帶電微粒子水和形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物的環境的方法
2023-09-19 19:39:00
專利名稱：帶電微粒子水和形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物的環境的方法
技術領域：
本發明涉及帶電微粒子水(charged fine particulate water)和形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物(mist)的環境的方法。
背景技術：
日本專利早期公開[kokai]2001-170514披露了將通過向水施加電荷而生成的帶電微粒子水用作有效的塵粒收集劑，因為該帶電微粒子水在空氣中具有高吸附性能。
另一方面，已知自由基是活性化學物質，並且由於其高的化學活性，它們在將惡臭成分分解/除臭方面表現優異。但是，由於自由基在空氣中不穩定，因此壽命短，常常在與惡臭成分反應之前就消失了。因此，難以充分獲得自由基的效用。
此外，日本專利早期公開[kokai]53-141167或2001-96190披露了藉助含自由基的微粒子水清潔空氣。但是，由於所述帶電微粒子水具有微米級粒度，很難在空間分散。因此，將在房間中隔開一定距離的窗簾、布和牆壁表面粘附的惡臭成分/細菌分解/除臭的效果仍是不夠的。
發明內容
考慮到上述問題，本發明主要涉及的是提供帶電微粒子水，其特徵為具有納米粒度並含有自由基。
根據本發明的帶電微粒子水，通過在具有納米粒度的帶電微粒子水中包含自由基，化學不穩定的自由基的壽命得到提高，而且帶電微粒子水在房間中的擴散(diffusion)性質得到改善。因此，可以有效去除房間中粘附在窗簾、布和牆壁表面的惡臭成分的臭味。此外，可以使細菌、黴菌、病毒和過敏原如花粉有效失活，以及改善皮膚的保溼性(moisture retention)。
本發明還涉及的是提供形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物的環境的方法。該方法包括以下步驟
提供一對電極，設置供水單元以在所述電極之間供應水，和設置施加電壓單元以在電極之間施加電壓；通過在電極之間施加高電壓，同時藉助供水單元在電極之間供應水，產生帶電微粒子水的霧狀物，該帶電微粒子水的粒度為3-100nm，且含有自由基；將霧狀物提供給所需空間，以在所需空間中形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物的環境。
根據該方法，可以穩定地獲得其中分散了相對均勻的3-100nm粒度的帶電微粒子水的空間。
從下面描述的用於實施本發明的最佳方式中，本發明的其它特徵和由此帶來的優勢將變得更加顯而易見。
圖1A和1B是產生本發明的帶電微粒子水的裝置的立體透視圖和頂視圖；圖2是說明產生帶電微粒子水的原理的示意圖；圖3A和3B是在水輸送元件中電荷運動的說明性示意圖；圖4是帶電微粒子水的粒度分布的曲線圖；圖5是帶電微粒子水的顆粒數隨時間變化的曲線圖；圖6是在帶電微粒子水中的自由基的電子自旋共振(ESR)譜圖；圖7是帶電微粒子水的乙醛分解能力的測量結果圖；圖8是帶電微粒子水的質譜圖；圖9是評估帶電微粒子水對杉木花粉抗原(cedar pollen antigen)失活能力的ELISA測試的測量結果圖；圖10是將皮膚角質層暴露在冷水中，然後再暴露在帶電微粒子水中，皮膚角質層電導率的變化曲線圖；以及圖11是將手指暴露在冷水中，然後再暴露在帶電微粒子水中，手指溫度變化的曲線圖。
具體實施例方式
參考附圖、根據優選實施方案來說明本發明的帶電微粒子水及其形成萬法。
