Устройство для получения активированной воды и способы ее использования
Изобретение относится к обработке воды и может использоваться в медицине, пищевой промышленности, а также для полива растений. В устройстве вода подвергается воздействию колебаний, создаваемых генератором радиоволн. Это позволяет непрерывно производить «активированную» воду, характеризующуюся кластерами с размерами менее 4 молекул на кластер, рН ниже 4 или выше 10 или окислительно-восстановительным потенциалом менее -350 мВ или более +800 мВ. Основная частота плазмы предпочтительно составляет от 0,44 МГц до 40,68 МГц. Плазма модулируется с частотой от 10 кГц до 34 кГц. Расход потока воды в типичном случае составляет от 20 л/час до приблизительно 2000 л/час. Активированная вода может использоваться для многих целей, включая бактерицидную очистку рабочих столов, пола, стен, ножей, транспортных средств и других поверхностей, например, в цехах по переработке мяса и в больницах. Технический результат состоит в повышении степени активности воды и стабильности ее активированного состояния. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Область техники
Изобретение относится к обработке воды.
Уровень техники
Известно, что жидкие и твердые формы воды существуют в природе не как независимые молекулы Н2O, а как кластеры, состоящие приблизительно из 10-24 молекул H2O. Мономолекулярная вода может короткое время существовать в жидкостях как промежуточный продукт во время и сразу по окончании некоторых химических реакций, а также в условиях, близких к вакууму. Однако для любого значительного объема негазообразной воды приходится принимать во внимание стремление воды к формированию кластеров. Современная теория полагает, что кластеры удерживаются вместе с помощью большого количества водородных связей, которые постоянно образуются и разрушаются. Считается, что размеры кластеров воды меняются в зависимости от множества факторов, воздействующих на водородные связи.
Имеются сообщения о том, что малые кластеры воды, под которыми здесь понимаются кластеры, содержащие в среднем только 5-6 молекул воды на кластер, обладают многими полезными характеристиками. Считается, что помимо прочего вода с малыми кластерами улучшает вкус пищи, ускоряет всасывание лекарств и продуктов через пищеварительный тракт и предупреждает развитие раковых заболеваний благодаря уменьшению образования мутагенов в кишечнике и снижает активность кишечных микроорганизмов и клеток тканей пищеварительного тракта, см. патент США №5824353. Этот и все последующие упоминаемые здесь документы полностью включены в настоящее описание в виде ссылки.
Для создания воды с малыми кластерами используются электрические, магнитные, химические и акустические способы. Электрические и магнитные способы обычно включают пропускание воды рядом с близко расположенными электродами. Примеры можно найти в патентах США №5387324 и №6165339. Обычно напряженность поля регулируют перемещением электродов или магнитов друг относительно друга, см., например, патент США №5866010. В других примерах напряженность поля регулируют, изменяя путь движения воды, см., например, патент США №5656171, где описывается искривленный трубопровод, проходящий в магнитном поле. В патентах США №6033678 и 5711950 описано получение воды с уменьшенными кластерами путем пропускания водяного пара через магнитное поле.
Химические способы обычно включают добавление электролитов и полярных составов. В патенте №5824353 описано получение воды с уменьшенными кластерами с использованием ионов калия с концентрацией 100 ppm или более, при содержании ионов калия, ионов магния и ионов кальция в следующем весовом соотношении 1:0,3-4,5:0,5-8,5. Другие химические способы включают использование поверхностно-активных веществ и клатратных структур, которые обеспечивают введение одного вида молекул в полости или в решетку других молекул, см., патент США №5997590.
Акустические способы обычно включают обработку воды ультразвуком, см. патент США №5997590.
