CN104418410B - 水分子团簇重整反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水分子团簇重整反应装置,包括:一强磁发生装置,包括若干强磁体,所述强磁体成对形成强磁场;一导流装置,置于所述强磁场之中,流体在导流装置中可做垂直切割磁力线运动;所述强磁发生装置的磁场强度不低于3500高斯;所述导流装置包括若干层导流管及连接管组,所述单层导流管的磁程为4000‑10000mm。本发明具有阻尼小、结构紧凑占地面积小的优点;导流装置形成单一通路,具有很好的密闭性,杜绝了绝大多数污染的可能;具有足够强度的均强磁场及足够长的磁程,可使小分子团水长期处于稳定状态。
Description
技术领域
本发明涉及饮用水处理领域,特别涉及小分子团水制备领域,具体涉及一种水分子团簇重整反应装置。
背景技术
目前供人们饮用的矿泉水、纯净水以及磁化、净化自来水,均由于没有从水的分子结构上根本解决水被肌体细胞吸收、利用的问题,而存在着如矿泉水、纯净水在存放期会出现的由于长时间处于不流动情况,水分子中带有正电的氢离子(H+)及带有负电的氢氧根离子(OH-)在相当一段时间内相互吸引以氢键聚合成团的情况,失去活性而减缓和降低了饮用水被人体吸收,活化机体等保证人体处于健康的至关重要的水品质作用。
大多数情况下,特别是在长期静止的情况下,水可形成多达几十个水分子的水分子团簇。这些水分子团簇是随机的,无定形的链状线团。其溶解能力、渗透力都很低,不易被动物、植物和人吸收,由这种水分子团簇构成的水会成为“死水一团”。这些无定形结构的水分子团簇可以经一定的物理化学处理,使其成为含有较少水分子的水分子团簇的小分子团水。
目前有很多饮用水生产企业在研究水的活化即小分子团水制备技术,使用的方法有很多,包括磁化、高温、生物法、振荡等,都可实现切割大的水分子团簇的目的。其实质内容是提供能量,将联接水分子的氢键打开,使大的水分子团簇分散成为单个水分子,但是通过这些处理方法的到的水分子,分子结构并不稳定,离开了能量环境以后,很快会聚合成小分子团簇,其包含的水分子数量也不统一,在1个到10个之间。再经过一段时间的静止后,在氢键的作用下又会形成包含几十个水分子的大的水分子团簇,降低的水的活性。
目前已知的是,当水分子团簇包含六个水分子时,可称为六环状水分子团簇,是比较稳定的。包含大量这种六环状水分子团簇的水又称为六环水。
分子力学是把分子看成是一些势场维系在一起的原子的集合体。由于这些力的相互影响相互制约使得分子得以保持处于相对平衡的稳定状态。因此可以用经典的势场函数来描述原子间的相对位置变化所引起的分子体系能量的改变。分子力学计算方法主要用于定性和半定量研究主客体相互作用。一般是将得到的主客体复合物用分子力学优化其结构,计算分子间相互作用能进而判断不同主客体之间结合能与稳定性或活性之间的关系,为进一步探索主体和客体间的相互作用提供依据。
具体来说分子力学计算方法是利用力场函数来计算分子的能量和构象的,由于计算中是利用经典力学中的力场函数有时也被称为经验力场计算,其中的力学参数由实验资料决定。早在1930年Andrews提出经典力学模型:分子中的化学键具有“自然”键长、键角,并由这些键长和键角调节构象,给出个原子核的最佳位置分布,即为分子的平衡构象。分子力学计算方法不直接针对体系中的电子,只是着眼于核的相对位置,把化学键所形成的力场简化为弹簧,即将分子内各原子间的键合作用看做是符合Hooke定律的。
水分子团簇结构的本质在于氢键,H-O-H键角最大为103.645°,低于一般意义上水分子的键角104.5°,表明水分子在经过重整反应器形成水分子团簇,这种多个水分子的簇结构形成相对稳定的结构单元,其水分子键角的最小减幅达0.9%,这必将限制了水分子的振动,使体系呈现熵减状态,但由于氢键的形成,降低了体系的稳定几何结构的能量,这两种作用机制的相互作用结果,使得形成的水分子簇较单体更为稳定。H-O-H键角的另一个特点是各水分子的夹角完全不等,这表明水分子在形成的水分子团簇中并非随机等价的;同时这六个键角的分布也很有趣,分为三个区间即103.565~103.584,103.624~103.625,103.639~103.645,这也是导致水分子簇手性对称的原因。
