一种制备稳定小分子团水的水处理方法及系统的制作方法

一种制备稳定小分子团水的水处理方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种制备稳定小分子团水的水处理方法，包括以下步骤：1)对原水进行预处理；2)经过预处理的原水再进行小分子团化及强磁长程诱导形成稳定状态的小分子团水；3)对制得的稳定状态的小分子水进行常规饮用水后续处理后得到成品并进行密封灌装；所述小分子化及稳态处理包括水分子团簇切割反应和水分子团簇重整反应；实现上述方法的水处理系统，包括：原水预处理部分；稳定小分子团水制备部分及常规饮用水后续处理部分；三部分顺次相连；所述稳定小分子团水制备部分包括：切割反应罐组及重整反应器组；所述重整反应器组包括若干重整反应装置。通过本发明所述的水处理方法及系统可以制备能够长期处于稳定状态的小分子团水。
【专利说明】一种制备稳定小分子团水的水处理方法及系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及水处理领域，特别涉及饮用水工业化生产领域，具体涉及一种制备稳 定小分子团水的水处理方法及系统。

【背景技术】
[0002] 目前供人们饮用的矿泉水、纯净水以及磁化、净化自来水，均由于没有从水的分子 结构上根本解决水被肌体细胞吸收、利用的问题，而存在着如矿泉水、纯净水在存放期会出 现的由于长时间处于不流动情况，水分子中带有正电的氢离子（H+)及带有负电的氢氧根 离子（0H-)在相当一段时间内相互吸引以氢键聚合成团的情况，失去活性而减缓和降低了 饮用水被人体吸收，活化机体等保证人体处于健康的至关重要的水品质作用。
[0003] 大多数情况下，特别是在长期静止的情况下，水可形成多达几十个水分子的水分 子团簇。这些水分子团簇是随机的，无定形的链状线团。其溶解能力、渗透力都很低，不易 被动物、植物和人吸收，由这种水分子团簇构成的水会成为"死水一团"。这些无定形结构的 水分子团簇可以经一定的物理化学处理，使其成为含有较少水分子的水分子团簇的小分子 团水。
[0004] 目前有很多方法可以实现水的活化即小分子团水制备技术，包括磁化、高温、生物 法、振荡等，都可实现切割大的水分子团簇的目的。其实质内容是提供能量，将联接水分子 的氢键打开，使大的水分子团簇分散成为单个水分子，但是通过这些处理方法的到的小分 子团水，其分子结构并不稳定，离开了能量环境以后，很快会聚合成小分子团簇，其包含的 水分子数量也不统一，在1个到10个之间。再经过一段时间的静止后，在氢键的作用下又 会形成包含几十个水分子的大的水分子团簇，降低的水的活性。
[0005] 分子力学是把分子看成是一些势场维系在一起的原子的集合体。由于这些力的相 互影响相互制约使得分子得以保持处于相对平衡的稳定状态。因此可以用经典的势场函数 来描述原子间的相对位置变化所引起的分子体系能量的改变。分子力学计算方法主要用于 定性和半定量研究主客体相互作用。一般是将得到的主客体复合物用分子力学优化其结 构，计算分子间相互作用能进而判断不同主客体之间结合能与稳定性或活性之间的关系， 为进一步探索主体和客体间的相互作用提供依据。
[0006] 具体来说分子力学计算方法是利用力场函数来计算分子的能量和构象的，由于计 算中是利用经典力学中的力场函数有时也被称为经验力场计算，其中的力学参数由实验资 料决定。早在1930年Andrews提出经典力学模型：分子中的化学键具有"自然"键长、键角， 并由这些键长和键角调节构象，给出个原子核的最佳位置分布，即为分子的平衡构象。分子 力学计算方法不直接针对体系中的电子，只是着眼于核的相对位置，把化学键所形成的力 场简化为弹簧，即将分子内各原子间的键合作用看做是符合Hooke定律的。
[0007] 水分子相互之间靠氢键连接。
[0008] 氢键的键强取决于它的键长和键角，研究表明氢键的键强与键角在20°幅度内基 本呈线性变化，且影响较小；而键长是影响键强的最重要因素，且随着键长增加键强呈指数 衰减。当氢键充分弯曲后，其键强变弱，这将导致两个水分子的分离。大体上讲，决定氢键 强度的主要因素为分子间距离、延展振动的频率和给体氢原子的共价键。
