CN1163409C - 富勒烯水的制造方法及其装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种含有优良富勒烯的保健水的保健水制造方法及其装置。使氧和氢的混合气体在高压水中燃烧，在该燃烧气体中使碳燃烧，以此方式制造水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水。得到的富勒烯水可以作为保健饮料使用。

Description

富勒烯水的制造方法及其装置

本发明涉及富勒烯水，具体讲涉及悬浮由60个碳原子形成的球形结构富勒烯水的制造方法、制造装置及由此得到的保健饮料水。

自古以来煤和碳就有多种功效，在各方面被采用，特别是一直主要用来脱嗅和防腐等。人们还知道碳对人体有保健和治疗作用，最近应社会的保健要求，重新认识到碳的保健作用，销售使用改善水质和调理身体用的备长煤和竹煤等，越来越引起人们的注意。

在煤和含碳材料的利用领域，大约十几年前发现了一种叫作“富勒烯”的新材料，它是金刚石和石墨之后被人们认识的第三种晶体形式。1990年在德国和美国的共同研究下，从特殊条件下制造的煤烟子中成功分离出富勒烯，1991年报导了掺杂金属钾的富勒烯薄膜在临界温度18K下显示超导性，此后有关富勒烯的研究进一步加快。为了批量分离生产富勒烯以及富勒烯所显示的性质进一步吸引着基础研究和应用二领域研究人员的好奇心。有关富勒烯的研究和技术开发一旦获得显著进展，有望成为获得诺贝尔奖的对象(谷垣胜己、菊地耕一、阿知波洋次、入山启治著《富勒烯》，产业图书株式会社。平成4年10月初版，XVii)。

富勒烯以60个碳原子形成的球状结构为代表，其分子结构与由五角形和六角形组成的足球形状相似，是物理和化学上都稳定的分子，是已知有图4所示各种性质的物质(详见上书第16页)。

富勒烯的化学合成法虽然尚未报导，但是却可以用上述物理法制造，即利用电弧放电和激光照射使石墨气化，产生碳蒸气，将其冷却形成煤烟子，使其中生成富勒烯这种具有代表性的制造方法。据说这些方法得到的富勒烯具有附图3所示的、由60个碳原子组成的与足球形状相似的球状结构，从石墨中分离出石墨后，五个六角形结构以向阳花式排列，碳原子再排列成接近球形，形成能量稳定的足球状。将煤烟子中生成的富勒烯溶解在溶剂中后，用液相柱色谱法等精制方法可以将其分离精制。

富勒烯的足球状结构，可以用质谱的C₆₀峰、X-射线晶体结构分析和¹²C-核磁共振谱以及红外吸收光谱分析法确确认。

因此随着富勒烯制造法和精制法的确立，及其物理和化学性质的阐明，作为下一代新型功能材料而备受注目，开始在各领域展开应用研究。例如，在电子学领域开发出用作超导材料、半导体材料或强磁材料的技术，在物理材料领域开发出用作非线型光学材料和触媒等的技术，以及在机械材料领域开发出用作微润滑材料和缓冲材料等的技术，此外也有人提出用作生理活性材料和食品材料或医药品等。

此外还报告说，虽然尚不详细，但是有人对球形结构内部包含K和La等金属原子的新结构材料的开发感兴趣。

一般而言，新材料技术的发展常常伴随许多专利申请，富勒烯的情况也不例外。在有关富勒烯的专利情报中，最近虽然公开了从对富勒烯制造方法和精制方法的改进，直至电子学和物理学领域或机械材料领域等多领域的进展情况，但是关于富勒烯本身在生理活性材料和食品材料或医药品等领域的利用情况在专利公报上却没有披露。这些领域公开的只有：特开平10-45408号公报中使谷物和食品等含浸含富勒烯的超微粒碳组合物溶液后，保持高鲜度和高品质的方法，特开平9-322767号公报中利用活化富勒烯的单重态氧和光线照射使病毒惰化的方法，特开平9-278625号公报中将富勒烯溶解在油性成份中后，涂布色不明显而防晒效果却优良的防晒护肤化妆品等。

据推想，富勒烯在生理活性材料和食品材料或医药品等中的应用，在与日常生活有关的技术开发中是极为重要的，应用范围也越来越广；在医学领域，研究了用富勒烯作为提高生物体免疫效果的物质治疗癌症等。据说，例如将一定分子量的富勒烯供给白血球，能刺激免疫物质产生，而且因为富勒烯能全由元素碳制造，所以体内被破坏的速度极慢，它与一般煤不同，其尺寸处于纳米级能够被肠道吸收。

如上所述，人们热切期待着富勒烯在生理活性材料和食品材料或医药品等领域中的应用迅速发展，而本发明正是为解决上述课题而提出的，这种富勒烯的有用性，特别是在生理活性材料和保健医疗品领域中应有的有用性，可以说是无限的。

