СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПНЫХ ВИДОВ ВОДЫ
METHOD OF DETERMINING CRYSTALLISATION OF HEAVY ISOTOPE TYPES OF WATER

Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды. Изобретение относится к способам определения кристаллизации и образования льда тяжелых изотопных видов воды в природной при ее равномерном охлаждении и применяется в датчиках кристаллизации установок разделения легкой и тяжелых вод.
2
Известен «способ определения кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды» при равномерном, объемном охлаждении природной воды [1]. Он состоит в определении образования льда воды на поверхности 2-х плавающих электродов, погруженных острием в воду на глубину до 0,5 мм, и площадью электрического контакта с поверхностью воды до 1 мм. Электроды подключены к устройству, которое вырабатывает сигнал после уменьшения электропроводности межэлектродного пространства, вызываемое образованием льда на поверхности электродов. Они имеют конусовидную форму и изготовлены из углерода (графита).
1
17
1
18
1
2
16
1
2
17
1
2
18
2
16
2
17
2
18
1
16
1
16
1
16
2
2
2
2
2
2
2
2
Идея этого способа состоит в следующем: известно, что кристаллизация тяжелых видов воды Н О, Н О, ННО, ННО, ННО, Н О, Н О, Н О происходит при температуре в диапазоне от +3.81 до +0.28С°. Рыхлая масса кристаллов тяжелых видов воды образуются после выделения энергии кристаллизации молекул в воду и случайной встрече таких же молекул при циркуляции воды. Легкая вода Н О кристаллизуется и образует лед при 0С° после выделения энергии кристаллизации легкой воды в окружающую среду. Поэтому при медленном, равномерном, с циркуляцией охлаждении объема воды в момент начала кристаллизации легкой воды Н О все остальные виды тяжелой изотопной воды находятся в виде кристаллов льда в объеме воды и образуют взвесь кристаллов в воде. Кристаллизация легкой воды начинается с ее поверхности, так как присутствует эффект испарения воды, понижающий температуру поверхности, относительно остального объема. Поэтому при равномерном, с циркуляцией охлаждении природной воды начало образования льда легкой воды на поверхности свидетельствует о завершении кристаллизации тяжелых изотопных видов воды. Известно, что лед обладает свойствами полупроводника и диэлектрика, а вода обладает электрической проводимостью в зависимости от солевого состава [2, 3]. Поэтому при размещении на поверхности воды двух электродов и прикладывании к ним электрического напряжения через воду проходит электрический ток, а при образовании льда на поверхности электродов ток через воду прекращается. В связи с тем, что 8 видов тяжелой воды составляют около 0.27% объема воды, и при равномерном, объемном охлаждении природной воды к моменту образования льда на электродах 8 видов тяжелой воды в виде взвеси уже находятся в кристаллической форме в объеме воды, а площадь поверхности контакта электродов с водой составляет сотые и даже возможно ниже доли процентов площади поверхности, можно утверждать, что на поверхности электродов образуется лед легкой воды Н О.
Поэтому время образования льда воды на электродах, на которых имеется разность потенциалов и которые размещены на поверхности равномерно охлаждаемой воды, и, как следствие, время прекращения электрического тока через воду и электроды является временем, к которому завершена кристаллизация тяжелой воды.
2
Способ-прототип работает при условии, что электрический ток через воду не оказывает сколь-нибудь существенного влияния на воду, поэтому электроды должны иметь минимальную площадь, а напряжение на них минимальное, достаточное для определения электропроводности воды. Эти ограничения выполняются, если электроды погружены острием в воду на глубину до 0,5 мм, и имеют площадь электрического контакта с поверхностью воды до 1 мм, а напряжение находится в пределах 5-15V.
Использование известного способа кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды в изготовленных датчиках кристаллизации сопровождается несколькими нежелательными явлениями;
Известно, что при пропускании постоянного электрического тока через воду происходит диссоциация и поляризация молекул воды, что приводит к постепенному увеличению ее удельного электрического сопротивления. Это приводит к постепенному уменьшению величины тока через электроды и воду, а именно резкое уменьшение величины тока и является определяющим признаком и прототипа и заявленного способа. В условиях высокой интенсивности охлаждения воды в конце процесса ее охлаждения удельное электрическое сопротивление воды будет близким к начальному, а в условиях низкой интенсивности охлаждения воды будет приближаться к величине входного порогового сопротивления измерительного устройства. Это вызывает необходимость в установлении интенсивности охлаждения в зависимости от начальной температуры воды и требует высокой точности настройки измерительного устройства.
При пропускании через воду тока образуется тепловая энергия, температурный градиент которой максимален в точках контакта электродов с водой. При пропускании через воду постоянного тока тепловая энергия выделяется постоянно. Это обстоятельство ухудшает условия образования льда на электродах. Количество выделенной энергии зависит от солевого состава воды, который различен в разных местностях, особенно в случае использования природной воды, подверженной сезонным колебаниям солевого состава По этим причинам затрудняется определение времени завершения кристаллизации тяжелой воды.
Кроме этого при пропускании электрического тока через воду происходит электролиз воды и происходят электрохимические реакции [2]. В промышленных установках при больших объемах обрабатываемой воды этим можно пренебречь, но в бытовых установках объемом воды на 5 литров и длительности цикла около 5 часов происходит существенное изменение солевого состава воды. При использовании способа прототипа в бытовых устройствах получения легкой воды, изменение состава воды является непредсказуемым и нежелательным явлением.
