專利名稱：六環(huán)功能水的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種具有良好生命活性和生理健康功效飲用水的制備方法。
一般認為在水中，質子快速地進行化學交換，因此所有質子都是化學等價和磁性等價的并呈動態(tài)隨機分布。X射線研究表明，在熔點O-O距離為0.277nm；4℃時，O-O為0.284nm；200℃時，O-O為0.294nm。隨著溫度的升高，氫鍵具有明顯變弱的趨勢，氫鍵數(shù)目變小，從低溫玻璃態(tài)水到近臨界水的X射線或中子衍射結果反復得到證實。在4-200℃范圍內，水分子配位數(shù)從4到4.9變化。表明液態(tài)水是以四面體配位占優(yōu)勢的。進入九十年代以來，Berkeley實驗室首先設計了遠紅外振轉隧道光譜儀，使之能清晰的觀測到分子間的轉振譜線，為研究水分子的微觀結構開辟了一條嶄新的途徑。研究發(fā)現(xiàn)液相中水分子并非一個個獨立存在，而是靠氫鍵作用形成水分子簇。分別對二元水，三元水，四元水，五元水，六元水進行了研究。這是第一次半實驗半計算方法對水分子簇的研究，給出比較可信的實驗依據(jù)。實驗表明部分液態(tài)水是以分子團結構形式存在的，如還存在單體水分子、二聚體、三聚體、四聚體、五聚體、六聚體、八聚體等等；在緩慢低溫熔化條件下，水分子團具有保持冰晶微觀結構的特性，即水分子團的結構記憶效應。如南極冰緩化后，其水分子簇會以中空六邊形多面體的構造存在。這種由6個水分子組成的六環(huán)水，其環(huán)的中空部分具有足夠強的包容能力。
六環(huán)水即為由六個單體水分子通過氫鍵作用組成準平面動態(tài)結構，進而可以形成鏈狀或中空六邊形多面體形狀。現(xiàn)代生物醫(yī)學已證明小分子團水易于滲透和吸收，水甚至影響著DNA和氨基酸的代謝，作為體內各種生物質生存的大環(huán)境，水與許多疾病息息相關。我國生物科學家貝時璋在1964年就指出，生物系統(tǒng)的新陳代謝，不僅包括物質代謝和能量代謝，還應包括信息代謝。環(huán)境自然科學家修博格博士發(fā)現(xiàn)水是吸收、儲存和傳遞自然界的能量和生物信息的媒介物質，并指出“經(jīng)過有害物質污染的水，盡管通過各種物理、化學、生物等凈化處理，將水中宏量與痕量有害物質去掉，但那些有害物質的負面信息仍將繼續(xù)殘留在水中”，這個事實已經(jīng)被美國物理學家Dr.Wolf博士的實驗證明。而這種作用正是通過水的微觀結構進行的。水作為人體內各種生物質生存的大環(huán)境，受體內各有機官能團和離子電磁化作用，其分子團結構與一般飲用水體有所不同，如α螺旋結構的溶菌酶晶體，其中含有約35％重量的水。酶是人體新陳代謝的控制系統(tǒng)，而酶的生理功能依賴于它的二級結構-空間結構。盡管還不能定量解釋，但可以定性確認水以其微觀結構和氫鍵作用影響著酶功能。細胞的一切生理活動狀況和生化活性都取決于其內膜和外膜的機能，不同細胞的細胞質膜和所有內膜基本上具有一致的結構，在脂肪酸的碳原子之間為單鍵情況下，它們的排列是六角形結構，從結構角度上講六環(huán)水易于滲透和吸收，必然會更大影響著人體的生理功能。而六環(huán)水正是靠這種作用激發(fā)生命組織的活性。
六環(huán)水氧氧鍵長(2.76)與冰的氧氧鍵長(2.759)極為接近，顯然這與冰晶結構存在著某種繼承關系。美國加里弗尼亞大學教授Sarkelly等人發(fā)現(xiàn)冰晶融化后的水為五聚水或六聚水。以冰雪水為研究對象的生化實驗證明冰雪水有良好的生命功能可以抗組織衰老，具有激發(fā)生育、繁殖等多種生理功能的作用。此外，冰雪水還可以降低膽固醇，改善心血管機能。水分子簇中，OH鍵與氫鍵間的夾角與環(huán)形分子個數(shù)有關。在六環(huán)水和冰的六方系結構中，此夾角接近為零，稱為“線性”氫鍵。研究表明線性氫鍵能量最大。冰的晶形結構為六方系結構，云母晶體也為六方系結構。實驗證明云母晶體表面附近的水已經(jīng)不象是水，而象一層“薄冰”。
