Про проблеми з екологією та дефіцит чистої питної води відомо навіть школярам. В Україні на державному рівні розроблено та закріплено норми, що регулюють якість води, яку повинні забезпечувати компанії, що надають послуги з водопостачання побутовим споживачам. Але через зношення комунікацій, насосних станцій та інших факторів, існує великий ризик повторного забруднення. Тому багато власників об'єктів замислюються над тим, якій системі фільтрації води віддати перевагу, щоб придбання обладнання забезпечило захист від механічних та розчинних домішок різного характеру. Останнім часом наших експертів почали запитувати — що таке важка вода, наскільки вона шкідлива для людини та чи можна її очистити. На перший погляд, дейтерієва вода візуально та на смак не відрізняється від звичайної, проте її властивості унікальні. Дізнатися, що таке важка вода, чим вона відрізняється від звичайної, які її властивості, де її використовують та як отримують, можна з нашої статті.
Важка вода, що це таке, де застосовується та як впливає на людину
Зі шкільного курсу хімії всім відомо, що молекула води складається з 2 атомів водню, який має 1 заряд у ядрі (він називається протієм) та 1 атома кисню. Формула звичайної (чистої) води — H₂O. Про те, що існує водень з 2, 3 та більше протонами в ядрі, знає набагато менше людей. Такий водень належить до важких ізотопів та називається дейтерієм та тритієм відповідно.
Важка вода — це рідина, в якій на атомному рівні в молекулах частинки протію замінюються дейтерієм. Вперше молекули D₂O були виявлені серед звичайних водних молекул у 1932 році. Після чого вчені активно працюють над вивченням питань — які властивості має рідина, що означає важка вода для людства та науки, чи може її уловлювати активоване вугілля, комбіновані засипки та картриджі, осмос фільтра (придбаний для застосування в побуті), інше обладнання. Згідно з дослідженнями, на цей час важка вода в природі зустрічається у всіх джерелах, але в середньому на 20 тис. молекул H₂O припадає 1 молекула D₂O. При такій концентрації вона не впливає на живі організми та техніку, з якими контактує. Але при збільшенні концентрації дейтерію характеристики води змінюються.
Важка вода: властивості та особливості дейтерієвої води
У процесі досліджень вчені змогли визначити, що понад 99,98 % води на Землі має стандартну молекулярну форму. Решта менше ніж 0,02 % мають різну кількість ізотопів у своєму складі, що змінює їхні властивості. Найчастіше зустрічається важка дейтерієва вода, рідина з молекулами D2O та HDO, а також надважка тритієва T2O та 3Н2О. Крім цього, є й інші варіанти, всього на цей час відомо 9 модифікацій, для кожної з них є своя формула важкої води. Візуально без обладнання людина не може визначити наявність тих чи інших молекул у водопровідній воді або тій, що підіймається зі свердловин. Але, як показали дослідження, якщо формула важкої води D₂O, то вона має властивості, що відрізняються від звичайної. Через брак знань та досвіду, іноді користувачі помилково ставлять в один ряд надмірно жорстку воду, яку не бажано використовувати в побуті без відповідного фільтра для побутової техніки, з дейтерієвою. Щоб вам було простіше орієнтуватися, розберемо основні особливості важкої води.
Температурні особливості дейтерієвої важкої води
Як і звичайна вода, важка візуально прозора, не має осаду. При цьому дослідження показали, що її тепломісткість вища, тому вона може зберігати більше тепла. До того ж у неї інша температура зміни агрегатного стану:
- Вода з формулою H₂O замерзає при 0 °C, HDO при 2,04 °C, а D₂O при 3,82 °C.
- Вода з формулою H₂O закипає при 100 °C, HDO при 100,7 °C, а D₂O при 101,4 °C.
Хоча температура закипання жорсткої води (100,5-102 °C) близька до тієї, при якій кипить важка вода, дейтерій не залишає вапняного нальоту на поверхнях.
Щільність важкої води порівняно зі звичайною
Під час досліджень, коли вчені вимірювали щільність води з різним молекулярним складом, при +20 °C були виявлені такі показники:
- H₂O має показники «густини» 0,9982 г/см³;
- HDO — 1,054 г/см³;
- D₂O — 1,1056 г/см³.
Як бачите, дейтерієва вода має більшу щільність та вагу, порівняно зі звичайною. Для чистоти експерименту порівняння потрібно проводити з водою, що пройшла якісне очищення від хімічних речовин, яке можуть забезпечити мембрани зворотного осмосу в Україні (цей вид фільтрів видаляє понад 99,9 % домішок, що впливають на характеристики води).