В настоящее время одна из японских компаний продает систему для очистки воды, производящую воду, кластеры которой, как утверждается, имеют размеры 5-6 молекул. Система под названием Microwater™ пропускает водопроводную воду рядом с электродами. Вода, проходящая ближе к положительному электроду, имеет тенденцию становиться кислой. В печатных материалах компании сообщается, что кислая вода (называемая окисленной или гиперокисленной водой) может быть использована в качестве окислителя для стерилизации разделочных досок и для обработки небольших ран. Другие предложения по ее использованию включают лечение микозов, небольших ожогов, мест укусов насекомыми, царапин, пролежней и послеоперационных ран. Кроме того, в печатных материалах компании сообщается, что кислая вода использовалась в сельском хозяйстве для борьбы с грибковыми и другими болезнями растений. Вода, проходящая ближе к отрицательному электроду, имеет тенденцию становиться щелочной. Сообщается, что щелочную воду (называемую восстанавливающей водой) полезно принимать внутрь. Утверждается, что такая вода подавляет избыточную ферментацию в пищеварительном тракте путем косвенного восстановления метаболитов, таких как сероводород, аммиак, гистамины, индолы, фенолы и экскременты.
Такая система описана в патенте США №5624544. В этом патенте утверждается, что окисляющий поток воды со значением рН до 4,5 и восстанавливающий поток воды со значением рН до 9,5 могут быть получены в ходе непрерывного процесса, однако воду с рН 2,5-3,2 или 11,5-12,5 невозможно производить непрерывно в течение длительного периода. По-видимому, эти ограничения связаны с тем, что известные способы и устройства не позволяют эффективно уменьшить размер кластера менее приблизительно 4 молекул на кластер.
Таким образом, все еще имеется потребность в способах и устройствах для непрерывного получения значительного количества воды с размером кластеров менее приблизительно 4 молекул на кластер, или воды, имеющей рН ниже 4 или выше 10, или воды, имеющей окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) ниже -350 мВ или выше +800 мВ. Вода с такими характеристиками была бы намного активнее, чем известные виды воды. Поэтому продолжает существовать потребность в способах и устройствах для производства такой высокоактивной воды.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагаются способы и устройства для непрерывного получения воды с размерами кластера менее приблизительно 4 молекул на кластер, или воды, имеющей рН ниже 4 или выше 10, или воды, имеющей окислительно-восстановительный потенциал ниже -350 мВ или выше +800 мВ. В данном контексте под термином "непрерывное получение" подразумевается, что одно устройство в течение часа без перерывов может производить в минуту по меньшей мере 800 мл воды с такими характеристиками.
Предпочтительный класс устройств подвергает воду воздействию волн, создаваемых радиочастотной плазмой. Основная частота плазмы предпочтительно лежит между 0,44 МГц и 40,68 МГц, и плазма предпочтительно модулируется с частотой между 10 кГц и 34 кГц. Обычно используются два выхода: один выдает кислотную воду с рН менее 4, а другой - щелочную воду с рН выше 10. Расход потока воды обычно составляет от 20 л/час до приблизительно 2000 л/час, хотя можно масштабировать конструкции и размеры устройства, что допускает меньший или больший расход потока.
Активированная вода может использоваться для многих целей, включая антибактериальную очистку поверхностей столов, полов, стен, ножей, транспортных средств и других поверхностей. Особенно актуально ее использование в цехах по переработке мяса и в больницах.
Различные цели, особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут понятнее из последующего подробного описания предпочтительных вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающий чертеж.
Краткое описание чертежей
На чертеже показано вертикальное поперечное сечение генератора активированной воды.
Подробное описание
Показанный на фиг.1 генератор 1 активированной воды содержит сосуд 10, в котором имеется вход 20 и два выхода 22, 24 и в котором находится плазменный генератор 30. Плазма представляет собой проводящие совокупности заряженных частиц, нейтральных частиц и полей, которые демонстрируют коллективные эффекты. Плазменный генератор 30 предпочтительно является устройством формирования "холодной" плазмы, каковой термин в данном описании используется для обозначения газа из ионизированных атомов с температурой ниже 10000 К. Мембрана 40, расположенная между сосудом 10 и плазменным генератором 30, задает внутреннее пространство 12 и внешнее пространство 14. При работающем плазменном генераторе 30 первый поток 52 воды поступает в сосуд 10 через вход 20, проходит через внутреннее пространство 12 и выходит из сосуда через выход 22. Второй поток 54 также поступает в сосуд 10 через вход 20, но течет через внешнее пространство 14 и выходит из сосуда через выход 24.
