РЕГУЛЯТОР pН, УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ РЕГУЛЯТОР pН, И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РН
PH REGULATOR, DEVICE CONTAINING pH REGULATOR, AND METHOD OF REGULATING pH

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к регулированию свойств хозяйственно-бытовой воды, в частности к регулятору pH и к бытовому оборудованию, содержащему регулятор pH.
Предпосылки создания изобретения
2
2
-
+
В течение последних десятилетий осуществляются интенсивные исследования, чтобы найти гибкий, но управляемый способ регулирования значения pH воды. Обычно используемые способы регулирования pH воды в основном классифицируются на три категории: основанные на химических добавках, основанные на ионообменных смолах (IEX) и основанные на электролизе. При использовании любого из первых двух способов пользователям необходимо часто заменять химические добавки или смолы из-за их низкой емкости, и они не способны точно управлять значением pH. Способ на основе электролиза применяет электричество для разложения воды на O и H, оставляя OH и H в воде, изменяя, таким образом, значение pH, смотри выражения (1) и (2).
+
-
2
2H+2e→H (Катод) (1)
-
-
2
2
4OH-4e→2HO+O (Анод) (2)
Главная проблема, с которой сталкивается способ на основе электролиза, представляет собой побочные продукты, например сточные воды. Например, хотя пользователю требуется только кислая вода в определенном количестве, будет производиться такое же количество щелочной воды, и наоборот.
Сущность изобретения
Следовательно, было бы преимущественным предложить новый регулятор pH и способ регулирования pH водного раствора электролита, такого как вода, который способен к однонаправленному регулированию pH, не производя сточных вод.
Кроме того, было бы преимущественным, если бы регулятор pH был возобновляемым с тем, чтобы освободить пользователей от неудобного обслуживания.
Кроме того, было бы преимущественным, если бы регулятор рН мог обрабатывать настолько много воды, насколько это возможно, до того как потребуется регенерация.
Кроме того, было бы преимущественным, если бы регулятор рН мог использоваться не только для уменьшения или увеличения значения рН воды, но в обе стороны.
-
+
+
-
В соответствии с одним из вариантов осуществления описывается регулятор рН, предназначенный для регулирования значения рН водного раствора электролита, при этом регулятор рН содержит электролизную ячейку, включающую в себя анод и катод: катод содержит псевдоемкостной материал, при этом при работе регулятора рН псевдоемкостной материал получает электроны от анода и адсорбирует катионы из водного раствора электролита при электрохимической реакции с упомянутыми катионами, ОН в водном растворе электролита расходуются (потребляются), теряя электроны, оставляя Н в водном растворе электролита; или анод содержит псевдоемкостной материал, и при этом при работе регулятора рН псевдоемкостной материал теряет электроны и адсорбирует анионы из водного раствора электролита при электрохимической реакции с упомянутыми анионами, Н в водном растворе электролита расходуются на катоде, получая электроны, оставляя ОН в водном растворе электролита.
Регулятор рН дополнительно содержит контроллер для управления процессом электролиза в электролизной ячейке.
Здесь и далее в качестве примера водного раствора электролита берется водопроводная вода. Необходимо, однако, принимать во внимание, что и другие водные растворы электролитов, такие как дистиллированная вода, солевые водные растворы или любой другой водный раствор, пригодные для вариантов осуществления данного изобретения, также могут использоваться для цели, описанной здесь. Например, как будет описано дополнительно, вода, содержащая очень ограниченное количество ионов, такая как дистиллированная вода, по-прежнему представляет собой пригодные для работы водные растворы электролитов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления данного изобретения.
-
+
2
2
В одном варианте осуществления псевдоемкостной материал может содержать оксид переходного металла (TMO). В случае когда TMO содержится в катоде, при работе регулятора pH осуществляется псевдофарадеевская реакция на катоде, при этом состояние окисления переходного металла понижается вместе с поглощением катионов в решетке TMO. На аноде или вблизи его OH теряют электроны (т.е. окисляются) с получением HO и O (смотри выражение (2)). Если упоминать реакции в выражениях (1) и (2) как симметричный электролиз, все рассмотренное выше в этом разделе будет упоминаться как асимметричный электролиз, который становится возможным посредством включения TMO в электрод. Следовательно, H не расходуются, как в выражении (1), но остаются в воде, и значение pH раствора понижается соответствующим образом.
