CN1774301A - 带电微粒子水和形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境的方法 - Google Patents

带电微粒子水和形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境的方法 Download PDF

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Abstract

本发明披露了含有自由基(如羟基自由基或超氧化物)的带电水粒，其粒径为纳米大小，例如，粒径为3－100nm。该带电水粒是通过在一对电极之间施加强度为700－1,200V/mm的电场，同时在电极之间提供水而制得的。通过在室内空间散布如此得到的带电水粒，可以有效除去室内空间中的恶臭成分/细菌。

Description

带电微粒子水和形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境的方法
技术领域
本发明涉及带电微粒子水(charged fine particulate water)和形成其中分散有带电微粒子水的雾状物(mist)的环境的方法。
背景技术
日本专利早期公开[kokai]2001-170514披露了将通过向水施加电荷而生成的带电微粒子水用作有效的尘粒收集剂，因为该带电微粒子水在空气中具有高吸附性能。
另一方面，已知自由基是活性化学物质，并且由于其高的化学活性，它们在将恶臭成分分解/除臭方面表现优异。但是，由于自由基在空气中不稳定，因此寿命短，常常在与恶臭成分反应之前就消失了。因此，难以充分获得自由基的效用。
此外，日本专利早期公开[kokai]53-141167或2001-96190披露了借助含自由基的微粒子水清洁空气。但是，由于所述带电微粒子水具有微米级粒度，很难在空间分散。因此，将在房间中隔开一定距离的窗帘、布和墙壁表面粘附的恶臭成分/细菌分解/除臭的效果仍是不够的。
发明内容
考虑到上述问题，本发明主要涉及的是提供带电微粒子水，其特征为具有纳米粒度并含有自由基。
根据本发明的带电微粒子水，通过在具有纳米粒度的带电微粒子水中包含自由基，化学不稳定的自由基的寿命得到提高，而且带电微粒子水在房间中的扩散(diffusion)性质得到改善。因此，可以有效去除房间中粘附在窗帘、布和墙壁表面的恶臭成分的臭味。此外，可以使细菌、霉菌、病毒和过敏原如花粉有效失活，以及改善皮肤的保湿性(moisture retention)。
本发明还涉及的是提供形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境的方法。该方法包括以下步骤：
提供一对电极，设置供水单元以在所述电极之间供应水，和设置施加电压单元以在电极之间施加电压；
通过在电极之间施加高电压，同时借助供水单元在电极之间供应水，产生带电微粒子水的雾状物，该带电微粒子水的粒度为3-100nm，且含有自由基；
将雾状物提供给所需空间，以在所需空间中形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境。
根据该方法，可以稳定地获得其中分散了相对均匀的3-100nm粒度的带电微粒子水的空间。
从下面描述的用于实施本发明的最佳方式中，本发明的其它特征和由此带来的优势将变得更加显而易见。
附图说明
图1A和1B是产生本发明的带电微粒子水的装置的立体透视图和顶视图；
图2是说明产生带电微粒子水的原理的示意图；
图3A和3B是在水输送元件中电荷运动的说明性示意图；
图4是带电微粒子水的粒度分布的曲线图；
图5是带电微粒子水的颗粒数随时间变化的曲线图；
图6是在带电微粒子水中的自由基的电子自旋共振(ESR)谱图；
图7是带电微粒子水的乙醛分解能力的测量结果图；
图8是带电微粒子水的质谱图；
图9是评估带电微粒子水对杉木花粉抗原(cedar pollen antigen)失活能力的ELISA测试的测量结果图；
图10是将皮肤角质层暴露在冷水中，然后再暴露在带电微粒子水中，皮肤角质层电导率的变化曲线图；以及
图11是将手指暴露在冷水中，然后再暴露在带电微粒子水中，手指温度变化的曲线图。
具体实施方式
参考附图、根据优选实施方案来说明本发明的带电微粒子水及其形成万法。
