专利名称：自由基溶液水的制作方法
技术领域：
本发明涉及水，尤其涉及自由基溶液(FRS)功能(电解)水。
背景技术：
人们对物理性不同于那些普通水的特殊种类的已处理水日益感兴趣。已处理水是已经过多种方法处理，如电离子分离或电解以产生已知的具有独特物理特性的功能水。产生功能水系统的工艺改变普通水为不同类型的功能(或用途)水，例如包括碱浓度水或酸浓度水。这些水可用于如医院、医疗诊所、或如食品厂的其它工业或家庭中的装置消毒，类似于化学性消毒溶液。超酸性水是功能水在消毒中用作氧化剂(漂白产品)的一个典型例子。这种水的高酸性的性质(pH约为2-3)限制了其使用，并对环境有害。事实上，为了超酸性水及许多其它已有功能水(如碱性水)的正确和安全处理，需要一种中和溶液。而且，与所有其它已有功能水一样，该超酸性水的生产在水处理的不同阶段，包括电解阶段添加了化学添加剂。水是弱电解质，因为它传导非常少量的电流。为了有效电解水，加入少量的添加剂，如盐或硫酸盐，使最后所得到的溶液是电解质。然后该电解质被置于一被隔膜(或膜)分成两部分的池(已知的电解槽)中。当电流通过水中时，在隔膜一边的阴极和另一边的阳极之间，H+离子沉积于隔膜(或膜)的阴极部分，OH-离子沉积于隔膜的阳极部分来产生电解水。
尽管化学添加剂有利于电解过程，但是最后得到的已知产生的电解水或者呈酸性，或者呈碱性，并带有很高的有效氯浓度，进一步限制了他们的应用。
发明内容
本发明试图提供电解功能水，其无污染，并能用作清洗、脱臭和消毒溶液。
本发明进一步试图提供没有添加任何添加剂(化学的或其它的)的电解功能水。
另外，本发明试图提供电解功能水，其具有900mV至1200mV的氧化还原电位和稳定的pH为6-8的氢离子浓度水平。
与本发明的原则一致，所呈现的独特的功能(电解)水克服了已有技术中功能水的缺陷。本发明的自由基溶液(FRS)水是没有添加剂(化学的或其它的)的功能(电解)水。该FRS水无化学制品并是水性溶液，其具有很强的清洗、脱臭和消毒能力。用于FRS水的制备工艺中的原料和FRS水本身都仅仅是水(H2O)。它不同于普通水是与它的物理特性有关，该物理特性使它显著不同于水的更多已知的化学特征。在通过预处理和电解得到的环境中，利用水分子的转变，水转变至自由基溶液水，其中，在FRS水溶液中的自由基增添了非常独特特性和功能，其使该水不同于普通水(物理性)。该转变不是化学性的，而是水中原子或分子的一个物理性变化，如H2O水分子被转变至不同类的自由基。该转变是随机的，连续的和可重复的。
通常，在水处理之后，水分子被转变为自由基单分子，最后得到的FRS水具有稳定的pH为6-8的氢离子浓度(HIC)水平和约900mV至1200mV的氧化还原电位(ORP)。在制备后当该FRS水暴露于空气时，其使用寿命为至少两小时，此时它逐渐地变回普通水。FRS水的高ORP水平允许其用于产生电。
通过如下的非限制性实施例的详细说明及与结合随后的附图和权利要求，本发明的这些和其它目的、特征、方面及优点对本领域普通技术人员是显而易见的。
可以理解附图仅仅用于说明的目的，而不是作为本发明的限制性定义。
关于附图，其中相同的标记号在整篇中表示相对应的部件。
图1是根据本发明的一个总表，显示了自由基溶液水的性质和相应值；图2是根据本发明制备FRS水的过程；图3是根据本发明通过光谱分析仪得到的FRS水和净化水的样品光谱透射率测试结果的图表；图3A是净化水的样品光谱透射率测试结果图表；图3B是FRS水的样品光谱透射率测试结果图表。
