一种改变水理化性质的设备及包含该设备的系统的制作方法

本发明涉及水改性加工
技术领域：
，具体而言，涉及一种改变水理化性质的设备及包含该设备的系统。
背景技术：
：作为地球上存量最为丰富的分子，水在生命活动及生产生活中都发挥着至关重要的作用。水中的二氧化碳浓度及水的团簇结构等均会对水的理化性质造成影响。自然界中的各种水源及居民使用的自来水等水源中均含有不一样浓度的二氧化碳，二氧化碳可与水反应生成碳酸造成水pH质降低，电导率提高。同时，由于二氧化碳对生命活动至关重要，二氧化碳浓度的变化也会最终影响摄取水分的生物的生命活动。另外，科研人员普遍认为，数量不等的水分子间通过氢键作用而形成的团簇结构(Science,1992,25,1937-1940)是水具有一些系列独特性质的根源。而团簇结构的改变将导致水的物理化学性质(如电导率、密度、pH、对化学物质的溶解性等)的改变。在生物系统中，水微观结构的改变甚至可以导致生物大分子的结构及功能的改变(Int.J.Mol.Sci.2015,16,8454-8489)。多位科学家的研究成果究成果表明水的团簇结构主要受到以下四个因素的影响：温度，压力，溶质，外部的电场、磁场、及电磁场。低温及存在离散剂的条件有利于团簇结构进一步扩大，而高温等外界条件则会造成团簇结构的破坏，并促使具有小团簇结构的微团簇水的形成(Int.J.Mol.Sci.2015,16,8454-8489)。例如，通过升高温度的方式破坏部分水分子间的氢键作用(J.Phys.Chem.B2000,104,11268–11274)，较小的团簇结构可以降低水的动态粘滞度(J.Chem.Phys.1999,111,10171–10176)，并提升水的热膨胀系数(J.Chem.Eng.Data1975,20,97–105.)。近年来，多项改变水的理化性质的技术被相继开发出来。主要包括以下几种类型：1)通过外加磁场及电磁波改变水分子的理化性质(US005711950A，生物化学与生物物理进展，1991，18，237)；2)通过外加电场及高温破坏水分子间的非共价键作用，从而实现改性水的制备(CN104045121A)；3)通过改变外界压力，造成水中的空泡破裂形成，从而形成改性水。但是上述操作方法普遍比较复杂，通常需要以纯度较高的水(例如，二次蒸馏水)作为原料，并且在没有稳定剂存在的条件下，生成的改性水极易还原为原始状态，无形之中浪费了劳动力，作了无用功，经济上也有一定的损失。有鉴于此，特提出本发明。技术实现要素：本发明的第一目的在于提供一种能够改变水理化性质的设备，该设备使用简单易行的操作方法，以自来水、泉水等未经严格纯化的水或纯净水为原料，通过机械加工作用，制备在常温常压下可以较为稳定存在的改性水，该改性水具有pH增高、电导率降低的独特性质，并且可以在不加稳定剂的前提下保持数月之久，依然能够稳定存在，因此这种设备值得广泛推广应用，能够创造巨大的经济效益。本发明的第二目的在于提供包含上述设备的系统，该系统具有很广泛的应用，对植物生长、酵母菌生长都有促进的作用，因此扩大了该系统的应用面，且应用效果良好。为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：本发明提供了一种改变水理化性质的设备，包括：压缩缸体，切割刀片，所述压缩缸体由高压腔和卸压腔组成，所述压缩缸体的高压腔和卸压腔分隔壁上设置有回流孔，回流孔的数量为4-6个；所述卸压腔连接有进水管，所述高压腔连接有出水管；所述切割刀片位于所述高压腔内，用于将水从卸压腔吸入到高压腔内切割后从所述出水管流出；所述卸压腔的体积为所述高压腔体积的2倍以上。现有技术中，虽然改变水的理化性质的技术非常之多。主要包括以下几种类型：1)通过外加磁场及电磁波改变水分子的理化性质(US005711950A，生物化学与生物物理进展，1991，18，237)；2)通过外加电场及高温破坏水分子间的非共价键作用，从而实现改性水的制备(CN104045121A)；3)通过改变外界压力，造成水中的空泡破裂形成，从而形成改性水。