本實施方案的帶電微粒子水可以通過以下步驟得到準備一對電極，設置供水單元以在電極之間供應水，和設置施加電壓單元以在電極之間施加電壓，以及在電極之間施加高電壓，同時藉助供水單元在電極之間供應水。具體地，如圖1A所示，優選使用靜電噴霧器，包括水罐1，多個水輸送元件2，用於支撐水輸送元件2並向水施加電壓的第一電極3，設置在面對水輸送元件2頂端的位置的第二電極4，以及在第一和第二電極(3，4)之間施加高電壓的施加電壓單元5，所述水輸送元件2的每一個構造成具有底端的棒狀，該底端可以與水罐1中的水接觸。
用作供水裝置的水輸送元件2由多孔材料製成，能夠藉助毛細現象將水罐1中的水從底端吸取到頂端。為了藉助毛細現象穩定地輸送水並產生具有均勻粒度的帶電微粒子水，優選使用多孔陶瓷材料，特別是孔隙率為10-60％、晶粒度(grain size)為1-100μm的多孔陶瓷材料。或者，可以使用氈等。水輸送元件2的頂端為針狀。例如，優選針尾(needle end)的直徑為Φ0.5mm或更小。此外，優選水輸送元件2在圓的圓周(circumference of a circle)上彼此均勻隔開，該圓的中心對應於第一電極3的中心，並且水輸送元件2由第一電極3支撐，以便在需要的高度從第一電極3的頂面凸出(project)。在圖的靜電噴霧器中，在正六邊形的頂角(vertices)處布置了六個水輸送元件2。
在中心具有開孔40的第二電極4通過管狀元件6與第一電極3連接，該管狀元件6由電絕緣材料製成。因此，在管狀元件6的內部空間產生帶電微粒子水，然後通過開孔40供應到外面。在本實施方案中，如圖1B所示，開孔40的形狀由具有圓心Q和半徑R1的大圓形開孔C1和各自具有圓心P和半徑R2的小圓形開孔C2拼合而成。在圖中，小圓形開孔C2的數目為6。小圓形開孔C2的圓心P均勻布置在一個與大圓形開孔C1同心的圓的圓周上。每個水輸送元件2的針尾位於小圓形開孔C2的圓心P。因此，面對著各個圓形開孔C2的第二電極4的邊緣部分41與相應的水輸送元件2的針尾隔開的距離為R2。第一和第二電極(3，4)兩者都可以由金屬材料如不鏽鋼或含有導電材料(例如碳)的合成樹脂製成。
圖2示出了藉助該靜電噴霧器產生帶電微粒子水的原理。藉助毛細現象，水罐1中的水從多孔材料制的水輸送元件2的底端輸送到針尾。當使用水作為帶電微粒子水的原料時，例如，可以使用流動水、地下水、電解水、pH調節水、礦泉水、含有有價值成分(如維生素和胺基酸)的水，或含有芳香油、芳香物質或除臭劑的水。在藉助毛細現象向水輸送元件2的頂端供應水的狀態下，通過電壓施加單元5在第一電極3和第二電極4之間施加高電壓，輸送到水輸送元件2頂端的水經歷瑞利分裂(Rayleigh fission)，從而獲得霧化。在本實施方案中，當施加在第一電極3和第二電極4之間的電場強度為700-1200V/mm時，可以獲得具有3-100nm納米粒度的並含有自由基(如羥基自由基和超氧化物)的帶電微粒子水的霧狀物。
通過控制用作水輸送元件2的多孔材料的類型、水輸送元件2的形狀、水輸送元件2和第二電極4之間的距離、施加在第一和第二電極(3，4)之間的電壓值或電流值，可以獲得具有所需納米粒度的帶電微粒子水。例如，當施加700-1200V/mm的電場強度時，主要產生粒度為3-20nm的霧狀物和粒度為30-50nm的霧狀物。另一方面，當施加900V/mm的電場強度時，可以獲得具有16-20nm均勻粒度的帶電微粒子水的霧狀物。
如此獲得的帶電微粒子水的特徵為具有納米粒度。在本發明的說明書中，「納米」大小指粒度不大於1微米。因為粒度大於1微米，擴散性質會劣化。結果，基本上不能在所需空間的每個角落中均勻地分散帶電微粒子水的霧狀物。此外，由於在帶電微粒子水中含有的活性物質和電荷的數量減少，難以充分獲得除臭效果和使細菌和過敏原失活的效果。
本發明的帶電微粒子水更優選的粒度為3-100nm(電遷移率為0.1-0.001cm2/vsec)。當粒度小於3nm時，由於在帶電微粒子水中含有的自由基壽命減少，難以在所需空間均勻獲得帶電微粒子水的效果。特別是，當將帶電微粒子水擴散到其中由障礙物的空間時，難以在空間的每個角落散布帶電微粒子水。另一方面，當粒度超過100nm時，帶電微粒子水很難滲入皮膚角質層的間隙中，認為該間隙大約為70-100nm。結果，將難以改善皮膚的保溼性。