图4是根据本发明的FRS水中自由基和它们转变模式的列表；图5是根据本发明用于FRS水中俘获*OH基的样品电子自旋共振(ESR)测试结果图表；图6是根据本发明用于FRS水的氧化还原电位变化模式的图表；图7是根据本发明在制备FRS水的电解期间说明电能消耗的图表；图8是用于说明本发明的FRS水与其它已存在的现有技术中的电解水的区别的对比表。
具体实施例方式
图1是自由基溶液(FRS)水的各种性质和相应值的总说明。化学地，FRS水包括H2O+分子，并在其中包含自由基。它的氢离子浓度(HIC)水平稳定于pH为6-8，氧化还原电位(ORP)为900mV至1200mV。通常，不仅ORP，而且HIC可用作衡量溶液包括水的化学特性的一种手段。用于HIC的测量单位是“pH”，它代表“氢的电位”并表示氢离子浓度的负对数，根据如下标准一个值表明其中的物质或者是酸性，或者是碱性pH1-3超酸性pH4-5酸性pH6-8中性pH9-11碱性pH12或更高超碱性规定的pH为6-8的氢离子浓度(HIC)水平是重要的，因为它使FRS水为安全的中性溶液，不需要进一步的适当处置。pH为6-8的范围因为其对使用的无害性而非常重要，因此有更广泛的应用。氧化还原电位(ORP)定义了物质释放或得到自由电子(该物质得到电子被称为氧化剂)的能力。ORP的计量单位通常表示为毫伏(mV)。例如通常的自来水的ORP为约200mV至600mV。物质的ORP水平越高，消毒能力越强。FRS水的溶解氧(DO)水平大于10mg/L，有效氯浓度为0～1mg/L(或PPM)。有效氯是对溶液中氯体积的测量。低水平能使溶液实质上没有氯，该化学物质在多数水性产品中存在。在FRS水制备后，当暴露于空气时，其使用寿命为至少两小时，之后它逐渐地变回普通水。部分的因为FRS水的高氧化还原电位，其也可以用于产生电。
图2是说明FRS水的典型制备工艺。在电解过程之前，普通水2通过过程4至10的预处理去除多数污染物，并为电解过程12准备水以制备自由基溶液14。如名称所示，除氯过程4去除普通水中存在的氯。在水2预处理的第一步骤中氯的去除改善了全部的电解过程，在于当水电解时没有有害氯气的产生。在普通水中氯的平均体积取决于水市政当局和管辖机构对其进行的调节。通常，普通水有约20-30mg/L的氯。在氯去除过程4之后，它将只含有约0～1mg/L的氯。
磁场过程(Magnetic Field Process)6是众所周知的用于将常常紧紧结合在一起成团的多个H2O水分子，分离成单一的个体H2O分子(即单分子)的方法。水中的H2O水分子倾向于聚集在一起，通过该过程，H2O水分子团被分离为个体H2O水分子。H2O水分子的这种分离提高了电解过程的效率，因为H2O水分子团需要更多能量输入以将其转变至自由基。这是因为H2O水分子团是低能量的。另一方面与H2O水分子团相比，个体H2O水单分子倾向于随机运动和具有更高能量。能量越多和分子运动的越随机性，转变为自由基越容易。而且，这个过程对增加H2O单分子的电子强度也是有帮助的，如磁体广泛用于如微波，磁体生产等各种应用中以增强电子。
最后稀土矿石陶瓷过滤过程8将磁场过程6中残余的剩余H2O水分子团转变为单一的个体H2O单分子。稀土矿石由元素，例如钕(Nd)、铈(Ce)、镧(La)、锆(Zr)、钇(Y)、铀(U)、铽(Tr)、钯(Pd)、铁(Fe)、钆(Gd)、钛(Ti)、钙(Ca)、钾(K)、磷(P)、硅(Si)和铝(Al)组成。这些物质的自然辐射性进一步帮助了H2O水分子团向个体H2O水单分子的分离，进一步促进了水电解以产生自由基溶液水的有效性。
离子交换过滤过程10用于从水中去除例如由钙和镁物质产生的“硬度”。这些元素能损坏电解过程的效率，因为它们倾向于与其它分子联合起来并发生不需要的化学反应，阻碍了水的电解。该过程也能用于从污染水流中去除不需要的离子。如果在服务区，如边远灾害区不能获得普通水或预处理水，在预处理过程4至10之前需要一个追加的过滤系统。