+
-
В другом варианте осуществления в случае, когда TMO содержится в аноде, при работе регулятора pH псевдофарадеевская реакция имеет место на аноде, при этом состояние окисления переходного металла повышается. Анод теряет электроны, и анионы в растворе адсорбируются TMO. H в воде расходуются, получая электроны на катоде (смотри выражение (1)). OH в воде не расходуются на аноде согласно выражению (2), но остаются в воде, и значение pH раствора соответствующим образом повышается.
+
2+
2+
+
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения водный раствор электролита представляет собой водопроводную воду. При включении в состав душевой установки, детской ванночки, распылителя (например, портативного), санитарно-гигиенической установки или любого другого устройства, которое может иметь однонаправленный регулятор pH, этот регулятор pH может обрабатывать водопроводную воду для приготовления воды с отрегулированным значением pH. Вода с отрегулированным значением pH представляет собой, в одном варианте осуществления, слабокислую воду, которая была бы преимущественной для ухода за кожей, в особенности для восстановления барьерной функции кожи детей, как будет дополнительно описано ниже. Любой ион или любое сочетание Na, Mg, Ca и K, которое существует в водопроводной воде, может представлять собой вариант осуществления катионов, адсорбируемых TMO.
В одном варианте осуществления регулятор pH дополнительно содержит первый узел, предназначенный для получения информации, относящейся к значению pH воды, и контроллер предназначен для управления процессом электролиза в соответствии с полученной информацией с тем, чтобы регулировать значение pH воды до целевого значения pH.
Первый узел может быть сформирован как датчик pH или датчик жесткости, который предоставляет контроллеру значение pH воды, например исходное значение pH и/или мгновенное значение pH во время электролиза. В случае когда водопроводная вода втекает в регулятор pH и вытекает с отрегулированным значением pH при данном расходе и при данном исходном значении pH воды (как правило, водопроводная вода имеет стабильный во времени pH), контроллер может доводить значение pH воды до целевого значения pH посредством управления током или напряжением, прикладываемым к паре электродов. Если воду заливают/инжектируют в контейнер и она содержится в контейнере в относительно статичном состоянии до тех пор, пока регулирование pH не закончится, тогда, при заданном количестве и исходном значении pH воды, содержащейся в контейнере, целевое значение pH может достигаться посредством управления одним или несколькими из следующих параметров: времени (продолжительности) электролиза, тока или напряжения, прилагаемого к паре электродов, или любых других параметров, пригодных для влияния на электролиз.
В одном варианте осуществления полученная информация, относящаяся к значению pH воды, может содержать входной сигнал от пользователя, показывающий исходное значение pH воды. Первый узел может представлять собой интерфейс пользователя, такой как клавиатура, сенсорный экран, микрофон, видеокамера или любой другой элемент, который является пригодным для приема входного сигнала от пользователя. Будет очевидно, что входной сигнал от пользователя может представлять собой точное значение pH, например, 7,5, или другую информацию, на основе которой можно получить значение pH поступающей воды для регулятора pH. Например, пользователь может вводить тип воды, например водопроводную воду, затем первый узел определяет исходное значение pH поступающей воды на основе исторических данных, например эмпирическое значение для значения pH водопроводной воды. Пользователь может дополнительно вводить географическое положение в качестве дополнительного входного сигнала для регулятора pH, тем самым регулятор pH может определять значение pH поступающей воды на основе эмпирического значения pH водопроводной воды в этой конкретной области, показанной с помощью этого положения.
Следовательно, постольку, поскольку пользователь знает значение pH поступающей воды или значение pH поступающей воды является стабильным во времени, регулятор pH способен получать исходное значение pH поступающей воды, не имея детектора pH или чего-либо подобного. Это может быть полезным в случае, когда детектор pH не является предпочтительным по соображениям стоимости или компактности.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения TMO покрывают подложку или допируют подложку. Подложка может представлять собой металл или оксид металла, например Ti или Ti MMO (смешанный оксид металлов), нержавеющую сталь, углеродные материалы (например, углеродную пластинку, углеродную бумагу), материалы на основе кремния (например, стеклообразный материал на основе углерода).
2
2
2
2
2
В некоторых случаях нанесение в виде покрытия TMO, такого как MnO, на подложку электрода может быть преимущественным для электролиза. Роль, которую MnO играет в электроде, заключается в разрушении баланса между нормальными реакциями электролиза воды посредством процесса зарядки/разрядки, другими словами, MnO имеет целью асимметричный электролиз для изменения значения pH. Постольку, поскольку на электроде имеется MnO, значение pH раствора будет теоретически изменяться во время процесса электролиза. Реальные характеристики регулирования pH могут оптимизироваться посредством включения соответствующего количества MnO.