[0009] 液态水分子簇的结构处于一种动态平衡中，强氢键和弱氢键的转动及振动变换是 水分子簇动态结构本质所在。
[0010] 研究分子间力、确定水分子簇最小能量平衡结构和氢键网重排动力学，都离不开 量子理论、转振常数以及从头计算法等理论工具。由于转动和振动相互影响，适于小水分子 簇（< 6)的能量方程为：
[0011] E (J · K) = (A+B) J (J+l) /2+ (c- (A+B) /2) K2-DjJ2 (J+l) 2+DjkJ (J+l) K2
[0012] 其中A、B、C是分子的转动常数（此方程中A = B)，C常数表征关于对称轴的转动。 J、K是设定的转动量子数。h和IV是离心弯曲常数。目前这是确定水分子簇结构的通用 方程，其中有A、B、C三个量子参数确定水分子的基本结构。
[0013] 根据美国加州大学伯克来分校的实验数据给出三环水、四环水、五环水和六元水 的主要结构参数。
[0014] 三环水的转动频率在86. 7至92. 0cm之间，这是典型的分子间作用力区间。由此 认定三环水为扁平的或是椭圆的构型，四环水和五环水，已有计算模拟推测出可以基本确 认为准平面环状结构。六元水的最小能量平衡结构的远红外光谱测试结果和高水平算法算 得结果基本相同，存在五种低态能量的结构。
[0015] Liu等人认为笼状八氢键的六元水最为稳定，也有学者认为环状六氢键结构广泛 存在的可能性更大一些，两者的计算结果差异主要源于零点能的取舍。其实不论如何计算， 六元水的这两种结构最具有代表性，所得结构只是独立出来的水分子簇构型。
[0016] 六元水还有如下奇异的特征：
[0017] 1.从力学结构上讲，六元最稳定，如苯环。比如自然界中的蜂巢结构；比如碳原子 的结构（散乱的碳原子结构是石墨，硬度低，六环型的碳原子结构稳定，硬度高，是金刚石， 最坚硬的固体）。
[0018] 2.笼状六元水氧氧键长为2. 85 A与常温下液态水氧氧键长相等；而环状六元水氧 氧键长(2.76 A)与冰的氧氧键长(2.759 A)极为接近。显然，六元水在水和冰之间有着内在 联系。
[0019] 3.从结构上看，二环水到五环水都是平面结构，当分子尺寸大于六时，为立体结 构，六元水为结构变型的中介点。
[0020] 4.六元水具有良好的携带离子与质子的功能。
[0021] 一般来说，小水分子簇η = 2-5,呈线状结构
[0022] 中等水分子簇η = 6-27,呈网状、笼形结构
[0023] 大水分子簇η>27,呈复杂结构。
[0024] 水分子团簇结构的本质在于氢键，氢键的角度最小的角度为146. 7°，最大的超过 170°，尽管对于线性氢键目前没有标准的界定，但可以看出从头计算得到的氢键角度整体 上比较接近180°。同时计算得0···0键长基本接近2. 76 Α即冰的0···0键长，这也间接证 实了线性氢键的形成。
[0025] 在生物体内小分子水和五环水是普遍存在的，特征结构（具有线性氢键特点）水 分子团簇（五环、六环）的形成在于线性氢键可以自组装，即由于线性氢键夹角接近180°， 使得水分子中自由氢原子获得最大空间自由度；同时线性氢键的键能最大，可使水分子簇 在等量氢键条件下体系能量最小；此外这种线性氢键由于振动频率相近（由水分子Η-0-Η 可以推算）可能会发生氢键共振，使得水分子簇结构更加稳定。
[0026] 目前市场上有很多生产小分子团水的设备，已经可以初步解决使饮用水转变为小 分子团水的问题，但是并没有被证实可有效是制备所得的小分子团水长期处于稳定状态的 技术手段。
[0027] 专利号201010226011. 3公开的发明专利中，包括包括两组组合式水处理设备，第 一组组合式水处理设备一次由矿物能启动装置、矿物能释放装置、高斯磁能装置和融合稳 定装置连接而成；第二组组合式水处理设备一次由矿物能启动装置、磁能生成装置、离子饱 和装置和调整融合装置连接而成。其所述的融合稳定装置，使磁能和矿物能融合而形成稳 定的水系，其利用具有磁力的矿石形成磁场，磁力场的强度过低，且天然的具有磁力的矿石 很难形成均匀的磁场；另外，所述的具有磁力的矿石是排列在不锈钢管中作用的，通过水流 经不锈钢管切割磁力线，这样的处理很难达到理想的效果，并不能将非稳定状态的小分子 团水转化成六环水。