也就是说对于利用液体空化技术来形成改性水的方法众多，但是本发明首次采用机械的方法对水进行改性，该设备不仅占地面积小，操作简单，而且采用本发明的设备改性过的水相对于现有技术的其他方法而言，稳定性比较高。本发明的设备之所以能够达到改性水的效果与本发明的设备本身的结构以及运行机理是分不开的，该设备具体操作流程按照如下操作：把水通过进水管进入压缩缸体内，并确保高压腔和卸压腔内的水注满的情况下，切割刀片进行高速旋转，并伴随着高速旋转的切割刀片，不断地把水从卸压腔吸入到高压腔内进行切割，挤压摩擦以及压缩，经过切割叶片切割，挤压摩擦以及压缩的部份水，经过出水管流出，还有经过切割的部分水经过回流孔回流到卸压腔内。在这回流过程中由于压力的瞬间释放，水产生了空化现象。通过上述动作后之所以能够达到改性水的目的，具体原理为：改性水制备装置在操作过程中，叶片在旋转的过程中反复切割水体。叶片与水体发生切割作用的界面表面积极小，也就是说叶片切割水体的界面极其锋利。而叶片的转速非常快。因此叶片的线速度，尤其是远离轴承端的线速度极快。在锋利的叶片快速切割水体的过程中，在叶片前端会产生局部高压而使局部水体被压缩，此外叶片与水体间的剧烈摩擦同时会产生局部高温。这样的局部高温甚至会造成水体的局部爆沸(在操作过程中常可听到腔体内由于爆沸产生的爆破声，属于正常现象)。位于叶片前端的水体在经历过局部的高温高压之后，会被迅速推离叶片前端，恢复正常压力，并与周围水体发生热交换。高温可以降低水体中的氢键数量(J.Am.Chem.Soc.1997,119,3811–3817.)，高压亦可对水分子间的氢键作用产生影响(Chem.Sci.2012,3,1455–1460)。此外，由于水体局部爆沸而产生的声能冲击波也被认为可以破坏水分子间的氢键作用。而高温和爆沸有可能使水中的二氧化碳溢出。综上，局部高温、高压、爆沸的条件的综合作用使得采用本设备改性过的水具有pH增高、电导率降低等独特的理化性质。改性水的独特性质可以在不添加稳定剂的情况下保持数月之久。进一步地，从所述回流孔回流的回流量要大于所述出水管流出的出水量，更优选地为回流量为所述出水量的1.8倍以上，挤压摩擦以及压缩的部份水，经过回流孔回流到卸压腔内。在这回流过程中由于压力的瞬间释放，水产生了空化现象，因此要保证一定的回流量能够保证该设备的正常运行。进一步地，所述高压腔与所述卸压腔的体积比为1：(2.3-2.5)之间。进一步地，所述切割刀片连接有驱动装置，所述驱动装置包括电机、连接器，所述电机与所述连接器连接，所述连接器伸入到所述压缩缸体内与所述切割刀片连接。驱动装置可以驱动切割刀片，并带动切割刀片进行高速旋转，驱动电机最好为交流电机，切割刀片动作时的切割线速度在30m/s之上即可满足正常要求。此外，切割刀片的旋转角度控制在63度之下，更优地为61-63度之间。进一步地，还包括储水箱，储水箱与进水管连接，进水管上设置有阀门以及温度传感器，阀门可以控制流量，温度传感器实时的对从储水箱中流出的水温进行检测。更进一步地，阀门靠近储水箱的一侧设置，温度传感器靠近卸压腔的一侧设置。进一步地，所述出水管上设置有压力调节器、压力表以及温度传感器，对改性后的水的压力进行调节与检测，并进行实时检测温度。进一步地，所述压缩缸体的顶部设置有放气阀，以起到保护作用。进一步地，还包括用于控制动作的智能电气控制系统，以控制这个设备进行动作。本发明还提供了一种包含上述改变水理化性质的设备的系统，该系统在酵母菌发酵、植物培养方面的应用。与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明的改变水理化性质的设备，使用简单易行的操作方法，以自来水、泉水等未经严格纯化的水或纯净水为原料，通过机械加工作用，制备在常温常压下可以较为稳定存在的改性水，该改性水具有pH增高、电导率较高的独特性质，并且可以在不加稳定剂的前提下保持数月之久，依然能够稳定存在，因此这种设备值得广泛推广应用，能够创造巨大的经济效益；(2)本发明所提供的系统具有很广泛的应用，对植物生长、酵母菌生长都有促进的作用，可以起到加强营养，促进生长的效果，因此扩大了该系统的应用面，且应用效果良好。