Сосуд 10 может иметь любой подходящий размер и форму, лишь бы обрабатываемая вода подвергалась воздействию плазмы в таких условиях, при которых достигаются желаемые характеристики обработанной воды.
Таким образом, хотя сосуд 10 на чертеже является по существу цилиндрическим с круглым сечением, другие подходящие сосуды могут иметь овальное или другое горизонтальное поперечное сечение. Можно использовать малогабаритные блоки, в которых объем сосуда составляет, например, только приблизительно 200 мл или меньше. С другой стороны, можно использовать и большие блоки, имеющие внутренний объем, равный по меньшей мере 10 л, а также любые промежуточные варианты. Если не указано иное, предполагаемые здесь диапазоны размеров лежат в вышеуказанных пределах. Сосуд 10 предпочтительно изготовлен из нержавеющей стали 316, чтобы уменьшить коррозионные эффекты, хотя можно использовать любой достаточно прочный и стойкий материал, включая, например, титан, тантал, нержавеющую сталь с титановым, молибденовым, платиновым, иридиевым покрытием и т.д. Воду могут производить несколько генераторов, включенных последовательно или параллельно.
Воду можно подвергнуть воздействию плазменного излучения любым подходящим способом. Это можно осуществить путем пропускания проточной воды рядом с плазменным генератором 30, но можно также обрабатывать воду порциями. Например, плазменный генератор можно поместить в контейнер для воды и удалить, когда вода будет обработана в достаточной степени. В этом случае систему можно использовать для обработки загрязненной воды на месте ее залегания, то есть в почве или какой-либо другой субстанции. Загрязнение может быть биологическим: в этом случае бактерии, вирусы, гельминты или другие микроорганизмы будут убиты или инактивированы; или химическим; в этом случае вред от химического вещества может быть снижен путем окисления или восстановления, ферментативного разрушения и т.д. Альтернативно воду можно обработать порциями вне того места, где она в конечном итоге будет использована.
Предполагается, что обрабатываемая (то есть активируемая) вода на практике может быть по существу любой чистоты. Предпочтительно, чтобы обрабатываемая вода содержала приблизительно от 95% до 99,99% H2O, однако можно использовать воду с содержанием H2O менее 95%, 90%, 85%, 80% или даже 50%. Водопроводная вода обычно содержит приблизительно от 95% до 99,99% H2O и является хорошим источником воды для обработки. Дистиллированная вода подходит в меньшей степени, поскольку содержит мало растворенных солей или не содержит их вовсе. Если обрабатываемая вода обладает некоторой удельной проводимостью, легче согласовать параметры плазмы и воды с. использованием стандартных согласующих цепей. При этом достигается максимальная эффективность использования генератора, а отраженная мощность является минимальной.
В данном конкретном примере плазменный генератор 30 содержит кварцевую трубку 32, которая содержит газ 34, радиочастотный электрод 36 и множество внешних электродов 38. Длина трубки 32 может составлять приблизительно от 60 мм до 500 мм или более. Газ 34, который может быть любым подходящим для создания плазмы газом, включая, например, аргон, смесь гелия и аргона, смесь аргона и неона, смесь неона, аргона и гелия, поддерживается при низком давлении, что в контексте настоящего описания означает давление менее 100 Торр. В экспериментальном устройстве, показанном на фиг.1, использовался аргон под давлением приблизительно 10 Торр. Некоторые экспериментальные данные сведены в таблицу 1.
| Мощность | Вт/см3 | 7,2 | 32,4 | 61,4 | 62 | 103 | 229 |
| ОВП | мВ | 780 | 1040 | 984 | 874 | 800 | 790 |
| рН | 6,4 | 2,3 | 3,3 | 6,4 | 6,3 | 6,3 |
Альтернативно плазменный генератор может быть "открытым", то есть с рабочим давлением до 1 атм, или закрытым, но с высоким рабочим давлением, например до 50 атм.
