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CN1482946A - 活化水装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种使水经受来自RF等离子体的波处理的装置(1)，其可以连续产生“活化的水”，该水的特征在于水团大小小于4个分子/团，水的pH低于4或高于10，或水的ORP小于－350mV或高于+800mV。该等离子体的基频优选为0.44－40.68MHz，并且该等离子体优选经受10－34KHz的调频。流量通常为20－约2000L/hr。活化的水可用于多种用途，包括对例如肉类加工厂和医院的工作台、地板、墙壁、刀具、运输工具以及其它表面进行杀菌清洁。

Description

活化水装置和方法
发明领域
本发明领域是水处理。
背景
显然，液态和固态的水不以单独的H2O分子，而以大约10-24个H2O分子的团状态天然存在。显而易见，单分子水可以如下瞬时存在：作为某些化学反应过程中和反应刚完成后立即产生的中间体存在于液体中；在近似真空中存在。然而，在所有大量的非气态水中，水形成这样的水团的趋势是相当大的。现有理论说明，这些团通过大量不断形成和断裂的氢键而聚合在一起。人们认为，水团大小的变化取决于大量影响氢键键合的因素。
据报道，在此定义为平均每团仅有5-6个水分子的小团(SC)水有许多有益的特点。其中，据说小水团提供了如下益处：改善食品味道；加速药物和食物经消化道的吸收；并且由于减少肠道内诱导突变物质的产生且降低肠道微生物和消化道组织细胞的活性，从而能预防癌症。参见Tsunoda等人的美国专利5824353(1998年10月)，该专利和本文提及的所有其它出版物在此全文引入作为参考。
已将电学、磁学、化学和声学的方法用于小团水的制备：电磁法通常涉及流水通过邻近间隔的电极。在Ibbott的两个美国专利5387324(1995年2月)和6165339(2000年12月)中陈述了一些实例。通常，通过相对移动电极或磁铁来调节场强。参见例如Bogatin等人的US 5866010(1999年2月)。在其它实例中，场强通过变换水的路径来调节。参见例如Strachwitz的美国专利5656171(1997年8月)，其描述了用弯曲的管道输送通过磁场。Lorenzen的两个美国专利6033678(2000年3月)和5711950(1998年1月)描述了通过使水流穿过磁场来制备团减小的水。
化学法通常涉及电解液和极性化合物的添加。Tsunoda等人的专利5824353讲授了采用100ppm或更高浓度的钾离子来制备团减小的水，其含有重量比为1∶0.3-4.5∶0.5-8.5的钾离子、镁离子和钙离子。其它化学法包括使用表面活性剂以及包合结构，其使一种分子被包含在另一种分子的空穴或晶格中。参见Johnson等人的US 5997590(1999年12月授权)。
声学法通常涉及使水经受超声波处理。参见Johnson等人的US5997590(1999年12月授权)。
一家日本公司目前销售一种纯化水系统，据说该系统能制备水团大小为5-6个分子的水。该系统以MicrowaterTM的名称销售，它是将自来水通过电极。较靠近正极流过的水易于变为酸性。据该公司的文献报道，该酸性的水(被称为氧化的水或过氧化的水)可用作氧化剂来消毒案板和治疗小伤口。推荐的其它用途是：治疗足癣、小烧伤、昆虫咬伤、擦伤、褥疮和术后伤口。该公司的文献还报道，已将该酸性的水用于农业，以杀灭真菌和其它植物虫害。较靠近负极流过的水易于变为碱性。据说，该碱性的水(被称为还原的水)被引入体内时是有益的。据说，这种水能通过间接还原代谢物，如硫化氢、氨、组胺、吲哚、酚和甲基吲哚来抑制消化道内的过度发酵。
Deguchi等人的美国专利5624544(1997年4月)描述了这样一种系统。Deguchi等人声称，可以连续地将水流氧化至pH值降到4.5，也可以连续地将水流还原至pH值升到9.5，但是不能长期连续制备pH值为2.5-3.2或pH值为11.5-12.5的水。人们认为，这些局限是由于已知方法和装置不能有效地将水团大小减小到约4个分子/团以下。
