JP2007537034A - 純水処理方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、純水処理方法に関する。本発明によれば、いったん超純水を得て、トンピルツタイプの圧電トランスデューサーを有する音響アンテナ（３）を備えたタンク内でキャビテーションによりそれを処理する。圧電トランスデューサーは、少なくとも水分子の励起周波数で、処理される水の量を考慮してキャビテーションしきい値を超えることができる音響出力で発振する。

Description

水は、この惑星上で最も重要な化合物である。地球の表面の７０％は海洋と大洋である。ヒトの身体は、その重量の６５％を水として含み、地球の大気は０．００１％の水を含む。ヒトの身体において、血液は８５％の水を含み、腸液は９９．３％の水を含み、胃液は９９．４％の水を含み、唾液は９９．５％の水を含む。それゆえ、水は生物学的なプロセスにおいて重要である。地球の生命の必須成分である水は、工業化学と生化学において傑出した溶媒である。工業において水の純度が必須であるならば、生物学ではさらに必須であることを指摘しておくべきである。あらゆる研究にもかかわらず、水の分子は奇妙で、あまり理解されていないままである。事実、いくつかのタイプの水分子が存在し、このことは水が化合物の混合物であることを意味している。主な分子はＨ₂Ｏであるが、水素と酸素の同位体のために、それに相応して１８種類の水分子が存在する。より具体的には、少量の重水すなわちＤ₂Ｏが存在し、これは中性子減速材であるが、Ｈ₂Ｏは中性子捕獲剤である。放射性である三重水Ｔ₂Ｏは、きわめて少量、雨水中に見出される。Ｄ₂Ｏでは、生物学的反応速度は低下し、物理定数はわずかに異なる（Ｄ₂Ｏの密度は１を超える）。

元素の周期表において、酸素は第８番目の元素であり、ＶＩ族の第２周期にある。ＶＩ族の群の各々の元素に対応するのは、以下の水素化化合物である。

一般的に、任意の１つの族の元素の物理的および化学的な性質は類似しているか、または規則的に変化する。水の場合には、ある種の定数は予測外である。融点、沸点、気化潜熱（Ｈ_v）、溶融熱（Ｈ_m）および比熱（Ｃ_m）に高い値が見られ、水は４℃で最大密度を有し、高い誘電定数（ε_r）を有する。これらの変則は、固体状態、液体状態および気体状態における水分子の間の特殊な結合の存在から生じる（変則の数は３８である）。

より具体的には、ＶＩ族の群の元素の水素化化合物の群で比較して、水については融点および沸点が異常である。

さらに、他の液体の場合には、温度が上昇すると密度は線形に減少するが、これは水については当てはまらない（高温を除く）。最大密度は４℃、１気圧で観察され、これもまたその特異構造のためである。

生物学のエキスパートであるローレンツェン博士によれば、糖分含有飲料、ビールなどに含まれる水は細胞によって全くまたはほとんど用いられず、腎臓を介して直接排泄される。

細胞内媒質か細胞外媒質かに依存して、水は様々な形態をとる。

各種の細胞は、その作用のために４つの主要なタイプの水の形態を用いる。

クラスターまたはマイクロクラスター中にともに集まっている水分子は細胞間での情報伝達を可能にする。情報系のたんぱく質はマイクロクラスターからなる９個のリングによって囲まれている。したがって、情報は、水が非常に特殊な構造をもつ場合にのみ流れることができる。この構造は温度および水が含んでいる溶質によって変化する。

三量体（Ｈ₂Ｏ）₃は細胞代謝において顕著な役割を演じていると思われる。

水は、細胞代謝の間の同化および老廃物の輸送の両方を可能にする。それゆえ、細胞の電解質環境に過剰負担をかけてその浸透圧を変化させることのないように、非常にミネラル含有量が低い純水が必要である。

血清中には、１リットルあたり８０ｇのたんぱく質が存在し、粘度は２倍まで増加する。一方、生理食塩水中の９／１０００ＮａＣｌの存在は、この粘度を変化させない。同様に、血液中の赤血球の数の増加は、その粘度を増加させる。

したがって、供給水が可能な最少のミネラル含有量のものであり、それが細胞との交換において結合された液体の役割を完全に演じることが必要であるように思われる。

低いミネラル含有量を有する水の利点は、それが細胞によってより良好に同化され、ミネラルを除去するために腎臓を酷使することを回避することである。これは、植物が、生物が直接同化できない微量元素をあらかじめ同化するためである（ヒトおよび動物は従属栄養性であるが、植物は自家栄養性である）。

水の主題に関する世界的権威であるシュローダー教授は、供給されるミネラル含有水の推奨の議論を争っている。

さらに、完全に純粋な水は、２５℃で７のｐＨを有し、酸または塩基による外的攻撃に対して非常に敏感であるけれども、炭酸水素イオンを含むミネラル含有水は緩衝作用のおかげであまり敏感ではない。