[0028] 专利号90223680. 6的实用新型专利公开了一种长磁程流体磁化设备，在外壳内 间隔地放置若干圆片状的永磁体和导流盘，可以使水流均与切割磁力线并具有较长的磁 程，但是，这种结构不适用于磁场强度较大的情况，且密封性较差，处理过程中水容易受到 污染，不适用于大规模饮用水工业化生产。且该实用新型只对饮用水进行磁化处理，现已经 有理论证明，仅仅对饮用水进行磁化处理并不能有效降低饮用水中水分子团簇中的水分子 数量。


【发明内容】

[0029] 为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种制备稳定小分子团水的水处理方 法，可以制备能够长期处于稳定状态的小分子团水。
[0030] 本发明的另一目的在于提供一种能够实现上述功能的制备稳定小分子团水的水 处理系统。
[0031] 本发明的制备稳定小分子团水的水处理方法，包括以下步骤：
[0032] 1)对原水进行预处理；
[0033] 2)经过预处理的原水再进行小分子团化及强磁长程诱导形成稳定状态的小分子 团水；
[0034] 3)对制得的稳定状态的小分子水进行常规饮用水后续处理后得到成品并进行密 封灌装；
[0035] 所述小分子团化及强磁长程诱导包括水分子团簇切割反应和水分子团簇重整反 应；
[0036] 所述水分子团簇重整反应通过使小分子团水垂直切割均匀强磁场的磁力线实现； 所述均匀强磁场的磁场强度不低于3500高斯，所述小分子团水垂直切割磁力线的长程诱 导过程为 4000-10000mm。
[0037] 进一步地，步骤1)所述的预处理过程依次包括：多介质过滤、活性炭过滤、精密过 滤及UV处理。
[0038] 进一步地，所述小分子团化及强磁长程诱导还包括酸性活性炭过滤及5 μ精滤。
[0039] 进一步地，所述水分子团簇切割反应通过使水流经一种以电气石为基础材料经活 化烧结形成的球体复合材料实现。
[0040] 进一步地，所述常规饮用水后续处理依次包括：超滤、UV处理、灭菌、终端过滤及 成品灌装。
[0041] 进一步地，所述水分子团簇切割反应还可通过对水进行高温处理、振荡处理及生 物法处理中的任一种处理方法实现。
[0042] 实现上述方法的水处理系统，包括：原水预处理部分；稳定小分子团水制备部分 及常规饮用水后续处理部分；三部分顺次相连；
[0043] 所述稳定小分子团水制备部分包括：切割反应罐组及重整反应器组；所述重整反 应器组包括若干重整反应装置。
[0044] 所述重整反应装置包括：一强磁发生装置，包括若干强磁体，所述强磁体成对形成 强磁场；一导流装置，置于所述强磁场之中，流体在导流装置中可做垂直切割磁力线运动； 所述强磁发生装置的磁场强度不低于3500高斯；所述导流装置包括若干层导流管及连接 管组，单层导流管为平面螺旋结构；各层导流管通过连接管组间隔连通，形成单一通路；所 述单层导流管的磁程为4000-10000mm。
[0045] 进一步地，所述切割反应罐组包括若干水分子团簇切割反应装置，所述水分子团 簇切割反应装置填充有一种复合材料，所述复合材料为以电气石为基础材料经活化烧结形 成的球体材料。
[0046] 进一步地，所述原水预处理部分由一原水箱、一多介质过滤器、一活性炭过滤器、 一精密过滤器及一紫外光杀菌器顺次连接组成。
[0047] 进一步地，所述切割反应罐组与重整反应器组之间依次设有酸性活性炭过滤器及 5 μ精滤器。
[0048] 进一步地，所述常规饮用水后续处理部分由一超滤系统、一小分子团水箱、一提升 泵、一紫外光杀菌器、一灭菌系统、一成品水箱、一成品水泵及一终端滤器顺次连接组成。 [0049] 将无序运动的水分子进行有序化排列，形成结构稳定的小分子团簇，这个过程即 为重整反应过程。本发明具有的组成重整反应器组的重整反应装置，其可以对经过水分子 团簇切割反应处理后的水进行水分子团簇重整反应处理，由于其具有足够强度的均强磁场 及足够长的磁程，通过重整反应器的长程强磁诱导，极性的水分子在通过强磁过程中受到 磁场的影响，按照右手法则，水分子在切割磁力线时获得动生电动势，在动生电动势的作用 下极性的水分子有序排列，使水分子的振动行为受到影响，形成定向振动。
