CN1950303A - 纯净水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纯净水的处理方法。根据本发明，在获得超纯化的水之后，在罐中通过空化作用对它进行处理，该罐中设有包括Tonpilz型压电换能器的声学天线(3)，该换能器以至少为水分子的激发频率的频率、并考虑到待处理的水量，发射出足以超过空化阈值的声能。
Description
水是行星上最重要的化合物：地球表面的70％是海洋。人体包含占其体重65％的水，地球大气层包含0.001％的水。在人体中，血液包含85％、肠液包含99.3％、胃液包含99.4％、唾液包含99.5％的水。因而水在生物过程中是十分重要的。作为地球上生命的基本组分，水在工业及生物化学中是良好的溶剂。应该指出，如果水的纯度在工业上是很重要的，那么它在生物学上就更是如此了。尽管进行了大量研究，人们对水分子仍然感到陌生和难以理解。实际上存在多类水分子，这意味着水是多种化合物的混合物。水的主要分子是H2O，但由于氢和氧的同位素的存在，相应地存在18种水分子。更具体的说，存在少量的重水或D2O，它是中子慢化剂，而H2O则是中子捕获剂。具有放射性的氚化水(即，T2O)在雨水中发现了极少量。D2O的生物反应率较低，其物理常数略有不同(D2O的密度大于1)。
在元素周期表中，氧是第8号元素，位于第VI族的第二行。与第VI族中每一个同族元素相对应的氢化物是
| O(氧) | H2O |
| S(硫) | H2S |
| Se(硒) | H2Se |
| Te(碲) | H2Te |
一般而言，任意一族的元素的物理和化学特性是相似的，或以规律的方式发生变化。就水而言，其某些常数是不能预见的：熔点，沸点，汽化潜热(Hv)，熔融热(Hm)和比热(Cm)都是高位值，并且水在4℃时具有最大的密度和较高的介电常数(∈r)。这些不规则情况源于固态，液态甚至是气态下的水分子之间存在的特定键(不规则情况的数目为38个)。
更具体的说，与第VI族中的同族元素的同族氢化物相比，水的熔点和沸点是不正常的。
| H2S | H2Se | H2Te | H2O | ||
| Tm | -51℃ | -60℃ | -85.6℃ | 0℃ | 而不是-100℃ |
| Tb | -2℃ | -41.5℃ | -60.7℃ | +100℃ | 而不是-80℃ |
此外，就其他液体而言，其密度随着温度的升高而线性降低。但是，除了在高温下以外，这种情况对于水而言是不正确的。水的最大密度出现于1个大气压4℃下，这还是由于其特殊的结构所导致的。
根据罗伦森(Lorenzen)博士(生物学专家)的观点，含糖饮料、啤酒等中所含的水并不被细胞或极少被细胞所利用，并且是经由肾脏被直接排出的。
水依赖于胞内或胞外的介质而采取不同的结构。
每类细胞将四种主要类型的水的结构用于其工作中。
聚集成簇或微簇(micro-cluster)的水分子允许细胞之间的信息传递：信息系统的蛋白质被九个由微簇构成的环所包围。因而，只有在水具有极特殊的结构的情况下，信息才可以流动-这种结构会因温度及其所包含的溶质而改变。
看上去三聚体(H2O)3在细胞代谢中起到了支配作用。
在细胞代谢及废物运输的过程中，水均起到吸收作用。因而，为了不使细胞的电解质环境过载，并改变其内的渗透压，需要含有极低矿物质含量的纯净水。
在血清中，每升血清含有80g蛋白质，故其粘度增加了两倍。当生理盐水中存在9/1000的NaCl时，这一粘度不会改变。同样，增加血液中红细胞的数目会提高它的粘度。
因而，有必要提供含有尽可能少量的矿物质含量的水，以使得它能够在与细胞之间的交换中充分地起到键合液体的作用。
含有少量矿物质含量的水的好处在于，它可更好地被细胞所吸收，并避免肾脏为排出矿物质而过度工作。这是由于植物预先吸收了有机体所不能直接吸收的微量元素(人体和动物体是异养的，而植物是自养的)。
施罗德(Schroder)博士(水专业的世界权威人士)对推荐供应富含矿物质的水提出了质疑。
此外，尽管完美的纯净水在25℃下具有的PH值为7并且对于外界因酸或碱基产生的侵蚀极为敏感，但是含有氢解碳酸(hydrogénocarbonate)离子的富含矿物质的水则因其缓冲效应而是不敏感的。