В одном варианте осуществления TMO осуществляет следующую реакцию,
+
-
-
+
TMO+A+eTMOA(3),
+
+
+
+
2+
2+
2+
-
где TMO обозначает оксид переходного металла в электроде, A обозначает адсорбированные катионы и не ограничивается одновалентными катионами, такими как H, Na или K, но может включать также Mg, Ca, Fe или любые другие катионы в воде. e обозначает электроны, которые TMO получает из анода.
+
-
Альтернативы TMO включают в себя сопряженные проводящие полимеры (CCP). CCP являются либо p-допированными, либо n-допированным для придания им электропроводности и функции в качестве фарадеевских конденсаторов. CCP могут заряжаться для получения электронов, когда они используются в катоде, и реакция по выражению (2) на катоде будет по меньшей мере частично замедляться, и, следовательно, Hаккумулируется. Или CCP могут разряжаться, теряя электроны, при использовании в аноде, и реакция по выражению (1) на аноде будет по меньшей мере частично замедляться, и, следовательно, OH аккумулируется. CCP имеет более высокую удельную емкость, чем материал с емкостью электрического двойного слоя (EDLC), это обозначает, что CCP могут заряжаться и разряжаться посредством большего количества электричества, что приводит к большей способности регулирования pH.
Примеры CCP включают в себя полипиррол (PPy). PPy показывает относительно высокие емкости и может оставаться стабильным после долговременного использования.
В другом предпочтительном варианте осуществления CCP может представлять собой допированный углеродом PPy. В этом варианте осуществления углерод, такой как графен, допируется с формированием каркаса, содержащего PPy, и образуется модифицированный графемом PPy (GmPPy). Преимущества этого варианта осуществления могут включать:
- Улучшенную удельную емкость: сетка, формируемая графеном, могла бы помочь в разделении PPy, делая большую часть PPy доступной для ионов в растворе. Следовательно, большая область PPy контактирует с большим числом ионов для получения большего числа реакций переноса фарадеевских зарядов. Таким путем, большее количество электричества может высвобождаться или храниться с помощью реакций переноса фарадеевских зарядов, и таким образом, по сравнению с чистым PPy, этот GmPPy показывает более высокую удельную емкость.
- Улучшенную электрохимическую стабильность: графен в электроде формирует каркасные структуры, в которых PPy не может формировать взаимосвязанную сеть внутри объемной матрицы электрода. В результате эффект набухания и усадки PPy в течение циклов зарядки-разрядки, который, как считается, является причиной нестабильности электрода из PPy, может быть значительно ослаблен, приводя к улучшенной электрохимической стабильности.
- Улучшенную удельную электропроводность: добавление графена с высокой электропроводностью могло бы эффективно улучшить удельную электропроводность полученных в результате электродов из GmPPy.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый допированный углеродом PPy осаждается на пористой Ti подложке упомянутого катода или упомянутого анода.
В этом варианте осуществления пористая конструкция электрода увеличивает площадь контакта между PPy и водным раствором электролита, тем самым улучшая рабочие характеристики регулирования pH.
Предпочтительно, в электролизной ячейке можно осуществлять взаимозамену электродов под управлением контроллера. Посредством взаимозамены электродов может быть достигнуто следующее:
регенерация электрода, содержащего псевдоемкостной материал;
В качестве суперконденсатора, хотя электрод, содержащий псевдоемкостной материал, имеет высокую емкость, его самая высокая емкость может по-прежнему быть достигнута, если его используют только для регулирования pH в одном единственном направлении, например, только для увеличения или только для уменьшения значения pH. Некоторое количество воды может быть добавлено в электролизную ячейку, чтобы сделать возможным регенерацию. В одном варианте осуществления вода на выходе могла бы иметь значение pH выше 7 и могла бы использоваться в конкретных применениях, которые требуют щелочной окружающей среды, или, как вариант, она также может обрабатываться как сточная вода;
однонаправленное регулирование pH в обратном направлении, т.е. увеличение pH после уменьшения pH.
Доказано, что как щелочная вода, так и кислая вода имеет свое место в ежедневной жизни людей или промышленных применениях. Следовательно, было бы многообещающим иметь электрод из псевдоемкостного материала, который по меньшей мере частично заряжается во время приготовления кислой воды для использования при приготовлении щелочной воды, или наоборот. В одном варианте осуществления щелочная вода может использоваться для целей гигиены, приготовления пищи, промывки пищевых продуктов и тому подобного, что в то же время представляет собой регенерацию электрода.
