专利名称：一种制取稳定电解银胶体的方法
技术领域：
本发明属于一种制备纳米银胶体的方法，具体是以在线或离线通过电解水获得的碱性离子水为分散剂，制备含有高比例的、稳定的纳米银胶粒子的纳米银胶体的方法。
背景技术：
纳米银对病菌和病毒的杀伤效力是无庸置疑的。文献上是指出纳米银可杀菌 650种以上。其杀菌机理，不是直接将细菌毒化、将它杀死，而是用大量的银粒子包围细菌。 促使其细胞新陈代谢停顿，使细菌自然死亡。纳米银抗菌的机制概括为(1)干扰细胞壁的合成；( 损伤细胞膜；C3)抑制蛋白质合成；(4)干扰核酸的合成；( 与细菌中的含硫氢基(-SH)化合，束缚了细菌中的(-SH)基不能参国氧化还原反应。但是，要达到上述效果， 取决于所制备的银胶体的质量。理论和实践证明，在相同浓度的条件下银胶体中的银微粒越小，杀菌效果越好。在国内已公布的专利中，对于如何生成高质量、高效杀菌力因胶体的物理机制和正确方法，未见于公开文献。通常，在银胶体中，银离子占总的银的含量大约是75% -99%。这意味着具有稳定结构的银胶粒子只有-25%。如果银胶体中只包含离子银，而没有银粒子，这样的纳米银胶体就不是胶体。因为没有悬浮颗粒存在。另一方面，如果含有100%的银粒子，没有银离子，那就是理想的纯胶体。衡量一个银胶体质量的判据是它含有多少银粒子。在制作银胶体过程中，纳米银离子的寿命很短，不到8秒钟。很不稳定。扩散到水中的粒子所带的电荷被称之为ζ电位 (界面电位)。衡量银胶稳定性的物理指标是界面电位(Zeta Potential)的强度。界面电位用毫伏(mv)表示，其范围一般在-70mv至+70mv。当界面电位低于-30mv时，胶体被认为很稳定，因为粒子具有足够的排斥力以确保悬浮稳定性。当界面电位高于-15mv时，表明悬浮液已处于要凝聚的边缘。当界面电位是0mv+/-3mv时，胶体中的银会特别快地凝结或絮凝，胶体不稳定。典型银银胶体的界面电位是-35 to-45mv，取决于银离子的含量。由于银离子的正电荷会抵消掉银粒子中的负电位，因此，银离子越多，界面负电位就越小。如果银胶体中没有银离子，其界面电位具有较高的负电位，约在_50mV以上。附
图1给出了一种典型银胶体的界面电位图。 在银胶体产生过称中，纯银丢掉一个电子，按理带正电荷的纳米银离子会使胶体总的电特性呈正电，为什么银粒子会捕获一个正电子呢？由于溶液的哥伦布力极强，即使存在极小的电荷不平衡力，也能产生足够的电压去电解分布其中的任何物质，以消除电场的不平衡力，结果使整个胶体的总电位趋于零。电解过程使水分子分解为带正电荷的氢离子(H+)和带负电荷的氢氧根(0H_)离子。氢氧根(0H_)离子的负电荷对消了纳米银离子的正电荷，以保持胶体中总的电位为零。同时，新的氢氧根(0H_)离子和纳米银离子不断产生。 不带电的银粒子也同时产生。由于氢氧根(0H_)离子是非金属离子，它跃迁到银粒子的原子中，于是将它的负电子切入银粒子中，使它带负电位，(Ag+ΟΗΓ。在水分子中，氧原子带6个电子，两个氢原子，各自带一个电子，总共有8个电子。 由于水有绝缘特性，在常温下，水的绝缘常数是80，因此，在以水为分散剂的胶体或溶液中， 带相反电荷的离子是可以共存的。总之，银胶体必须含有悬浮银粒子，通常也包含银离子。优质的胶体是银粒子占比例很高。最理想的是没有银离子，银粒子占100%。在纳米银胶体中，银离子带正电荷，银粒子带负电荷。减少银离子，会使界面电位往负值增大，于是，银胶体的稳定性大大提高。保持高质量和杀菌效能。由上述分析可见纳米银胶体中的银粒子(带正电位)不是有用的东西。就从银离子的本性来看，它也绝非善物。银离子有以下几种害处1.)银离子会沉淀出来，出现结块或凝聚现象；2.)银离子含毒性；3.)银离子抑制了免疫系统中CD4和CD8的作用，它对免疫系统是有毒性的；6.)银离子缺少一个电子，所以不稳定。(真正的銀胶体必须是由真正的拥有所有电子的银原子组成。銀颗粒就是一簇银 “原子”而不是“离子”。)另外，银离子是单个的失去一个电子的银原子，尺度只有0.23nm。太小的粒子不能有效地覆盖在酶上面。而由带负电位的稳定胶粒子组成的原子团就能够有效地覆盖在酶上面。