其次，本發明的帶電微粒子水的特徵在於含有自由基。自由基的類型沒有限制。例如，優選自由基包括羥基自由基、超氧化物、一氧化氮自由基和氧自由基。這些自由基具有高反應性，無需使用原料來產生自由基，因為可以從空氣中的氧和水蒸汽中產生自由基。因此，可以穩定地獲得含有自由基的帶電微粒子水。
本發明的帶電微粒子水的電性(polarity)沒有限制。當帶負電時，它可以提供應力弛豫效應，該效應也稱為負離子效應，以及除臭效應。此外，當第一電極3是負極且第二電極4是地線(ground electrode)時，通過第二電極4的開孔40可以將帶負電的微粒子水的霧狀物提供至所需空間。
除了自由基之外，帶電微粒子水可以含有酸性活性物質。此時，可以更有效地使典型的惡臭成分(即，鹼性惡臭成分如胺類化合物)除臭。酸性活性物質的類型沒有限制。例如，由於氮的氧化物或有機酸是藉助空氣中的氮氣和二氧化碳產生的，因此可以穩定地獲得含有酸性活性物質的帶電微粒子水而無需為此加入原料。
此外，帶電微粒子水可以含有硝酸、水合硝酸、亞硝酸和水合亞硝酸中的至少一種。此時，通過使帶電微粒子水保持在微酸條件下，可以容易地獲得使帶電微粒子水滲入皮膚的效果和保溼效果，以及使鹼性惡臭成分除臭的效果。
為了形成其中在所需空間分散有本發明的帶電微粒子水的霧狀物的環境，優選在0.1g/hr或更高，特別在0.5g/hr或更高的比率(proportion)下供應所述霧狀物，該帶電微粒子水的霧狀物是通過上述裝置產生的。霧狀物的供給量可以根據靜電噴霧器的水罐1中減少的水量測量。
另外，當第一電極3接地，並向第二電極4施加負電壓以產生帶電微粒子水時，優選水輸送元件2由具有等電點的材料製成，由水罐1中提供的水的pH值，其帶有負電。也就是說，當作為帶電微粒子水的原料水中含有礦物質成分如Ca和Mg時，藉助毛細現象它們被輸送至水輸送元件2的頂端，然後與空氣中的二氧化碳反應，從而在水輸送元件2的頂端生成例如CaCO3和MgO沉澱。這些沉澱妨礙靜電噴霧，即妨礙產生帶電微粒子水。
考慮到所用水的pH值，通過選擇多孔陶瓷材料，藉助該多孔材料的毛細管中產生的電滲流可以防止分散在水中的Mg離子和Ca離子流向水輸送元件2的針尾。
圖3A是當使用在等電點的pH值低於所用水的pH值的材料製成的水輸送元件2產生帶負電的微粒子水時，所引起的電滲流的示意圖。例如，當水輸送元件2由多孔矽石製成時，由於多孔矽石和水之間的接觸，甲矽烷醇基被疏離(alienated)出來，因此多孔矽石的毛細管的內壁帶負電，在表面形成正電荷束縛(immobile)層。此外，在該束縛層上形成正電荷擴散層，從而得到雙電層。在圖中，「S」表示該雙電層中的滑動面，「Z」表示ζ(zeta)電位。在該情況下，例如，當施加電場使得第一電極3為負極而第二電極4為正極時，產生的電滲流指向負極，如圖3A的箭頭所示，從而包含在水中的Mg離子和Ca離子以遠離水輸送元件2針尾的方向移動。因此，可以藉助毛細現象將水輸送至水輸送元件2的針尾，同時防止Mg離子和Ca離子向針尾輸送。
圖3B是當使用在等電點的pH值高於所用水的pH值的材料製成的水輸送元件2產生帶負電的微粒子水時，所引起的電滲流的示意圖。例如，當水輸送元件2由多孔氧化鎂製成時，由於多孔氧化鎂和水之間的接觸，多孔氧化鎂的毛細管的內壁帶正電，在表面形成負電荷束縛層。此外，在該束縛層上形成負電荷擴散層，從而得到雙電層。在該情況下，例如，當施加電場使得第一電極3為正極而第二電極4為地線時，產生的電滲流指向正極，如圖3B的箭頭所示，從而包含在水中的Mg離子和Ca離子以遠離水輸送元件2針尾的方向移動。因此，可以藉助毛細現象將水輸送至水輸送元件2的針尾，同時防止Mg離子和Ca離子向針尾輸送。