В одном варианте осуществления упомянутым выше регулятором pH снабжают устройство для приготовления воды с отрегулированным значением pH. В дополнение к этому, устройство дополнительно содержит второй узел, который может быть осуществлен многими путями, при необходимости. В некоторых вариантах осуществления второй узел может содержать выпускное отверстие и трубку, соединяющую выпускное отверстие с регулятором pH, который обеспечивает воду с отрегулированным значением pH.
При введении регулятора pH в различное бытовое оборудование могут быть предложены регуляторы pH для удовлетворения различных потребностей. Если взять купание детей в качестве примера, поскольку кислая окружающая среда лучше, чем щелочная для восстановления барьерной функции кожи детей, устройство может быть сформировано в детской ванночке (дополнительно проиллюстрирована и описана в Подробном описании). Детская ванночка имеет вход для воды для приема водопроводной воды и соединена с регулятором pH, при этом вода с отрегулированным значением pH может подаваться в резервуар через первый выход для воды. В дополнение к этому детская ванночка может снабжаться вторым выходом для воды для осушения ванны. В других вариантах осуществления устройство может быть также сформировано в санитарно-гигиенической установке. Конкретно, устройство может содержать бак для воды или вводное отверстие для приема водопроводной воды, регулятор pH, трубу и выпускное отверстие для распыления воды, при этом устройство прикрепляется к санитарно-гигиенической установке, такому как смывной туалет. В одном варианте осуществления устройство может быть сформировано в сиденье унитаза для помывки после совершения туалета, причем распыляемая вода является слабокислой. В других вариантах осуществления устройство может представлять собой настольный распылитель, который дамы могут использовать для сохранения увлажнения кожи. Больше применений будут описаны далее.
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения второй узел распределяет воду с отрегулированным значением pH в жидком состоянии, например, в детскую ванночку, душ или санитарно-гигиенические установки, или в парообразном состоянии, например, в распылителе, или сочетании жидкого состояния и парообразного состояния.
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения устройство дополнительно содержит регулятор температуры для регулирования температуры воды, такой как нагреватель или охладитель. В некоторых вариантах осуществления температура может регулироваться после регулирования pH. Однако не требуется строго, чтобы нагрев/охлаждение обязательно осуществлялись после регулирования pH. Для мытья кожи младенца температура может составлять примерно от 37°C до примерно 37,5°C, что является наиболее удобным для детей.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения дополнительно предлагается способ регулирования значения pH воды. Способ включает следующие этапы: обеспечение электролизной ячейки, имеющей первый электрод и второй электрод, при этом первый электрод содержит псевдоемкостной материал;
-
электролиза воды при использовании первого электрода в качестве катода и второго электрода в качестве анода, при этом псевдоемкостной материал получает электроны от анода и адсорбирует катионы из воды, OHв воде расходуются, теряя электроны; или
+
электролиза водного раствора электролита при использовании второго электрода в качестве катода и первого электрода в качестве анода, при этом псевдоемкостной материал теряет электроны и адсорбирует анионы из водного раствора электролита, H в водном растворе электролита расходуются, получая электроны.
Предпочтительно, псевдоемкостной материал содержит оксид переходного металла или сопряженные проводящие полимеры, которые могут функционировать в качестве фарадеевских конденсаторов при зарядке и разрядке через электрохимические реакции с ионами воды.
+
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения способ дополнительно содержит этап взаимозамены, на котором первый электрод взаимозаменяется вторым электродом; и электролиз воды при использовании первого электрода в качестве анода и второго электрода в качестве катода, при этом оксид переходного металла теряет электроны и высвобождает катионы в воду, H в воде расходуются, получая электроны.
+
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения регулятор pH предназначен для регулирования значения pH. Регулятор pH может содержать электролизную ячейку, включающую в себя анод и катод, упомянутый анод содержит псевдоемкостной материал, при этом псевдоемкостной материал является по меньшей мере частично заряженным и псевдоемкостной материал снабжается дополнительными катионами, при этом при работе регулятора pH псевдоемкостной материал теряет электроны и высвобождает по меньшей мере часть указанных дополнительных катионов в водный раствор электролита, H в водном растворе электролита расходуются, получая электроны; контроллер, предназначенный для управления процессом электролиза в электролизной ячейке.