而由带负电位的稳定胶粒子组成的原子团就能够有效地覆盖在酶上面，具有杀菌作用。这样看来，纳米银胶体中的银离子是百害而无一利，成了废物！在当今贵金属市场上金银价格日益暴涨的情况下，是极大的浪费！会加剧银胶体生产成本的上涨。我们不禁要问 能否设法变废为宝，充分利用这部分银呢？另外，前面提到增加银胶体中含带负电荷的稳定胶粒的数量(在总的含银量中的比例)，是提高银胶体质量的至关重要的关键。因此，如果能设法将银胶体中那部分占比例相当高的、无用的银离子转化为具有稳定结构的银胶粒的话，就可一箭双雕，获利匪浅。这就是本发明所要解决的难题。解决方案文献中，通常提到在用点解法制备纳米银胶体时，应使用恒定的电流，选择极小的电流密度(mA/cm2)，目的是获得尽可能小尺度的银粒子。电流越小，银粒子的直径就越小。 在同样体积中，银粒子的尺度越小，单位容积中包含的银粒子的数目就越多。由于纳米银的杀菌机制不同于其他杀菌剂，是采用“银海战术”，用大量的银粒子包围一个细菌或病毒，聚儿歼之。用10000个银粒子，就可杀灭一个尺度较大的酵母菌或大肠杆菌。从这一方面考虑，当然没错。但是，这只是一个方面。只知其一，不知其二。忽略了另一个对银胶质量影响更重要的因素提高银胶体中带负电荷的稳定胶粒的数目。设想一下，即使电解获得的银胶体中，100%的银粒子都是很小的纳米级的银离子或银原子(团)，但是，没有带负电荷的稳定银胶粒子，这种银胶体几乎没有杀菌作用。相反，即使电解获得的银粒子的尺度稍大， 例如20-200nm，但是，如果采用有效的方法，使得银胶体中带负电荷的稳定银胶粒子尽可能多，例如通常能获得占胶体含银总量的-25%比例，就使银胶体的杀菌能力大大提高。 这种比例越高，质量就越高，杀菌能力就越强。总之，提高银胶体质量的合理方法是力求提高胶体中带负电荷的稳定银胶粒子的数目，同时，要注意使电解获得的银粒子的尺度尽可能小，通常介于5-200nm之间。要综合考虑质量、效率和成本等因素，实现全面优化。为此，我们应从原子微观角度，从根本上探讨一下影响生成稳定银胶粒子的关键因素，从而找出提高稳定银胶粒子的有效方法。通常，在银胶体中，银离子组成75-99%，而具有稳定结构的银粒子只有-25%。优质的银胶体是其中包含的银粒子数目占比例很高。最理想的是没有银离子，银粒子占100%。在纳米银胶体中，银离子带正电荷，银粒子带负电荷。减少银离子，会使界面电位往负值增大，于是，银胶体的稳定性大大提高。保持高质量和杀菌效能。我们知道形成稳定胶粒的要素包括带负电荷的氢氧根离子0H—，用于形成胶粒 (Ag+0H)_。氢氧根离子0H_从哪里来呢？在电解银的过程中，同时要使水发生电离。水是一种极弱的电解质，存在电离平衡Η20+Η20^^Η30++0Η—简写为可以看出，在任何酸碱度的水中，同时存在酸(H+)和碱(0Η_)两种成分。即使是中性水中，(H+)离子的浓度也有10_7摩尔/立升水。通常用PH值来表征水溶液的酸碱度。 即，ρΗ值=7时，为中性。H+离子的浓度=or的浓度=10_7摩尔/立升水。ρΗ值<7时，为酸性。H+离子的浓度< 0H—的浓度< 10_7摩尔/立升水。ρΗ值>7时为碱性。H+离子的浓度> 0H—的浓度> 10_7摩尔/立升水。由基本化学知识知道1摩尔/立升水，含有6. 02x IOm个水分子。据此，可计算出不同PH值状态下，有多少个水分子被离解，即可以计算出产生了多少个氢氧根离子0H—。基于同样的理论，我们用摩尔质量浓度来表示分散质银的质量，替代通常使用的重量密度单位，PPm(毫克/立升)，以便计算出单位银质量所包含的银原子数目。根据摩尔质量浓度和阿伏加德罗常数(Avogardc/s constant)的定义，可计算得到一立升含Ippm 银(用摩尔质量表示)其中有多少个银原子数目。由于银的摩尔质量是107. 868克/摩尔，Ippm银的摩尔质量等于0.001/107. 868 = 9. 2706xl(T6摩尔。它含有的银原子数目等于 5. 5809χ1018。用同样的方法，可算出中性水，pH = 7时，电离得到的0Η_数目是6. 