另一个结果是氢键的角度。最小的角度为146.7°,最大的超过170°,尽管对于线性氢键目前没有标准的界定,但可以看出从头计算得到的氢键角度整体上比较接近180°,这表明在功能性的重整反应器内水分子形成了线性氢键并可以实现自组装。必须指出的是,作为弱作用力的理论计算,尽管从头算比较严格,仍然有较大误差,不可以其作为此种环境中水分子簇的实际形态,其价值更多在于指导性和可行性。同时计算得O…O键长基本接近即冰的O…O键长,这也间接证实了线性氢键的形成。
这种六环状水分子簇的形成机制目前尚不清楚。但在生物体内小分子水和五环水是普遍存在的,我们认为所制备的特征结构(具有线性氢键特点)的六环水的形成在于线性氢键可以自组装,即由于线性氢键夹角接近180°,使得水分子中自由氢原子获得最大空间自由度;同时线性氢键的键能最大,可使水分子簇在等量氢键条件下体系能量最小;此外这种线性氢键由于振动频率相近(由水分子H-O-H可以推算)可能会发生氢键共振,使得水分子簇结构更加稳定。
任何一种光谱的吸收或者发射并不是出现在某一确定的频率,而是呈现了具有一定宽度的分布。光谱线的宽度用半极大强度处的全宽(FWHM,Full width at galf maximumintensity)来度量。分子在任何一个能级上都具有一定的寿命,否则不会产生光谱。对于核磁共振而言,由于核自旋在各能级上的寿命主要受到核的弛豫过程的影响,核磁共振谱线宽与样品的弛豫时间成反比。核磁共振的驰豫分为两种,T1即是表征磁化强度的纵向分量MZ恢复过程的时间常数,称为纵向驰豫时间,T2即是表征磁化强度的横向分量MX,Y恢复过程的时间常数,称为横向驰豫时间。但对于每个核来说,它在某一高能级停留的平均时间(寿命)只取决于两者中最小者。对于液体来说T1>>T2,因此液态水的核磁共振谱线宽主要受到横向弛豫过程的影响。外磁场和驰豫作用均会使磁化强度M发生改变,而且认为二者是各自独立的,可将它们简单地进行叠加。由此可得到布洛赫方程:
其中B=iB1cosωt-jB1sinωt+k B0
方程的分量式为:
在稳定情况下解布洛赫方程,进行必要合理的简化,可以解出横向驰豫时间与谱图半峰宽之间的关系:
△W=2(W0-W)=2/πT2。
根据能量不确定性原理,△E△T≈h,式中△E为分子在某一具有有限寿命能级状态下能量的不准确度;△T为分子在该状态的寿命;h为普朗克常量。通过核磁谱图的半峰宽可以算出横向驰豫时间T2,T2=2/△W*π,再通过横向驰豫时间可以算出17O自旋—自旋驰豫过程所发生的能量变化△E=h/△T。则该驰豫过程的能量变化与核磁共振谱图的半峰宽之间的关系为△E=h*△W*π/2。所以驰豫过程的能量变化与17O核磁共振谱图的半峰宽之间成正比关系。17O的自旋量子数为5/2,自旋有6个取向,一共有6个能级,为费米子,其核的能级服从费米分布,其相邻能级之间能级差为△E*=r*h*H0。在核磁实验中,射频作用于样品的核磁矩,此时如满足hv=△E*,则低能级核自旋吸收能量,而跃迁至高能级,然后再从高能级驰豫回基态。不同尺寸的水分子簇,在热稳定态的分布是不同的,其能量也是不一样的,所以其由激发态回到热稳定态而所放出的能量也是不一样的。分子团簇越大,其由激发态驰豫回基态放出的能量就越多。与前面通过驰豫时间推出的能量相对应,则能清楚的说明水分子团簇越大,驰豫过程发出的能量就越多,其横向驰豫时间越短,则其半峰宽越宽。反之亦然。
专利号201010226011.3公开的发明专利中,包括有融合稳定装置,使磁能和矿物能融合而形成稳定的水系,其利用具有磁力的矿石形成磁场,磁力场的强度过低,且天然的具有磁力的矿石很难形成均匀的磁场;另外,所述的具有磁力的矿石是排列在不锈钢管中作用的,通过水流经不锈钢管切割磁力线,这样的处理很难达到理想的效果,并不能将非稳定状态的小分子团水转化成六环水。
专利号90223680.6的实用新型专利公开了一种长磁程流体磁化设备,在外壳内间隔地放置若干圆片状的永磁体和导流盘,可以使水流均与切割磁力线并具有较长的磁程,但是,这种结构不适用于磁场强度较大的情况,且密封性较差,处理过程中水容易受到污染,不适用于大规模饮用水生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水分子团簇重整反应装置,可将非稳定状态的小分子团水转化成稳定的六环水。
本发明能够将无序运动的水分子进行有序化排列,形成结构稳定的小分子团簇,这个过程即为重整反应过程。
本发明包括:
一强磁发生装置,包括若干强磁体,所述强磁体成对形成强磁场;