预处理过的水用高电场电解过程12电解，无需添加化学制品。水电解产生了本发明的自由基溶液14。该预处理过程4至10去除了除H2O之外的大多数化学复合材料，如氯、镁、钙等。在FRS水的制备中，所需要的只是H2O。在电解12之前的预处理水因此为软水，几乎等于净化水。通过预处理过程，普通水被净化，并且多数污染物被去除，从而改善电解效率。水的电解提高其ORP至高于900mV，而其HIC则稳定于pH为6-8的范围。
图3是FRS水和净化水的样品光谱透射率测试结果。一个光谱分析器通过检测物质来测量吸收的(渗透的)和透射的光谱量。检测物质的光谱吸收和透射率图形依赖于其中包含的化学复合物。在此情况下，检测物质是FRS水和纯水。结果表明FRS水与净化水几乎是相同的，因为表示于图3A(净化水)和图3B(FRS水)中的两种水的透射率图形几乎相同。数据表明FRS水不包含任何化学添加剂，并且实际上其在化学性质上就是H2O。
图4是FRS水中自由基和它们的转变模式的列表。列于图4中的转变模式在电解过程期间和之后都随机可重复发生。每个自由基是在FRS水中H2O水分子转变的结果，说明了FRS水和普通水(其中没有H2O分子转变发生)之间的不同。下面是转变模式的相同列表和最后得到的生成自由基转变模式产生的自由基氧臭氧过氧化氢超氧阴离子羟自由基单氧过羟自由基羟离子过氧羟自由基自由基的产生是随机的，并且不是必然以上述转变模式和图4中列出的顺序进行的。该自由基以随机方式瞬间地且频繁地从一种转变至另一种。超氧化阴离子和羟自由基以自由基的形式浮在FRS水中，并最终通过转变至臭氧或过氧化氢得以稳定。此外，过氧化氢和臭氧在电解后也以如下方式继续它们的转变(过氧化氢的转变)(臭氧的转变)产生的自由基非常不稳定，并倾向于与它们周围的其他分子或原子结合以稳定化。这种现象被用于消灭各种传染性细菌疾病，如病原细菌。在被感染区FRS水的应用引起FRS水中自由基与细菌和其它分子结合，对被感染区消毒。当电解水时，氧被强制从H2O水分子中去除，并转变至不稳定的自由基原子中的一种，该原子倾向于与它周围的其它原子或分子结合。自由基的这种结合，如氧和其它如病原细菌分子的结合以氧化并消灭细菌。显示于图4中的自由基的所有转变模式是随机的、连续的和可重复的，并且在电解后至少2小时内以几乎相同的水平发生，认识到这一点是很重要的。
各种测试表明FRS水在制备后维持高ORP水平至少2小时。图5是FRS水在制备后立即进行检测得到的FRS水中的俘获*OH自由基的样品电子自旋共振(ESR)测试结果，为制备后1小时和制备后两小时的。所有三种ESR光谱图几乎是相同的，并说明了*OH自由基的捕获，表明FRS水在制备后至少两个小时内始终维持自由基的相同水平和转变。在FRS水中产生大于900mV的高ORP水平有助于自由基在持续产生和电解后的转变中的自我持续。换句话说，只要ORP水平高，FRS水持续进行自我电解过程。因此，FRS水在制备后至少2小时能被用作消毒溶液，这与现存的电解水，如超酸水相比确实是一种实质的应用优点。超酸水的ORP水平在制备后立即降低，这就意味着杀菌能力的损失。特别是，超酸水在制备后仅有10-15分钟能够维持ORP在900mV。本发明的FRS水的ORP水平通常在制备后的10-15分钟就能达到它的ORP峰值，并且在这以后保持大于900mV的水平至少2小时，包括非常强烈的自由基反应。
