專利名稱：活化水裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域是水處理。
背景顯然，液態(tài)和固態(tài)的水不以單獨(dú)的H2O分子，而以大約10-24個(gè)H2O分子的團(tuán)狀態(tài)天然存在。顯而易見，單分子水可以如下瞬時(shí)存在作為某些化學(xué)反應(yīng)過程中和反應(yīng)剛完成后立即產(chǎn)生的中間體存在于液體中；在近似真空中存在。然而，在所有大量的非氣態(tài)水中，水形成這樣的水團(tuán)的趨勢(shì)是相當(dāng)大的。現(xiàn)有理論說明，這些團(tuán)通過大量不斷形成和斷裂的氫鍵而聚合在一起。人們認(rèn)為，水團(tuán)大小的變化取決于大量影響氫鍵鍵合的因素。
據(jù)報(bào)道，在此定義為平均每團(tuán)僅有5-6個(gè)水分子的小團(tuán)(SC)水有許多有益的特點(diǎn)。其中，據(jù)說小水團(tuán)提供了如下益處改善食品味道；加速藥物和食物經(jīng)消化道的吸收；并且由于減少腸道內(nèi)誘導(dǎo)突變物質(zhì)的產(chǎn)生且降低腸道微生物和消化道組織細(xì)胞的活性，從而能預(yù)防癌癥。參見Tsunoda等人的美國(guó)專利5824353(1998年10月)，該專利和本文提及的所有其它出版物在此全文引入作為參考。
已將電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和聲學(xué)的方法用于小團(tuán)水的制備電磁法通常涉及流水通過鄰近間隔的電極。在Ibbott的兩個(gè)美國(guó)專利5387324(1995年2月)和6165339(2000年12月)中陳述了一些實(shí)例。通常，通過相對(duì)移動(dòng)電極或磁鐵來(lái)調(diào)節(jié)場(chǎng)強(qiáng)。參見例如Bogatin等人的US 5866010(1999年2月)。在其它實(shí)例中，場(chǎng)強(qiáng)通過變換水的路徑來(lái)調(diào)節(jié)。參見例如Strachwitz的美國(guó)專利5656171(1997年8月)，其描述了用彎曲的管道輸送通過磁場(chǎng)。Lorenzen的兩個(gè)美國(guó)專利6033678(2000年3月)和5711950(1998年1月)描述了通過使水流穿過磁場(chǎng)來(lái)制備團(tuán)減小的水。
化學(xué)法通常涉及電解液和極性化合物的添加。Tsunoda等人的專利5824353講授了采用100ppm或更高濃度的鉀離子來(lái)制備團(tuán)減小的水，其含有重量比為1∶0.3-4.5∶0.5-8.5的鉀離子、鎂離子和鈣離子。其它化學(xué)法包括使用表面活性劑以及包合結(jié)構(gòu)，其使一種分子被包含在另一種分子的空穴或晶格中。參見Johnson等人的US 5997590(1999年12月授權(quán))。
聲學(xué)法通常涉及使水經(jīng)受超聲波處理。參見Johnson等人的US5997590(1999年12月授權(quán))。
一家日本公司目前銷售一種純化水系統(tǒng)，據(jù)說該系統(tǒng)能制備水團(tuán)大小為5-6個(gè)分子的水。該系統(tǒng)以MicrowaterTM的名稱銷售，它是將自來(lái)水通過電極。較靠近正極流過的水易于變?yōu)樗嵝?。?jù)該公司的文獻(xiàn)報(bào)道，該酸性的水(被稱為氧化的水或過氧化的水)可用作氧化劑來(lái)消毒案板和治療小傷口。推薦的其它用途是治療足癬、小燒傷、昆蟲咬傷、擦傷、褥瘡和術(shù)后傷口。該公司的文獻(xiàn)還報(bào)道，已將該酸性的水用于農(nóng)業(yè)，以殺滅真菌和其它植物蟲害。較靠近負(fù)極流過的水易于變?yōu)閴A性。據(jù)說，該堿性的水(被稱為還原的水)被引入體內(nèi)時(shí)是有益的。據(jù)說，這種水能通過間接還原代謝物，如硫化氫、氨、組胺、吲哚、酚和甲基吲哚來(lái)抑制消化道內(nèi)的過度發(fā)酵。
Deguchi等人的美國(guó)專利5624544(1997年4月)描述了這樣一種系統(tǒng)。Deguchi等人聲稱，可以連續(xù)地將水流氧化至pH值降到4.5，也可以連續(xù)地將水流還原至pH值升到9.5，但是不能長(zhǎng)期連續(xù)制備pH值為2.5-3.2或pH值為11.5-12.5的水。人們認(rèn)為，這些局限是由于已知方法和裝置不能有效地將水團(tuán)大小減小到約4個(gè)分子/團(tuán)以下。