カルシウムイオン（Ｃａ²⁺）およびマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）の存在は、水に全硬度（ＴＨ）として特徴付けられるある種の硬度を与える。飲料のための水の場合には、法令は１５＜ＴＨ＞２５となるように全硬度を課しているが、完全に同化可能な水はある全硬度ＴＨを有していなければならない。

同じ原因から、軟化剤を用いることは推奨されない。というのは、カルシウムおよびマグネシウムイオンをナトリウムイオンと置換することは健康に有益ではないからである。

シリカを含み、また脱塩した水は、わずかに酸性のｐＨを有しているかもしれない。

水と細胞外および細胞内交換は以下のとおりである。

細胞の生命が維持されるためには、多くの多様な物質が原形質膜を継続的に横断しなければならない。糖、アミノ酸および他の栄養分が細胞に入って、そのエネルギー要求を満たし、その生長を維持しなければならない。老廃物および他の分解生成物は細胞から除去されなければならない。というのは、それらは細胞にとって有毒だからである。イオンは、細胞内媒質のイオン組成を維持するように、両方向に輸送されなければならない。細胞内媒質は周囲の媒質とは非常に異なっている。それはカリウムイオンに富んでおり、ナトリウムイオンに富んでいない。この不等性は漏出をもたらす（浸透圧の原理に基づく）。この漏出は、濃度勾配に抗して、逆方向への輸送によって補わなければならない。このすべては、拡散現象（単純な拡散または促進された拡散）および能動輸送を含む原形質膜（連続リン脂質二重層）を横切る強力な二方向輸送を伴う。水のみがこの輸送を可能にすることができる。

これらの記述は、細胞中におけるイオンと分子の濃度を維持するため、および細胞外または他の細胞に対する細胞の生化学的な分離のために、原形質膜が重要な構造体であることを示している。

細胞膜を横切るこれらの交換は、水の重要性を示している。

本発明の基礎にある技術的問題は、どのようにして、存在するポリマー形態（二量体、三量体および五量体）が最小でミネラル含有量が最低の水を製造するかということである。これらの基準は細胞レベルでの交換を促進し、より具体的には水のポリマーが原形質膜を通過することをより容易にする。

本発明により提供される解決策は、処理される水の体積に対して最大限に、水を二量体、三量体および五量体の形態に脱ポリマー化することである。

かき混ぜおよびかき回しを生み出すための超音波キャビテーションを用い、酸化剤反応物の存在下で、水が細菌殺傷作用により滅菌されることをもたらす、水の飲料水化または洗浄の方法は公知である。

また、キャビテーションを用いる方法による、「マイクロクラスター」液体、特に酸素を含む「マイクロクラスター」の水の製造も公知である。

このような方法は、例えば、２００３年２月１８日に刊行された特許ＵＳ６５２１２４８に記載されている。この特許は、加圧、乱流によってキャビテーションを得て、気泡を形成し、その後に急速な減圧により、気泡が内破または破裂を起こす方法を記載している。このようにして発生した衝撃波は、ポリマー鎖の破壊を生じる。

このプロセスは、水がほぼ６０℃の温度に達するまで繰り返される。

加圧はポンプにより得られ、圧力サイクルを繰り返して水を加熱しなければならない。これら２つの態様は、明らかに、この方法が大量生産を達成することを不適切にしている。

この欠点を回避するために、本発明は、水を予備処理して超純水にする、水のマイクロクラスター化のための方法であって、その超純水を好ましくはぬるま湯になるまで加熱し、水分子の励起周波数に等しいまたはそれ以上の周波数で発振する少なくとも１つのトランスデューサーを含む音響アンテナによって、処理される水の量を考慮して、キャビテーションしきい値を超過するのに十分な音響出力で得られる超音波キャビテーションにより、ぬるま湯をマイクロクラスター化することを主として特徴とする方法を提案する。

本発明の更なる特徴および利点は以下の記載において明らかになるであろう。記載は、非限定的な例により、添付の図面に関して示される。

本発明の主題である実際のマイクロクラスター化工程の前に、好ましい態様によれば、この方法は図１のブロック図の形態で示したいくつかの処理工程を含む。

公知のように以下の工程を実施する。
−１０ミクロン未満のポアサイズを有するフィルターによるろ過。
−カルシウムイオン、マグネシウムイオンおよび炭酸イオンの除去による軟水化。
−脱塩素。
−１ミクロン未満のポアサイズを有するフィルターを用いる精密ろ過。
−溶解した固体、有機物、ウイルスおよび細菌を水から分離する半透膜を通しての逆浸透。
−脱塩。
−紫外線照射による、滅菌と水からの汚染物質の除去。
−最終的な精密ろ過。

