CN100532297C

CN100532297C - 一种饮用超轻水的生产装置和方法

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Publication number: CN100532297C
Application number: CNB2008100327677A
Authority: CN
Inventors: 史育才; 史尔勇; 朱均裕; 侯惠奇; 何坚; 卓越; 郭瑜
Original assignee: SHANGHAI SHANGSHANRUOSHUI BIOENGINEERING CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI SHANGSHANRUOSHUI BIOENGINEERING CO Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: CN101224929A

Abstract

本发明属于饮用水技术领域，具体为一种饮用超轻水的生产装置和方法。该生产装置依次由预处理系统、低氘活化系统、综合过滤系统、矿质调节系统和臭氧杀菌系统连接组成。其中，低氘活化系统包括高温反应蒸汽锅炉、真空精馏塔和离心分离装置；综合过滤系统采用大型纳滤装置；矿质调节系统采用黑耀石和麦饭石接触池。经过本发明装置处理的水降低了水中氘的含量(在150ppm以下)和分子团的大小，并使水体含有均衡的微量元素，达到饮用水的标准，可广泛用于饮料、食品加工和医疗等领域。

Description

一种饮用超轻水的生产装置和方法

技术领域

本发明属于饮用水技术领域，具体涉及一种饮用超轻水(DDW)的生产装置和方法。

背景技术

自然界中存在的水一般由2个氢原子和1个氧原子组成。而氢有三种同位素氕(H)、氘(D)、氚(T)，其质量数分别为1、2、3。其中H为普通氢元素，D、T为重氢同位素。氢与氘在自然界中混合存在，它们各自与氧结合生成轻水和重水，人们通常说的自然水或普通水就是轻水与重水混合的水，可以说地球上所有的自然水中都混杂有氘含量不等的重水。经科学家测试，地球环境经过数百年甚至数千万年的演变，自然界中的水和生物体内的氘含量大约在150ppm。

现代科学证明，重水与轻水对生命体有着截然不同的影响和作用。研究表明，氘对生命体的生存发展和繁衍是有害的，氘置换氢在DNA的螺旋结构中产生附加应力，造成双螺旋的相移、断裂和替换，使核糖核酸排列混乱，甚至重新合成出现突变。高含量的氘更会对人体的遗传、代谢和酶系等产生不良影响。氘的含量越高，对生命体的毒害就越大，因此包括人在内的各种动植物生命体始终都在受到不同程度的氘中毒，只不过它们对于自然界中150ppm浓度的氘含量已经产生了适应性。而经过匈牙利科学家Gabor Somlyai教授和日本神奈川大学理学部生物科学科关邦博教授等的轻水试验证明，含氘量低的水有多种有益于人体的生物效应，并适用于人体饮用。

此外，科学研究显示，自然界的液态水不是以单分子的形式，而是以分子团的形式存在。自然界中的水都是由水分子缔合而成的。自来水一般有13个水分子缔合，纯净水由30～40个水分子缔合，水质较差的潭水由200～300个水分子缔合。习惯上把小于10个水分子缔合而成的水分子团称为小分子团，把大于10个水分子缔合而成的水分子团称为大分子团。水分子团的大小用氧17核磁共振来检测，一般把其测试谱线值是100Hz以下的水成为小分子团水，具有高活性，易渗透人体细胞，100Hz以上的大分子团水，其分子活性大大降低，在渗透、扩散、溶解性等营养生理功能方面都远远差于小分子团水，不易穿透人体细胞膜，不易被人体吸收。根据权威机构测试，日常生活中接触的自来水、蒸馏水、井水、家庭饮用水的水分子团测试结果分别为110～130Hz、118～119Hz、105Hz和109Hz，均属于大分子团水范畴，不易被人体吸收。

对于人们日常生活中接触最为广泛的纯净水和蒸馏水，其通过蒸馏、电渗析和反渗透等技术对源水进行处理，显著降低了饮用水中微生物及无机、有机污染物，达到净水纯化的目的。但是，在有效去除污染物，净化源水的过程中，通过蒸馏、电渗析和反渗透等作用，源水中原本含有的人体所必需的矿质微量元素也被大量去除。当饮用水进入人体后，由于渗透压和离子迁移的作用，体内有益的矿质微量元素也被溶解并随水一起排出，进而导致体内微量元素失衡。长期饮用此类水会对人类健康产生副作用。