因此，仍需要提供如下的方法和裝置其能連續(xù)制備大量水團(tuán)大小小于約4個(gè)分子/團(tuán)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。具有這些特征的水會(huì)比已知的水更具活性。因此，一直需要提供能制備這種高活性水的方法和裝置。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了用于連續(xù)制備水團(tuán)大小小于約4個(gè)分子/團(tuán)的水，或pH值低于4或高于10的水，或ORP小于-350mV或大于+800mV的水的方法和裝置。這里使用的術(shù)語(yǔ)“連續(xù)制備”和“連續(xù)制備的”是指在至少一小時(shí)內(nèi)不間斷地用單一裝置制備至少800ml/min的具有這些特征的水。
一類優(yōu)選的裝置使水經(jīng)受從RF等離子體發(fā)出的波。該等離子體的基頻優(yōu)選為0.44MHz-40.68MHz，并且在10kHz-34kHz的頻率下調(diào)制該等離子體。通常使用兩個(gè)出口，一個(gè)輸送pH測(cè)量值低于4的酸性水，另一個(gè)輸送pH測(cè)量值高于10的堿性水。流量通常為20l/hr-約2000l/hr，但也可以考慮各種裝置結(jié)構(gòu)和大小，以致可能得到較低或較高的流量。
活化水可用于許多用途，包括工作臺(tái)、地板、墻面、刀具、交通工具和其它表面的殺菌清潔。特別考慮的用途是在肉類加工裝置和醫(yī)院中的用途。
根據(jù)以下對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述以及附圖，可使本發(fā)明的多個(gè)目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)變得更清楚。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是活化水發(fā)生器的剖視圖。
發(fā)明詳述在圖1中，活化水發(fā)生器1通常包括容器10，其有一個(gè)入口20和兩個(gè)出口22、24，并且其包含等離子體發(fā)生器30。等離子體是帶電粒子、中子和顯示出集合效應(yīng)的電場(chǎng)的導(dǎo)電集合體。等離子體發(fā)生器30優(yōu)選是“冷”型等離子裝置，這里所用的術(shù)語(yǔ)是指溫度低于10,000°K的電離原子的氣體。處于容器10和等離子體發(fā)生器30之間的膜40界定了的內(nèi)部空間12和外部空間14。隨著等離子體發(fā)生器30的運(yùn)轉(zhuǎn)，第一水流52從入口20進(jìn)入容器10，流經(jīng)內(nèi)部空間12并從出口22流出容器。第二水流54也從入口20進(jìn)入容器10，但流經(jīng)外部空間14，并從出口24流出容器。
只要被處理的水能在使其具有所希望特征的條件下經(jīng)受來(lái)自等離子體的能量，容器10可以是任何適當(dāng)?shù)拇笮『托螤?。因此，盡管圖1中的容器10基本上是具有圓形橫截面的圓筒形，但是其它適宜的容器可以具有多邊形、橢圓或其它水平橫截面?？梢钥紤]小元件，例如容器空腔僅為約200ml或更小的元件。另一方面，可以考慮內(nèi)部容積為至少10升的大元件，以及容積在所述大元件和小元件之間的所有元件。除非另有說明，這里提到的各個(gè)范圍包括所述端值。盡管可以使用任何足夠堅(jiān)固且具有抵抗性的材料，包括例如，鈦、鉭、涂鈦的不銹鋼、鉬、鉑、銥等，但是優(yōu)選容器10由不銹鋼316制成，以減少腐蝕的影響。多個(gè)水發(fā)生器可并聯(lián)或串聯(lián)來(lái)處理水。
水可以任何適宜的方式經(jīng)受等離子體的輻射。這可通過使水流過等離子體發(fā)生器30來(lái)有利地實(shí)現(xiàn)，但也可以以間歇方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可將等離子體發(fā)生器放在水容器中，并在對(duì)水充分處理過后取出。在那些情況下，該系統(tǒng)可用于就地處理污水，即在土壤或其它物質(zhì)中處理水。污染可能是生物污染或化學(xué)污染，如果是生物污染則將細(xì)菌、病毒、寄生蟲或其它微生物殺滅或使其失去活性，如果是化學(xué)污染則通過氧化還原、酶促破壞等使化學(xué)物質(zhì)具有較小的危害。另一選擇，可以間歇方式處理水，進(jìn)行處理的場(chǎng)所不是最終使用該水的場(chǎng)所。