[0050] 超分子自组装是指在平衡条件下，分子间通过非共价键弱互相作用，自发构成具 有特定性能的有序的超分子聚集体的过程。
[0051] 由于液态水分子簇的结构处于一种动态平衡中，强氢键和弱氢键的转动及振动变 换是水分子簇动态结构本质所在。当水分子振动受限后，有序排列的水分子在强磁场中获 得能量，提高了水分子内能，在水分子再聚合过程中强氢键相互连接，由于分子记忆特性再 聚合时优先会形成成键氢原子电子云密度较大，具有较为稳定的量子环境和键能水分子连 接状态，其中氢键方向与对应的Η-0键几乎处于一条直线的结构即Η-〇···Η是氢键最稳定的 连接结构。这种以"线性"氢键自组织形成的直线型水分子团是五环水和六环水的独有特征 形成结构，通过这种有序自组织形成的小分子团矿泉水，经核磁半峰宽检测确认结构稳定， 小分子团状态持续时间长久稳定。

【专利附图】

【附图说明】
[0052] 图1为本发明一实施例的系统结构示意图。
[0053] 图2为本发明一实施例的方法流程示意图。
[0054] 图3为本发明一实施例处理后稳定的六环状分子团簇的分子结构示意图。
[0055] 图4为本发明一实施例的重整反应装置的结构示意图。
[0056] 图5为本发明一实施例的导流装置的结构示意图。
[0057] 图中：1.强磁体，2.导流装置，3.固定支撑件，4.导流管，5.连接管组。

【具体实施方式】
[0058] 为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式 作详细说明如下。
[0059] 实施例1 :
[0060] 如图1所示，制备稳定小分子团水的水处理系统包括：原水预处理部分；稳定小分 子团水制备部分及常规饮用水后续处理部分；三部分顺次相连；所述稳定小分子团水制备 部分，用以进行小分子团化及强磁长程诱导，以形成稳定状态的小分子团水，其包括：切割 反应罐组及重整反应器组；所述重整反应器组包括若干重整反应装置。所述重整反应装置 包括：强磁发生装置及导流装置2,所述强磁发生装置包括若干强磁体1，使用固定支撑件3 固定；所述强磁体1成对形成强磁场；其磁场强度为3500高斯；所述导流装置2包括若干 层导流管4及连接管组5,单层导流管为平面螺旋结构；各层导流管通过连接管组5间隔连 通，形成单一通路；所述单层导流管的磁程为4000_。导流装置2置于强磁场之中，流体在 导流装置2中可做垂直切割磁力线运动；所述切割反应罐组包括若干水分子团簇切割反应 装置，所述水分子团簇切割反应装置填充有一种复合材料，所述复合材料为以电气石为基 础材料经活化烧结形成的球体材料。
[0061] 所述原水预处理部分由原水箱、多介质过滤器、活性炭过滤器、精密过滤器及紫外 光杀菌器顺次连接组成。原水预处理部分与稳定小分子团水制备部分之间连通有1#中间 水箱；所述切割反应罐组与重整反应器组之间依次设有酸性活性炭过滤器及5μ精滤器。 稳定小分子团水制备部分与常规饮用水后续处理部分之间连通有一 2#中间水箱；所述常 规饮用水后续处理部分由超滤系统、小分子团水箱、提升泵、紫外光杀菌器、灭菌系统、成品 水箱、成品水泵及终端滤器顺次连接组成。
[0062] 取自天然的矿泉水原水由车间外部管道（图未示）引入原水箱，然后依次流经多 介质过滤器、活性炭过滤器及精密滤器进行初步过滤处理，再通过紫外光杀菌器进行UV处 理，即原水预处理，滤除杂质及消毒。经过预处理之后的水进入1#中间水箱。
[0063] 生产小分子团水时，水经过提升泵进入小分子团水制备系统，依次流经切割反应 罐组、酸性活性炭过滤器、5 μ精滤器，水流过切割反应罐组，在所述复合材料的作用下，可 以使大的水分子团簇氢键断裂，水分子优先与水合电子形成小的分子团簇，实现切割水分 子团的目的。同时该材料还具有良好的杀菌性能，并能有效去除水中的有害物质。由于水 通过水分子团簇切割反应会产生假性pH值升高，这会对生产过程中的监控造成干扰。所以 通过酸性活性炭过滤器进行处理的目的是中和其pH值，消除干扰。再进入重整反应器组， 水在通过重整反应装置之前，各水分子的夹角完全不等，且氢键的方向也是不规则的。这表 明水分子在形成的水分子团簇中并非随机等价的。而经过重整反应之后，其分子结构如图3 所示，水分子之间的氢键形成了六边形，其角度也发生了变化，其结构变得更加稳定。此时 制得稳定状态的小分子团水，进入2#中间水箱，在通过提升泵进入超滤系统，然后再进入 常规饮用水灌装前处理系统进行处理后，输送至灌装用水点进行封装。