本实施方案的带电微粒子水可以通过以下步骤得到：准备一对电极，设置供水单元以在电极之间供应水，和设置施加电压单元以在电极之间施加电压，以及在电极之间施加高电压，同时借助供水单元在电极之间供应水。具体地，如图1A所示，优选使用静电喷雾器，包括水罐1，多个水输送元件2，用于支撑水输送元件2并向水施加电压的第一电极3，设置在面对水输送元件2顶端的位置的第二电极4，以及在第一和第二电极(3，4)之间施加高电压的施加电压单元5，所述水输送元件2的每一个构造成具有底端的棒状，该底端可以与水罐1中的水接触。
用作供水装置的水输送元件2由多孔材料制成，能够借助毛细现象将水罐1中的水从底端吸取到顶端。为了借助毛细现象稳定地输送水并产生具有均匀粒度的带电微粒子水，优选使用多孔陶瓷材料，特别是孔隙率为10-60％、晶粒度(grain size)为1-100μm的多孔陶瓷材料。或者，可以使用毡等。水输送元件2的顶端为针状。例如，优选针尾(needle end)的直径为Φ0.5mm或更小。此外，优选水输送元件2在圆的圆周(circumference of a circle)上彼此均匀隔开，该圆的中心对应于第一电极3的中心，并且水输送元件2由第一电极3支撑，以便在需要的高度从第一电极3的顶面凸出(project)。在图的静电喷雾器中，在正六边形的顶角(vertices)处布置了六个水输送元件2。
在中心具有开孔40的第二电极4通过管状元件6与第一电极3连接，该管状元件6由电绝缘材料制成。因此，在管状元件6的内部空间产生带电微粒子水，然后通过开孔40供应到外面。在本实施方案中，如图1B所示，开孔40的形状由具有圆心Q和半径R1的大圆形开孔C1和各自具有圆心P和半径R2的小圆形开孔C2拼合而成。在图中，小圆形开孔C2的数目为6。小圆形开孔C2的圆心P均匀布置在一个与大圆形开孔C1同心的圆的圆周上。每个水输送元件2的针尾位于小圆形开孔C2的圆心P。因此，面对着各个圆形开孔C2的第二电极4的边缘部分41与相应的水输送元件2的针尾隔开的距离为R2。第一和第二电极(3，4)两者都可以由金属材料如不锈钢或含有导电材料(例如碳)的合成树脂制成。
图2示出了借助该静电喷雾器产生带电微粒子水的原理。借助毛细现象，水罐1中的水从多孔材料制的水输送元件2的底端输送到针尾。当使用水作为带电微粒子水的原料时，例如，可以使用流动水、地下水、电解水、pH调节水、矿泉水、含有有价值成分(如维生素和氨基酸)的水，或含有芳香油、芳香物质或除臭剂的水。在借助毛细现象向水输送元件2的顶端供应水的状态下，通过电压施加单元5在第一电极3和第二电极4之间施加高电压，输送到水输送元件2顶端的水经历瑞利分裂(Rayleigh fission)，从而获得雾化。在本实施方案中，当施加在第一电极3和第二电极4之间的电场强度为700-1200V/mm时，可以获得具有3-100nm纳米粒度的并含有自由基(如羟基自由基和超氧化物)的带电微粒子水的雾状物。
通过控制用作水输送元件2的多孔材料的类型、水输送元件2的形状、水输送元件2和第二电极4之间的距离、施加在第一和第二电极(3，4)之间的电压值或电流值，可以获得具有所需纳米粒度的带电微粒子水。例如，当施加700-1200V/mm的电场强度时，主要产生粒度为3-20nm的雾状物和粒度为30-50nm的雾状物。另一方面，当施加900V/mm的电场强度时，可以获得具有16-20nm均匀粒度的带电微粒子水的雾状物。
如此获得的带电微粒子水的特征为具有纳米粒度。在本发明的说明书中，“纳米”大小指粒度不大于1微米。因为粒度大于1微米，扩散性质会劣化。结果，基本上不能在所需空间的每个角落中均匀地分散带电微粒子水的雾状物。此外，由于在带电微粒子水中含有的活性物质和电荷的数量减少，难以充分获得除臭效果和使细菌和过敏原失活的效果。
本发明的带电微粒子水更优选的粒度为3-100nm(电迁移率为0.1-0.001cm2/vsec)。当粒度小于3nm时，由于在带电微粒子水中含有的自由基寿命减少，难以在所需空间均匀获得带电微粒子水的效果。特别是，当将带电微粒子水扩散到其中由障碍物的空间时，难以在空间的每个角落散布带电微粒子水。另一方面，当粒度超过100nm时，带电微粒子水很难渗入皮肤角质层的间隙中，认为该间隙大约为70-100nm。结果，将难以改善皮肤的保湿性。
其次，本发明的带电微粒子水的特征在于含有自由基。自由基的类型没有限制。例如，优选自由基包括羟基自由基、超氧化物、一氧化氮自由基和氧自由基。这些自由基具有高反应性，无需使用原料来产生自由基，因为可以从空气中的氧和水蒸汽中产生自由基。因此，可以稳定地获得含有自由基的带电微粒子水。