預(yù)計(jì)，被處理(即活化)的水基本上可以具有任何實(shí)用純度。優(yōu)選處理的水含約95-99.99％的H2O，但也考慮含少于95％、90％、85％、80％或甚至50％的水。人們認(rèn)為自來(lái)水通常含有約95-99.99％的H2O，并且認(rèn)為它是用于處理的良好水源。蒸餾水不太合適，因?yàn)樗苌倩虿缓芙獾柠}。當(dāng)處理的水具有一些導(dǎo)電性時(shí)，則其更易于使用標(biāo)準(zhǔn)匹配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使等離子體與各個(gè)水參數(shù)相匹配。在這種情況下，RF能量發(fā)生器具有最大效率，并且反射功率最小。
在具體例子中，等離子體發(fā)生器30包括充有氣體34的石英管32、RF電極36和多個(gè)外部電極38。管32可以為約60-500mm或更長(zhǎng)。氣體34可以是任何適宜的等離子體氣體，包括例如氬氣、氬氣加氦氣、氬氣加氖氣、氖氣加氦氣和氬氣，并且將其保持在低壓下(在本文定義為小于100托)。用在圖1實(shí)驗(yàn)裝置中的氣體是氬氣，其填充壓力為約10托。表1中列出一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
另一選擇，等離子體發(fā)生器可以是“敞開的”，即工作壓力至多1個(gè)大氣壓；或者等離子體發(fā)生器是密封的，處于高工作壓力下，例如高達(dá)50Atm。
優(yōu)選用與容器10相同類型的材料來(lái)制作電極36、38，但也可考慮用任何其它適宜的材料來(lái)制作。出于對(duì)安全和其它原因的電學(xué)方面的考慮，先在RF電極36和容器10之間施加500V的第一電壓，以產(chǎn)生基頻為0.44-40.68MHz的波，產(chǎn)生的波將氣體34激發(fā)為等離子體。再在RF電極36和外部電極38之間施加100V的第二電壓，以產(chǎn)生在10-34KHz間調(diào)制等離子體的波。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可對(duì)圖1的優(yōu)選實(shí)施方案做出多種改進(jìn)，其仍能產(chǎn)生等離子體。例如，可用耐熱玻璃管代替石英管，并且外部電極38的數(shù)量可比所示的更多或更少，并且可以彼此間隔不等。應(yīng)將外部電極38穿孔，以使輻射波進(jìn)入水中。可使用其它基頻和調(diào)頻，只要能向所得等離子體提供足以對(duì)流過容器10的水產(chǎn)生期望效果的頻率和功率的能量。
膜40能透過離子，但在該限制條件內(nèi)，膜40可用多種不同類型的材料制備。對(duì)高孔隙率和低孔隙率的材料都可以考慮，包括基于硅土、氧化鋅、氧化釔等的陶瓷材料。需要一定的孔隙率以使離子交換，從而獲得pH梯度。在參照?qǐng)D1進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該膜大約300mm長(zhǎng)，其比等離子體室長(zhǎng)了約20％。
膜40與等離子體發(fā)生器30和容器10之間以間隙隔開，間隙的尺寸是根據(jù)等離子體發(fā)生器30的功率和該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量來(lái)定的。在參照?qǐng)D1進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，膜40與等離子體發(fā)生器30的間隙為2.5mm，并且膜40與容器10的間隙為約1.5mm。通過容器10(即通過進(jìn)口從另一出口排出)的水流量為約7L/min。
優(yōu)選膜40基本上延伸為整個(gè)外部電極38的長(zhǎng)度，但亦可更短或更長(zhǎng)，這實(shí)際上不是完全必要的。膜40的主要功能是將低pH值的水與高pH值的水隔開，使它們從不同出口排出。如果這種分隔不重要，則可使用單一出口(未顯示)，并且可省去膜40。然而仍可獲得一些好處，因?yàn)榧庸み^的水的水團(tuán)尺寸還是減小了，并且已知水的活性隨水團(tuán)尺寸的減小而提高。這里所定義的非常小團(tuán)(VSC)的水是指平均水團(tuán)大小小于4個(gè)水分子/團(tuán)的水，其被認(rèn)為是很有活性的。這里所用術(shù)語(yǔ)“平均水團(tuán)大小”是指一體積水中的水團(tuán)大小的算術(shù)平均值。這里所定義的單分子(MM)水是指平均水團(tuán)大小小于2個(gè)水分子/團(tuán)的水，其被認(rèn)為是非常有活性的。VSC水和MM水兩者比通常的水(10-24個(gè)分子/團(tuán))或者甚至SC水(5-6個(gè)分子/團(tuán))的活性大得多。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可將圖1的裝置按比例放大或縮小。例如，可選擇將圖1的裝置視為全長(zhǎng)為約100cm，膜/等離子體發(fā)生器的間隙為約7mm，并且膜/容器的間隙為約3mm。這種裝置可以以至少1200L/h的流量連續(xù)制備VSC水或MM水。另外，可考慮甚至更大的裝置。