このようにして得られた水はタンク１へ送られ、その中で以下の２つの処理を受ける。

−水をぬるま湯にするための加熱。本発明の範囲から逸脱することなく加熱は上流で実施してもよい。

−本発明の方法による超音波キャビテーションによるマイクロクラスター化。

図３および図４を参照すると、タンクの壁に配置した電気抵抗素子３０により、公知の方法で、水を４０℃ないし６０℃、好ましくは５５℃の温度に加熱する。もちろん、本発明によれば、いくつかの圧電トランスデューサー（２）をタンクの底部上に配置し、均一な圧力場で、かつ少なくとも水分子の励起周波数に対応する周波数で、タンクが収容している水の全体積を音波処理する。このことは、所望のパーセンテージ含有量のクラスター（二量体、三量体および五量体）を達成することを可能にする。

こうするために、好ましい実施形態によれば、潜水艦音響用途で用いられる、図２に示されるようなトンピルツ（Ｔｏｎｐｉｌｚ）トランスデューサーを用いる。

簡単にいえば、それらは、ホーン２０、バイアスされた圧電セラミック板のスタックから形成されるモーター２１、および釣り合い錘２２からなる。

セラミック板は電極２００、２０１、２０２を備え、ＡＣ電圧Ｖを供給するようになっており、そうして交番音響圧力波を発生させる。トランスデューサーは、質量Ｍとばね係数Ｋのばね／質量系として挙動し、発振する最大出力に対応する

に等しい周波数で共鳴が得られる。したがって、トランスデューサーに印加されるＡＣ電圧の周波数は、共鳴周波数に等しいか近く選択するのが有利である。

ホーンのサイズ（側面での直径）はλ／２（ここで、λは発振周波数に対応する水の中での波長である）のオーダーでなければならないので、トランスデューサーはほぼ半球状の素子指向性を有する。

こうして横並びで配置した一組のトランスデューサーがフラットアンテナ３を形成する。

均一な圧力場を得るために、トランスデューサーは、並列に励起され、均一に離間され、λないし１．５λの距離で分離され、タンク底部の大部分を占める。

トランスデューサーの数は、各々のトランスデューサーにより送り出される音響出力と処理される水の量に依存する。平均で、キャビテーションしきい値を超えるには１リットルの水あたり約１０音響ワットを必要とすることが公知である。

典型的な実施形態
実験は、所望のパーセンテージ含有量のマイクロクラスターを得るためには、発振周波数がほぼ１５ｋＨｚないし３５ｋＨｚでなければならないことを示している。

各々約３０ワットの電力を供給される６０個のトランスデューサーから形成される発振アンテナを用いて、２５ｋＨｚの周波数で１００リットルの水を処理することができるタンクを製造した。

アンテナ３は６００ｍｍ×３６０ｍｍ×１００ｍｍの寸法の直方体からなり、トランスデューサーが配置されるボックスを形成し、一側面で電力３１が供給される。トランスデューサーはポリウレタン３２中に埋め込まれ、ポリウレタンはトランスデューサーによりホーンの外に発振される寄生振動を減衰する。

タンクの底部側に設けられた２つの弁３３、３４によって水の入口と出口を作っている。タンクは回動するふた３５を備え、タンクへのアクセスを得ることができる。

その後、マイクロクラスター水をタンク出口において純酸素で飽和し、他のガスによって汚染されるのを防ぐ（図１）。

全体的な水精製方法である。 用いられるトランスデューサーの縦断面図である。 本発明に係る処理タンクの側面図である。 ９０°回転した本発明に係る処理タンクの側面図である。

Claims (10)

1. 純水、すなわち、公知技術を用い、予備処理して特にミネラル化合物および懸濁粒子を除去した水の処理方法であって、精製した水を、水分子の励起周波数に等しいまたはそれ以上の周波数で発振する少なくとも１つのトランスデューサー（２）を含む音響アンテナ（３）によって、処理される水の量を考慮して、キャビテーションしきい値を超過するのに十分な音響出力で得られる超音波キャビテーションにさらすことからなることを特徴とする方法。
2. 超音波キャビテーション処理に先立って、水を４０℃ないし６０℃、好ましくは５５℃に加熱することからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 励起周波数が１５ないし３５ｋＨｚ、好ましくは２５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 超音波キャビテーションを作り出すために送られる出力が１リットルの水あたり１０音響ワットのオーダーであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. トランスデューサー（２）がトンピルツ圧電トランスデューサーであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 音響アンテナ（３）がフラットアンテナであり、トランスデューサー（２）が規則的な間隔で配置され、トランスデューサー間の距離がλないし１．５λであり、λが発振周波数に対応する波長であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. ホーンのサイズ（側面の直径）がλ／２のオーダーであることを特徴とする請求項５または６記載の方法。
8. トランスデューサー（２）がポリウレタンに埋め込まれていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 水処理をタンク中で実施し、アンテナ（３）をタンクの底部に配置することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. トランスデューサーが並列に電気供給されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の方法。

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