Предпочтительно электроды 36, 38 изготовлены из того же самого материала, что и сосуд 10, но они могут быть изготовлены из любого другого подходящего материала. Первое напряжение 500 В подается между радиочастотным электродом 36 и сосудом 10, который электрически заземлен по соображениям безопасности и по другим причинам, для создания волн с основной частотой в диапазоне между 0,44 МГц и 40,68 МГц, и эти волны заставляют газ 34 перейти в состояние плазмы. Второе напряжение 100 В подают между радиочастотным электродом 36 и внешним электродом 38. Это напряжение смещения используют для модуляции плазмы с частотой от 10 до 34 кГц.
Специалистам в данной области техники понятно, что в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.1, можно сделать многочисленные изменения, относящиеся к созданию плазмы. Например, кварцевая трубка может быть заменена на пирексовую, количество внешних электродов 38 может быть больше или меньше, чем показано на чертеже, и эти электроды могут быть разнесены друг относительно друга иным образом. Внешний электрод 38 должен иметь сквозные отверстия, обеспечивающие выход излучения в воду. Можно использовать другую основную частоту и другую частоту модуляции при условии, что полученная в результате плазма будет обладать достаточной мощностью и подходящей частотой для достижения желаемого воздействия на воду, проходящую через сосуд 10.
Мембрана 40 должна быть проницаемой для ионов и может быть изготовлена из материалов многих различных типов. Можно использовать как высокопористые, так и низкопористые материалы, включая керамические материалы на основе оксида кремния, оксида циркония, оксида иттрия и т.п. Некоторая пористость необходима для обеспечения ионного обмена, способствующего достижению градиента рН. В экспериментальном варианте, показанном на фиг.1, длина мембраны составляла приблизительно 300 мм, что приблизительно на 20% больше, чем длина плазменной камеры.
Мембрана 40 отделена от плазменного генератора 30 и сосуда 10 зазорами, размер которых зависит от мощности плазменного генератора 30 и расчетного расхода потока в системе. В экспериментальном варианте, показанном на фиг.1, зазор между мембраной 40 и плазменным генератором 30 составляет 2,5 мм, а зазор между мембраной 40 и сосудом 10 - приблизительно 1,5 мм. Расход потока воды, протекающей через сосуд 10 (то есть поступившей через вход и вышедшей через любой из выходов), равен приблизительно 7 л/мин.
Предпочтительно, чтобы длина мембраны 40 превышала полную длину внешних электродов 38, но мембрана может быть короче или длиннее и фактически не является абсолютно необходимой. Главная цель использования мембраны 40 - это отделение воды с низким рН от воды с высоким рН, чтобы они выходили через различные выходы. Если это разделение не нужно, можно использовать единственный выход (не показан), и мембрану 40 можно удалить. При этом преимущества изобретения все еще достигаются, поскольку обработанная вода имеет меньший размер кластера, а известно, что активность воды растет с уменьшением кластера. В контексте настоящего описания термин вода с "очень малыми кластерами" означает воду, в которой средний размер кластера меньше, чем 4 молекулы воды на кластер, такая вода считается высокоактивной. Термин "средний размер кластера" в контексте настоящего описания означает среднее арифметическое значение размера кластеров в объеме воды. Термин "мономолекулярная вода" в контексте настоящего описания означает воду, в которой средний размер кластеров меньше, чем 2 молекулы на кластер, такая вода считается экстремально активной. И вода с очень малыми кластерами, и мономолекулярная вода намного более активны, чем обычная вода (10-24 молекулы на кластер), или даже вода с малыми кластерами (5-6 молекул на кластер).