В установках получения легкой воды равномерность охлаждения воды по объему достигается аэрацией воздухом и озоновоздушной смесью, что оказывает влияние на точность определения времени завершения кристаллизации тяжелой воды. В таких установках независимо от мощности установки и объема обрабатываемой воды наблюдается случайное скапливание пузырьков воздуха на электродах датчиков кристаллизации и поэтому возможна кратковременная потеря контакта электродов с водой, что вызывает ложные сигналы.
Выявлено, что при замерзании воды в порах графита лед вызывает постепенное разрушение электродов, пропадает контакт воды с электродом, начинается аварийный режим работы установки. Если в промышленных установках за этим может следить и ремонтировать обслуживающий персонал, то в бытовых установках требуется сервисное обслуживание специалистами.
Предлагаемое изобретение направлено на снижение воздействия измерительных токов электродов на обрабатываемую воду и исключение воздействия воздуха аэрации на электроды, что вызывает повышение точности определения кристаллизации тяжелой воды и повышение качества легкой воды, а также на повышение долговечности электродов, что вызывает повышение надежности установок получения легкой воды и снижение затрат на их обслуживание.
Предлагаемый способ снижает воздействия на обрабатываемую воду измерительных токов датчиков кристаллизации тяжелой воды заменой постоянного тока электродов на импульсный. В связи с тем, что длительность процессов охлаждения природной воды и кристаллизации тяжелой воды зависит от интенсивности охлаждения воды, зависящей от температуры воздуха, окружающего емкость кристаллизации, измерения свойств межэлектродного пространства вполне достаточно проводить 1 раз за 30-200 с, при длительности импульса напряжения до 2 секунд. При периодическом подведении импульсов электрического напряжения к двум электродам, расположенным на поверхности равномерно охлаждаемой воды, первый и последующие импульсы, которые не вызывают ток через воду вследствие образования на электродах льда воды означают завершение образования кристаллов льда 8 видов воды тяжелых изотопов водорода и кислорода. Суть предлагаемого изобретения состоит в замене постоянного измерительного напряжения электродов на два вида поочередных импульсов. Один вид импульсов - постоянного тока предназначен для определения изменения электропроводности межэлектродного пространства при образовании льда на поверхности электродов. Другой вид импульсов - переменного тока, которые предназначены для определения появления полупроводниковых свойств льда на электроде. Известно, что граница льда и воды обладает полупроводниковыми свойствами [3]. Эти свойства позволяют определить образование льда на поверхности электрода датчика кристаллизации тяжелой воды. Импульсы подаются на электроды после начала кристаллизации тяжелой воды в диапазоне температур между +2-0С° и до его завершения, с выдачей сигнала. При возникновении импульсов постоянного тока происходит поляризация молекул воды, причем скорость поляризации молекул воды и их деполяризации одинакова. Учитывая отсутствие постоянной поляризации воды и что длительность интервала между импульсами значительно превышает длительность импульса, можно утверждать, что при использовании заявленного изобретения соблюдается стабильность удельного электрического сопротивления межэлектродного пространства. По этой причине отпадает необходимость в шунтировании электродов во время отсутствия импульсов напряжения для устранения поляризации молекул воды. Существенное снижение величины среднего тока через воду позволяет использовать инертные металлические электроды, которые не разрушаются кристаллами льда и не изменяют солевой состав воды даже в малообъемных установках. При попадании пузырьков на электрод возможен отрыв электрода от воды и возникновение ложного сигнала. Поэтому один электрод должен обеспечивать поверхностный контакт с водой, а другой может быть в форме сетчатого полушара или цилиндра, кольца и даже сегмента кольца и должен ограждать электрод от всплывающих или движущихся по поверхности пузырьков. В итоге для устранения влияния пузырьков газа на электроды один электрод выполнен как защитное ограждение второго от пузырьков воздуха, который не изменен и обеспечивает поверхностный контакт с водой. Также для устранения влияния пузырьков газа на электроды перед моментом измерения процесс аэрации воды озоно воздушной смесью может быть остановлен на участке размещения электродов или он полностью прекращен в малообъемных установках. Как вариант, имеется решение, при котором частью воздуха, вырабатываемого компрессором аэрации, проводится сдувание и отгон пузырьков воздуха от электрода. Воздуховод для этого пропускается через охлаждаемую воду и воздух приобретает температуру воды.
При использовании предлагаемого изобретения в установках получения легкой воды несколько повышается точность разделения легкой и тяжелых вод, а изменение солевого состава воды минимально и несущественно. При использовании изобретения на промышленных предприятиях значительно снижаются затраты на периодическую замену электродов датчиков кристаллизации установок получения легкой воды. В связи с тем, что работа установок наиболее эффективна в зимнее время, а низкие температуры при ремонтных и профилактических работах создают дополнительные трудности рабочим, поэтому повышение срока службы электродов также является положительным эффектом предлагаемого изобретения. В результате снижается время простоя установок получения легкой воды, а в бытовых установках увеличивается время работы до отказа.
Источники информации
1. М.М.Муратов, Р.Ф Зинатуллин, Заявка RU №2006123162 на изобретение «Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды».
2. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Изд-во «Наука», 1980 г.
3. А.А.Шибков, М.А.Желтов и А.А.Королев. Собственное электромагнитное излучение растущего льда. журнал "Природа", N9, 2000.