本发明的带电微粒子水的电性(polarity)没有限制。当带负电时，它可以提供应力弛豫效应，该效应也称为负离子效应，以及除臭效应。此外，当第一电极3是负极且第二电极4是地线(ground electrode)时，通过第二电极4的开孔40可以将带负电的微粒子水的雾状物提供至所需空间。
除了自由基之外，带电微粒子水可以含有酸性活性物质。此时，可以更有效地使典型的恶臭成分(即，碱性恶臭成分如胺类化合物)除臭。酸性活性物质的类型没有限制。例如，由于氮的氧化物或有机酸是借助空气中的氮气和二氧化碳产生的，因此可以稳定地获得含有酸性活性物质的带电微粒子水而无需为此加入原料。
此外，带电微粒子水可以含有硝酸、水合硝酸、亚硝酸和水合亚硝酸中的至少一种。此时，通过使带电微粒子水保持在微酸条件下，可以容易地获得使带电微粒子水渗入皮肤的效果和保湿效果，以及使碱性恶臭成分除臭的效果。
为了形成其中在所需空间分散有本发明的带电微粒子水的雾状物的环境，优选在0.1g/hr或更高，特别在0.5g/hr或更高的比率(proportion)下供应所述雾状物，该带电微粒子水的雾状物是通过上述装置产生的。雾状物的供给量可以根据静电喷雾器的水罐1中减少的水量测量。
另外，当第一电极3接地，并向第二电极4施加负电压以产生带电微粒子水时，优选水输送元件2由具有等电点的材料制成，由水罐1中提供的水的pH值，其带有负电。也就是说，当作为带电微粒子水的原料水中含有矿物质成分如Ca和Mg时，借助毛细现象它们被输送至水输送元件2的顶端，然后与空气中的二氧化碳反应，从而在水输送元件2的顶端生成例如CaCO3和MgO沉淀。这些沉淀妨碍静电喷雾，即妨碍产生带电微粒子水。
考虑到所用水的pH值，通过选择多孔陶瓷材料，借助该多孔材料的毛细管中产生的电渗流可以防止分散在水中的Mg离子和Ca离子流向水输送元件2的针尾。
图3A是当使用在等电点的pH值低于所用水的pH值的材料制成的水输送元件2产生带负电的微粒子水时，所引起的电渗流的示意图。例如，当水输送元件2由多孔硅石制成时，由于多孔硅石和水之间的接触，甲硅烷醇基被疏离(alienated)出来，因此多孔硅石的毛细管的内壁带负电，在表面形成正电荷束缚(immobile)层。此外，在该束缚层上形成正电荷扩散层，从而得到双电层。在图中，“S”表示该双电层中的滑动面，“Z”表示ζ(zeta)电位。在该情况下，例如，当施加电场使得第一电极3为负极而第二电极4为正极时，产生的电渗流指向负极，如图3A的箭头所示，从而包含在水中的Mg离子和Ca离子以远离水输送元件2针尾的方向移动。因此，可以借助毛细现象将水输送至水输送元件2的针尾，同时防止Mg离子和Ca离子向针尾输送。
图3B是当使用在等电点的pH值高于所用水的pH值的材料制成的水输送元件2产生带负电的微粒子水时，所引起的电渗流的示意图。例如，当水输送元件2由多孔氧化镁制成时，由于多孔氧化镁和水之间的接触，多孔氧化镁的毛细管的内壁带正电，在表面形成负电荷束缚层。此外，在该束缚层上形成负电荷扩散层，从而得到双电层。在该情况下，例如，当施加电场使得第一电极3为正极而第二电极4为地线时，产生的电渗流指向正极，如图3B的箭头所示，从而包含在水中的Mg离子和Ca离子以远离水输送元件2针尾的方向移动。因此，可以借助毛细现象将水输送至水输送元件2的针尾，同时防止Mg离子和Ca离子向针尾输送。
根据上述原因，当所用水的pH值大于10时，使用在等电点的pH值不大于10的陶瓷材料。当水的pH值为7-10时，使用在等电点的pH值小于7的陶瓷材料。表1示出了几种多孔陶瓷材料在等电点的pH值。
表1
  陶瓷材料   在等电点的pH值
  硅石   1～2
  氧化锆   4
  二氧化钛   5～7
  氧化铝   7～9
  氧化镁   12
实施例
通过使用图1A所示的装置产生带电微粒子水的雾状物。作为产生带电微粒子水的条件，第一电极3是负电极，水输送元件2由孔隙率为40％、晶粒度为3μm的多孔材料制成，水输送元件针尾的直径为Φ0.25mm。在电极间施加的电场强度为900V/mm。通过测量水罐1中减少的水量，得到在本实施例中带电微粒子水的生成量为0.5g/hr。此外，由于第二电极4是地线，由开孔40提供的带电微粒子水的电性为负。