可考慮將這里所描述的方法和裝置用于制備很有活性的或非常有活性的水，因?yàn)榈入x子體在能打碎水團(tuán)的頻率下或在接近此頻率下操作。理論上，這種頻率應(yīng)在某種程度上根據(jù)被處理的水中所存在的雜質(zhì)而變化，并且這與發(fā)現(xiàn)的情況相吻合。已將美國(guó)若干城市的自來(lái)水用作實(shí)驗(yàn)水源，并且發(fā)現(xiàn)，給定的調(diào)頻產(chǎn)生了全然不同的結(jié)果。因此，優(yōu)選“調(diào)整”活化水發(fā)生器1以改善對(duì)水團(tuán)的破碎，可如下有利地完成這種調(diào)整觀察ORP儀對(duì)從容器10流出的處理水流之一的氧化還原電勢(shì)的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)改變調(diào)頻和偏壓。據(jù)信，通過設(shè)法將正測(cè)量電勢(shì)最大化或?qū)⒇?fù)測(cè)量電勢(shì)最小化能優(yōu)化對(duì)水團(tuán)的破碎。在實(shí)驗(yàn)中，紐約市自來(lái)水的活性在約22.7kHz的調(diào)頻下最優(yōu)化。芝加哥地區(qū)自來(lái)水的活性在約21.6kHz的調(diào)頻下最優(yōu)化。洛杉磯市自來(lái)水的活性在約21.0kHz的調(diào)頻下最優(yōu)化。當(dāng)外部電極38為負(fù)壓偏壓時(shí)，從出口22流出的處理水的pH值為1.8-4，ORP為+900mV至+1150mV，并且估計(jì)水團(tuán)大小為1-3個(gè)分子/團(tuán)。當(dāng)外部電極38為正壓偏壓時(shí)，從出口22流出的處理水的pH值為9-11，ORP為-680mV至+100mV，并且估計(jì)水團(tuán)大小也為1-3個(gè)分子/團(tuán)。
據(jù)信，這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。特別是，認(rèn)為pH值小于約3或大于約12的水可用于殺菌，可將其有利地用于任何因細(xì)菌、病毒或其它微生物而產(chǎn)生問題的表面上。例如可使用這種水有利地處理肉類加工廠中的工作臺(tái)、地板、墻面、刀具、運(yùn)送工具和其它表面?？杀挥欣靥幚淼钠渌煽紤]的表面包括醫(yī)院、醫(yī)生辦公室或其它醫(yī)療工具，以及休息室和其它地方的表面，這些表面上可能存在血、糞便或尿液。為有效地用作抗細(xì)菌，優(yōu)選在施用45秒內(nèi)殺滅至少50％的細(xì)菌或使至少50％的細(xì)菌失活，但是更優(yōu)選在施用1分鐘內(nèi)殺滅至少70％、80％或甚至90％的細(xì)菌或使至少70％、80％或甚至90％的細(xì)菌失活。我們認(rèn)為堿性水，特別是pH值至少為10的水由于其還原性而有用。因此，這種水可用于食品加工，因?yàn)樗鼈冇兄谘泳徲捎谘趸鸬耐噬冑|(zhì)。這種水被攝取時(shí)，其延緩變質(zhì)的能力可有用于促進(jìn)人類和其它動(dòng)物的健康。這種水也可有利地用于水處理廠。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，在室溫下，按本文講授所處理的水能在其被制出后保持“活化”數(shù)小時(shí)，但在最多一兩天內(nèi)回復(fù)為普通水。可通過降低水溫來(lái)延遲該回復(fù)過程，在該回復(fù)過程后隨時(shí)間推移pH值下降。冷凍似乎可阻止“活化”水回復(fù)為普通水，作用時(shí)間至少為數(shù)周。也考慮通過添加晶體粘土礦物來(lái)阻止至少是酸性的水回復(fù)。參見Deguchi等人的美國(guó)專利5624544(1997年4月)。也可使用金屬硅酸鹽穩(wěn)定劑穩(wěn)定活化水。參見Lorenzen的美國(guó)專利6033678(2000年3月)。當(dāng)然，這種水作為殺菌劑的用途或在其它方面的用途可“耗盡”之一特殊的品質(zhì)，并且能幾乎立刻破壞這種品質(zhì)。