钙离子(Ca2+)和镁离子(Mg2+)的存在赋予水一定的硬度，由其总硬度(TH)来表征。就用于饮料中的水而言，法律规定其总硬度为：15＜TH＞25，而绝好的可吸收水必须具有一个总硬度TH。
出于同一个来源，由于用钠离子置换钙和镁离子对于健康是无益的，因而不推荐使用软化剂。
含有二氧化硅并已去除矿质的水会具有弱酸性的PH值。
水和胞外及胞内的介质的交换如下：
为了维持细胞的寿命，许多性质不同的物质必须不断地穿越胞膜。糖，氨基酸和其他营养素必须进入到细胞内部以满足其能量的需要并支持其生长；由于废物和其他降解产物对于细胞来说是有毒的，因而必须从细胞中去除它们。离子须双向运送以维持胞内介质的离子组分，而胞内介质是与周围环境介质(它富含钾离子而含钠离子较少)非常不同的。这种不等量导致了渗漏(由于渗透原理)，而这必须通过反向运送加以补偿来抵抗浓度梯度的出现。所有的这些必然需要穿越胞膜(连续的磷脂双层)的强烈的双向运送，该运送包含扩散现象(单向或易化扩散)和主动输送。只有水能够允许这种运送。
这些见解显示出，对维持细胞中的离子和分子浓度以及对相对于外界或其他细胞的生物化学隔离来说，胞膜是一种重要的结构。
这些穿过细胞膜的交换说明了水的重要性。
本发明所要解决的技术问题在于，怎样制备出带有最少量的现有多聚形(二聚物，三聚物和五聚物)和极少量矿物质成分的水。这些标准促进了在细胞级上的交换，并且更具体的说，它使水聚合体更易于通过胞膜。
本发明所提供的解决方案是，相对于待处理的水量，将处于二聚物、三聚物和五聚物形式的水最大程度地加以解聚(dépolymériser)。
利用超声空化作用产生搅动和搅拌以实现水的饮用化或净化，并在存有氧化化学反应物的情况下通过杀菌作用使水无菌化的方法是已知的。
通过利用空化作用的方法以产生“微簇”液体、尤其是充氧的“微簇”水也是已知的。
这种方法在例如2003年2月18日公布的第6 521 248号美国专利中得到了描述。该专利描述了这样一种方法，其中，空化作用是通过增压、湍流、产生气泡、继而快速降压以导致气泡内裂或爆炸而实现的。由此产生的这种冲击波使聚合链断裂。
这种过程重复进行，直到水达到约60℃的温度。
增压是通过泵获得的，并且为了加热水必须重复压力循环。这两方面明显使该方法不适合用于获得很大的产量。
为了减轻这种缺点，本发明提出了一种水的微簇化(micro-clustérisation)方法，该水已经过预处理以达到超纯化，其主要特征在于，将超纯化水适宜地加热至微温，并且通过利用声学天线而获得的超声空化作用使该微温的水微簇化，该声学天线包括至少一个换能器，所述换能器以等于或高于水分子的激发频率的频率、并考虑到待处理的水量，发射出足以超过空化阈值的声能。
本发明的其他特征和优点将在下面以非限制性示例的方式并参照附图所给出的说明中变得更为清楚，在附图中：
-图1示出了一种完整的水净化方法；
-图2示出了所使用的换能器的纵向截面图；
-图3示出了根据本发明所述的处理罐的侧视图；
-图4示出了根据本发明所述的处理罐在旋转90°后的侧视图。
在执行实际的微簇化步骤前(它是本发明的目的)，根据一个优选实施例所述，该方法包括多个以框图形式示于图1中的处理步骤。
从图中可以看出，下列步骤得到了实施：
-通过具有尺寸小于10微米的孔洞的过滤器进行过滤；
-通过去除钙，镁和碳酸盐离子进行软化；
-去除氯；
-使用具有尺寸小于1微米的孔洞的过滤器进行微过滤；
-借助于半渗透性的隔膜进行反向渗透，该隔膜将溶解的固体、有机物、病毒和细菌从水中分离；
-去除矿物质；
-通过紫外线照射消毒并从水中除去污染物；以及
-最终进行微过滤。
将由此获得的水送入罐1以在其中进行如下两个处理：
-加温，以使水微温-在不背离本发明的范围的情况下，加温可在上游进行；以及
-利用本发明方法所述的超声空化作用实现微簇化。
参照图3和4，通过置于罐壁上的电阻元件30以公知的方式将水加温至温度为40℃至60℃，优选地是55℃。当然，根据本发明所述，有多个压电换能器2布置在罐的底部，用于对罐中的全部水量以均匀的压力场并以与至少是水分子的激发频率相对应的频率进行声处理，这样就可以获得具有预期百分比含量的各个簇(二聚物，三聚物和五聚物)。
