрасного излучений, 10 - емкость для сбора талой воды, 11 - вакуумный насос, 12 - устройство для подачи очищенного воздуха или смеси газов, 13, 14 - иллюминаторы для наблюдения за процессами испарения и замораживания пара и таяния льда, 15 - вентиль для слива талой воды, 16 - патрубок, 17 - блок формирования структуры и свойств талой воды, 18 - внутренняя коническая емкость с минералами, 19 - внешняя коническая емкость с минералами, 20 - адсорбционный фильтр, 21 - сливной вентиль.

Установка работает следующим образом: Из водопровода испарительную емкость 2 наполняют водой и через устройство 4 прокачивают хладагент. При достижении заданной температуры, не превышающей +10°С, процесс охлаждения воды прекращают. Затем герметизируют корпус 1 и через патрубок 11 начинают откачивать воздух, создавая разряжение во внутреннем объеме корпуса установки. Создание разряжения сопровождается сначала интенсивным выделением из всего объема исходной воды растворенных в ней газов и их удаление, а затем интенсивным парообразованием вплоть до кипения воды, за которым наблюдают через иллюминаторы 13 и 14. Образующийся холодный пар конденсируется и намерзает на поверхности трубчатых элементов морозильника 7. Когда толщина льда достигает заранее заданной величины, процесс испарения прекращают. Вакуумный насос выключают, включают источники ультрафиолетового 8 и инфракрасного 9 излучений, а через устройство 12 вводят в полость корпуса 1 очищенный воздух или смесь газов; затем доводят давление в корпусе 1 до уровня или выше атмосферного. Остаток воды емкости 2, обогащенный тяжелыми изотопами, через вентиль 6 сливают в отдельные емкости или сливают в накопитель. По мере облучения и таяния льда талая вода поступает в емкость 10, затем в блок 17 формирования структуры и свойств талой воды. Проходя через минералы внутренней 18 и наружной 19 конических емкостей и далее через фильтр 20, талая вода завершает свой путь, приобретая целебные биологичеки-активные свойства.

Аналогичную установку по получению биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия путем электролиза сконструировали в 2000 году российские учёные Ю. Е. Синяк, В. Б. Гайдадымов и А. И. Григорьев из Института медико-биологических проблем в Москве. Установка содержит емкость 1 с конденсатом атмосферной влаги или дистиллятом, которая соединена с анодной камерой 2 электролизера с ионообменным электролитом. Электролизер содержит пористые электроды (анод 2 и катод 3) из титана, покрытые платиной, преобразователь электролизных газов в воду, конденсатор 10 и сборник легкой воды. Кроме того, устройство дополнительно снабжено осушителем кислорода 4, реактором изотопного D2/H2O обмена 5, внешние боковые стенки которых образованы из ионообменных мембран, и кондиционером для воды 11 (рис. 3). Внешние стенки реактора 5 и осушителя 4 образованы из ионообменных мембран 6, 8; осушитель кислорода содержит ионообменный катионит, а кондиционер для воды 11 в свою очередь образован из фильтра со смешанными слоями ионообменных материалов - адсорбента и минерализатора, содержащего гранулированные кальций-магний карбонатные материалы.

Конденсат атмосферной влаги или дистиллят поступает в анодную камеру электролизера с твердым электролитом, где осуществляется процесс электролиза при температуре 60-80 0С. Образующиеся в результате электролиза обедненные дейтерием газообразные водород и кислород с парами воды подают в осушитель кислорода 4, где происходит сушка за счет сорбции паров воды ионообменным наполнителем (катионитом) и прохождения через ионообменные мембраны 6. Затем высушенный электролизный водород подается в каталитический реактор изотопного обмена 5, где он подвергается изотопному D2/H2O обмену с парами воды и водородом на катализаторе, состоящим из из активированного угля с добавками 4-10% фторопласта и 2-4% палладия или платины. После изотопного D2/H2O обмена водород осушают от паров воды (D2O), которые сорбируются и удаляются через ионообменники реактора 8, размещенные на его внешних боковых стенках. Осушенные газы поступают в преобразователь электролизных газов и в каталитическую горелку 9. Пламя факела направляют в конденсатор 10, охлаждаемый в протоке водопроводной водой, где пары воды конденсируются и поступают в кондиционер 11 для доочистки на сорбционном фильтре. Затем вода поступает в сборник воды, обедненной дейтерием 12. Охлаждение устройства и работа ионообменных мембран по осушке электролизных газов от паров воды осуществляется вентилятором 7. Окончательную доочистку воды и последующую ее минерализацию проводят кальций-магнийсодержащими карбонатными минералами и доломитом. Производительность установки по легкой воде составляет 50 мл воды в час.