В'язкість та кислотно-лужний баланс дейтерієвої води
Як показали лабораторні дослідження, D₂O — це вода, яка має більшу в'язкість та лужність. Відмінності в показниках невеликі, тому для користувачів можуть залишитися непомітними, адже при +25 °C pH звичайної води (H₂O) становило 7 одиниць, для HDO — 7,266, а для D₂O — 7,41. Але для хімічної промисловості, фармакології, косметології та ряду виробництв ці відмінності відіграють істотну роль.
У побуті, якщо дейтерієва вода буде використовуватися людиною в невеликих кількостях, вона не завдасть шкоди. Але, якщо планується регулярне використання важкої води в їжу та для гігієнічних процедур, рекомендуємо заздалегідь дізнатися більше про те, що таке рівень pH води, як його зміни впливають на людину.
Спілкуючись з власниками житлових приміщень, комерційних та промислових об'єктів, ми зіткнулися з тим, що деякі помилково ототожнюють важку (дейтерієву) воду з радіоактивною. Насправді це не так, дейтерій не належить до радіоактивних ізотопів, як і сполуки на його основі. Радіоактивно токсичним вважається тритій, період напіврозпаду якого досягає 12 років. Але оскільки його концентрація в більшості природних водойм та підземних джерелах мінімальна, на нього практично не звертають уваги.
Важка вода: застосування в промисловості, лабораторіях, інших сферах
Проводячи дослідження, вчені виявили, що ті властивості, які характеризують важку воду, можуть бути корисні як у промисловості, так і для наукових лабораторій, медичних центрів. Властивості дейтерієвої води порівнювали з тією, що набрана з водойм, пройшла як мінімум через фільтр для води магістральний, дистиляційний апарат та отримана з інших джерел. В результаті дослідів стало зрозуміло, що важка вода є унікальною. У наші дні її використовують:
- Як теплоносій у системі охолодження ядерних реакторів у лабораторіях та на електростанціях. Дейтерієва вода уповільнює, але практично не поглинає нейрони, що у поєднанні з підвищеною тепломісткістю забезпечило можливість застосування слабо збагаченого урану з мінімальним ризиком аварій. Це економічно вигідніше, ніж збагачення палива.
- Завдяки підвищеній щільності вона повільніше розчиняє речовини. До того ж вона зарекомендувала себе як хороший ізотопний індикатор. Тому її використовують у лабораторіях під час хімічних, фізичних та біологічних досліджень.
- У дослідницьких центрах при використанні ядерно-магнітного резонансу в ході спектрографії. Застосування дейтерієвої води покращує чіткість спектрів.
- У медицині. Як показують дослідження, при значній концентрації та тривалому впливі дейтерію на патогенну мікрофлору, грибки та деякі бактерії гинуть. Також важку воду використовують при діагностиці захворювань.
- У промисловості, де необхідне охолодження обладнання в закритих системах, також використовується важка вода. З її допомогою набагато простіше регулювати теплове навантаження та контролювати рівень охолодження.
На цьому вчені не зупиняються та продовжують досліджувати, які ще корисні властивості може мати важка вода, для чого ще її можна використовувати в майбутньому. На всіх об’єктах, де застосовується дейтерієва вода, її отримують не з природних джерел, а лабораторним методом, із застосуванням спеціального обладнання. Водночас хочемо зазначити, що незалежно від того, якому фільтру для води ви віддали перевагу при купівлі, повністю очистити воду від дейтерію в домашніх умовах ви не зможете. Його атоми ідентичні стандартним, тому навіть мембрана у зворотному осмосі їх пропускає. Хоча важка вода присутня в природі не одне тисячоліття та поки що не завдала істотної шкоди, активне використання її людством може змінити ситуацію. Адже вона застосовується в ядерних та хімічних реакціях, які негативно впливають на екологію. До того ж під час виробництва дейтерієвої води можуть утворюватися побічні речовини, які підлягають правильній утилізації.
Чи можна людям пити важку воду без шкоди для здоров’я?
Оскільки дейтерієва вода відносно малодосліджена, багатьох користувачів цікавить питання — чи можна пити важку воду. Однозначної відповіді на це питання немає. З одного боку, дейтерій присутній у природних водоймах тисячі років. При низькій концентрації він завдає менше шкоди здоров'ю споживачів, ніж інші розчинні та механічні домішки. Тому фахівці рекомендують загалом оцінювати та регулювати TDS та ppm води, не наголошуючи увагу конкретно на дейтерії.