因此，仍需要提供如下的方法和装置：其能连续制备大量水团大小小于约4个分子/团的水，或pH值低于4或高于10的水，或ORP小于-350mV或大于+800mV的水。具有这些特征的水会比已知的水更具活性。因此，一直需要提供能制备这种高活性水的方法和装置。
发明概述
本发明提供了用于连续制备水团大小小于约4个分子/团的水，或pH值低于4或高于10的水，或ORP小于-350mV或大于+800mV的水的方法和装置。这里使用的术语“连续制备”和“连续制备的”是指在至少一小时内不间断地用单一装置制备至少800ml/min的具有这些特征的水。
一类优选的装置使水经受从RF等离子体发出的波。该等离子体的基频优选为0.44MHz-40.68MHz，并且在10kHz-34kHz的频率下调制该等离子体。通常使用两个出口，一个输送pH测量值低于4的酸性水，另一个输送pH测量值高于10的碱性水。流量通常为20l/hr-约2000l/hr，但也可以考虑各种装置结构和大小，以致可能得到较低或较高的流量。
活化水可用于许多用途，包括工作台、地板、墙面、刀具、交通工具和其它表面的杀菌清洁。特别考虑的用途是在肉类加工装置和医院中的用途。
根据以下对本发明优选实施方案的详细描述以及附图，可使本发明的多个目的、特征、方面和优点变得更清楚。
附图简述
图1是活化水发生器的剖视图。
发明详述
在图1中，活化水发生器1通常包括容器10，其有一个入口20和两个出口22、24，并且其包含等离子体发生器30。等离子体是带电粒子、中子和显示出集合效应的电场的导电集合体。等离子体发生器30优选是“冷”型等离子装置，这里所用的术语是指温度低于10,000°K的电离原子的气体。处于容器10和等离子体发生器30之间的膜40界定了的内部空间12和外部空间14。随着等离子体发生器30的运转，第一水流52从入口20进入容器10，流经内部空间12并从出口22流出容器。第二水流54也从入口20进入容器10，但流经外部空间14，并从出口24流出容器。
只要被处理的水能在使其具有所希望特征的条件下经受来自等离子体的能量，容器10可以是任何适当的大小和形状。因此，尽管图1中的容器10基本上是具有圆形横截面的圆筒形，但是其它适宜的容器可以具有多边形、椭圆或其它水平横截面。可以考虑小元件，例如容器空腔仅为约200ml或更小的元件。另一方面，可以考虑内部容积为至少10升的大元件，以及容积在所述大元件和小元件之间的所有元件。除非另有说明，这里提到的各个范围包括所述端值。尽管可以使用任何足够坚固且具有抵抗性的材料，包括例如，钛、钽、涂钛的不锈钢、钼、铂、铱等，但是优选容器10由不锈钢316制成，以减少腐蚀的影响。多个水发生器可并联或串联来处理水。
水可以任何适宜的方式经受等离子体的辐射。这可通过使水流过等离子体发生器30来有利地实现，但也可以以间歇方式来实现。例如，可将等离子体发生器放在水容器中，并在对水充分处理过后取出。在那些情况下，该系统可用于就地处理污水，即在土壤或其它物质中处理水。污染可能是生物污染或化学污染，如果是生物污染则将细菌、病毒、寄生虫或其它微生物杀灭或使其失去活性，如果是化学污染则通过氧化还原、酶促破坏等使化学物质具有较小的危害。另一选择，可以间歇方式处理水，进行处理的场所不是最终使用该水的场所。
预计，被处理(即活化)的水基本上可以具有任何实用纯度。优选处理的水含约95-99.99％的H2O，但也考虑含少于95％、90％、85％、80％或甚至50％的水。人们认为自来水通常含有约95-99.99％的H2O，并且认为它是用于处理的良好水源。蒸馏水不太合适，因为它含很少或不含溶解的盐。当处理的水具有一些导电性时，则其更易于使用标准匹配网络系统使等离子体与各个水参数相匹配。在这种情况下，RF能量发生器具有最大效率，并且反射功率最小。
在具体例子中，等离子体发生器30包括充有气体34的石英管32、RF电极36和多个外部电极38。管32可以为约60-500mm或更长。气体34可以是任何适宜的等离子体气体，包括例如氩气、氩气加氦气、氩气加氖气、氖气加氦气和氩气，并且将其保持在低压下(在本文定义为小于100托)。用在图1实验装置中的气体是氩气，其填充压力为约10托。表1中列出一些实验数据。
功率 W/cm3  7.2  32.4  61.4  62  103  229