Рис. 3. Схематическое изображение электролизной установки получения легкой воды. Обозначения: 1 - емкость конденсата атмосферной влаги, 2 - анод, 3 - катод, 4 - осушители кислорода, 5 - реактор изотопного D2/H2O обмена, 7 - вентиллятор, 6, 8 - ионнообменная мембрана, 9 - каталитическая горелка, 10 - конденсатор, 11 - кондиционер воды с доломитом, 12 - сборник легкой воды.

При электролизном процессе у воды с пониженным на 60% и выше содержанием дейтерия сохраняются негативные свойства дистиллированной воды (отсутствие минерализации, повышенное содержание растворенных газов, неупорядоченная молекулярная структура воды). Она является исходным материалом для получения питьевой воды космонавтов. Преимуществом электролизного процесса является максимально возможное удаление дейтерия (до 90%).

При вакуумном замораживании-оттаивании получают микроминерализованную питьевую воду со сниженным содержанием дейтерия на 10-35% и с упорядоченной льдоподобной структурой, характерной талой воде. Поэтому предпочтение отдается этому способу получения легкой воды.

Разработанные в последние годы комбинированные методы изотопного обмена и ректификации позволяют получать легкую воду высокой изотопной чистоты. Первая в мире ректификационная установка по изотопной очистке воды была спроектирована в 1975 г. швейцарской фиромой SULZER и пущена в эксплуатацию на реакторе HFR ILL. В 1987 г. аналогичная, но гораздо мощная установка была создана в Канаде для канадских АЭС. В конце 90-х годов в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова была создана первая отечественная ректификационная колонна по изотопному разделению воды. Высота колонны - 10 м, диаметр - 80 мм В основу этой установки заложен комбинированный метод изотопного обмена в системе “пары воды - водород” и низкотепмературной ректификации изотопов водорода. В ходе реакции каталитического изотопного обмена (КИО) между парами воды и дейтерием при температуре 200 0С происходит извлечение протия и трития из тяжёлой воды и их последующий перевод в газообразную фазу:

DTO + D2 = DT + D2O

HDO + D2 = HD + D2O

Степень извлечения трития из тяжелой воды определяется константой равновесия и при трехступенчатой очистке составляет не боле 30%. Очищенная от протия и трития тяжелая вода возвращается в реактор. Смесь изотопов водорода - D2, DT, HD После очистки от примесей и охлаждения до температуры 25 0К подается в низкотемпературную колонну. За счет процессов массообмена между газообразной и жидкой фазой изотопов водорода, происходит концентрирование трития в нижней, а протия - в верхней части колонны. Обедненный по протию и тритию поток дейтерия в виде D2O возвращается в блок КИО. Из верхней части низкотемпературной колонны происходит отбор концентрата протия - в виде “легкой” воды, а из нижней - концентрат трития в виде тритиевой воды.

Ректификация воды относится к массообменным процессам и осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами - насадками или тарелками. В этом процессе происходит непрерывный обмен между движущимся относительно друг друга молекулами жидкой и паровой водяной фазы. При этом жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим - дейтерием и другими тяжёлыми изотопами - тритием (Т) и кислородом (18О). В большинстве случаев ректификацию осуществляют в противоточных колонных аппаратах с различными контактными элементами (рис. 4). Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Чтобы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы - насадки и тарелки, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок.

Рис. 4. Схема (а) и изображение (б) типовой ректификационной колонны. Обозначения: 1 - корпус; 2 - колонна; 3 - конденсатор; 4 - делитель; 5 - холодильник дистиллята; 6 - холодильник кубового остатка; 7 - сборник; 8 - система надува; 9 - система трубопровода.