+
-
2
Электрод на основе частично или полностью заряженного TMO используется в одном варианте осуществления в качестве анода, что означает, что он теряет электроны при электролизе. Переходной металл не находится на своем самом низком валентном уровне. Как вариант, частично или полностью заряженные сопряженные проводящие полимеры используются в другом варианте осуществления в качестве анода. На противоэлектроде, который, как правило, выполняют из инертного металла или графита, и/или вблизи него, Hвосстанавливаютсяпри получении электронов и с образованием H, оставляя OHв воде и, следовательно, увеличивая значение pH воды.
-
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения регулятор pH может осуществлять взаимозамену анода с катодом, и поэтому взаимозамененный катод содержит псевдоемкостной материал, при этом при работе регулятора pH псевдоемкостной материал во взаимозамененном катоде получает электроны и адсорбирует указанные катионы из воды и OH в воде расходуются, теряя электроны.
Подробные пояснения и другие аспекты данного изобретения будут даны ниже.
Краткое описание чертежей
Конкретные аспекты данного изобретения будут теперь объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее, и рассмотрены в связи с прилагаемыми чертежами, на которых идентичные детали или подэтапы обозначают одинаковым образом:
Фиг. 1 иллюстрирует влияние различных отдельных видов обработок ладонной части предплечья на pH кожи;
Фиг. 2 иллюстрирует регулятор pH 1 в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фиг. 3 иллюстрирует регулятор pH 3 в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фиг. 4 иллюстрирует первый узел в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фиг. 5 иллюстрирует устройство 5 для приготовления воды с отрегулированным значением pH в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фиг. 6 иллюстрирует иллюстративную экспериментальную установку для получения электрода из GmPPy в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фиг. 7 схематически иллюстрирует микроструктуру электрода из GmPPy в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фигуры 8A и 8B иллюстрируют электрохимические свойства электрода из GmPPy в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
Фигуры 9A и 9B иллюстрируют регулятор pH 9 в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения, при этом электрод из GmPPy, соответственно, является его анодом и катодом;
Фигуры 10A и 10B иллюстрируют рабочие характеристики регулятора pH 9 в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения.
Подробное описание изобретения
Как будет очевидно при прочтении контекста, регуляторы pH, устройство для приготовления воды с отрегулированным значением pH и способ регулирования pH, предлагаемые в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения, могут быть полезными для большинства применений, где необходимо однонаправленное регулирование pH. Среди разнообразных применений, как правило, является пригодным восстановление барьерной функции кожи детей, которая прежде всего описывается ниже.
Главная роль кожи ребенка заключается в создании барьера, который предотвращает инфицирование, потерю воды из организма и проникновение раздражителей и аллергенов. Эти функции зависят в большой степени от поддержания баланса pH кожи. Кислый pH кожи влияет на созревание и поддержание эпидермального барьера проницаемости с помощью pH-чувствительных ферментов, которые обрабатывают составляющие межклеточного липидного матрикса и активность pH-чувствительных серин-протеаз, ответственных за деградацию корнеодесмосом. Увеличение pH кожи раздражает физиологическую защитную ‘кислотную мантию’, разрушает кожный барьер и изменяет состав кожной бактериальной флоры.
Дети рождаются с pH кожи 6,4, который понижается в течение трех-четырех дней примерно до 4,9, кожа ребенка имеет менее развитый эпидермальный барьер, чем у взрослых, и, таким образом, является более склонной к повреждениям. Незрелость кожи младенца создает потенциал для ряда проблем с кожей. Повышенная проницаемость кожи вследствие раздражения может приводить к вторичной микробной инвазии. После того как происходит разрушение кожного барьера, кожа младенца также, возможно, становится менее способной к способствованию восстановления кожи. Эти проблемы подчеркивают важность соответствующих рутинных операций промывки кожи, в особенности для ребенка.