借助微分电迁移率分析仪(DMA/Wyckoff.Co.，Ltd)通过测量电迁移率，然后根据Stokes定律将电迁移率转变为粒度，来确定带电微粒子水的粒度。此时，可以精确测量带电微粒子水的粒度，并根据确定的粒度以反馈方式控制静电喷雾器的操作条件。结果，可以产生具有所需纳米粒度的带电微粒子水。例如，在测量带电微粒子水的电迁移率并根据Stokes定律将电迁移率转变为粒度而估算出带电微粒子水的粒度之后，为了得到所需粒度的带电微粒子水，根据估算的粒度值精细控制欲施加至电极上的电场强度。
图4示出了粒度的测量结果。在图4中，“A”表示本实施例的带电微粒子水的粒度分布。从结果中可以知道，本实施例的带电微粒子水在20nm附近的峰周围具有10-30nm相对较窄的分布。在图4中，“B”表示借助电晕放电电极产生的负离子的粒度分布。结果表明粒度接近1nm的粒子(分子)数远多于粒度为10-30nm的粒子(分子)数。此外，图5显示了图4中的带电微粒子水“A”的粒子数和负离子“B”的粒子数随时间的变化。从该图中可以知道粒度为10-30nm的带电微粒子水“A”的寿命比负离子“B”的寿命高出4倍或4倍以上。
通过将带电微粒子水引入含有自旋捕获剂的溶液中以稳定自由基，然后使用电子自旋共振(ESR)光谱法，可以测量包含在带电微粒子水中的自由基。图6示出了通过ESR光谱法测量带电微粒子水“A”中的自由基的结果。在图6中，“P1”是自由基的检测峰，“PB”是作为参照物的氧化锰的峰。从这些结果可以证实本实施例的带电微粒子水带负电，粒度为10-30nm，并且含有自由基。
作为实施例，下面介绍含有自由基的带电微粒子水的除臭效果。该除臭效果是通过恶臭气体和带电微粒子水中的自由基之间的化学反应获得的。以下是这些自由基和以乙醛为代表的各种恶臭气体之间的反应式。“·OH”表示羟基自由基。
乙醛：           
氨：             
乙酸：           
甲烷气体：       
一氧化碳：       
一氧化氮：       
甲醛：           
图7显示了用本实施例的带电微粒子水在内部体积为3升的小室内处理10ppm乙醛1小时的结果，在图7中，“A”表示本实施例的带电微粒子水的除臭效果。在该情况下，通过60分钟的处理，乙醛浓度下降到开始测量时测得的乙醛浓度的40％。在图7中，“B”表示使用借助电晕放电电极产生的粒度为1nm的负离子进行处理的情况，“C”表示不进行处理的情况。
此外，将霉菌暴露于本实施例的带电微粒子水。在该情况下，暴露60分钟之后霉菌的存活率变为零。认为OH自由基具有分解该霉菌的霉菌线(fungal-thread)的作用。
通过漂移管离子迁移率/质谱法测量包含在带电微粒子水中的酸性活性物质。结果示于图8和表2中。也可以通过将该带电微粒子水加入纯水中，然后使用离子色谱法来测量带电微粒子水中含有的酸性活性物质。
                                表2
  分子量   化学式   离子数   分子量   化学式   离子数
  46   NO2-   33   179   HNO3NO3-(H2O)3   3399
  62   NO3-   11669   187   ？   1847
  80   NO3-(H2O)   3677   188   NO3-(H2O)7   1879
  89   COOHHCOO-   1291   196   NO3NO3-(H2O)4   850
  98   NO3-(H2O)2   3383   197   HNO3NO3-(H2O)4   2272
  107   COOHHCOO-(H2O)   654   206   NO3-(H2O)8   5491
  108   NO2NO3-   229   214   NO3NO3-(H2O)5   735
  116   NO3-(H2O)3   3072   215   HNO3NO3-(H2O)5   1487
  124   NO3NO3-   8858   224   NO3-(H2O)9   1144
  125   HNO3NO3   15836   232   NO3NO3-(H2O)6   833
  134   NO3-(H2O)4   1847   233   HNO3NO3-(H2O)6   1683
  142   NO3NO3-(H2O)   3448   242   NO3-(H2O)10   507
  143   HNO3NO3-(H2O)   8335   250   NO3NO3-(H2O)7   719
  152   NO3-(H2O)5   4837   251   HNO3NO3-(H2O)7   1144