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例一提供的改变水理化性质的设备结构示意图；图2为本发明实施例二提供的改变水理化性质的设备结构示意图；图3为本发明实施例二提供的改变水理化性质的设备局部剖视结构图；图4为本发明实施例二提供的改变水理化性质的切割刀片的具体结构图；图5为自来水的17ONMR图谱；图6为本发明实施例二提供的改变水理化性质的设备改性后水的17ONMR图谱；图7为本发明实施例二提供的改变水理化性质的设备改性后水与原水的芘的溶解实验结果图；图8为本发明实施例二提供的改变水理化性质的设备改性后水与原水的苯醚甲环唑的溶解实验结果图；图9为本发明实施例二提供的改变水理化性质的设备改性后水与原水的全麦粉的溶解实验结果图。附图标记：1-压缩缸体；101-高压腔；102-卸压腔；103-切割刀片；104-回流孔；2-进水管；3-出水管；4-电机；5-连接器；6-储水箱；7-阀门；8-温度传感器；9-压力调节器；10-压力表；11-放气阀；12-底座；13-智能电气控制系统。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。作为第一种具体可实施的方案，具体参见图1，该实施例的改变水理化性质的设备具体包括：压缩缸体1，切割刀片103，压缩缸体1由高压腔101和卸压腔102组成，卸压腔的体积为高压腔体积的2倍，高压腔101和卸压腔102分隔壁上设置有回流孔104，原料水选择为浙江省台州市自来水。卸压腔102连接有进水管2，所述高压腔101连接有出水管3；切割刀片103位于高压腔101内，用于将水从卸压腔102吸入到高压腔101内切割后，再出水管3流出，从而完成整个设备的动作，通过上述对水的处理后，可以达到改性后的水具有pH增高、电导率降低等独特的理化性质，本实施例中切割刀片动作时的切割线速度在30m/s，切割刀片的旋转角度为63度。作为第二种具体可实施的方案，具体参加图2-4，该实施例中的设备还包括：电机4、连接器5、储水箱6、阀门7、温度传感器8、压力调节器9、压力表10、放气阀11、底座12以及智能电气控制系统13。该实施例中，切割刀片103与由电机4、连接器5组成的驱动装置进行连接，电机4与连接器5连接，连接器5伸入到压缩缸体1内与切割刀片103连接，电机的类型为伺服电动机。驱动装置可以驱动切割刀片，并带动切割刀片进行高速旋转，驱动电机最好为伺服电动机，切割刀片的切割线速度在40m/s，切割刀片的旋转角度为61度。储水箱6与进水管2连接，并且进水管2上设置有阀门7以及温度传感器8，并且阀门7靠近储水箱的一侧设置，温度传感器8靠近卸压腔的一侧设置。出水管3上设置有压力调节器9、温度传感器8以及压力表10，压缩缸体1的顶部设置放气阀11，以起到保护作用。该实施例中的智能电气控制系统13是控制这个设备进行动作的关键，并且设备的所有部件都集成在底座12上，使得整个设备更加稳定，本实施例未提及的结构与实施例1一致。该实施例中的高压腔与卸压腔的体积比为1：2.3之间，回流孔的数量为4个，尤其在图2中，可以清晰的看到回流孔以及卸压腔的结构，需要保证回流孔回流的回流量要大于所述出水管流出的出水量。该实施例的具体操作流程按照如下操作：1)把水注入储水箱6内(建议用容量为1M3的储水箱为佳)直到最高水位，打开阀门7，把水通过进水管2进入压缩缸体1内(注意缸体内不能缺水)；2)在压缩缸体1的高压腔101和卸压腔102内的水注满的情况下，按下智能电气控制系统13的启动按扭，电机7启动，带动切割刀片103在高速旋转下(切割线速度30m/s)。