1
5
Грубое мыло и моющее средство повышают pH кожи, тем самым увеличивая активность протеаз в коже и потенциально приводя к резкому разрушению кожного барьера. В последнее время обнаружено, что не только моющее средство и мыла имеют выраженное влияние на pH поверхности кожи, но и использование обычной водопроводной воды со значением pH, как правило, около 8,0 будет увеличивать pH кожи до 6 час после применения до возвращения к его ‘естественному’ значению в среднем ниже 5,0, смотри Фиг. 1, при этом сплошная кривая со светлыми кружками (в верхней части Фиг. 1) обозначает pH кожи, обработанной мылом, штриховая кривая с треугольниками обозначает pH кожи, обработанной только водопроводной водой, и пунктирная кривая с черными квадратами обозначает pH кожи, обработанной гелем для душа при pH 6,0. Ребенок будет получать более частую промывку, в особенности, в области подгузников. Вследствие этого многократная промывка будет усиливать повреждение кожи, даже если использовать только водопроводную воду. На Фиг. 1 t-t соответственно обозначают следующие моменты временной линии: перед мытьем, непосредственно после мытья, 2 часа после мытья, 4 часа после мытья и 6 часов после мытья.
Таким образом, после этих частных контактов со щелочной окружающей средой, такой как водопроводная вода или мыло, разрушается барьер проницаемости кожи. Экзогенное подкисление можно было бы использовать для нормализации гомеостаза барьера проницаемости. В соответствии с исследованием Effects of CO2-enriched water on barrier recovery, by Bock M, Schürer NY, Schwanitz HJ., Arch Dermatol Res. 2004 Sep; 296(4):163-8, по сравнению с нормальной водопроводной водой (например, pH=7,9), кондиционированная водопроводная вода (pH 5,4) могла бы ускорить восстановление барьера кожи, поврежденной моющим средством. Кумулятивное раздражение 1%-м SLS (лауретсульфатом натрия) в течение 2⋅24 часа приводит к экзематозным реакциям кожи, при этом сторона, обработанная водопроводной водой (pH=7,9), показывает эритему, папулы и инфильтрацию, в то время как сторона, обработанная водой с отрегулированным значением pH (pH=5,4), показывает только отдельные участки поствоспалительной гиперпигментации и лихенизации. Также обнаружено, что TEWL (трансэпидермальные потери воды, индикатор уровня барьерной функции кожи) значительно меньше (P<0,01, P обозначает вероятность получения исследуемой статистики по меньшей мере как экстремум по отношению к тому, что реально наблюдается, в предположении, что нулевая гипотеза является верной) для кожи, обработанной водопроводной водой с отрегулированным значением pH, чем для кожи, обработанной нормальной водопроводной водой. Эти данные подтверждают, что промывка кислой водой усиливала бы восстановление барьера после нарушений, вызываемых моющим средством.
Хотя частота и тяжесть опрелостей уменьшаются, в основном благодаря разработке современных суперпогощающих подгузников и высококачественных влажных салфеток для детей, это состояние кожи по-прежнему присутствует и оказывает отрицательное влияние на определенный процент младенческого населения. Сообщается, что одновременное подвергание кожи воздействию мочи и фекалий в области подгузников приводит к увеличенным уровням pH кожи в результате образования аммиака. Это воздействие является достаточным для активирования протеолитических и липолитических ферментов в фекалиях, что влияет на общую структуру и барьерный статус рогового слоя. В дополнение к этому, анатомическая форма области подгузников содержит складки и морщинки, которые не только склонны к удерживанию остатков, но также являются окклюзивными и представляют собой место небольших повреждений барьера из-за трения. Это дополнительно способствует увеличенным уровням pH и микробиологической активности. Следовательно, эффективный контроль pH кожи детей в области подгузников, как можно ожидать, улучшает состояние кожи. Относительно области подгузников, хотя широко используются влажные салфетки для детей, они содержат множество химических ингредиентов, таких как антисептики, консерванты и ароматизирующие вещества. Добавки создают множество проблем при уходе за детьми. Они не достаточно естественны и безопасны. При уходе за ребенком простое является наилучшим. И влажная салфетка не является эффективной при отмывке выделений. Вода по-прежнему представляет собой эффективный выбор.
Однако как водопроводная вода (слабощелочная) сама по себе, так и мыло/моющее средство (щелочное) не поддерживают pH кожи на физиологическом уровне (pH 4,5-6) после отмывки. Физиологические характеристики детей заставляют их страдать от повторяющейся и частой промывки кожи, следовательно, она будет препятствовать восстановлению pH кожи ребенка и дополнительно ухудшать барьерную функцию кожи. Частая промывка с помощью водопроводной воды, не говоря уже о мылах/моющих средствах, будет препятствовать восстановлению баланса pH кожи, следовательно, повреждая барьерную функцию кожи. Новый путь образования кислой воды будет очень полезным для ежедневной промывки детей.