因此，已公開了非常小團(tuán)(VSC)的水和單分子(MM)水的具體實(shí)施方案及其應(yīng)用。然而，除了已經(jīng)描述的這些，還可能做出許多改變而不背離本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，除了在所附權(quán)利要求的實(shí)質(zhì)中，本發(fā)明的主題不受限。而且，在解釋說明書和權(quán)利要求時(shí)，所有術(shù)語(yǔ)都應(yīng)以與上下文一致的最廣義的方式來(lái)解釋。特別是，應(yīng)將術(shù)語(yǔ)“包括”解釋為以開放式修飾元件、成分或步驟，即所引用的元件、成分或步驟可與未明確指明的其它元件、成分或步驟相結(jié)合存在或應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，其包含微波發(fā)生器，其產(chǎn)生射頻波；處理容器，其使水經(jīng)受該波處理足夠的時(shí)間，以產(chǎn)生具有至少一個(gè)以下特性的加工過的水平均水團(tuán)大小小于4個(gè)分子/團(tuán)；測(cè)量的pH值小于4，測(cè)量的pH值大于10，測(cè)量的ORP小于-350mV，測(cè)量的ORP大于+800mV。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中頻率為10KHz-34KHz。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中從容器第一出口流出的第一部分處理水的pH值小于4，從容器第二出口流出的第二部分處理水的pH值大于10。
4.權(quán)利要求1的裝置，其還包括使處理水以至少20l/h的速度流過容器的流通通道。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中流通通道使處理水以至少2000l/h的速度流過容器。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中微波發(fā)生器包括等離子體發(fā)生器。
7.權(quán)利要求6的裝置，其中等離子體發(fā)生器產(chǎn)生基頻為0.44-40.68MHz的冷等離子體。
8.權(quán)利要求7的裝置，其中等離子體經(jīng)受10-34kHz的調(diào)頻。
9.權(quán)利要求8的裝置，其中從容器第一出口流出的第一部分處理水的pH值小于4，從容器第二出口流出的第二部分處理水的pH值大于10。
10.一種清洗被細(xì)菌污染的表面的方法，其包括使水經(jīng)受RF能量源，將水的pH值變?yōu)樾∮?；和在殺滅至少80％的細(xì)菌的條件下將改變過的水用于所述表面。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述表面位于肉類加工設(shè)施中。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述表面位于醫(yī)療設(shè)施中。
13.測(cè)量的pH值小于4或大于10的連續(xù)生產(chǎn)的水。
14.權(quán)利要求13的水，其含有至少99.9wt％的H2O。
15.權(quán)利要求13的水，其含有少于99.9wt％的H2O。
16.權(quán)利要求13的水，其中測(cè)量的pH值小于2.5。
17.權(quán)利要求13的水，其中測(cè)量的pH值大于11.5。
18.測(cè)量的氧化還原電勢(shì)(ORP)小于-350mV或大于+800mV的連續(xù)生產(chǎn)的水。
全文摘要
一種使水經(jīng)受來(lái)自RF等離子體的波處理的裝置(1)，其可以連續(xù)產(chǎn)生“活化的水”，該水的特征在于水團(tuán)大小小于4個(gè)分子/團(tuán)，水的pH低于4或高于10，或水的ORP小于－350mV或高于+800mV。該等離子體的基頻優(yōu)選為0.44－40.68MHz，并且該等離子體優(yōu)選經(jīng)受10－34KHz的調(diào)頻。流量通常為20－約2000L/hr?；罨乃捎糜诙喾N用途，包括對(duì)例如肉類加工廠和醫(yī)院的工作臺(tái)、地板、墻壁、刀具、運(yùn)輸工具以及其它表面進(jìn)行殺菌清潔。
文檔編號(hào)C02F1/00GK1482946SQ01821493
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月27日
發(fā)明者G·帕斯卡洛夫, M·戈羅金, V·索科洛夫, G 帕斯卡洛夫, 坡宸, 藿 申請(qǐng)人:海德羅企業(yè)有限公司