根據上述原因，當所用水的pH值大於10時，使用在等電點的pH值不大於10的陶瓷材料。當水的pH值為7-10時，使用在等電點的pH值小於7的陶瓷材料。表1示出了幾種多孔陶瓷材料在等電點的pH值。
表1
實施例通過使用圖1A所示的裝置產生帶電微粒子水的霧狀物。作為產生帶電微粒子水的條件，第一電極3是負電極，水輸送元件2由孔隙率為40％、晶粒度為3μm的多孔材料製成，水輸送元件針尾的直徑為Φ0.25mm。在電極間施加的電場強度為900V/mm。通過測量水罐1中減少的水量，得到在本實施例中帶電微粒子水的生成量為0.5g/hr。此外，由於第二電極4是地線，由開孔40提供的帶電微粒子水的電性為負。
藉助微分電遷移率分析儀(DMA/Wyckoff.Co.，Ltd)通過測量電遷移率，然後根據Stokes定律將電遷移率轉變為粒度，來確定帶電微粒子水的粒度。此時，可以精確測量帶電微粒子水的粒度，並根據確定的粒度以反饋方式控制靜電噴霧器的操作條件。結果，可以產生具有所需納米粒度的帶電微粒子水。例如，在測量帶電微粒子水的電遷移率並根據Stokes定律將電遷移率轉變為粒度而估算出帶電微粒子水的粒度之後，為了得到所需粒度的帶電微粒子水，根據估算的粒度值精細控制欲施加至電極上的電場強度。
圖4示出了粒度的測量結果。在圖4中，「A」表示本實施例的帶電微粒子水的粒度分布。從結果中可以知道，本實施例的帶電微粒子水在20nm附近的峰周圍具有10-30nm相對較窄的分布。在圖4中，「B」表示藉助電暈放電電極產生的負離子的粒度分布。結果表明粒度接近1nm的粒子(分子)數遠多於粒度為10-30nm的粒子(分子)數。此外，圖5顯示了圖4中的帶電微粒子水「A」的粒子數和負離子「B」的粒子數隨時間的變化。從該圖中可以知道粒度為10-30nm的帶電微粒子水「A」的壽命比負離子「B」的壽命高出4倍或4倍以上。
通過將帶電微粒子水引入含有自旋捕獲劑的溶液中以穩定自由基，然後使用電子自旋共振(ESR)光譜法，可以測量包含在帶電微粒子水中的自由基。圖6示出了通過ESR光譜法測量帶電微粒子水「A」中的自由基的結果。在圖6中，「P1」是自由基的檢測峰，「PB」是作為參照物的氧化錳的峰。從這些結果可以證實本實施例的帶電微粒子水帶負電，粒度為10-30nm，並且含有自由基。
作為實施例，下面介紹含有自由基的帶電微粒子水的除臭效果。該除臭效果是通過惡臭氣體和帶電微粒子水中的自由基之間的化學反應獲得的。以下是這些自由基和以乙醛為代表的各種惡臭氣體之間的反應式。「·OH」表示羥基自由基。
乙醛氨乙酸甲烷氣體一氧化碳一氧化氮甲醛圖7顯示了用本實施例的帶電微粒子水在內部體積為3升的小室內處理10ppm乙醛1小時的結果，在圖7中，「A」表示本實施例的帶電微粒子水的除臭效果。在該情況下，通過60分鐘的處理，乙醛濃度下降到開始測量時測得的乙醛濃度的40％。在圖7中，「B」表示使用藉助電暈放電電極產生的粒度為1nm的負離子進行處理的情況，「C」表示不進行處理的情況。
此外，將黴菌暴露於本實施例的帶電微粒子水。在該情況下，暴露60分鐘之後黴菌的存活率變為零。認為OH自由基具有分解該黴菌的黴菌線(fungal-thread)的作用。
通過漂移管離子遷移率/質譜法測量包含在帶電微粒子水中的酸性活性物質。結果示於圖8和表2中。也可以通過將該帶電微粒子水加入純水中，然後使用離子色譜法來測量帶電微粒子水中含有的酸性活性物質。
表2
測量結果表明，本實施例的帶電微粒子水含有不同類型的酸性活性物質，例如氮氧化物和有機酸，認為它們是通過空氣中的氮氣和二氧化碳形成的。
另外，圖9顯示了將杉木花粉敏感源(allergy)中提取的Cryj1抗原暴露在本實施例的帶電微粒子水中進行ELISA測試的結果。10分鐘過去之後，抗原量下降至初始狀態測量的抗原量(空白)的一半。在該測試中，當粒度小於3nm或大於50nm時，不能獲得如此明顯的抗原失活效果。此外，具有3-50nm極細粒度的帶電微粒子水對空氣的溼度控制幾乎沒有影響。