Специалистам понятно, что устройство, показанное на чертеже, может быть увеличено или уменьшено в размерах. Например, это устройство может иметь полную длину приблизительно 100 см, при зазоре между мембраной и плазменным генератором приблизительно 7 мм и зазоре между мембраной и сосудом приблизительно 3 мм. Такое устройство способно производить воду с очень малыми кластерами или мономолекулярную воду с производительностью по меньшей мере 1200 л/ч. Можно использовать устройства и еще большего размера.
Описанные здесь способы и устройства могут использоваться для получения высокоактивной или экстремально активной воды, поскольку плазма работает на частоте, при которой происходит разрушение кластеров воды, или близко к этой частоте. Теоретически такая частота должна несколько изменяться в зависимости от примесей, присутствующих в обрабатываемой воде, и именно такой эффект был обнаружен. В экспериментах в качестве источника воды использовалась водопроводная вода нескольких городов США и было обнаружено, что при одинаковой частоте модуляции наблюдаются различные результаты. Поэтому генератор 1 активной воды предпочтительно "настраивают" так, чтобы улучшить разрушение кластеров. Такая настройка может быть достигнута путем изменения частоты модуляции и напряжения смещения при контроле показаний измерителя окислительно-восстановительного потенциала, измеряющего окислительно-восстановительный потенциал одного из потоков обработанной воды, выходящих из сосуда 10. Разрушение кластеров оптимизируют, добиваясь максимального повышения измеряемого положительного потенциала или понижения измеряемого отрицательного потенциала. В экспериментах по активации водопроводной воды в Нью-Йорке было обнаружено, что оптимизация происходит при частоте модуляции приблизительно 22,7 кГц. Оптимальная активация водопроводной воды в Чикаго происходит при частоте модуляции приблизительно 21,6 кГц. Оптимальная активация водопроводной воды в Лос-Анджелесе происходит при частоте модуляции приблизительно 21,0 кГц. В этом случае, когда на внешние электроды 38 было подано отрицательное смещение, обработанная вода, выходящая через выход 22, имела рН от 1,8 до 4, окислительно-восстановительный потенциал от +900 мВ до +1150 мВ и оценочный размер кластера от 1 до 3 молекул на кластер. Когда на внешние электроды 38 было подано положительное смещение, обработанная вода, выходящая через выход 22, имела рН от 9 до 11, окислительно-восстановительный потенциал от -680 мВ до +100 мВ и оценочный размер кластера также от 1 до 3 молекул на кластер.
Описанная здесь высокоактивированная вода и экстремально активированная вода полезны с точки зрения всех известных аспектов, связанных с использованием активированной воды. В частности, вода с рН менее приблизительно 3 или более приблизительно 12 считается полезной в антибактериальном отношении и может использоваться для обработки любой поверхности, на которой могут находиться бактерии, вирусы или другие микроорганизмы. Например, с использованием такой воды можно эффективно обработать поверхности рабочих столов, пола, стен, ножей, транспортных средств и другие поверхности на мясоперерабатывающем заводе. Другие поверхности, которые можно эффективно обработать, включают поверхности в больницах, врачебных кабинетах или других медицинских учреждениях, а также в туалетах и других местах, где возможно присутствие крови, фекалий или мочи. Для того чтобы такая вода была эффективной в качестве антибактериального средства, предпочтительно, чтобы по меньшей мере 50% бактерий погибало или было инактивировано в течение 45 с использования воды, хотя более предпочтительно, чтобы через минуту погибло или было инактивировано по меньшей мере 70%, 80% или даже 90% бактерий. Щелочную воду, особенно воду с рН, равной по меньшей мере 10, считают полезной из-за ее восстанавливающих свойств. Такая вода может быть полезна при производстве пищевых продуктов, поскольку она замедляет их порчу и обесцвечивание, обусловленные окислением. Способность замедлять окисление может быть полезна для укрепления здоровья людей и животных при приеме воды внутрь. Кроме того, такую воду можно эффективно использовать для полива растений.