本發(fā)明的目的，在于提供一種六環(huán)功能水的制備方法及裝置。依此技術制備的六環(huán)功能水具有良好生命活性和生理健康功效。
為達到上述目的，本發(fā)明是通過下述技術方案加以實現(xiàn)的。本發(fā)明的六環(huán)功能水的制備方法，是以自來水為水體，在無塵無菌環(huán)境中經(jīng)物理化學加工方法制備而成，其過程特征在于首先水在六方形介孔二氧化硅分子篩膜中的重組水分子團，之后在超聲波定頻諧振中保持微觀結構，然后經(jīng)冷凍低溫定形保持，再經(jīng)解凍后儲存水品；在上述各過程中，其操作條件特征在于使用的超聲波波長為300～400cm-1，冷凍過程以2～5℃/h的冷凍速率進行并冷至溫度達-15～-20℃，在此溫度下保持45～55小時，解凍速率為2～5℃/h，且在15～20℃以下進行，水品在10～25℃環(huán)境中儲存；在上述的制備方法中，使用的六方形介孔二氧化硅分子篩膜是關鍵裝置，也是本發(fā)明的又一關鍵技術，該分子篩是以正硅酸乙酯為原料，以正十八胺為模板劑，加入擴孔劑，在乙醇和去離子水溶液中按一定摩爾配比且在50～60℃溫度下首先制成六方形介孔二氧化硅材料-HMS，然后將HMS經(jīng)活化處理和燒結沉相重結晶過程得到三維六方形介孔二氧化硅篩膜基體，最后將此篩膜基體和過量乙醇混合，在0.05～0.15摩爾的硝酸溶液中進行活化并用蒸餾水洗滌至濾液呈中性，再以甲苯為溶劑，與γ-氯丙基三乙氧基硅烷(TECPS)充分混合回流，在90～110℃溫度和0.1～0.2個大氣壓真空干燥1～2小時得到孔道直徑為5.0～6.5nm級的功能化六方形介孔二氧化硅復合篩膜CPS-HMS，其特征在于制備HMS過程采用三(1,3,5)乙基苯為擴孔劑，參加反應物Si(OC2H5)4、C18H37NH2、C2H5OH、H2O、(CH3)3C6H3，它們最優(yōu)摩爾配比為1∶0.29∶9.88∶30.2∶2；HMS的活化劑采用稀硝酸，并在250～400℃溫度下燒結進行沉相重結晶。


圖1為本發(fā)明六環(huán)功能水的FIR譜圖。圖2為HMS晶形照片。圖3為CPS-HMS晶形照片。
下面詳盡對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明制備六環(huán)水的方法具體過程如下在室溫條件下，以自來水為水體，在無塵無菌的環(huán)境中，將自來水通入由六方形介孔二氧化硅分子篩膜制成的膜組件內，水通過膜上的六方形納米級介孔過程中，在膜孔的微觀結構力場的作用下，水中的氫鍵得以線性化重整，從而組成六方系水分子團，與此同時水中的一些有機雜質也得以清除。為了保持六環(huán)水的微觀結構的持久化，將透過膜的水處以平穩(wěn)緩流操作條件下，以波長為300～400cm-1超聲波定頻諧振處理，進一步改變水的線性氫鍵個數(shù)，使之成為準平面六環(huán)狀，同時也進一步提高了六環(huán)水的百分率，在此過程中值得注意的是在流動輸水管上每隔300～500cm長距離處要設置一個超聲波諧振儀，經(jīng)過這樣處理過的六環(huán)水放在儲槽內再經(jīng)緩慢地冷凍，冷凍時速率控制在2～5℃/h，經(jīng)幾小時操作，使溫度達到-15～-20℃，并在該溫度下保持45～55小時后，再以2～5℃/h的速率解凍，并注意最好是在15～20℃以下環(huán)境中進行。解凍的水即為六環(huán)功能水，該水品在10～25℃環(huán)境中保存，時間達50～60天水質不變。