目前，市场上供应的各种饮用水，尽管普遍达到了生活饮用水标准且拥有各自的优势。但都存在一些局限性。一方面大多数饮用水品种仅立足于单方面，强调优化饮用水的某一项性质，而忽视了饮用水整体性质的提高。如市售的蒸馏水，杂质含量极其微量，净度相当高，但是水中矿物质含量过低，且氘含量为150ppm。另一方面，许多饮用水处理技术赋予了饮用水某一特性，但却仅立足于瞬间作用，不能长时间起效。如电解水、磁化水及日本的“

”水等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的生产饮用超轻水(DDW)的装置和方法，以改善现有饮用水的性质，综合提高饮用水的质量，保证生命体的生长与健康发展。

本发明在现有饮用水生产技术的基础上，结合低氘、小分子团技术，提供一种优质、高效生活饮用水“超轻水(DDW)”的生产装置和方法。

本发明提出的饮用“超轻水”的生产装置由预处理系统、低氘活化系统、综合过滤系统、矿质调节系统和臭氧杀菌系统5部分依次连接组成。见图1所示。

预处理系统2由水力循环澄清池和快滤池串联组成，主要对源水进行澄清处理和过滤处理。水力循环澄清池中加入有聚合氯化铝(PAC)作为沉淀剂，快滤池自下而上依次为35-45cm厚度的卵石层，3-8cm厚度的石英砂层，90-150cm厚度的活性炭，活性炭粒径为0.2-1.5mm。快滤池配备有丰字形多叉穿孔管配水系统，预处理系统通过引流管与低氘活化系统连接。

低氘活化系统3由高温反应蒸汽锅炉4、真空精馏塔5和高速离心分离器6构成，见图2所示。高温反应蒸汽锅炉4通过蒸汽导管14与真空精馏塔5下部的液相区17连通；真空精馏塔5内径为0.5-1.8m，高度为30-80m，自上而下为真空缓冲区19、气相区18、液相区17和浓缩区20；4个区的高度依次为0.5-2.2m，22.5-60m，2.5-8m，4-12m；气相区18和液相区17安装有铜质波纹板16；真空精馏塔5设有真空调节器22；真空精馏塔5的底部的浓缩区20下部通过导流管15与高温反应蒸汽锅炉4连接，以形成循环；真空精馏塔5顶部的真空缓冲区19处通过气体导管23与高速离心分离器6连接；高速离心分离器6通过出水引流管24与综合过滤系统7相连。

综合过滤系统7采用大型纳滤处理装置。

矿质调节系统8为黑耀石和麦饭石接触池，接触池自下而上依次为4-8cm厚度的粗砂、12-20cm厚度的细砂、160-200cm厚度的黑耀石和麦饭石，黑耀石与麦饭石的质量比为0.8:1—1:0.8；矿质调节系统8与臭氧杀菌系统11由引流管相连接。

臭氧杀菌系统11配有CY型臭氧发生器的密闭消毒罐，CY型臭氧发生器由自由氧发生器和汽水混合配件组成。

利用上述装置，生产饮用超轻水的工艺流程如下：

(1)预处理，首先由水力循环澄清池和普通快滤池组成的预处理系统2对源水进行预处理，除去源水中的大颗粒悬浮物、胶体物以及部分微量有机污染物等杂质，以达到后续处理系统的进水水质要求，避免后续工艺的处理负荷过高，保证后续低氘活化系统3的有效运行。预处理系统2中，水力循环澄清池中的聚合氯化铝(PAC)用量一般为处理水重量的0.001％～0.02％；快滤池中，保持水力停留时间为1.2-1.8小时。

(2)低氘活化处理，经过预处理的水由引流管进入低氘活化系统3，控制高温反应蒸汽锅炉4的温度为300～800K、压力为1～5Mpa，经反应，水中的微生物、病毒和部分无机、有机污染物被消除，并将液态源水转变为气态蒸汽进入真空精馏塔5。控制真空精馏塔5的真空度为80～200mmHg，温度为50～100℃，使水中的部分无机污染物和重金属分离，并在相际传质截留过程中去除部分有机物。经过精馏阶段后的源水，进入高速离心分离器6，控制离心分离器6的转速为5000～30000r/min，压力为10～150bar，使水中的微生物、不溶性有机物、无机污染物和重金属等被进一步去除。更为重要的是，在三项技术综合、循环作用过程中，水中氘的含量在不断降低，水分子团簇结构也逐渐变小，形成低氘、小分子团水。期间，通过工况调整以获得不同氘浓度、不同分子团大小的水。

(3)综合过滤处理，低氘活化系统3处理后的水，经引流管进入综合过滤系统7，控制系统压力为10～50bar，经纳滤膜装置辅助除去在低氘活化系统后可能残留的微生物、微量溶解性有机物、无机污染物和重金属等污染物，对水做进一步的净化、纯化。