为了做到这一点，根据一个优选实施例所述，本发明使用了例如在潜水艇的声学应用设备中所使用的通皮兹(Tonpilz)换能器，如图2所示。
简要地说，它由喇叭20、以一叠偏压压电陶瓷板组成的马达21以及配重22构成。
陶瓷板设有电极200，201，202用以施加交流电压V，由此产生交变的声学压力波。这种换能器的表现像是一种质量为M、弹簧常数为K的弹簧/质量系统，其谐振在等于
的频率处产生，该频率与最大发射功率相对应。因而，施加至换能器的交流电压的频率可有利地选为与共振频率相等或相近的频率。
喇叭的尺寸(侧面的直径)必须约为λ/2，其中λ是在水中与发射频率相应的波长，从而使该换能器具有近似为半球状的基本方向性。
换能器组并排放置因而形成了一个扁平天线3。
为了获得均匀的压力场，这些换能器并行激发并均匀地间隔放置，它们被间隔开λ至1.5λ的距离，从而占据了罐底的主要部分。
换能器的数量取决于每一个换能器所供应的声能以及待处理的水量，要知道每升水平均需要约10声瓦以超过其空化阈值。
示例性实施方式
实验表明，为了获得预期百分比含量的微簇，发射的频率必须约为15KHz至35KHz。
能够处理100升水的罐是利用由六十个换能器(其中每一个换能器输入约30瓦的电功率)构成的发射天线(频率为25KHz)所产生的。
天线3由一个600mm×360mm×100mm的矩形平行六面体构成，该六面体形成了一个盒子，换能器定位于其中，电源31从换能器的一侧输入。可将换能器嵌入聚氨酯32中，该聚氨酯能够抑止由喇叭外侧的换能器所发出的寄生振动。
水的进口和出口通过两个朝向罐的底部定位的阀门33，34构成。为了能够进入罐内，罐还具有一个旋盖35。
而后为了防止水被其他气体所污染，该微簇的水在罐的出口处被充以纯氧(图1)。
Claims (10)
1.一种纯净水的处理方法，其中所述水已利用公知技术经过预处理，以便特别地去除水中的矿物质化合物和悬浮颗粒，其特征在于，该方法使经过净化的水经受通过声学天线(3)而获得的超声空化处理，所述声学天线(3)包括至少一个换能器(2)，所述换能器(2)以等于或高于水分子的激发频率的频率、并考虑到待处理的水量，发射出足以超过空化阈值的声能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行所述超声空化处理之前，将水加温至40℃至60℃，优选地为55℃。
3.如权利要求1或2中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述激发频率为15至35KHz，优选地为25KHz。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其特征在于，被输送用于产生超声空化的功率约为每升水10声瓦。
5.如权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述换能器(2)为Tonpilz压电换能器。
6.如权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述声学天线(3)是扁平天线，并且所述换能器(2)以固定间隔加以定位，换能器之间的间距为λ至1.5λ，λ是与发射频率相对应的波长。
7.如权利要求5或6中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述喇叭的尺寸(侧面的直径)约为λ/2。
8.如权利要求5至7中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述换能器(2)嵌入在聚氨酯中。
9.如权利要求1至8中的任意一项所述的方法，其特征在于，水处理在罐内进行，并且所述天线(3)置于所述罐的底部。
10.如权利要求1至9中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述换能器以并行的方式获得供电。
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