Расчет ректификационной колонны производится по диаграмме кипения воды для заданных параметров ректификации - состава исходной воды, кубового остатка, дистиллята, производительности и рабочем давлении в колонне. Затем подбирается тип и количество тарелок, определяется скорость движения пара, диаметр колонны, коэффициенты массопередачи, высота колонны, гидравлическое сопротивление тарелок. После этого проводится расчет эксплуатационных свойств, а также экономические показатели использования ректификационной колонны. На практике для более глубокой очистки воды от тяжелых изотопов используется не одна ректификационная колонна, а батарея из 10 и более отдельных колонн (до 20).

Данный метод изотопного разделения воды имеет ряд существенных преимуществ по-сравнению с существующими способами и позволяет производить очистку природной воды от дейтерия до величин порядка 20-30 ppm. Кроме того, производительность изотопной очистки воды этим методом выше других способов, что существенно снижает ее стоимость. Предполагается, что при широкомасштабном производстве “лёгкой” воды, в будущем она станет доступной каждому человеку.

В последнее время на отечественном рынке появилась легкая питьевая вода “Лангвей”, которая производится методом колоночной ректификации с различным остаточным содержанием дейтерия (от 125 до 50ppm) (табл. 3). На основании клинических испытаний, проведенных в Российском Научном Центре восстановительной медицины и урортологии и в Институте красоты, “легкая” питьевая вода “Лангвей” рекомендована для нормализации углеводного и липидного обмена, артериального давления, коррекции веса, улучшения работы желудочно-кишечного тракта, увеличения скорости водообмена и выведения шлаков и токсинов из организма [19].

Таблица. 3. Сравнительная характеристика “легкой” питьевой воды "Лангвей" и минеральных вод известных марок

Основное воздействие “легкой” воды на организм объясняется постепенным снижением содержания дейтерия в физиологических жидкостях тела за счёт реакций изотопного (Н-D) обмена. Анализ полученных результатов может свидетельствовать о том, что очистка воды организма от тяжелой воды с помощью легкой питьевой воды позволяет улучшить работу некоторых жизненно-важных систем организма. При регулярном потреблении легкой воды происходит более полная очистка всего организма от тяжелой воды за счет реакций изотопного Н-D обмена в физиологических жидкостях, а также зафиксировано изменение изотопного состава мочи и содержание в ней кальция. Ежедневное употребление легкой питьевой воды позволяет естественным образом снизить содержание тяжелой воды в организме человека за счёт реакций изотопного Н-D обмена. Этот процесс сопровождается увеличением функциональной активности клеток, органов и некоторых систем организма. При этом происходит нормализация обменных процессов, увеличиваются защитные силы и устойчивость организма к внешним неблагоприятным воздействиям. Регулярное употребление “легкой” питьевой воды позволяет естественным образом снизить содержание тяжелой воды в организме человека до величины 111 ррм. Это оказывает благоприятное воздействие на обмен веществ, улучшает самочувствие, повышает работоспособность, а также способствует быстрому восстановлению организма после больших физических нагрузок.

Положительные свойства легкой питьевой воды подтверждены исследованиями и клиническими испытаниями. Показано, что “легкая” вода нормализует обмен веществ и артериальное давление, снижает содержание сахара в крови у больных сахарным диабетом II типа, очищает организм от токсинов и шлаков, способствует быстрому заживлению и восстановлению костных и мышечных тканей после травм, обладает противовоспалительным действием, усиливает действие лекарственных препаратов, способствует коррекции веса, защищает клетки от радиации, устраняет признаки посталкогольной абстиненции. Лёгкая вода также рекомендуется для быстрой и глубокой очистки организма, что необходимо при нарушениях обменных процессов, перед операцией и в послеоперационный период, а также при лечении опухолевых заболеваний.