在制備六環(huán)功能水的過程中，所采用的六方形介孔二氧化硅分子篩膜裝置是本發(fā)明的又一關鍵技術。它的具體制備過程包括，首先制備六方形介孔二氧化硅分子篩的材料-HMS，然后將HMS經(jīng)活化處理和燒結沉相重結晶過程，制備得到三維六方形介孔二氧化硅篩膜基體，最后將篩膜基體回流接枝引入特殊官能團γ-氯丙基三乙氧基硅烷，便可得到孔道直徑為5.0～6.5nm級的功能化六方形介孔二氧化硅復合篩膜。其中HMS制備，以正硅酸乙酯為原料，以正十八胺為模板劑，以三(1,3,5)乙基苯作為擴孔劑，并在乙醇和去離子水溶液中按摩爾比1∶0.29∶9.88∶30.2∶2配比混合后，在50～60℃溫度下反應2～5小時，然后放置24小時以上自然風干后便得到HMS；一般情況下，制取HMS過程采用三甲苯或庚烷作擴孔劑，雖然也可得到六方形介孔二氧化硅，但其晶形不夠穩(wěn)定，并在水中易粉化，難以應用；從制備六方形介孔二氧化硅材料-HMS過程中，清楚知道減弱模板劑的電荷分布，是制備成敗的關鍵環(huán)節(jié)。本發(fā)明采用了三乙基苯為擴孔劑，它恰恰能夠更大地轉移模板劑上的電荷，因此使合成的介孔分子篩上的孔道更具有六邊形規(guī)則，晶形更加穩(wěn)定；除此之外，物料的優(yōu)化配比也是制備成敗的關鍵因素之一；風干后固體產品HMS在稀硝酸溶液活化，并在250～400℃溫度下燒結進行沉相重結晶制成三維六方形介孔二氧化硅篩膜基體，最后將此篩膜基體和過量乙醇混合，在0.05～0.15摩爾的硝酸溶液中進行活化并用蒸餾水洗滌至濾液呈中性，再以甲苯為溶劑，與γ-氯丙基三乙氧基硅烷(TECPS)充分混合回流，在90～110℃溫度和0.1～0.2個大氣壓真空干燥1～2小時得到孔道直徑為5.0～6.5nm級的功能化六方形介孔二氧化硅復合篩膜CPS-HMS。這里采用稀硝酸進行活化是關鍵，通過活化可降低沉相重結晶溫度，否則燒結溫度一般需在650～750℃下進行。燒結溫度過高將減小篩膜比表面，不但會降低透水量，也會減弱篩膜的去除有機物能力，同時晶格也受到過多破壞，影響微觀力場。
下面以實施例對本發(fā)明作進一步說明實施例一在強烈攪拌下，將5g正硅酸乙酯加入到1.746g正十八胺的乙醇(32.731g)和去離子水(4g)溶液中，再加入7.785g三乙基苯，反應2h后，在室溫下擱置24h，抽濾所得的六方介孔二氧化硅在表面皿上空氣干燥。將空氣干燥后的固體產品放入乙醇中(配比為1g固體100ml熱乙醇)，在三口瓶中劇烈攪拌1h。抽濾，另用回流乙醇量1∶4的乙醇洗滌濾餅，得到的晶體在烘箱中80℃下烘干1h，此操作步驟重復三次，得到介孔分子篩基體(HMS)。將介孔分子篩基體HMS放入0.1N的HNO3溶液中酸洗，過濾，洗至中性。然后將其加入到γ-氯丙基三乙氧基硅烷(TECPS)溶液中，并用甲苯作溶劑，加熱回流反應8h。TECPS過量至少5倍。產物冷卻后抽濾，并在100℃、0.1個大氣壓下真空干燥1h，得到功能化的介孔分子篩CPS-HMS。將六方形介孔分子篩在0.1摩爾稀硝酸中活化，在300℃沉相重結晶制備得篩膜。進而制成膜組件。
實施例二室溫下將自來水以80L/h流率在常壓下通過三級膜管組件，每隔0.5米設置一超聲波發(fā)生器，以3℃/h速率冷卻至-10℃，低溫定型48小時后，再以3℃/h解凍至15℃，經(jīng)本工藝制備的水產品，其單位功能化膜管組件的水通量為80L/h。其真空遠紅外光譜(FIR)譜圖如圖1，根據(jù)Nature和Science研究水分子團文獻計算水分子個數(shù)，即忽略同位素影響，可得模擬公式lnI=2nln(xD2O)]]>，這里，I是(H2O/D2O)n的混合物與全氘水(D2O)n信號強度之比；