(4)矿质调节处理，经过综合过滤系统7处理后，将水引入矿质调节系统8，控制系统温度为25～35℃，水力停留时间为1.5-2.5小时，经过黑耀石、麦饭石接触后的水，有益人体的矿物质和微量元素显著增加，使饮用水含有适量、平衡的矿物质组成，具有一定的医疗、保健功能。

(5)臭氧消毒处理，最后，将水通入臭氧杀菌处理系统11，控制臭氧量在1～2mg/L。臭氧杀菌作为整套生产技术的最后一项处理环节，主要作用是进一步消除前期工艺过程中可能产生的各种化学污染物并彻底杀灭各种致病微生物，且由于臭氧消毒后在水中留有极微量的残余臭氧，可以在饮用超轻水(DDW)罐装成品后的一定时期内继续起到预防微生物滋长的作用。

本发明通过饮用超轻水(DDW)生产装置和方法，在净化、纯化源水使其达到饮用水标准的同时，降低了水中氘的含量和分子团的大小，并使水体含有均衡的微量元素，使普通水加工成为有益于人体饮用的最佳饮用水。饮用超轻水(DDW)可广泛应用于饮料、食品加工生产和医疗等领域中。经过低氘活化系统处理的水氘含量显著减少(可以达到0～150ppm的各种浓度)、水分子团半峰宽度明显变小(可以达到0～80Hz)且矿质组成适合人体需要(见表1)。人体在经过一定时期饮用超轻水后，体内氘浓度整体降低，能明显促进酶反应，提高基础代谢，改善各系统生理功能及血液循环功能，促进脂肪分解，从而活化人体组织细胞、增强细胞免疫功能，恢复细胞组织、器官及系统整体功能，并剥夺癌细胞增值所需的重氢环境，以此起到增强人体免疫力、防癌保健、溶血脂降血糖、促进消化排泄和美容减肥等作用。

此外，本发明在降低水中氘含量的过程中，又可使其裂变成为分子团簇较小的水。经过上述生产装置和制备方法，饮用超轻水(DDW)的分子团已变成一个更小更稳定的高能态结构。它容易被细胞吸收，渗透并很快循环到身体的各个部位，使机体更快更有效的获得水分，有利于有毒有害物质的排出，并且利于营养物质在体内的移动和代谢。本发明按小分子团水以氧17核磁共振法来测定，以核磁共振谱半峰宽度的Hz值来评价水分子团的大小，这个Hz值越小说明水的分子团就越小。通过“国家药物及代谢产物分析研究中心”以氧17核磁共振法测定本发明生产的饮用超轻水(DDW)，结果表明其核磁共振谱半峰宽度远低于80Hz(一般认为小于100Hz的水为小分子团水，水中氘含量在0～150ppm间变化时，半峰宽度值也呈正相关变化)。见图3所示。

本发明在饮用超轻水生产工艺中添加矿质元素以改善水质，因麦饭石、黑耀石等含有有益人体健康的矿质元素，并能在水中溶出，长时间保持稳定。当水通过矿质调节系统后，饮用超轻水(DDW)产品富含多种天然、均衡、活性、离子态矿质元素，与人体内体液的微量元素分布曲线在形式上极为相似，可快速自由穿透细胞膜，促进人体吸收。同时也辅助低氘、小分子团的特性，提高了人体细胞活力，防止高血压、高血脂，维持代谢正常和预防癌症。

不同工况下饮用超轻水(DDW)氘含量同位素分析表

表1：

说明：

1.δD与氘含量之间的换算采用以下公式：

δD＝[(D/H)_样品/(D/H)_SMOW-1]*1000

式中：D/H表示D和H的含量比，下标“样品”和“SMOW”分别表示样品和标准平均大洋水。

2.三个测试样分别为三种工况下生产的饮用超轻水DDW。

附图说明

图1为饮用超轻水(DDW)的生产技术工艺流程图。

图2为生产饮用超轻水(DDW)低氘活化系统装置设备图。

图3为一定工况下饮用超轻水(DDW)的氧17核磁共振曲线图。采用VARIAN INOVA-500型高分辨超导核磁共振谱仪，水样测试结果：半峰宽度64.47Hz

图中标号：1—源水；2—预处理系统；3—低氘活化系统；4—高温反应蒸汽锅炉；5—真空精馏塔；6—高速离心分离器；7—综合过滤系统(纳滤)；8—矿质调节系统；9—麦饭石；10—黑耀石；11—臭氧杀菌系统；12—饮用超轻水(DDW)，13—进水引流管；14—蒸汽导管；15—导流管；16—铜质波纹板；17—液相区；18—气相区；19—真空缓冲区；20—浓缩区；21—压力计；22—真空调节器；23—气体导管；24—出水引流管。