 ORP  mV  780  1040  984  874  800  790
 PH  6.4  2.3  3.3  6.4  6.3  6.3
另一选择，等离子体发生器可以是“敞开的”，即工作压力至多1个大气压；或者等离子体发生器是密封的，处于高工作压力下，例如高达50Atm。
优选用与容器10相同类型的材料来制作电极36、38，但也可考虑用任何其它适宜的材料来制作。出于对安全和其它原因的电学方面的考虑，先在RF电极36和容器10之间施加500V的第一电压，以产生基频为0.44-40.68MHz的波，产生的波将气体34激发为等离子体。再在RF电极36和外部电极38之间施加100V的第二电压，以产生在10-34KHz间调制等离子体的波。
本领域的技术人员将理解，可对图1的优选实施方案做出多种改进，其仍能产生等离子体。例如，可用耐热玻璃管代替石英管，并且外部电极38的数量可比所示的更多或更少，并且可以彼此间隔不等。应将外部电极38穿孔，以使辐射波进入水中。可使用其它基频和调频，只要能向所得等离子体提供足以对流过容器10的水产生期望效果的频率和功率的能量。
膜40能透过离子，但在该限制条件内，膜40可用多种不同类型的材料制备。对高孔隙率和低孔隙率的材料都可以考虑，包括基于硅土、氧化锌、氧化钇等的陶瓷材料。需要一定的孔隙率以使离子交换，从而获得pH梯度。在参照图1进行的实验中，该膜大约300mm长，其比等离子体室长了约20％。
膜40与等离子体发生器30和容器10之间以间隙隔开，间隙的尺寸是根据等离子体发生器30的功率和该系统的设计流量来定的。在参照图1进行的实验中，膜40与等离子体发生器30的间隙为2.5mm，并且膜40与容器10的间隙为约1.5mm。通过容器10(即通过进口从另一出口排出)的水流量为约7L/min。
优选膜40基本上延伸为整个外部电极38的长度，但亦可更短或更长，这实际上不是完全必要的。膜40的主要功能是将低pH值的水与高pH值的水隔开，使它们从不同出口排出。如果这种分隔不重要，则可使用单一出口(未显示)，并且可省去膜40。然而仍可获得一些好处，因为加工过的水的水团尺寸还是减小了，并且已知水的活性随水团尺寸的减小而提高。这里所定义的非常小团(VSC)的水是指平均水团大小小于4个水分子/团的水，其被认为是很有活性的。这里所用术语“平均水团大小”是指一体积水中的水团大小的算术平均值。这里所定义的单分子(MM)水是指平均水团大小小于2个水分子/团的水，其被认为是非常有活性的。VSC水和MM水两者比通常的水(10-24个分子/团)或者甚至SC水(5-6个分子/团)的活性大得多。
本领域的技术人员将认识到，可将图1的装置按比例放大或缩小。例如，可选择将图1的装置视为全长为约100cm，膜/等离子体发生器的间隙为约7mm，并且膜/容器的间隙为约3mm。这种装置可以以至少1200L/h的流量连续制备VSC水或MM水。另外，可考虑甚至更大的装置。
可考虑将这里所描述的方法和装置用于制备很有活性的或非常有活性的水，因为等离子体在能打碎水团的频率下或在接近此频率下操作。理论上，这种频率应在某种程度上根据被处理的水中所存在的杂质而变化，并且这与发现的情况相吻合。已将美国若干城市的自来水用作实验水源，并且发现，给定的调频产生了全然不同的结果。因此，优选“调整”活化水发生器1以改善对水团的破碎，可如下有利地完成这种调整：观察ORP仪对从容器10流出的处理水流之一的氧化还原电势的测量结果，同时改变调频和偏压。据信，通过设法将正测量电势最大化或将负测量电势最小化能优化对水团的破碎。在实验中，纽约市自来水的活性在约22.7kHz的调频下最优化。芝加哥地区自来水的活性在约21.6kHz的调频下最优化。洛杉矶市自来水的活性在约21.0kHz的调频下最优化。当外部电极38为负压偏压时，从出口22流出的处理水的pH值为1.8-4，ORP为+900mV至+1150mV，并且估计水团大小为1-3个分子/团。当外部电极38为正压偏压时，从出口22流出的处理水的pH值为9-11，ORP为-680mV至+100mV，并且估计水团大小也为1-3个分子/团。