是D2O占全部水分子的摩爾分率；n為水分子個數(shù)。計算得水分子個數(shù)n=5.98±0.16，可信度95％。在正四面體和環(huán)狀水分子簇中氫鍵為線性氫鍵，其核磁共振的化學位移最大，約為3000cm-1至3600cm-1，而此水產品的NMR譜圖的氫原子化學位移δ約為3300cm-1，證明水分子簇只能為平面六環(huán)狀結構。此六環(huán)功能水室溫下保持一個月，其FIR譜峰略有變寬，峰強略有變小，如圖峰值為原來峰值的87％，即仍有87％的水品為六環(huán)水。
實施例三以日常飲用水作參照對比實驗，用六環(huán)功能水對雞胚肝臟培養(yǎng)7～8天后，出現(xiàn)了生長象征；用其浸泡過的小麥種，發(fā)芽能力提高了41％。實驗證明，六環(huán)功能水能夠激發(fā)動植物生命組織的生物活性，具有一定的生理健康功能。
本發(fā)明其理論依據(jù)比較深奧，但其操作方法是簡單的。采用的膜裝置的制備對具有制膜技術人員來說也是易于掌握的，依本發(fā)明之技術所制出的六環(huán)功能水具有良好生命活性和生理健康功效，是飲用水上等佳品。
權利要求
1．一種六環(huán)功能水的制備方法，是以自來水為水體，在無塵無菌環(huán)境中經(jīng)物理化學方法加工而成，其特征在于，主要過程包括有水在六方形介孔二氧化硅分子篩膜中的重組水分子團，之后在超聲波定頻諧振中保持微觀結構，然后經(jīng)通過冷凍低溫定型保持，再經(jīng)解凍后儲存水品。
2．在按權利要求1所說的制備方法中，所采用六方形介孔二氧化硅分子篩膜裝置，其膜的制備是以正硅酸乙酯為原料，以正十八胺為模板劑，加入擴孔劑，在乙醇和去離子水溶液中按一定摩爾比且在50～60℃溫度下首先制成六方形介孔二氧化硅材料-HMS，然后將HMS經(jīng)活化處理和燒結沉相重結晶過程得到三維六方形介孔二氧化硅篩膜基體，最后將此篩膜基體和過量乙醇混合，在0.05～0.15摩爾的硝酸溶液中進行活化并用蒸餾水洗滌至濾液呈中性，再以甲苯為溶劑，與γ-氯丙基三乙氧基硅烷(TECPS)充分混合回流，在90～110℃溫度和0.1～0.2個大氣壓真空干燥1～2小時得到孔道直徑為5.0～6.5nm級的功能化六方形介孔二氧化硅復合篩膜CPS-HMS，其特征在于制備HMS過程采用三(1,3,5)乙基苯為擴孔劑，參加反應物Si(OC2H5)4、C18H37NH2、C2H5OH、H2O、(CH3)3C6H3，它們最優(yōu)摩爾配比為1∶0.29∶9.88∶30.2∶2；HMS的活化劑采用稀硝酸，并在250～400℃溫度下燒結進行沉相重結晶。
3．按權利要求1所說的六環(huán)功能水的制備方法，在各個操作過程中采用的操作條件，其特征在于，使用的超聲波波長為300～400cm-1；冷凍速率為2～5℃/h，并冷至-15～-20℃，在此溫度下保持定型時間達45～55小時，解凍速率為2～5℃/h，且在15～20℃環(huán)境中進行，水品在10～25℃環(huán)境中儲存。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種六環(huán)功能水的制備方法及裝置。該方法是以自來水為水體,經(jīng)過分子篩膜重組水分子團,超聲諧振保持微觀結構,再通過冷凍、定形保持和解凍過程制取。方法中采用的六方介孔二氧化硅分子篩膜裝置是關鍵設備。其膜制備包括分子篩材料HMS的制備,篩膜基體的燒結沉相重結晶過程及功能化分子篩復合材料CPS－HMS的制備,最終得到孔道直徑為5.0～6.5nm級六方形介孔二氧化硅分子篩膜。本發(fā)明制取的六環(huán)功能水具有良好的生命活性和生理健康功效。
文檔編號C02F1/34GK1214322SQ98120409
公開日1999年4月21日 申請日期1998年10月14日 優(yōu)先權日1998年10月14日
發(fā)明者王林雙, 吳鋒, 王榕樹 申請人:天津大學, 國家高技術新型儲能材料工程開發(fā)中心