Про проблемы с экологией и дефицит чистой питьевой воды известно даже школьникам. В Украине на государственном уровне разработаны и закреплены нормы, регулирующие качество воды, которое должны обеспечивать компании, оказывающие услуги по снабжению бытовых потребителей водой. Но из-за износа коммуникаций, насосных станций и прочих факторов, велик риск повторных загрязнений. Поэтому многие владельцы объектов задумываются над тем, какой системе фильтрации воды отдать предпочтение, чтобы покупка оборудование обеспечила защиту от механических и растворимых примесей различного характера. Последнее время наших экспертов стали спрашивать — что такое тяжелая вода, насколько она вредна для человека и можно ли очистить ее. На первый взгляд дейтериевая вода визуально и по вкусу не отличается от обычной, однако ее свойства уникальны. Узнать, что значит тяжелая вода, чем она отличается от обычной, каковы ее свойства, где ее используют и как получают можно из нашей статьи.
Тяжелая вода, что это такое, где применяется и как влияет на человека
Из школьного курса химии всем известно, что молекула воды состоит из 2 атомов водорода, который имеет 1 заряд в ядре (он называется протием) и 1 атома кислорода. Формула обычной (чистой) воды — H₂O. Про то, что существует водород с 2, 3 и более протонами в ядре, знает гораздо меньше людей. Такой водород относится к тяжелым изотопам и называется дейтерием и тритием соответственно.
Тяжелая вода — это жидкость у которой на атомном уровне в молекулах частицы протия заменяются дейтерием. Впервые молекулы D₂O были выявлены среди обычных водных молекул в 1932 году. После чего ученые активно работают над изучением вопросов — каковы свойства жидкости, что значит тяжелая вода для человечества и науки, может ли улавливать ее активированный уголь, комбинированные засыпки и картриджи, осмос фильтра (купленный для применения в быту), прочее оборудование. Согласно исследованием, в настоящее время тяжелая вода в природе встречается во все источниках, но в среднем на 20 тыс. молекул H₂O приходится 1 молекула D₂O. При такой концентрации она не оказывает влияния на живые организмы и технику, с которыми контактирует. Но при увеличении концентрации дейтерия характеристики воды меняются.
Тяжелая вода: свойства и особенности дейтериевой воды
В процессе исследований ученые смогли определить, что более чем 99,98 % воды на Земле имеет стандартную молекулярную форму. Оставшиеся менее чем 0,02 % имеют разное количество изотопов в своем составе, что меняет их свойства. Наиболее часто встречается тяжелая дейтериевая вода, жидкость с молекулами D2O и HDO, а также сверхтяжелая тритиевая T2O и 3Н2О. Помимо этого есть и другие варианты, всего на данный момент известно 9 модификаций, для каждой из них имеется своя формула тяжелой воды. Визуально без оборудования человек не может определить наличие тех или иных молекул в водопроводной воде или той, что поднимается из скважин. Но, как показали исследования, если формула тяжелой воды D₂O, то она имеет свойства, отличающиеся от обычной. Из-за недостатка знаний и опыта, иногда пользователи ошибочно ставят в один ряд чрезмерно жесткую воду, которую не желательно использовать в быту без соответствующего фильтра для бытовой техники с дейтериевой. Чтобы вам было проще ориентироваться, разберем основные особенности тяжелой воды.
Температурные особенности дейтериевой тяжелой воды
Как и обычная вода, тяжелая визуально прозрачная, не имеет осадка. При этом, исследования показали, что ее теплоемкость выше, поэтому она может сохранять больше тепла. К тому же у нее другая температура изменения агрегатного состояния:
- Вода с формулой H₂O замерзает при 0 °C, HDO при 2,04 °C, а D₂O при 3,82 °C.
- Вода с формулой H₂O закипает при 100 °C, HDO при 100,7 °C, а D₂O при 101,4 °C.
Хотя температура закипания жесткой воды (100,5-102 °C), близка к той, при которой кипит тяжелая вода, дейтерий не оставляет известкового налета на поверхностях.
Плотность тяжелой воды в сравнении с обычной
В ходе исследований, когда ученые замеряли плотность воды с разным молекулярным составом, при +20 °C были выявлены следующие показатели:
- H₂O имеет показатели “густоты” 0,9982 г/см³;
- HDO — 1,054 г/см³;
- D₂O — 1,1056 г/см³.