切割刀片103的高速旋转不断地把水从卸压腔102吸入到高压腔101内进行切割(切割刀片的具体结构可以清晰的从图3中看到)，挤压摩擦以及压缩，调节流量调节阀，使压压力调节器12显示压力在5.1公斤/cm2，此时的流量在5M3/h；3)经过切割叶片103切割，挤压摩擦以及压缩的部份水，经过流量调节阀，出水管3回流到储水箱6内。经过切割刀片103切割，挤压摩擦以及压缩的部份水，经过回流孔104回流到卸压腔102内，在这回流过程中由于压力的瞬间释放，水产生了空化现象。水在上述设备中经过7次循环加工。值得说明的是，水在上述设备中加工的次数并没有确切限制，1次以上均可，较优地是控制在7次左右。作为第三种具体可实施的方案，其他结构与实施例二一致，只是切割刀片的切割线速度40m/s，高压腔与卸压腔的体积比为1：2.5之间，回流孔的数量为6个，回流孔回流的回流量要为出水管流出的出水量的1.8倍以上。上述各个实施例中的改性水的原料还可以选择自来水、泉水等未经纯化处理的水，也可以使用经反渗透处理或多次蒸馏处理的纯净水为起始原料，并没有特别限制。利用上述设备生产的改性水具有以下相比起始原料在以下某一方面或某几方面发生了改变：pH、电导率、表面张力、密度、FTIR图谱、17ONMR谱图。其中pH值通常升高0.15-0.35，优选为0.2；电导率数值通常降低15-30us/cm，优选为20us/cm；表面张力通常降低3-8mN/m，优选为5mN/m。17ONMR图谱中峰宽通常改变1-5Hz，优选为2Hz。采用本发明第二种实施例的改性水与原水的各方面物理化学性质进行对比后，具体试验结果如下各图表所示。表1pH值pH计为梅特勒FiveEasyPlus表2电导率被测样品电导率us/cm实施例二设备改性水102.1原水115.1上海雷磁电导仪表3表面张力上海中晨JK99B型全自动张力仪图5-6分别为自来水以及采用本发明实施例二设备改性水的17ONMR图谱。将采用本发明实施例一、三的设备改性过的水进行测试也能得到上述相同的结果。下面将采用本发明实施例二的设备处理过的水进行一系列的试验以测试其应用效果。1、有机物溶解、抗生素溶解实验检测有机物在原水和改性水中溶解速率的差异。研究对象主要为三种苯环类有机物(萘，菲，芘)和三种抗生素(四环素，红霉素，磺胺)。使用原水和本发明实施例二设备改性过的水在烧杯中溶解有机类物质，五组平行，振荡，每组测定时间0，2.5，5，7.5，10，15，20min，通过建立不同研究对象的标准曲线，从而得到溶解实验结果，其中芘的溶解实验结果如图7所示，经过试验发现其他有机物以及抗生素也呈现相应的趋势，最后得到结论：三种典型有机物(萘，菲，芘)在改性水中的溶解量略大于在原水中的溶解量，三种典型抗生素(四环素，红霉素，磺胺)在改性水中的溶解量大于在原水中的溶解量。2、农药溶解实验检测农药在原水和改性水中溶解速率的差异。研究对象主要为四种农药(噻虫嗪，苯醚甲环唑，功夫菊酯)。使用原水和改性水在烧杯中溶解有机类物质，五组平行，振荡，每组测定时间0，2.5，5，7.5，10，15，20分钟，通过建立不同研究对象的标准曲线，从而得到溶解实验结果。其中苯醚甲环唑的溶解实验结果如图8所示，经过试验发现其他农药溶解也呈现出相同的实验结果，最后得到结论：噻虫嗪，苯醚甲环唑，功夫菊酯在改性水中的溶解量大于在原水中的溶解量。3、将采用本发明实施例二的设备改性过的水与原水的元素含量进行测定，主要使用ICP-OES进行测定，建立标准曲线，得到结果如下：表4元素测定结果4、检测奶粉溶解度研究对象主要为两种奶粉(雅培牌奶粉，中老年高钙奶粉)；三种面粉类(面粉，蛋糕粉，全麦粉)。使用原水和改性水在烧杯中溶解有机类物质，五组平行，振荡，每组测定时间0，2.5,5,7.5,10,15,20分钟，通过建立不同研究对象的标准曲线，从而得到溶解实验结果。