具体实施方式

预处理系统2分为澄清处理和过滤处理两部分，即由水力循环澄清池和快滤池串联组成的预处理系统对源水进行预处理。水力循环澄清池池体规格为D7.20×6m，有效容积217m³，水力停留时间1.5h，食品级钢砼材构。通过计量泵加入聚合氯化铝(PAC)。普通快滤池为8格滤池，尺寸5m×5m，装有丰字形多叉穿孔管配水系统。预处理部分通过引流管与低氘活化系统相接。

低氘活化系统3由高温反应蒸汽锅炉4、真空精馏塔5和高速离心分离器6构成。高温反应蒸汽锅炉4采用DZL6-1.6AII型蒸汽锅炉，由蒸汽导管14与高精度真空精馏塔5(以下简称精馏塔)下部液相区17相连。精馏塔高72m，径高比1:45，自上而下由真空缓冲区19、气相区18、液相区17和浓缩区20构成，四个区的高度分别为2m、54m、6m和10m。气相区18和液相区17内每6米装填8块铜质波纹板，塔板规格为360kg/m³、空间覆盖率为0.952m³/m³，接触面积为670m²/m³，共计96块塔板。精馏塔顶部配有压力计21和真空调节器22。精馏塔底部浓缩区20配有导流管15，将真空精馏塔5与高温反应蒸汽锅炉4连接，以形成循环。高速离心分离器6采用SYBB04-002-059型，通过气体导管23与真空精馏塔6顶部相连。整个低氘活化系统3又通过引流管24与综合过滤系统7相接。

综合过滤系统7采用为大型纳滤膜处理装置。装置配有7500支卷式纳滤膜元件(Φ300mm)，每750支组成一个系列，共10个系列，膜材料采用聚乙烯醇衍生物。综合过滤系统7通过引流管与矿质调节系统8相接。

矿质调节系统8为黑耀石、麦饭石接触池。接触池规格8m×6m×6m，有效池容220m³，水力停留时间2h左右，食品级不锈钢材构。池底接触层接触面积30m²，高2m，自下而上分别为5cm厚度的粗砂、15cm厚度的细砂、180cm厚度的黑耀石、麦饭石(质量1:1)。矿质调节系统8与臭氧处理系统11由引流管相接。

臭氧处理系统11采用配有CY型臭氧发生器的密闭消毒罐。消毒罐规格为D3.2×5m，有效容积150m³。CY型臭氧发生器由自氧生成器和汽水混合配件组成。

实施例1

在实际生产过程中，取长江水作为源水样通过水力循环澄清池和普通快滤池作预处理，除去源水中的大颗粒污染物。经过预处理的源水在泵的作用下，以2kg/h的流量进入低氘活化系统，在354.5K和压力1.06Mpa条件下进行高温反应1小时，再由泵真空条件下以原流量送入精馏装置。控制真空精馏在平均72.3℃、120mmHg真空压力条件下进行。紧接着高精度真空精馏后将水样进行高速离心分离处理，处理参数控制在10000r/min、15.6bar。在高速离心分离后，水样部分在低氘活化系统内循环处理，其余部分通过泵以1.3kg/h的流速经过综合过滤系统，主要通过15bar压力下的M30型纳滤膜。经过综合过滤系统过滤处理后，水样在矿质调节系统内调整所含的矿物质组成。此过程通过25℃麦饭石、黑耀石混合矿化物料层实现。最后经过1.5mg/L量级臭氧消毒杀菌后封装成品。经测定，通过该工艺生产的饮用超轻水(DDW)的氘浓度为125ppm，水分子团半峰宽度为74.3Hz，并且水中含有钙63.0mg/L、镁7.6mg/L、钾1.5mg/L、钠8.5mg/L及适合人体需要的铜、锌、锰、硒、铬等元素。

实施例2

取长江水作为源水样，利用聚合氯化铝絮凝澄清作用和活性炭过滤进行预处理。经过预处理的水样以3kg/h的流量进入低氘活化系统，进行高温反应半小时，控制温度和压力条件分别为450K、1.77Mp。反应结束后水样由泵在真空条件下以3kg/L流量进入精馏装置。在87℃、180mmHg条件下进行高精度真空精馏。精馏后的水样在20000r/min、17bar条件下进行高速离心分离处理。在低氘活化系统内循环处理的水样，以1.3kg/h的流速进入综合过滤系统，在30barM30型纳滤膜处理后，再通过30℃黑耀石、麦饭石接触矿化。最后经过1.5mg/L量级臭氧消毒后封装成品。经测定，通过该工艺生产的饮用超轻水(DDW)的氘浓度为50ppm，水分子团半峰宽度为55.3Hz，并且水中含有钙26.0mg/L、镁3.96mg/L、钾1.4mg/L、钠6.4mg/L及适合人体需要的铜、锌、锰、硒、铬等元素。