一导流装置,置于所述强磁场之中,流体在导流装置中可做垂直切割磁力线运动;
所述强磁发生装置的磁场强度不低于3500高斯;
所述导流装置包括若干层导流管及连接管组,所述单层导流管的磁程为4000-10000mm。
进一步地,单层导流管为平面螺旋结构;各层导流管通过连接管组间隔连通,形成单一通路。
进一步地,所述强磁体为环形片状,连接管组穿过强磁体的中孔部分及外侧。
进一步地,还包括若干固定支撑件,使强磁体相对固定,使相邻两强磁体形成均强的强磁场。
进一步地,所述导流管为不锈钢圆管,所述连接管组由不锈钢圆管、不锈钢圆管接头及不锈钢圆管弯头构成。
进一步地,所述导流管为玻璃钢复合材料圆管,所述连接管组由玻璃钢复合材料圆管及玻璃钢复合材料圆管弯头构成。
进一步地,所述强磁体可为永磁体。
进一步地,所述强磁体也可以为电磁铁。
进一步地,不少于两套的重整反应装置可串联。
进一步地,不少于两套的重整反应装置可并联。
进一步地,不少于四套的重整反应装置可先串联再并联。
综上所述,本发明具有的导流管的平面螺旋结构及间隔连通方式,使得本发明具有阻尼小、结构紧凑占地面积小的优点;导流装置形成单一通路,具有很好的密闭性,杜绝了绝大多数污染的可能;具有足够强度的均强磁场及足够长的磁程,可利用水流垂直通过强磁场,垂直切割磁力线提高水分子内能,限制水分子的振动,使水分子体系呈现熵减状态,改变水分子键角度和长度,增强小分子团水的稳定性。利用水分子的分子记忆特性和水分子线性氢键自组织能力,使水分子有序化排列,有序诱导水分子成线性氢键状态,形成六环水。由于线性氢键夹角接近180°,使得水分子中自由氢原子获得最大空间自由度;同时线性氢键的键能最大,可使水分子团簇在等量氢键条件下体系能量最小;此外这种线性氢键由于振动频率相近,会发生氢键共振,可使小分子团水长期处于稳定状态。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图。
图2为本发明一实施例的导流装置的结构示意图。
图3为经过本发明的重整反应后稳定的六环状分子团簇的分子结构示意图。
图中:1.永磁体,2.导流装置,3.固定支撑件,4.导流管,5.连接管组。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合所附图式作详细说明如下。
实施例1:
如图1及图2所示,水分子团簇重整反应装置包括:8个永磁体1,其磁强度为3500高斯,使用固定支撑件3固定;导流装置2包括7层导流管4,每层导流长度为4825mm,导流管4为平面螺旋结构,通过连接管组5连通,形成单一通路。永磁体1为圆环片状,连接管组5穿过永磁体1的中空部分及从永磁体1的外侧连通导流管4。导流管为不锈钢圆管,所述连接管组由不锈钢圆管、不锈钢接头及不锈钢圆管弯头构成。相邻的2个永磁体1形成一个强磁场,每个强磁场中都有一层导流管4,强磁场的磁力线垂直于导流管4的中轴线所在的平面。非稳定状态的小分子团水流入导流管4,经过所有层之后流出,这一过程中,非稳定状态的小分子团水在单层导流4中处于垂直切割磁力线的状态,由于强磁场具有足够的强度以及足够长的磁程,所以,能够提高水分子内能,有序诱导水分子成线性氢键状态,改变水分子键角度和长度,增强稳定性;通过线性氢键水分子自组织记忆的特性形成六环水;这个过程即为重整反应。可使小分子团水长期处于稳定状态。
水在通过水分子团簇重整反应装置之前,各水分子的夹角完全不等,且氢键的方向也是不规则的。这表明水分子在形成的水分子团簇中并非随机等价的。而经过重整反应之后,其分子结构如图3所示,水分子之间的氢键形成了六边形,其角度也发生了变化,其结构变得更加稳定。
以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置24个月,pH值呈逐渐下降趋势,半峰宽值呈逐渐增大趋势,但变化较小,依旧符合小分子簇水半峰宽特征(≤80Hz)实验结果见表1。
表1室温密闭放置稳定性测定结果1
测定结果 | pH值 | 核磁半峰宽值17O-NMR(Hz) |
原始值 | 9.337 | 47.3 |
3个月 | 9.342 | 47.9 |
6个月 | 9.302 | 48.5 |
9个月 | 9.330 | 49.5 |
12个月 | 9.006 | 51.7 |
18个月 | 8.864 | 59.7 |
24个月 | 8.518 | 64.3 |