Клинические испытания легкой воды с остаточным содержанием дейтерия 60-100 ррм, проведенные РНЦ восстановительной медицины и курортологии МЗ РФ, показали, что она может быть рекомендована каквспомогательное средство в комплексном лечении больных метаболическим синдромом (артериальная гипертония, ожирение, нарушение углеводного обмена, дислипидемия) и сахарным диабетом. Кроме того, было обнаружено, что легкая вода улучшает качество жизни при почечно-каменной болезни и различных нарушениях в работе желудочно-кишечного тракта (колиты и гастриты). Учитывая динамику распределение воды в организме, реакции изотопного (H/D и 16О/18O) обмена и результаты, полученные на “легкой” воде, можно ожидать, что наибольший эффект изотопная очистка воды будет оказывать на регуляторные системы организма и обмен веществ.

Эффективность воздействия “легкой” воды зависит от многих параметров - массы тела, количества воды в организме, количества ежедневно потребляемой “легкой” воды и степени ее изотопной чистоты. В таблице 4 приведены результаты расчетов изменения содержания дейтерия в организме при регулярном потреблении “легкой” воды с различным остаточным содержанием дейтерия.

Таблица 4. Изменение содержание дейтерия в организме со временем при регулярном потреблении легкой воды*

*Расчет проведен, исходя из следующих данных:

-суточное потребление легкой воды - 1 или 1, 5 литра;

-суточный водообмен - 2, 5 литра;

-содержание дейтерия в организме соответствует его содержанию в природной воде ~ 150 ppm;

-объем воды в организме - 45 литров (масса тела ~ 75 кг).

Исследованные положительные свойства “легкой” воды позволяют говорить о дальнейших перспективах использования “легкой” воды в медицине, быту и пищевой промышленности. В будущем запланированы эксперименты, в которых "легкую воду" будут потреблять космонавты, поскольку для космических полетов особенно важны противорадиационные свойства “легкой” воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

изотопный кислород вода дейтерий

“Лёгкая” вода - это сложная по своей структуре и составу изотопная разновидность природной воды, оказывающая полифизиологическое действие на организм человека - противоопухолевое, радиопротекторное и общее оздоравливающее. Основное действие, оказываемое “легкой” водой на организм - постепенное снижение содержания дейтерия в за счет реакций изотопного Н-D обмена в физиологических жидкостях. Анализ полученных результатов позволяет говорить о том, что очистка организма от тяжелой воды с помощью “легкой” воды позволяет улучшить работу важнейших жизненных систем организма. Учитывая роль воды в организме, рассчитанные изотопные эффекты тяжелой воды и результаты, полученные на легкой воде, можно ожидать, что наибольший эффект может сказаться на регуляторных системах, метаболизме и энергетическом аппарате живой клетки, т.е. именно тех клеточных системах, которые используют высокую подвижность протонов (D) и высокую скорость разрыва водородных H+ и D- связей. Кроме этого “легкая” вода обладает меньшей вязкостью, чем тяжелая вода, что позволяет ей легче проникать через клеточные мембраны и тем самым регулировать скорость водообмена в организме. Растворимость неорганических солей в легкой воде несколько выше, чем в тяжелой воде, что дает ей возможность более эффективно выводить продукты метаболизма и вредные солевые примеси из организма. Скорость ферментативных (каталитических) реакций в легкой воде несколько выше, чем в обычной воде. Это позволяет интенсифицировать обменные процессы, что помогает организму быстрее восстанавливаться после больших нагрузок. Таким образом, легкая вода позволяет естественным образом, без применения каких-либо фармацевтических средств, существенно повысить обменные процессы организма.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Шатенштейн, Изотопный анализ воды, 2 изд., Москва, Атомиздат (1957), с. 32-25.

2. S. Kaufman, Sheldon; W. Libby, "The Natural Distribution of Tritium", Physical Review, 93 (6), 1337-1339 (1954).

3. O. В. Мосин, И. Игнатов, “Осознание роли воды в процессе происхождения жизни”, Сознание и физическая реальность, 1, 1-18 (2012).

4. I. Kudish, D. Wolf, F. Steckel, “Physical properties of heavy-oxygen water. Absolute viscosity of H218O between 15 and 35°C”, Journal of Chemical Society, Faraday Transactions, 68 (1), 2041-2046 (1972).