用以下方法評估本實施例的帶電微粒子水的抗病毒效果在圓筒形容器(Φ55×200mm)中製備，在該容器中分散了圖1的靜電噴霧器產生的帶電微粒子水，將病毒溶液從圓筒形容器的一個開口端噴灑到該容器中，藉助塵埃測定器(impinger)從圓筒形容器的相對開口端收集病毒，然後使用蝕斑法(plaque method)評估。結果，在收集的溶液中菌斑的數量遠小於簡單地將病毒溶液暴露在負離子中的情況。
另外，將Escherichia coli O157暴露在本實施例的帶電微粒子水中。30分鐘過去之後，失活率達到100％。認為在帶電微粒子水中的活性物質使該細菌表面的蛋白質改性，從而阻止了細菌的繁殖。
圖10示出了在使皮膚直接暴露在本實施例的帶電微粒子水之後，皮膚中水分含量的評估結果。在圖10中，「A」表示使用帶電微粒子水時的情況，「B」表示使用藉助電暈放電電極產生的粒度為1nm的負離子時的情況。從這些結果中可以知道，使用本實施例的帶電微粒子水，可以長時間保持保溼性。
將用冷水冷卻過的手指暴露在本實施例帶負電的微粒子水後，測量指體溫度隨時間的改變。結果示於圖11中。在圖11中，「A」表示使用帶電微粒子水時的情況，「B」表示使用粒度為1nm的負離子時的情況，以及「C」表示不使用帶電微粒子水或負離子時的情況。從這些結果可以知道，與使用負離子的情況相比，使用帶電微粒子水對於促進升高體溫更加有效。
上述結果證實，具有納米粒度的帶電微粒子水在除臭、使產生花粉過敏原的物質失活、使空氣中的病毒或細菌失活、除去空氣中的黴菌和防黴方面表現優異。
工業實用性如上所述，由於所述帶電微粒子水含有自由基並具有納米粒度，與通常具有微米粒度的帶電微粒子水相比，表現出顯著提高的空間擴散性能。因此，所述帶電微粒子水可以進入非常狹窄的空間，從而自由基有效地使惡臭成分分解/除臭，使細菌、黴菌、病毒和過敏原如花粉失活。
此外，根據本發明，可以形成其中均勻分散了含有自由基的帶電微粒子水的室內環境，這是使用具有微米粒度的短壽命帶電粒子所不能實現的。因此，本發明對於提供舒適的居住和工作空間非常有用。
權利要求
1.帶電微粒子水，其具有納米粒度並含有自由基。
2.權利要求1所述的帶電微粒子水，其粒度為3-100nm。
3.權利要求1所述的帶電微粒子水，其含有羥基自由基、超氧化物、一氧化氮自由基和氧自由基中的至少一種作為所述自由基。
4.權利要求1所述的帶電微粒子水，其含有酸性化學物質。
5.權利要求4所述的帶電微粒子水，其含有氮氧化物或有機酸。
6.權利要求1所述的帶電微粒子水，其含有硝酸、水合硝酸、亞硝酸和水合亞硝酸中的至少一種。
7.權利要求1所述的帶電微粒子水，其中帶電微粒子水帶有負電。
8.一種形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物的環境的方法，所述方法包括以下步驟提供一對電極，設置供水單元以在所述電極之間供應水，和設置施加電壓單元以在所述電極之間施加電壓；通過在所述電極之間施加高電壓，同時藉助所述供水單元在所述電極之間供應水，產生所述帶電微粒子水的霧狀物，該帶電微粒子水的粒度為3-100nm，且含有自由基；以及將所述霧狀物提供給所需空間，以在所需空間中形成其中分散有帶電微粒子水的霧狀物的環境。
全文摘要
本發明披露了含有自由基(如羥基自由基或超氧化物)的帶電水粒，其粒徑為納米大小，例如，粒徑為3－100nm。該帶電水粒是通過在一對電極之間施加強度為700－1,200V/mm的電場，同時在電極之間提供水而製得的。通過在室內空間散布如此得到的帶電水粒，可以有效除去室內空間中的惡臭成分/細菌。
文檔編號B03C3/00GK1774301SQ20048000986
公開日2006年5月17日 申請日期2004年5月26日 優先權日2003年5月27日
發明者須田洋, 松井康訓, 巖本成正, 山內俊幸, 小豆澤茂和, 中田隆行, 田中友規, 山口友宏 申請人:松下電工株式會社