Как видите, дейтериевая вода имеет большую плотность и вес, в сравнении с обычной. Для чистоты эксперимента сравнение нужно проводить с водой, что прошла качественную очистку от химических веществ, которую могут обеспечить мембраны обратного осмоса в Украине (этот вид фильтров удаляет более 99,9 % примесей, что влияют на характеристики воды).
Вязкость и кислотно-щелочной баланс дейтериевой воды
Как показали лабораторные исследования, D₂O это вода, которая имеет большую вязкость и щелочность. Отличия в показателях небольшие, поэтому для пользователей могут остаться незамеченными, ведь при +25 °C pH обычной воды (H₂O) составило 7 единиц, для HDO — 7,266, а для D₂O — 7,41. Но для химической промышленности, фармакологии, косметологии и ряда производств эти отличия играют существенную роль.
В быту, если дейтериевая вода будет использоваться человеком в небольших количествах, она не нанесет вред. Но, если планируется регулярное использование тяжелой воды в пищу и для гигиенических процедур, рекомендуем заранее узнать больше про то, что такое уровень pH воды, как его изменения влияют на человека.
Общаясь с владельцами жилых помещений, коммерческих и промышленных объектов, мы столкнулись с тем, что некоторые ошибочно отождествляют тяжелую (дейтериевую) воду с радиоактивной. На самом деле это не так, дейтерий не относится к радиоактивным изотопом, как и соединения на его основе. Радиоактивно токсичным считается тритий, период полураспада которого достигает 12 лет. Но так как его концентрация в большинстве природных водоемов и подземных источниках минимальна, на него практически не обращают внимание.
Тяжелая вода: применение в промышленности, лабораториях, прочих сферах
Проводя исследования, ученые выявили, что те свойства, которые характеризуют тяжелую воду, могут быть полезны как в промышленности, так и для научных лабораторий, медицинских центров. Свойства дейтериевой воды сравнивались с той, что набрана из водоемов, прошла как минимум через фильтр для воды магистральный, дистиллирующий аппарат и полученной из прочих источников. В результате опытов стало понятно, что тяжелая вода по своему уникальна. В наши дни, ее используют:
- В качестве теплоносителя в системе охлаждения ядерных реакторов в лабораториях и на электростанциях. Дейтериевая вода замедляет, но практически не поглощает нейроны, что в сочетании с повышенной теплоемкостью обеспечило возможность применения слабо обогащенного урана с минимальным риском аварий. Это экономически выгоднее, чем проводит обогащение топлива.
- Благодаря повышенной плотности она медленнее растворяет вещества. К тому же она зарекомендовала себя как хороший изотопный индикатор. Поэтому ее используют в лабораториях при химических, физических и биологических исследованиях.
- В исследовательских центрах при использовании ядерно магнитного резонанса в ходе спектрографии. Применение дейтериевой воды улучшает четкость спектров.
- В медицине. Как показывают исследования, при значительной концентрации и длительном воздействии дейтерия на патогенную микрофлору, грибки и некоторые бактерии погибают. Также тяжелую воду используют при диагностике заболеваний.
- В промышленности, где необходимо охлаждение оборудования в закрытых системах, также используется тяжелая вода. С ее помощью гораздо проще регулировать тепловую нагрузку и контролировать уровень охлаждения.
На этом ученые не останавливаются и продолжают исследовать какие еще полезные свойства может иметь тяжелая вода, для чего еще ее можно использовать в будущем. На всех объектах, где применяется дейтериевая вода, ее получают не из природных источников, а лабораторным методом, с применением специального оборудования. В то же время хотим отметить, что независимо от того, какому фильтру для воды вы отдали предпочтение при покупке, полностью очистить воду от дейтерия в домашних условиях вы не сможете. Его атомы идентичны стандартным, поэтому даже мембрана в обратном осмосе их пропускает. Хотя тяжелая вода присутствует в природе не одно тысячелетие и пока не нанесла существенный вред, активное использование ее человечеством может изменить ситуацию. Ведь она применяется в ядерных и химических реакциях, которые негативно влияют на экологию. К тому же при производстве дейтериевой воды могут образовываться побочные вещества, что подлежат корректной утилизации.
Можно ли пить тяжелую воду людям без вреда для здоровья?
Так как дейтериевая вода относительно мало изучена, многих пользователей интересует вопрос — можно ли пить тяжелую воду. Однозначного ответа на этот вопрос нет. С одной стороны, дейтерий присутствует в природных водоемах тысячи лет. При низкой концентрации он наносит меньше вреда здоровью пользователей, чем прочие растворимые и механические примеси. Поэтому специалисты рекомендуют в целом оценивать и регулировать TDS и ppm воды без акцентирования внимания конкретно на дейтерии.