5. И. Кишенбаум, Тяжелая вода. Физические свойства и методы анализа, пер. с англ., Mосква, Атомиздат (1953), с. 56-58.

6. Я. Д. Зельвенский, С. Г. Катальников, Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, Мocква, Наука (1987), с. 78-80.

7. G. Lis, L. I. Wassenaar, M. J. Hendry, “High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples”, Analytical Chemistry, 80 (1), 287-293 (2008).

8. W. N. Cleland, M. N. O'Leary, D. D. Northrop (eds.), Isotope Effects on Enzyme-Catalyzed Reactions, University Park Press, Baltimore, London, Tokyo (1976), p. 303.

9. В. Н. Лобышев, Л. П. Калиниченко, Изотопные эффекты D2O в биологических системах, Москва, Наука (1978), с. 215.

10. О. В. Мосин, Исследование методов биотехнологического получения аминокислот, белков и нуклеозидов, меченных стабильными изотопами 2Н и 13С с высокими уровнями изотопного обогащения, Автореф. диссерт. канд. хим. наук, Москва, МГАТХТ им. М. В. Ломоносова (1996), с. 1-26.

11. P. Cioni, G. B. Strambini, “Effect of Heavy Water on Protein Flexibility”, Biophysical Journal, 82 (6), 3246-3253 (2002).

12. О. В. Мосин, “Очиска воды от тяжелых изотопов дейтерия (D), трития (T) и кислорода” (18О), Сантехника, 1, 1-6 (2012).

13. О. В. Мосин, Д. А. Складнев, В. И. Швец, “Исследование физиологической адаптации бактерий на тяжёловодородной среде”, Биотехнология, 8, 16-23 (1999).

14. О. В. Мосин, “Дейтерий, тяжелая вода, эволюция и жизнь”, Водоочистка Водоснабжение Водоподготовка, 4, 5-8 (2009).

15. Е. И. Денько, . “Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы”, Успехи современной биологии, 70 (4), 41-47 (1970).

16. J. F. Thomson, . “Physiological effects of D2O in mammals”, Annals of the New York Academy of Sciences. Deuterium Isotope Effects in Chemistry and Biology, 84, 736-744 (1960).

17. J. J. Katz, The biology of heavy water, Scientific American, USA (1960), p 106-115.

18. Г. Д. Бердышев, И. Н. Варнавский, В. Д. Прилипенко, Аквабиотика - наука о роли воды в жизненных процессах, . в кн. Информоенергетика ІІІ-го тисячоліття: соціолого-синергетичні та медично-екологічні підходи, Київ, Кривий Ріг, “ЗТНВФ “Коло” (2003), с. 22 - 28.

19. Ю. Е. Синяк, А. И. Григорьев, В. В. Гайдадымов, Е. И. Медникова, З. Н. Лебедева, Е. И. Гуськова, Метод получения бездейтериевой воды и исследование ее влияния на физиологический статус, Космическая биология и авиакосмическая медицина, Материалы XI конференции, II (1998), с. 201.

20. И. Н. Варнавский, Новая технология и установка для получения очищенной биологически активной целебной питьевой воды, диссерт. докт. техн. наук, . Москва (2000).

21. Н. С. Сергеева, И. С. Свиридова, А. А. Тимаков, Исследование влияния воды с пониженным содержанием дейтерия на рост перевивных культур опухолевых клеток человека в экспериментах in vitro, Материалы конференции “Новые биокибернетические и телемедицинские технологии XXI века”, Петрозаводск (2003), с. 39.

22. А. К. Мартынов, И. В. Артемкина, А. А. Тимаков, Т. И. Москвичева, Оценка биологической активности воды с пониженным содержанием дейтерия, Материалы конференции “Новые биокибернетические и телемедицинские технологии XXI века”, Петрозаводск (2003), с. 57

23. О. В. Мосин, Д. А. Складнев, В. И. Швец, “Методы получения белков и аминокислот, меченных стабильными изотопами 2Н, 13С и 15N”, Биотехнология, 3, 12-32 (1996).

Размещено на Allbest.ru