Claims

1、一种饮用超轻水的生产装置，其特征在于由预处理系统、低氘活化系统、综合过滤系统、矿质调节系统和臭氧杀菌系统依次连接组成，其中：

预处理系统(2)由水力循环澄清池和快滤池串联组成；水力循环澄清池中加入有聚合氯化铝作为沉淀剂，快滤池自下而上依次为35-45cm厚度的卵石层，3-8cm厚度的石英砂层，90-150cm厚度的活性炭，活性炭粒径为0.2-1.5mm；快滤池配备有丰字形多叉穿孔管配水系统，预处理系统通过引流管与低氘活化系统连接；

低氘活化系统(3)由高温反应蒸汽锅炉(4)、真空精馏塔(5)和高速离心分离器(6)构成，高温反应蒸汽锅炉(4)通过蒸汽导管(14)与真空精馏塔(5)下部的液相区(17)连通；真空精馏塔(5)内径为0.5-1.8m，高度为30-80m，自上而下为真空缓冲区(19)、气相区(18)、液相区(17)和浓缩区(20)；4个区的高度依次为0.5-2.2m，22.5-60m，2.5-8m，4-12m；气相区(18)和液相区(17)安装有铜质波纹板(16)；真空精馏塔(5)设有真空调节器(22)；真空精馏塔(5)底部的浓缩区(20)下部通过导流管(15)与高温反应蒸汽锅炉(4)连接，以形成循环；真空精馏塔(5)顶部的真空缓冲区(19)处通过气体导管(23)与高速离心分离器(6)连接；高速离心分离器(6)通过出水引流管(24)与综合过滤系统(7)相连；

综合过滤系统(7)采用大型纳滤膜处理装置；

矿质调节系统(8)为黑耀石和麦饭石接触池，接触池自下而上依次为4-8cm厚度的粗砂、12-20cm厚度的细砂、160-200cm厚度的黑耀石和麦饭石，黑耀石与麦饭石的质量比为0.8:1—1:0.8；矿质调节系统(8)与臭氧杀菌系统(11)由引流管相连接；

臭氧杀菌系统(11)配有CY型臭氧发生器的密闭消毒罐，CY型臭氧发生器由自由氧发生器和汽水混合配件组成。

2、根据权利要求1所述的饮用超轻水的生产装置，其特征在于所述的纳滤膜处理装置内配有卷式纳滤膜5000-8000支，分成10个系列，每个系列含膜元件500-800支，膜材料采用聚乙烯醇衍生物。

3、一种利用权利要求1所述装置生产饮用超轻水的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)预处理，首先由水力循环澄清池和快滤池组成的预处理系统(2)对源水进行预处理，除去源水中的大颗粒悬浮物、胶体物以及部分微量有机污染物杂质，以达到后续处理系统的进水水质要求，水力循环澄清池中的聚合氯化铝用量为处理水重量的0.001％～0.02％；快滤池中，保持水力停留时间为1.2-1.8小时；

(2)低氘活化处理，经过预处理的水由引流管进入低氘活化系统(3)，控制高温反应蒸汽锅炉(4)的温度为300～800K、压力为1～5Mpa，经反应，水中的微生物、病毒和部分无机、有机污染物被消除，将液态源水转变为气态蒸汽进入真空精馏塔(5)；控制真空精馏塔(5)的真空度为80～200mmHg，温度为50～100℃，使水中的部分无机污染物和重金属分离，并在相际传质截留过程中去除部分有机物；经过精馏阶段后的源水，进入高速离心分离器(6)，控制高速离心分离器(6)的转速为5000～30000r/min，压力为10～150bar，使水中的微生物、不溶性有机物、无机污染物和重金属被进一步去除；

(3)综合过滤处理，经低氘活化系统(3)处理后的水，由引流管进入综合过滤系统(7)，控制系统压力为10～50bar，经纳滤膜处理装置辅助除去在低氘活化系统后可能残留的微生物、微量溶解性有机物、无机污染物和重金属污染物，对水做进一步的净化、纯化；

(4)矿质调节处理，经过综合过滤系统(7)处理后，将水引入矿质调节系统(8)，控制系统温度为25～35℃，水停留时间为1.5-2.5小时；

(5)臭氧消毒处理，最后，将水通入臭氧杀菌系统(11)，控制臭氧量在1～2mg/L。