02xl016(即， 每55. 6x107[5. 56亿个水分子，有一个被离解，获得一个0H—离子。可见，中性水的的电离能力极其弱！)于是，可计算出不同PH值状态下，由于水被电离可获得的OH—数目和不同的含银浓度(PPm)状态下，所包含的银离子数目。下面的表格，給出了一些典型情况的结果。 比较各各种情况中，银离子数目和Off数目，就可估算出每神情况两者匹配的百分比。这个表格，对于我们从微观上深入了解银胶体的内涵本质、提高它的质量的方向、电解方法的局限性等问题指出了明确的方向。这就是本发明的基本思路和理论依据。表1是根据上述分析方法，基于摩尔浓度的概念，计算出不同酸碱度情况下氢氧根离子OH—的数目、不同银离子浓度情况下，银离子的数目。同时计算出银胶体中带负电荷的银粒子所占的比例(一个银离子匹配一个氢氧根离子)。
权利要求
1.一种制取稳定电解银胶体的方法，其特征在于基于摩尔浓度的概念，计算出不同 PH值情况下氢氧根离子Off的数目和不同银离子浓度情况下，银离子的数目，通过求解恒等式银离子总数等于电解水的氢氧根离子总数，可准确地计算出对应每一种银胶体含银浓度的最佳匹配PH值，再从银离子发生器外部补充足够的氢氧根离子，实现每一个银离子都能匹配到一个氢氧根离子，将无用、有害的银离子几乎全部转化为稳定的银胶粒子，大幅度增加了银粒子在银胶体中的比例，提高了纳米银胶体的杀菌效力。
2.根据权利要求1所述的一种制取稳定电解银胶体的方法，其特征在于浓度为Ippm 的纳米银胶体的最佳匹配pH值是8. 9670 ；浓度为2ppm的纳米银胶体的最佳匹配pH值是 9. 2682 ；浓度为5ppm的纳米银胶体的最佳匹配pH值是9. 6661 ；浓度为IOppm的纳米银胶体的最佳匹配PH值是9. 9671 ；浓度为15ppm的纳米银胶体的最佳匹配pH值是10. 1432 ；浓度为20ppm的纳米银胶体的最佳匹配pH值是10. 2681 ；浓度为IOOppm的纳米银胶体的最佳匹配PH值是10. 967。
3.根据权利要求1所述的一种制取稳定电解银胶体的方法，其特征在于利用一个单独的电解槽在线制取负离子水，被电解的水源是经过软化，除去钙镁离子和其他杂质后，进行过滤、净化，使杂质含量低于2-3ppm，电解槽要具有离子交换膜，使电离分解得到的酸性水和碱性水分开，碱性水一边制取、一边流入银电解槽作为制取纳米银胶体的分散剂。
4.根据权利要求1所述的一种制取稳定电解银胶体的方法，其特征在于在进行水电解之前要根据准备制备的银胶体的浓度，计算出最佳匹配PH值，根据要制备的纳米银胶体的总量(W)和浓度(ND)，利用法拉第定律，首先确定电流密度(或总电流强度I)，计算出所需要的电解银的时间(T)，令电解水的时间和电解银的时间相等，电解水的流量(氢氧根离子水)也要满足制备银胶体总量的要求，然后确定水电解槽的电流密度(或总电流)，调整水电解槽各项参数的准则是保证制取纳米胶体银时，全部银离子有足够的氢氧根离子数目匹配，转化为稳定的银胶粒。
5.根据权利要求1所述的一种制取稳定电解银胶体的方法，其特征在于在制取银胶体时，需要使用电动螺旋浆搅拌器和吹气泡装置使碱性水流动、搅拌均勻，防止结块和沉淀，同时，要加温，使电解银槽中的离子水温度保持在50度(摄氏)。
全文摘要
本发明公开了一种制取稳定电解银胶体的方法，具体做法是利用电解水获得的碱性离子水为分散剂，制备含有高比例的、稳定的纳米银胶粒子的纳米银胶体。采用和现有电解法不同的流程，将电解银的电路和电解水的电路区分开来。利用一个单独的电解槽在线制取负离子水，注入电解槽作为制取纳米银胶体的分散剂，调整电解水发生器各项参数的准则是保证制取纳米胶体银时，全部银离子有足够的氢氧根离子数目匹配，转化为稳定的银胶粒。本发明制备的纳米银胶体，质量稳定、杀菌效果好，可广泛地应用于人类日常生活用品的卫生杀菌消毒，也可用来给宠物消毒和卫生、洁净。
文档编号B22F9/16GK102441674SQ201110242390
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者朱上翔 申请人:朱上翔