Результаты экспериментов свидетельствуют, что при комнатной температуре вода, обработанная согласно настоящему изобретению, может оставаться "активированной" в течение нескольких часов после обработки, но затем возвращается в нормальное для воды состояние в течение, самое большее одного или двух дней. Этот обратный процесс, за которым можно следить, контролируя ухудшение рН, можно замедлить, понижая температуру воды. Замораживание, по-видимому, предотвращает возврат "активированной" воды в нормальное состояние по меньшей мере в течение нескольких недель. Кроме того, известен способ предотвращения ухудшения качества по меньшей мере кислой воды путем добавления кристаллических глинистых минералов, см. патент США №5624544. Кроме того, активированную воду можно стабилизировать с использованием стабилизатора в виде соли-метасиликата, см. патент США №6033678. Конечно, при использовании воды в качестве бактерицидного средства или другими способами ее особые качества "расходуются" и могут исчезнуть почти мгновенно.
Таким образом, раскрыты конкретные варианты получения и использования воды с очень малыми кластерами и мономолекулярной воды. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что помимо вышеописанных вариантов возможно множество других, не отступающих от изложенных концепций изобретения. Поэтому объем изобретения ограничен только формулой изобретения. Кроме того, при интерпретации описания и формулы изобретения все термины следует понимать в самом широком смысле, возможном в рамках контекста. В частности, слова "содержит" и "содержащий" должны интерпретироваться как относящиеся к элементам, компонентам или операциям в неисключающем смысле, то есть упоминаемые элементы, компоненты или шаги могут присутствовать, использоваться или объединяться с другими элементами, компонентами или операциями, на которые нет явных ссылок.
1. Устройство для получения кислой и щелочной воды, содержащее сосуд для обработки воды, имеющий вход, первый выход, второй выход и мембрану, проницаемую для ионов для обеспечения ионного обмена, способствующего достижению градиента рН, указанная мембрана задает внутреннее пространство и внешнее пространство, при этом первый поток воды поступает в сосуд через вход, проходит через внутреннее пространство и выходит из сосуда через первый выход, а второй поток воды поступает в сосуд через вход, течет через внешнее пространство и выходит из сосуда через второй выход, и генератор радиоволн, генерирующий волны на радиочастоте для воздействия указанными волнами на воду, проходящую через сосуд.
2. Устройство по п.1, в котором размеры первого тракта протекания воды позволяют первому потоку воды протекать с расходом по меньшей мере 1000 л/ч.
3. Устройство по п.1, в котором радиочастота модулируется с частотой модуляции от 10 до 34 кГц.
4. Устройство по п.1, в котором генератор радиоволн содержит плазменный генератор.
5. Устройство по п.4, в котором плазменный генератор формирует холодную плазму с основной частотой, лежащей между 0,44 и 40,68 МГц.
6. Устройство по п.5, в котором плазму модулируют с частотой от 10 до 34 кГц.
7. Устройство по п.1, в котором в первом тракте протекания воды воду подвергают воздействию указанных волн в течение времени, достаточного для того, чтобы первый поток обработанной воды выходил из сосуда со средним размером кластера менее 4 молекул на кластер.
8. Устройство по п.1, в котором в первом тракте протекания воды воду подвергают воздействию указанных волн в течение времени, достаточного для того, чтобы первый поток обработанной воды выходил из сосуда с измеренным окислительно-восстановительным потенциалом менее -350 мВ или более +800 мВ.
9. Способ очистки поверхности, на которой имеется популяция бактерий, включающий получение щелочной воды посредством устройства по любому из пп.1-8 и нанесение щелочной воды на поверхность, чтобы убить популяцию бактерий.
10. Способ по п.9, в котором измеренный рН щелочной воды составляет менее 2,5.