[0064] 以本实施例所述水分子团簇重整反应装置处理过的小分子团水在室温密闭放置 24个月，pH值呈逐渐下降趋势，半峰宽值呈逐渐增大趋势，但变化较小，依旧符合小分子簇 水半峰宽特征80Hz)实验结果见表1。
[0065] 表1室温密闭放置稳定性测定结果1
[0066]

【权利要求】
1. 一种制备稳定小分子团水的水处理方法，包括以下步骤： 1) 对原水进行预处理； 2) 经过预处理的原水再进行小分子团化及强磁长程诱导形成稳定状态的小分子团 水； 3) 对制得的稳定状态的小分子水进行常规饮用水后续处理后得到成品并进行密封灌 装； 其特征在于，所述小分子团化及强磁长程诱导包括水分子团簇切割反应和水分子团簇 重整反应； 所述水分子团簇重整反应通过使小分子团水垂直切割均匀强磁场的磁力线实现；所述 均匀强磁场的磁场强度不低于3500高斯，所述小分子团水垂直切割磁力线的长程诱导过 程为 4000-10000mm。
2. 根据权利要求1所述的制备稳定小分子团水的水处理方法，其特征在于，步骤1)所 述的预处理过程依次包括：多介质过滤、活性炭过滤、精密过滤及UV处理。
3. 根据权利要求1所述的制备稳定小分子团水的水处理方法，其特征在于，所述小分 子化及稳态处理还包括酸性活性炭过滤及5μ精滤。
4. 根据权利要求1所述的制备稳定小分子团水的水处理方法，其特征在于，所述水分 子团簇切割反应通过使水流经一种复合材料实现。
5. 根据权利要求1所述的制备稳定小分子团水的水处理方法，其特征在于，所述常规 饮用水后续处理依次包括：超滤、UV处理、灭菌、终端过滤及成品灌装。
6. 根据权利要求1所述的制备稳定小分子团水的水处理方法，其特征在于，所述水分 子团簇切割反应还可通过对水进行高温处理、振荡处理及生物法处理中的任一种处理方法 实现。
7. -种实现权利要求1所述的制备稳定小分子团水的水处理方法的水处理系统， 包括：原水预处理部分；稳定小分子团水制备部分及常规饮用水后续处理部分；三部 分顺次相连；所述稳定小分子团水制备部分包括：切割反应罐组及重整反应器组；所述重 整反应器组包括若干重整反应装置；所述重整反应装置包括：一强磁发生装置，包括若干 强磁体，所述强磁体成对形成强磁场；一导流装置，置于所述强磁场之中，流体在导流装置 中可做垂直切割磁力线运动；所述强磁发生装置的磁场强度不低于3500高斯；所述导流装 置包括若干层导流管及连接管组，单层导流管为平面螺旋结构；各层导流管通过连接管组 间隔连通，形成单一通路；所述单层导流管的磁程为4000-10000_。
8. 根据权利要求7所述的水处理系统，其特征在于，单层导流管为平面螺旋结构；各层 导流管通过连接管组间隔连通，形成单一通路。
9. 根据权利要求7所述的水处理系统，其特征在于，所述切割反应罐组包括若干水分 子团簇切割反应装置，所述水分子团簇切割反应装置填充有一种复合材料，所述复合材料 为以电气石为基础材料经活化烧结形成的球体材料。
10. 根据权利要求7所述的水处理系统，其特征在于，所述原水预处理部分由一原水 箱、一多介质过滤器、一活性炭过滤器、一精密过滤器及一紫外光杀菌器顺次连接组成；所 述切割反应罐组与重整反应器组之间依次设有酸性活性炭过滤器及5μ精滤器；所述常规 饮用水后续处理部分由一超滤系统、一小分子团水箱、一提升泵、一紫外光杀菌器、一灭菌 系统、一成品水箱、一成品水泵及一终端滤器顺次连接组成。
【文档编号】C02F1/48GK104230091SQ201410440102
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】栗志文, 朱永宏, 张克明, 周水平, 闫希军, 宋艳, 沈晓楠, 郑永锋, 范立君, 窦夏睿 申请人:吉林天士力矿泉饮品有限公司