由表1可知,本实施例所述重整反应装置可以使小分子团水长期处于稳定状态。
实施例2:
水分子团簇重整反应装置包括:4个永磁体,其磁强度为3750高斯,导流装置包括3层导流管,每层导流长度为10000mm;所述永磁体为椭圆环形片状。其余结构与实施例1所述相同。经过本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水同样可以是小分子团水长期处于稳定状态。
以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置24个月,pH值呈逐渐下降趋势,半峰宽值呈逐渐增大趋势,但变化较小,依旧符合小分子簇水半峰宽特征(≤80Hz)实验结果见表2。
表2室温密闭放置稳定性测定结果2
测定结果 | pH值 | 核磁半峰宽值17O-NMR(Hz) |
原始值 | 9.338 | 47.4 |
3个月 | 9.341 | 47.8 |
6个月 | 9.303 | 48.3 |
9个月 | 9.331 | 49.6 |
12个月 | 9.004 | 51.8 |
18个月 | 8.852 | 59.8 |
24个月 | 8.618 | 64.4 |
实施例3:
水分子团簇重整反应装置包括:9个永磁体,其磁强度为3650高斯,导流装置包括8层导流管,每层导流长度为4000mm,所述永磁体为环形片状,其外环为正十六边形,内环为圆形。其余结构与实施例1所述相同。经过本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水同样可以是小分子团水长期处于稳定状态。
以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置24个月,pH值呈逐渐下降趋势,半峰宽值呈逐渐增大趋势,但变化较小,依旧符合小分子簇水半峰宽特征(≤80Hz)实验结果见表3。
表3室温密闭放置稳定性测定结果3
测定结果 | pH值 | 核磁半峰宽值17O-NMR(Hz) |
原始值 | 9.333 | 47.2 |
3个月 | 9.345 | 47.6 |
6个月 | 9.302 | 48.2 |
9个月 | 9.331 | 49.3 |
12个月 | 9.007 | 51.7 |
18个月 | 8.853 | 59.9 |
24个月 | 8.613 | 64.5 |
实施例4:
以实施例1、实施例2及实施例3中任一例为基础,使用玻璃钢复合材料管件代替不锈钢材料管件,这样做的优点是:玻璃钢复合材料管件具有更小的内壁阻力,可减小整个重整反应装置的流体阻力;此外相比于金属材料,玻璃钢复合材料的抗磁性更低,对磁能的利用率更高;并且降低相应流体增压装置的额定压力,达到节约能源的目的。经过本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水同样可以是小分子团水长期处于稳定状态。
以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置24个月,pH值呈逐渐下降趋势,半峰宽值呈逐渐增大趋势,但变化较小,依旧符合小分子簇水半峰宽特征(≤80Hz)实验结果见表4。
表4室温密闭放置稳定性测定结果4
测定结果 | pH值 | 核磁半峰宽值17O-NMR(Hz) |
原始值 | 9.329 | 47.3 |
3个月 | 9.344 | 47.5 |
6个月 | 9.300 | 48.9 |
9个月 | 9.329 | 49.3 |
12个月 | 8.994 | 52.8 |
18个月 | 8.843 | 58.6 |
24个月 | 8.593 | 63.5 |
实施例5:
以实施例1、实施例2及实施例3中任一例为基础,使用电磁铁代替永磁体,这样做的好处是:大规模饮用水生产线中,要制作足够强度的永磁体有很多技术上的困难,例如永磁体的充磁、组装及磁能均匀分布等,会限制本发明的广泛应用。而使用电磁铁则会避免这个问题。经过本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水同样可以是小分子团水长期处于稳定状态。
以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置24个月,pH值呈逐渐下降趋势,半峰宽值呈逐渐增大趋势,但变化较小,依旧符合小分子簇水半峰宽特征(≤80Hz)实验结果见表5。