其中，全麦粉溶解的实验结果如图9所示，其他粉体类也呈现出相同的试验结果，由实验结果可知，三种面粉类(面粉，蛋糕粉，全麦粉)以及雅培奶粉在改性水中的溶解量大于在原水中的溶解量。5、水培植物实验检测本发明实施例二处理过的改性水对植物生长的影响。研究对象主要为蔬菜类植物(油麦菜和生菜)。使用原水和改性水在培养皿中以水为基质培养植物，五组平行，每天灌溉2毫升，每5天测定一次植物的叶片和株高，每组测定时间5，10，15，20，25，30天。表5油菜的生长情况第一组第二组第三组第四组第五组改性水培养5天后1.2cm1.3cm1.1cm1.2cm1.2cm原水培养5天后1.3cm1.1cm1.2cm0.6cm1.2cm改性水培养10天后3.1cm3.2cm3.1cm3.0cm3.3cm原水培养10天后2.8cm3.3cm2.9cm3.1cm2.8cm改性水培养15天后6.3cm6.4cm6.3cm6.2cm6.2cm原水培养15天后5.5cm5.4cm5.6cm5.3cm5.6cm改性水培养18天后10.6cm10.3cm10.1cm10.5cm10.6cm原水培养18天后8.6cm8.4cm8.7cm8.5cm8.4cm改性水培养21天后14.6cm14.9cm14.8cm14.4cm14.5cm原水培养21天后11.6cm11.8cm11.5cm12.0cm12.1cm改性水培养24天后18.5cm18.6cm18.4cm18.2cm18.7cm原水培养24天后15.6cm15.9cm16.2cm15.8cm16.1cm如果将油菜采用土培的情况下也会呈现出相同的实验结果。此外，如果将生菜进行土培、水培也会呈现出相同的实验结果。6、改性水在酵母菌发酵工艺中的潜在应用水分子的团簇结构会影响其理化性质，改变水的渗透能力，甚至会改变生物大分子的构象及功能。水分子的团簇结构对细胞生长的影响曾被多次报道。酵母菌在面包工业、酿酒工业等领域有广泛应用。利用本专利所述方法制备的改性水相比未被处理过的水具有明显的促进酵母菌生长的作用。这一作用已被如下实验室酵母菌培养实验以及工业界面包生产实验所证实、A)酵母菌培养实验：培养基：LB培养基(g/L):胰蛋白胨10g,酵母粉5g，NaCl10g，50ml大豆提取液，调pH至7.0。(参考文献：肖波，一种高效的酵母菌培基的设计，2005年，生物技术)超市购买安琪高活性酵母干粉，将酵母干粉加入到LB培养基中，置于30℃，200转/分钟摇床培养活化48小时。将提前活化的菌液(10uL)加入到5mL不同水配制的培养基中，置于30℃，200转/分钟摇床培养48小时。测量600纳米波长下的吸光度，观察菌落生长速率。北京普析通用仪器有限责任公司TU1900双光束紫外可见分光光度计，具体结果见下表6。表6酵母菌培养结果B)改性水对细菌生长的影响：的研究方法：土壤根癌杆菌ABM(ABminimalmedia)基本培养基：(三种水分别配制培养基)20×盐溶液(1L)：NH4Cl20g，KCl3g，MgSO4·7H2O6g，CaCl2.2H2O0.2g，FeSO4·7H2O0.06g，蒸馏水900mL，搅拌溶解后调节pH＝7.2，蒸馏水定容；20×缓冲液(1L)：KH2PO423g，K2HPO460g，蒸馏水900mL，搅拌溶解后调节pH＝7.2，蒸馏水定容；10％甘露醇(500mL)；液体ABM培养基：无菌水88mL，20×盐溶液5mL，20×缓冲液5mL，10％甘露醇2mL；检测方法：细菌加入ABM培养基，于28℃，200rpm摇床至生长对数期约24个小时，测定OD600值，比较细菌浓度差异。分光光度计为：北京普析通用仪器有限责任公司TU1900双光束紫外可见分光光度计，具体结果见下表7，结果分析：改性水对土壤根癌杆菌的生长有较明显的促进作用。表7土壤根癌杆菌培养结果将采用本发明实施例一、三的设备改性过的水进行上述实验也能得到上述相同的结果。尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。当前第1页1 2 3