因此，本发明人等发现，供人饮用含富勒烯的水后健康状态得到改善，例如生理活性功能以简单方式得以提高，因而完成了本发明。

本发明的课题在于提供高效制造能够改善健康状况的含富勒烯水的方法和装置。

也就是说，本发明为解决上述课题针对富勒烯的技术开发和应用领域进行了研究，从而开发出新颖富勒烯水制造方法及其装置，以及利用这种新颖富勒烯水的保健饮料。

本发明中所说的“富勒烯水”是指含内藏水分子的富勒烯的水。

本发明的基本特征在于，在高压水中制造富勒烯，生成水中悬浮内藏水分子的富勒烯及富勒烯的饮料水，具体讲如下(1)～(4)所示。

(1)一种水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水的制造方法，其中利用使氧和氢的混合气体在高压水中燃烧，并在该燃烧气体使石墨棒燃烧。

(2)一种水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水的制造装置，其中具有高压水储罐、氧和氢混合气体喷嘴、石墨棒、点火装置和燃烧室。

(3)按照上述(2)所述的富勒烯水的制造装置，其特征在于其中所说的氧和氢的混合气体燃料由水电解供给。

(4)一种保健饮料水，是由水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水精制而成的。

本发明的最重要特征在于，与简单使富勒烯悬浮在水中不同，本发明得到的富勒烯水是水中悬浮内藏水分子的富勒烯的水，在此内藏水分子和富勒烯的联合作用下产生一种新颖而显著的生理活性作用，本发明正是基于这种新发现而完成的。

本发明的保健饮料水，是对水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水精制而成的，它满足最近社会上的保健需求，是充分考虑此保健要求而开发的划时代饮料，至于内藏水分子的富勒烯何以具有保健功能，以及具有何种保健功能，虽然目前尚不清楚，但是本发明人等正在为阐明这些机理而深入研究着。

图1是本发明富勒烯水的制造流程图

图2是表示本发明富勒烯水的制造装置示意图

图3是表示本发明内藏水分子富勒烯的晶体结构图

图4是文献报导的富勒烯物质性质

如上所述，富勒烯本身的工业生产方法虽已建立，但是其代表性的制造方法却是，利用电弧放电和激光照射使石墨电极气化，产生碳蒸气，将其冷却形成煤烟子，使其中生成富勒烯的方法。此外，内藏K和La等金属原子的富勒烯分子，也是利用电弧放电和激光照射使K和La与石墨同时气化的方法制造的，但是本发明的特征并不涉及富勒烯本身的制造，而在于含内藏水分子富勒烯的富勒烯水的制造。

本发明得到的内藏水分子的富勒烯水过去从未制造过，是新产物，而且在本发明并不采用过去制造它的那些已知电弧放电和激光照射气化法，而是用燃烧法制造含富勒烯水的新方法。

本发明人等为高效而经济地制造富勒烯水并供饮用而进行了深入研究，结果发现使氢与氧燃烧，将纯石墨棒插入该燃烧气体之中加热，为了在氢和氧在水中燃烧时不产生水和碳以外的物质，利用使之在高压水中燃烧的方法制造富勒烯水。

本发明得到的富勒烯水中所含的富勒烯量极微，因低于检出限而不能简单特定地测定，但是利用精密分析法却能确认。上述制造方法在水中产生的碳结构并不都是富勒烯，也含有未燃烧的碳。由于饮用上对未燃烧碳的数量有限制，所以必须控制反应时间和燃烧燃料的数量。反应时间过短制成的水没有预定效果，而反应时间过长水味发涩不适于饮用。

因此，本发明新开发的，如上所述，是被加工水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水的制造方法及其实施所需的装置。

以下结合附图详细说明本发明的方法和装置。

图1是本发明富勒烯水的制造流程图，图2是表示本发明富勒烯水的制造装置，图3是表示本发明得到的富勒烯水的晶体结构，图4是表示富勒烯本身的物质性质。

图2中本发明的富勒烯水制造装置1，由制造富勒烯水用耐压容器2、原料气体发生用水分解装置3和富勒烯水过滤装置4组成。

本发明的耐压容器2的基本结构，包括高压水储罐5、氧和氢的混合气体喷嘴14、燃烧室6和石墨棒10，是悬浮有内藏水分子的富勒烯的富勒烯水的制造装置。附设的设备有原料氢和氧供给用的水电解装置3以及得到的富勒烯水的过滤装置4。