В то же время, как и с прочими веществами, при избыточной концентрации дейтерия в питьевой воде, он может накапливаться в организме и способствовать:
- нарушению обмена веществ из-за повышенной плотности и низкой степени проникновения через мембраны клеток;
- расстройству пищеварения и нарушению работы мочевыводящей системы;
- ухудшению работы кровеносной системы и угнетению нервной (нарушению процессов сна и бодрствования).
Как видите степень вреда и пользы, которые может обеспечить тяжелая вода, зависит от концентрации веществ, частоты и сферы применения.
Как получить тяжелую воду?
Как мы уже говорили, получение тяжелой воды — это достаточно сложный процесс, построенный на изотопном разделении дейтерия и трития. Метод получения зависит от того, какая концентрация дейтерия должна быть получена и для чего нужна тяжелая вода. На данный момент наиболее востребованы следующие способы:
- Под давлением проводят химическое обогащение водяного пара газом водорода. Метод Гершковича не всегда обеспечивает необходимую концентрацию дейтерия в воде за 1 процедуру. Поэтому обогащение может быть проведено несколько раз до момента достижения нужной концентрации.
- Изменение температуры кипения (постепенное ее снижение) в процессе дистилляции помогает при испарении, и конденсации отделить обычную воду от дейтериевой. Температура кипения тяжелой воды выше.
- Электролиз, при котором под воздействием тока, легкие атомы водорода высвобождаются раньше, чем дейтерий. Для проведения работ нужно специальное оборудование и значительное количество электроэнергии.
Как видите, процесс получения дейтериевой воды требует знаний и инвестиций, поэтому в быту эти методы на практики не используются. К тому же, полезность тяжелой воды для организма человека не доказана достоверно. Поэтому чтобы питьевая вода была полезной, выгоднее приобрести фильтр для питьевой воды и минерализатор обратного осмоса, чем экспериментировать с дейтерием.
Тяжелая вода: получение в домашних условиях
Если все же вы хотите для собственных нужд получить небольшое количество тяжелой воды, можно использовать заморозку. Тяжелая вода, в отличие от обычной, начинает превращаться в лед при положительной температуре. Это свойство можно использовать для отделения тяжелой от обычной. Для ее сбора необходимо:
- максимально очистить воду от содержащихся в ней примесей с помощью фильтра;
- нагреть воду до температуры +85-90 °C, но не кипятить ее;
- остудить воду и перелить ее в емкость, используйте металлическую или стеклянную тару;
- поставить воду в морозильную камеру и подождать, пока со всех сторон появится тонкая корочка льда;
- снимите образовавшийся лед, а оставшуюся воду снова поставьте в морозильную камеру. Процедуру с заморозкой можно повторять 3-4 раза, до сбора 30-35 % от первоначального объема.
Собранная вами замороженная вода является оксидом дейтерия. Чтобы тяжелая вода была максимально чистой, нужна на предварительном этапе качественная система очистки воды из скважины (на рынке есть множество предложений по фильтрам) или обратный осмос, при централизованной подаче воды. Чем качественнее выполнена предварительная водоподготовка, тем меньше сторонних примесей будет в тяжелой воде.
После того как вы несколько раз соберете лед, у вас останется в емкости чистая вода. Таким образом даже в домашних условиях может быть разделена чистая и тяжелая вода. Вред от такой процедуры для окружающей среды минимален, но не стоит забывать, что подобная очистка не устраняет бактерии и вирусы. Поэтому, если вам нужна качественная и полезная вода для питья и удовлетворения бытовых потребностей, лучше установите фильтр, который стоит выбрать с учетом исходных характеристик ресурса.
Надеемся, что наша статья помогла вам узнать, чем различаются обычная и тяжелая вода, что это такое, для чего она используется и про методы ее получения. Если вам нужна помощь в проектировании, выборе, монтаже систем водоподготовки, вас интересует дополнительная информация о засыпке и сменном фильтре для обслуживания оборудования, обращайтесь за консультацией к экспертам ВЕНКОН. Мы имеем более чем 10 летний опыт работы на коммерческих, промышленных и жилых объектах, сотрудничаем с ведущими производителями систем водоочистки, наши эксперты знают все про этот вид оборудования.