表5室温密闭放置稳定性测定结果5
测定结果 | pH值 | 核磁半峰宽值17O-NMR(Hz) |
原始值 | 9.332 | 47.1 |
3个月 | 9.341 | 47.6 |
6个月 | 9.305 | 48.5 |
9个月 | 9.328 | 49.2 |
12个月 | 9.002 | 51.8 |
18个月 | 8.848 | 59.5 |
24个月 | 8.608 | 64.2 |
实施例6:
以实施例1、实施例2及实施例3中任一例为基础,将两套以上的重整反应装置串联使用,增加重整反应处理时间,达到更好的处理效果。得到更加稳定的小分子团水。
以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置24个月,pH值呈逐渐下降趋势,半峰宽值呈逐渐增大趋势,但变化较小,依旧符合小分子簇水半峰宽特征(≤80Hz)实验结果见表6。
表6室温密闭放置稳定性测定结果6
测定结果 | pH值 | 核磁半峰宽值17O-NMR(Hz) |
原始值 | 9.298 | 47.0 |
3个月 | 9.286 | 47.3 |
6个月 | 9.277 | 48.4 |
9个月 | 9.147 | 49.1 |
12个月 | 9.158 | 51.5 |
18个月 | 8.987 | 59.2 |
24个月 | 8.856 | 63.9 |
实施例7:
在实施例1的基础上,将两套以上的重整反应装置并联使用,增大产量的同时,可以在某一重整反应装置出现故障或者需要清理修整时,不需停止生产,以提高设备运行的灵活性及稳定性。
实施例8:
在实施例1的基础上,将四套以上的重整反应装置先串联再并联,即可以达到更好的处理效果,增加产量,又能增加设备运行的灵活性及稳定性。
虽然本发明以前述的实施例描述如上,但其并不能用以限定本发明。本发明所属技术领域中的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,做些许的改动与修饰,都在本发明的保护范围内。因此本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。
Claims (9)
1.一种水分子团簇重整反应装置,其特征在于,包括:
一强磁发生装置,包括若干强磁体,其成对形成强磁场,所述强磁场的磁场强度不低于3500高斯;
一导流装置,置于所述强磁场之中,流体在导流装置中可做垂直切割磁力线运动;
所述导流装置包括若干层导流管及连接管组,所述单层导流管的磁程为4000-10000mm;单层导流管为平面螺旋结构;各层导流管通过连接管组间隔连通,形成单一通路。
2.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述强磁体为环形片状,连接管组穿过强磁体的中孔部分及外侧。
3.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,还包括若干固定支撑件,使强磁体相对固定,使相邻两强磁体形成均强的强磁场。
4.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述导流管为不锈钢圆管,所述连接管组由不锈钢圆管、不锈钢圆管接头及不锈钢圆管弯头构成。
5.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述导流管为玻璃钢复合材料圆管,所述连接管组由玻璃钢复合材料圆管及玻璃钢复合材料圆管弯头构成。
6.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述强磁体为永磁体或电磁铁中的一种。
7.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述水分子团簇重整反应装置不少于2套,且互相串联。
8.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述水分子团簇重整反应装置不少于2套,且互相并联。
9.根据权利要求1所述的水分子团簇重整反应装置,其特征在于,所述水分子团簇重整反应装置不少于4套,且先串联再并联。
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