图6是FRS水的氧化还原电位随时间的变化图。一个ORP峰值显示在制备后大约10-15分钟，维持相同水平有约40分钟。ORP水平随时间逐渐降低。但是，很高的ORP水平(在大约900mV)一直保持到FRS水制备后4个小时以上。应该注意的是，大多数微生物不能在ORP水平在900mV或更高的环境中存活，只有少数几种可以在ORP水平在大约700-1000mV的环境中存活。FRS水保持高ORP水平并有一个稳定的pH为6-8的氢离子浓度(HIC)水平。当FRS水逐渐变回普通水时，自由基持续同其它自由基结合，如与存在于FRS水和空气中的氧结合。FRS水暴露在空气中增加了溶解氧(DO)水平，这样部分地由于增加氧化还原电位而有利于维持自由基的产生。通常，FRS水的DO大于10mg/l。当FRS水中ORP水平从大约1000mV降到大约200-600mV时，自由基的产生最后终止。
图7是制备FRS水的电解过程的能量消耗图。当电解电压增加时，在FRS水中氧化还原势增加。这个ORP的增加降低了用于生产FRS水的持续电解的日益增长的能量需求，减小了制备过程中的能量消耗。用来电解水的用电量可以通过一个电源和一个放大器手动控制，或通过一个中央处理单元自动控制。FRS水中ORP水平和制备FRS水用电的关系依赖很多因素，例如包括电解槽的尺寸、水的性质、水温等等。FRS水中的氧化还原电位可以通过控制电解槽电量和/或电解持续时间进行调节。例如，在医疗环境中的使用，FRS水有最高ORP值，例如可以制备为1100mV。而在农业方面，ORP为900mV的FRS水可能就足够了。由于FRS水保持ORP水平大于900mV的时间至少有两个小时，FRS水自身可以作为电源，例如电池。
图8是一个比较表格，说明了本发明的FRS水和其他存在的已有技术中的电解水在ORP、HIC和有效氯水平的不同。已有技术中的功能水例如超酸水使用自来水中包含的氯来增加水溶液中的氧化还原电位。另外，其他包括多种化学品的添加剂也被加到水中来提高水的电解性质，这样就可能导致产生各种对人体有害的氯气。本发明的FRS水制备工艺在第一个水处理步骤去除了大多数的氯。因此，FRS的产生是水分子转化的结果，而其他所有现有的电解水是通过水分子和化学电解添加剂之间的化学反应产生的。
在描述了本发明的说明性实施例后，该领域普通技术人员能想到很多变化和替换的实施例。例如，部分因为用于制备FRS水的水质的关系，pH为6-8的氢离子浓度水平的小的变化或氧化还原电位在900mV-1200mV之间是可能的。溶解氧水平的变化依赖很多因素，包括温度和气压，但是应该为至少10mg/L。这种变化和替换实施例是可预见的，并且能够不脱离本发明及附属权利要求的精神和范围而得到。
权利要求
1.功能水，包括含有自由基的H2O水分子；稳定的pH为6-8的氢离子浓度；和900mV至1200mV的氧化还原电位。
2.根据权利要求2的功能水，进一步包括在制备后至少2小时的使用寿命。
3.根据权利要求1的功能水，其中所述功能水在制备期间和之后不含添加剂。
4.根据权利要求3的功能水，其中所述功能水通过水的预处理和电解来制备。
5.根据权利要求4的功能水，其中所述预处理包含在所述电解之前净化水。
6.权利要求1的功能水，进一步包括大于10mg/L的溶解氧水平。
全文摘要
提供了一种无需任何化学制品的清洗、脱臭和消毒的具有900mV高氧化还原电位和稳定的pH为6－8的氢离子浓度(HIC)水平的自由基溶液功能(电解)水。该自由基溶液水无污染、无化学制品且是水性溶液。在制备自由基溶液水的过程中，原料和最后所得到的物质(或组分)仅仅是水(H
文档编号C25B1/00GK1784238SQ03826068
公开日2006年6月7日 申请日期2003年3月4日 优先权日2003年3月4日
发明者福井健二, 纳屋一成, 提姆·M·板村 申请人:Frs沃特韦尔公司