本发明的耐压容器2由金属制，优选钢制的高压水储罐5组成，在此高压水储罐5内，用喷嘴14向燃烧室6内高压喷出经氢气供给管16和氧气供给管17供入电解装置3中产生的氧和氢混合气体。利用供给缸13根据燃烧量逐渐向燃烧室4内部送入石墨棒10.氢气和氧的混合气体经点火装置11点火后，向高压水9中放出碳或内藏水分子的富勒烯。含有这些物质的高压水9经高压水储罐底部的排出口8向外部排出，依次经过适当的过滤装置4。其中也可以用氢气和氧气高压储气瓶来代替原料气体发生用的水电解装置3。但是像本发明那样，利用水电解供给氢气和氧气能得到完全纯净的气体，其优点是能够高效供给作为燃料气体的原料气体。

在本发明的原料气体发生用水电解装置3内，利用水电解发生氢气16和氧气17作为水制造用原料气体的实例中，18、18’和19分别表示阴极板和阳极板。当然也可以像上述那样，分别由各容纳的高压储气瓶直接向高压水储罐5内供给氢气和氧气。

在本装置中经过泵由喷嘴14向燃烧室6内喷射电解产生的氢气16和氧气17，使混合气体完全燃烧，使之处于完全超高温水蒸汽的燃烧状态下。向此燃烧气体中插入纯石墨棒10，使之加热燃烧。按照燃烧量每次一点一点地由供给缸13内供给石墨棒。燃烧时必须将氢气16和氧气17之间的混合比严格控制在2∶1。而且还必须设置压力调节阀7以调节高压水储罐内的压力。

在燃烧室6内加热至高温的被燃烧的碳12，一旦自燃烧室6防除到加压水9中，一部分碳就会形成一种晶体结构。这种晶体结构据说具有被称作コランニエレン的那种由五个六角形结构聚集在一起的向阳花似形状的碳结构，而且碳原子在其上再排列形成近球状，此时裹入一个水分子，具有比水分子大的茏状结构的富勒烯内藏水分子，变成能量稳定的足球状。

因此，由石墨棒燃烧产生的富勒烯是碳60物质，像上述那样具有比水分子大的笼状结构的富勒烯内藏水分子。这种结构的模型图如图3所示，在足球结构中由圆形虚线表示的水分子处于被包藏的状态下。

这种状态下富勒烯结构物产生的结果是，疏水性极强的碳分子以稳定状态悬浮在水中，即使不使用活性剂也能推测出表观上处于溶解状态下。

例如，在制造1吨富勒烯水的生产规模下，在每秒钟5升左右混合气体喷射量下持续2小时，若气体压力过高则有使装置结构产生破坏的危险。而且若压力过小，则会自压力室上吹气体，被加热的碳直接形成气泡在水面上逸出，富勒烯发生状态恶化。此时优选的气体压力为3.5大气压左右。而将高压水储罐内加压至高压的压力为2大气压。

此装置的操作如下：通过泵自喷嘴14向高压水储罐5内喷射高压氢气16和氧17，用点火装置11点火后处于超高温的水蒸汽气体燃烧状态下，向此该气体中插入纯净的石墨棒10使之燃烧。

为了使此装置中不会产生水煤气和碳或富勒烯之外的物质，必须在水中使氢和氧燃烧，为了使此时在不含杂质的纯净水中使氢和氧燃烧，必须在高压下使之燃烧。而且石墨棒的插入位置，还必须处于混合气体完全燃烧，使之完全变成超高温水蒸汽气体的区域内。生成的内藏水分子的富勒烯是疏水性极强的碳分子，以稳定状态悬浮在水中，即使不使用活性剂在外观上也呈溶解状态。自排出口将这样制成的新颖富勒烯水放出后供给适当的过滤装置。

本发明的其他特征在于将上述方法制造的水中悬浮有内藏水分子的富勒烯水精制后制成保健饮料水这一点上，因为生成的水中悬浮有大量未燃烧的碳，所以不适于直接饮用，必须过滤精制。

此时的过滤方法，为了使生成的碳和富勒烯不至于过度除去而不采用离子交换法和反渗透膜法等方法，为了制造适于饮用的水而优选采用以下过滤装置。即空心丝膜是使用的过滤器，由高压水储罐排出的高压水依次在空心丝膜中过滤的方法，无论从富勒烯水的特性上还是从过滤器的使用寿命上来看都是优选的，利用这种方法能够制造出符合食品微升标准的饮料水。

其中生成的富勒烯由于处于纳米级，所以难于采用通常的过滤器过滤，据查本发明得到的高压水中含有极微量水平的富勒烯。

以下基于实施例具体说明本发明的实施方式，但是本发明不受这些实施例的丝毫限制。

实施例

图2是表示本发明制造装置的代表性实例，图2表示的水中悬浮有内藏水分子的富勒烯的富勒烯水的制造装置，其中有高压水储罐5、氧和氢的混合气体喷嘴14以及石墨棒10.