  160   NO3NO3-(H2O)2   3138   268   NO3NO3-(H2O)8   605
  161   HNO3NO3-(H2O)2   6014   269   HNO3NO3-(H2O)8   1373
  170   NO3-(H2O)6   2059   286   NO3NO3-(H2O)9   507
  178   NO3NO3-(H2O)3   1589   287   HNO3NO3-(H2O)9   768
测量结果表明，本实施例的带电微粒子水含有不同类型的酸性活性物质，例如氮氧化物和有机酸，认为它们是通过空气中的氮气和二氧化碳形成的。
另外，图9显示了将杉木花粉敏感源(allergy)中提取的Cryj1抗原暴露在本实施例的带电微粒子水中进行ELISA测试的结果。10分钟过去之后，抗原量下降至初始状态测量的抗原量(空白)的一半。在该测试中，当粒度小于3nm或大于50nm时，不能获得如此明显的抗原失活效果。此外，具有3-50nm极细粒度的带电微粒子水对空气的湿度控制几乎没有影响。
用以下方法评估本实施例的带电微粒子水的抗病毒效果：在圆筒形容器(Φ55×200mm)中制备，在该容器中分散了图1的静电喷雾器产生的带电微粒子水，将病毒溶液从圆筒形容器的一个开口端喷洒到该容器中，借助尘埃测定器(impinger)从圆筒形容器的相对开口端收集病毒，然后使用蚀斑法(plaque method)评估。结果，在收集的溶液中菌斑的数量远小于简单地将病毒溶液暴露在负离子中的情况。
另外，将Escherichia coli O157暴露在本实施例的带电微粒子水中。30分钟过去之后，失活率达到100％。认为在带电微粒子水中的活性物质使该细菌表面的蛋白质改性，从而阻止了细菌的繁殖。
图10示出了在使皮肤直接暴露在本实施例的带电微粒子水之后，皮肤中水分含量的评估结果。在图10中，“A”表示使用带电微粒子水时的情况，“B”表示使用借助电晕放电电极产生的粒度为1nm的负离子时的情况。从这些结果中可以知道，使用本实施例的带电微粒子水，可以长时间保持保湿性。
将用冷水冷却过的手指暴露在本实施例带负电的微粒子水后，测量指体温度随时间的改变。结果示于图11中。在图11中，“A”表示使用带电微粒子水时的情况，“B”表示使用粒度为1nm的负离子时的情况，以及“C”表示不使用带电微粒子水或负离子时的情况。从这些结果可以知道，与使用负离子的情况相比，使用带电微粒子水对于促进升高体温更加有效。
上述结果证实，具有纳米粒度的带电微粒子水在除臭、使产生花粉过敏原的物质失活、使空气中的病毒或细菌失活、除去空气中的霉菌和防霉方面表现优异。
工业实用性
如上所述，由于所述带电微粒子水含有自由基并具有纳米粒度，与通常具有微米粒度的带电微粒子水相比，表现出显著提高的空间扩散性能。因此，所述带电微粒子水可以进入非常狭窄的空间，从而自由基有效地使恶臭成分分解/除臭，使细菌、霉菌、病毒和过敏原如花粉失活。
此外，根据本发明，可以形成其中均匀分散了含有自由基的带电微粒子水的室内环境，这是使用具有微米粒度的短寿命带电粒子所不能实现的。因此，本发明对于提供舒适的居住和工作空间非常有用。

Claims (8)

1.带电微粒子水，其具有纳米粒度并含有自由基。
2.权利要求1所述的带电微粒子水，其粒度为3-100nm。
3.权利要求1所述的带电微粒子水，其含有羟基自由基、超氧化物、一氧化氮自由基和氧自由基中的至少一种作为所述自由基。
4.权利要求1所述的带电微粒子水，其含有酸性化学物质。
5.权利要求4所述的带电微粒子水，其含有氮氧化物或有机酸。
6.权利要求1所述的带电微粒子水，其含有硝酸、水合硝酸、亚硝酸和水合亚硝酸中的至少一种。
7.权利要求1所述的带电微粒子水，其中带电微粒子水带有负电。
8.一种形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境的方法，所述方法包括以下步骤：
提供一对电极，设置供水单元以在所述电极之间供应水，和设置施加电压单元以在所述电极之间施加电压；
通过在所述电极之间施加高电压，同时借助所述供水单元在所述电极之间供应水，产生所述带电微粒子水的雾状物，该带电微粒子水的粒度为3-100nm，且含有自由基；以及
将所述雾状物提供给所需空间，以在所需空间中形成其中分散有带电微粒子水的雾状物的环境。
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