Следовательно, авторы обнаружили, что имеется необходимость в однонаправленном регулировании pH для ухода за кожей ребенка. В дополнение к этому, барьер кожи взрослых также страдает от схожей ситуации и также требует однонаправленного регулирования pH. Дополнительно, подобная необходимость также обнаружена для приготовления пищи, пивоварения, бритья, отмывки пищевых продуктов и тому подобного,
Далее ссылка будет сделана на регуляторы pH в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Без потери универсальности, приготовление кислой воды на основе водопроводной воды для ухода за кожей ребенка будет взято в качестве первичных примеров. Специалистам в данной области будет очевидно, что описанная структура, технологический процесс могут применяться в других сферах применения без изменений или с небольшими изменениями, которые по-прежнему находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения. Однако водопроводная вода не единственный тип объекта, который может обрабатываться в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с экспериментами для воды со сверхнизкой удельной электропроводностью (EC), pH дистиллированной питьевой воды (например, Ice Dew), которая имеет EC всего лишь примерно 30 мкСм/см, может регулироваться с помощью регулятора pH посредством электролиза. В этих ситуациях с низкими EC, хотя ток является небольшим, низкая карбонатная жесткость может компенсировать этот момент. Конкретно, для воды с низкой удельной электропроводностью диапазон pH является ограниченным. Теоретически для воды с EC= примерно 30 мкСм/см самое низкое значение pH, которое может быть достигнуто, составляет примерно 5,5. Эффективность будет зависеть от низкой концентрации ионов в воде. Однако исключительно низкая карбонатная жесткость будет помогать в реализации изменений pH. Через разумное время pH водного раствора с низкой EC изменится, хотя и может не достичь самого низкого значения.
Фиг. 2 иллюстрирует регулятор pH в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, имеющий целью обеспечение любого по меньшей мере из следующих преимуществ:
1) регулирование значения pH (далее упоминается также как pH) до целевого значения, такого как от примерно 3 до примерно 6, поддерживая, таким образом, pH кожи на физиологическом уровне, например от примерно 4,5 до примерно 6. Эффективная промывка также способствует поддержанию баланса pH, предотвращая удерживание на коже остаточных выделений;
2) ускорение восстановления кожного барьера при частых промывках кожи ребенка;
3) регулирование pH воды без больших количеств сточной воды в качестве побочных продуктов.
d
Обращаясь к Фиг. 2, в этом варианте осуществления регулятор pH 1 содержит электролизную ячейку 2, включающую в себя анод 21, катод 22 и источник 23 постоянного тока, соединенный с электродами 21 и 22, как проиллюстрировано, то есть анод 21 соединен с положительным полюсом, а катод 23 соединен с отрицательным полюсом. Катод 22 содержит оксид переходного металла, переходный металл (TM) обычно определяется как элемент, атом которого имеет незаполненную электроннуюподоболочку, что обеспечивает TM характеристику проявления двух или более степеней окисления. Например, марганец (Mn) имеет степени окисления +2, +3, +4, +6 и +7, и возможен переход между различными степенями окисления.
В одном варианте осуществления регулятор pH 1 может содержать камеру 24, в которую инжектируют или наливают поступающую воду 25, например, через вход 26. После этого поступающая вода 25 подвергается электролизу с помощью электролизной ячейки 2, что приводит к уменьшению pH воды 25. Вода с отрегулированным значением pH высвобождается из регулятора pH 1 для использования через выход 27 для воды. Должно быть очевидно, что формы или положения ни входа 26, ни выхода 27, проиллюстрированных на Фиг. 2 не должны приниматься в качестве эксклюзивных, возможны альтернативы, и они находятся в пределах объема данного изобретения.
2
2
2
3
2
2
2
2
2
Как таковой, катод 22 содержит, в одном варианте осуществления, оксид переходного металла, такой как MnO. Для специалистов в данной области техники очевидно, что MnO взят только в качестве иллюстративного случая и может быть заменен другими TMO, такими как FeO, RuO и тому подобное, по необходимости. Анод 21 может быть выполнен из Ti, MMO Ti, любого другого инертного металла или его оксида или из графита. Катод 22 может быть выполнен из чистого MnO посредством допирования MnO в подложку или нанесения на подложку покрытия из MnO.В одном варианте осуществления при условии, что удельная электропроводность электрода, выполненного из чистого MnO, не очень высока, EC может быть значительно улучшена при использовании подложки из MMO или при допировании некоторых материалов с высокими EC (например, графита или графема и тому подобных).