高压水储罐5是金属制对超高压具有耐压性的耐压容器，由氢气供给管16和氧气供给管17供给的氧和氢的混合气体经喷嘴14喷射到燃烧室6内，由供给缸13向燃烧室内部送入石墨棒10。在高压水储罐5内必须用压力调节阀7控制压力。混合气体经点火装置11点火后，向高压水中放出碳乃至内藏水分子的富勒烯12。其中悬浮有内藏水分子的富勒烯的富勒烯水，自排出口8排放到外部。被排出的富勒烯水经过适当过滤装置4(21～24)处理后制成成品。

以下说明此装置的操作。以上述方式用喷嘴14向高压储罐5内喷射以高压供给的氢和氧的混合气体，经点火装置11点火后混合气体完全燃烧后，处于完全的超高温水蒸汽的气体燃烧状态下。将石墨棒插入此燃烧气体中，使之燃烧。在喷嘴内被加热到高温的碳向高压水中放出时，其中一部分碳具有晶体结构，碳原子在其上再排列成近球形，此时水分子被裹入包藏在其中，然后变成能量稳定的足球状。生成的内藏水分子的富勒烯是疏水性极强的碳分子，因而以稳定状态悬浮在水中，即使不使用活性剂外观上也呈溶解状态。

这样制造的新颖的富勒烯水，经排出口排出后被送至适当的过滤装置4中。而过滤装置4依次是50、25、3、0.5和0.1微米的空心丝膜，最后得到含有极微量富勒烯的富勒烯水。

实施条件(例)

制造罐内压：2大气压

混合气体：5升/秒钟(3.5大气压)

喷射时间：2小时

石墨供给量：1.5千克/2小时

生成的富勒烯水：大约1吨

使生成的富勒烯水依次通过50、25、3、0.5和0.1微米的空心丝膜过滤后，得到了悬浮有内藏水分子的富勒烯的富勒烯保健饮料水。保健饮料的试饮

由52名成年男女参加试饮悬浮有内藏水分子的富勒烯的富勒烯保健饮料水和监测，确定了对于增进健康和提高生理活性功能的作用和效果。试饮条件和监测结果

每日试饮量：1杯         5名

            3杯        22名

            4杯以上    22名

味道：美味者           39名

      无味者           13名

臭味：无味者           51名

      有味者            1名

功能实例：竞技状态的增进者       22名

          食欲增进者             32名

          有药理辅助效果者       11名

          便秘消除者             14名

          疲劳恢复者             49名

          血糖值降低者            3名

          腹泻改善者              3名

          肠胃迅速调理者         17名

          皮肤粗糙复原者          8名

          肩膀酸痛复原者         16名

          眼睛疲劳复原者          1名

          痛风消失者              1名

          血压低改善者            5名

          肾结石小时者         1名

          肺癌停止加重者       1名

上述监测结果说明，即从试饮阶段回答为“味美”的人数是“无味”人数的三倍，几乎所有的人均回答“无味”来看，本发明得到的富勒烯水是大多数人容易接收的饮料。

而且在试饮的人中，从列举具有疲劳恢复、食欲增进、竞技状态增进、肠胃快速调理和肩膀酸痛复原等方面改善效果的人数居多来看，可以认为本发明的富勒烯水是能够发挥保健饮料效果的产品。

产业上应用的可能性

本发明提供一种新颖的富勒烯水制造方法及其装置以及利用新颖的富勒烯水的保健饮料，能够简单而有效地制造富勒烯。而且，从多数监测者的试饮试验来看，悬浮有内藏水分子的富勒烯的富勒烯水，作为保健饮料使用具有显著效果。

此外，除了健康增进作用之外，本发明的富勒烯水还可以期待孩提高免疫力上等方面的一些用途。

Claims (5)

1、一种水中悬浮内藏水分子富勒烯的富勒烯水的制造方法，其特征在于，该制造方法包括以下步骤：

由氢气供给管和氧气供给管供给的氧和氢的混合气体喷射到燃烧室内，并向燃烧室内部送入石墨棒，并通过压力调节阀控制压力；

混合气体进行点火后，向高压水中放出碳和内藏水分子的富勒烯，并排放到外部，其中燃烧时氢气和氧气之间的混合比为2∶1，而气体的压力为3.5大气压。

2、如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该方法还包括过滤步骤。

3、如权利要求1的制造方法所使用的富勒烯水的制造装置，其特征在于：基中有高压水储罐、氧和氢的混合气体喷嘴、石墨棒、点火装置和燃烧室。

4、如权利要求3所述的富勒烯水的制造装置，其特征在于其中还附设制造氧和氢的混合用的水电解装置。

5、如权利要求3或4所述的富勒烯水的制造装置，其特征在于其中还附设除去碳残渣用过滤装置。

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