Водночас як і з іншими речовинами, при надмірній концентрації дейтерію в питній воді він може накопичуватися в організмі та сприяти:
- порушенню обміну речовин через підвищену щільність та низький ступінь проникнення через мембрани клітин;
- розладу травлення та порушенню роботи сечовивідної системи;
- погіршенню роботи кровоносної системи та пригніченню нервової (порушенню процесів сну та неспання).
Як бачите, ступінь шкоди та користі, які може забезпечити важка вода, залежить від концентрації речовин, частоти та сфери застосування.
Як отримати важку воду?
Як ми вже говорили, отримання важкої води — це досить складний процес, побудований на ізотопному розділенні дейтерію та тритію. Метод отримання залежить від того, яка концентрація дейтерію повинна бути отримана та для чого потрібна важка вода. На цей момент найбільш популярні такі способи:
- Під тиском проводять хімічне збагачення водяної пари газом водню. Метод Гершковича не завжди забезпечує необхідну концентрацію дейтерію у воді за 1 процедуру. Тому збагачення може бути проведено кілька разів до моменту досягнення потрібної концентрації.
- Зміна температури кипіння (поступове її зниження) у процесі дистиляції допомагає під час випаровування та конденсації відокремити звичайну воду від дейтерієвої. Температура кипіння важкої води вища.
- Електроліз, при якому під впливом струму легкі атоми водню вивільняються раніше, ніж дейтерій. Для проведення робіт потрібне спеціальне обладнання та значна кількість електроенергії.
Як бачите, процес отримання дейтерієвої води вимагає знань та інвестицій, тому в побуті ці методи на практиці не використовуються. До того ж корисність важкої води для організму людини не доведена правдиво. Тому, щоб питна вода була корисною, вигідніше придбати фільтр для питної води та мінералізатор зворотного осмосу, ніж експериментувати з дейтерієм.
Важка вода: отримання в домашніх умовах
Якщо все ж ви хочете для власних потреб отримати невелику кількість важкої води, можна використовувати заморожування. Важка вода, на відміну від звичайної, починає перетворюватися на лід при плюсовій температурі. Цю властивість можна використовувати для відділення важкої від звичайної. Для її збору необхідно:
- максимально очистити воду від домішок, що містяться в ній, за допомогою фільтра;
- нагріти воду до температури +85-90 °C, але не кип'ятити її;
- охолодити воду та перелити її в ємність, використовуйте металеву або скляну тару;
- поставити воду в морозильну камеру та почекати, поки з усіх боків з'явиться тонка скоринка льоду;
- зняти утворений лід, а воду, що залишилася, знову поставити в морозильну камеру. Процедуру з заморожуванням можна повторювати 3-4 рази, до отримання 30-35 % від початкового об'єму.
Зібрана вами заморожена вода є оксидом дейтерію. Щоб важка вода була максимально чистою, на попередньому етапі потрібна якісна система очищення води зі свердловини (на ринку є безліч пропозицій щодо фільтрів) або зворотний осмос, при централізованій подачі води. Чим якісніше виконана попередня водопідготовка, тим менше сторонніх домішок буде у важкій воді.
Після того як ви кілька разів зберете лід, у вас залишиться в ємності чиста вода. Таким чином навіть у домашніх умовах можна розділити чисту та важку воду. Шкода від такої процедури для навколишнього середовища мінімальна, але не варто забувати, що подібне очищення не усуває бактерії та віруси. Тому, якщо вам потрібна якісна та корисна вода для пиття та задоволення побутових потреб, краще встановіть фільтр, який варто вибрати з урахуванням вихідних характеристик ресурсу.
Сподіваємося, що наша стаття допомогла вам дізнатися, чим відрізняються звичайна та важка вода, що це таке, для чого вона використовується та про методи її отримання. Якщо вам потрібна допомога в проєктуванні, виборі, монтажі систем водопідготовки, вас цікавить додаткова інформація про засипку та змінні фільтри для обслуговування обладнання, звертайтеся за консультацією до експертів ВЕНКОН. Ми маємо понад 10-річний досвід роботи на комерційних, промислових та житлових об'єктах, співпрацюємо з провідними виробниками систем водоочищення, наші експерти знають все про цей вид обладнання.