据信，这里所述的很有活性的或非常有活性的水可用于所有先前已知用于活化水的方式中。特别是，认为pH值小于约3或大于约12的水可用于杀菌，可将其有利地用于任何因细菌、病毒或其它微生物而产生问题的表面上。例如可使用这种水有利地处理肉类加工厂中的工作台、地板、墙面、刀具、运送工具和其它表面。可被有利地处理的其它可考虑的表面包括医院、医生办公室或其它医疗工具，以及休息室和其它地方的表面，这些表面上可能存在血、粪便或尿液。为有效地用作抗细菌，优选在施用45秒内杀灭至少50％的细菌或使至少50％的细菌失活，但是更优选在施用1分钟内杀灭至少70％、80％或甚至90％的细菌或使至少70％、80％或甚至90％的细菌失活。我们认为碱性水，特别是pH值至少为10的水由于其还原性而有用。因此，这种水可用于食品加工，因为它们有助于延缓由于氧化而引起的褪色变质。这种水被摄取时，其延缓变质的能力可有用于促进人类和其它动物的健康。这种水也可有利地用于水处理厂。
实验结果确定，在室温下，按本文讲授所处理的水能在其被制出后保持“活化”数小时，但在最多一两天内回复为普通水。可通过降低水温来延迟该回复过程，在该回复过程后随时间推移pH值下降。冷冻似乎可阻止“活化”水回复为普通水，作用时间至少为数周。也考虑通过添加晶体粘土矿物来阻止至少是酸性的水回复。参见Deguchi等人的美国专利5624544(1997年4月)。也可使用金属硅酸盐稳定剂稳定活化水。参见Lorenzen的美国专利6033678(2000年3月)。当然，这种水作为杀菌剂的用途或在其它方面的用途可“耗尽”之一特殊的品质，并且能几乎立刻破坏这种品质。
因此，已公开了非常小团(VSC)的水和单分子(MM)水的具体实施方案及其应用。然而，除了已经描述的这些，还可能做出许多改变而不背离本发明的发明构思，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，除了在所附权利要求的实质中，本发明的主题不受限。而且，在解释说明书和权利要求时，所有术语都应以与上下文一致的最广义的方式来解释。特别是，应将术语“包括”解释为以开放式修饰元件、成分或步骤，即所引用的元件、成分或步骤可与未明确指明的其它元件、成分或步骤相结合存在或应用。

Claims (18)

1.一种设备，其包含：
微波发生器，其产生射频波；
处理容器，其使水经受该波处理足够的时间，以产生具有至少一个以下特性的加工过的水：平均水团大小小于4个分子/团；测量的pH值小于4，测量的pH值大于10，测量的ORP小于-350mV，测量的ORP大于+800mV。
2.权利要求1的装置，其中频率为10KHz-34KHz。
3.权利要求1的装置，其中从容器第一出口流出的第一部分处理水的pH值小于4，从容器第二出口流出的第二部分处理水的pH值大于10。
4.权利要求1的装置，其还包括使处理水以至少20l/h的速度流过容器的流通通道。
5.权利要求4的装置，其中流通通道使处理水以至少2000l/h的速度流过容器。
6.权利要求1的装置，其中微波发生器包括等离子体发生器。
7.权利要求6的装置，其中等离子体发生器产生基频为0.44-40.68MHz的冷等离子体。
8.权利要求7的装置，其中等离子体经受10-34kHz的调频。
9.权利要求8的装置，其中从容器第一出口流出的第一部分处理水的pH值小于4，从容器第二出口流出的第二部分处理水的pH值大于10。
10.一种清洗被细菌污染的表面的方法，其包括：
使水经受RF能量源，将水的pH值变为小于4；和
在杀灭至少80％的细菌的条件下将改变过的水用于所述表面。
11.权利要求10的方法，其中所述表面位于肉类加工设施中。
12.权利要求10的方法，其中所述表面位于医疗设施中。
13.测量的pH值小于4或大于10的连续生产的水。
14.权利要求13的水，其含有至少99.9wt％的H2O。
15.权利要求13的水，其含有少于99.9wt％的H2O。
16.权利要求13的水，其中测量的pH值小于2.5。
17.权利要求13的水，其中测量的pH值大于11.5。
18.测量的氧化还原电势(ORP)小于-350mV或大于+800mV的连续生产的水。
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