2
2
2
+
+
При работе регулятора pH 1 при применении электролизной ячейки 2 на Фиг. 2 к воде 25, будет иметь место псевдофарадеевская реакция, поскольку катод 22 содержит TMO, то есть MnO. Конкретно, катод 22 действует в качестве суперконденсатора. Во время процесса электролиза переходный металл Mn восстанавливается и поглощает один катион A из воды 25 в решетку MnO с образованием MnOA.
+
+
+
2+
2+
2+
2+
2+
2-
2+
2
2
2
Выражение (3) представляет собой общее выражение для сценариев, где адсорбируются катионы, несущие один положительный заряд, например, H, Na, K. В случае когда адсорбируются катионы A’,несущиедва положительных заряда (например, Ca, Mg), выражение (3) может дополнительно воплощаться выражением (3a), соответствующим тому, что два MnO получают два электрона и адсорбируют один A’ (например, Ca) в решетке, с образованием одного (MnO)A’:
2
2
2
2+
-
2-
2+
2MnO+A’+2e(MnO)A’ (3a)
2+
где выражение (3a) может быть дополнительно преобразовано в выражение (3b), в качестве варианта осуществления выражения (3), и ½ A’ представляет собой вариант осуществления A в выражении (3):
2
2
2+
-
-
2+
MnO+½ A’+eMnO(½ A’) (3b)
3+
1
3+
3
Для катионов A’’ может быть выведено сходное выражение, при этом / A’’ представляет собой вариант осуществления A в выражении (3).
2
2
2
+
+
+
+
2+
2+
+
+
+
+
+
Как будет описано, окисление MnOA до MnO происходит только тогда, когда полярность электролизной ячейки 2 обращается. При этом A обозначает все виды катионов в воде 25, которые могут представлять собой H, Na, K или даже Ca, Mg. Возможность адсорбции этих ионов на MnOопределяется исходными концентрациями катионов в поступающей воде. Как показывает выражение (3), с одной стороны, если все A представляют собой H, pH воды 25 не изменится. С другой стороны, если ни один из A не представляет собой H, будет происходить максимальное изменение pH. Реальная ситуация обычно находится где-то посредине и концентрация образующихся ионов Hможетбыть вычислена с помощью следующего уравнения, где [ ] представляет собой оператор, обозначающий концентрацию:
+
+
+
[H]=[A](все катионы) - [A](другие катионы) (4)
2
2
+
В вариантах осуществления данного изобретения поглощение катионов в решетках TMO не ограничивается поверхностью TMO. Вместо этого, вся структура TMO может использоваться для химической адсорбции, что означает, что ожидается большая емкость электрода, содержащего TMO. В соответствии с выражением (3), MnO получает один электрон, понижая степень окисления Mn на единицу, то есть от +4 до +3, что отличается от реакции, показанной в выражении (1), следовательно, от нормального электролиза воды посредством изменения состояния окисления TM, и H больше не расходуется, будучи восстановленным до H. Реакции, которые происходят на катоде 22, следовательно, являются такими, как описано выражением (5), которое представляет собой вариант осуществления выражения (3):
2
2
+
-
-
+
MnO+A+eMnOA(5)
2
Согласно литературным данным, переход от +4 до +3 является единственным возможным переходом для MnO. Для других переходных металлов изменение состояния окисления может быть другим. Возможный переход состояния окисления тесно связан с размещением электронов валентной оболочки.
-
+
2
2.
Подобно выражению (2), при применении электролизной ячейки 2 к воде 25, OH в воде 25 окисляются, теряя электроны и образуя HO и O Следовательно, H начинает аккумулироваться в воде 25 и pH воды 25 начинает уменьшаться, в результате чего получается кислая вода.
Как проиллюстрировано на Фиг. 2, источник 23 постоянного тока может быть управляемым и предназначен для получения электричества, требуемого для электролиза, и управление процессом, может быть возможным при присоединении источника 23 постоянного тока к контроллеру (не показан), с помощью которого можно управлять током, протекающим в ячейке 2. Рабочие характеристики регулирования pH будут зависеть от:
-
+
(a) Времени электролиза: чем дольше вода 25 находится в контакте с электродом, тем больше анионов OH или катионов H (в зависимости от того, включен ли TMO в анод или катод) генерируется, что означает, что могут быть достигнуты более низкие или более высокие значения pH.
-
+
(b) Тока/напряжения: увеличение тока/напряжения будет увеличивать скорость переноса электронов между электродами и водой с увеличением скорости генерирования ионов OH или H в воде.
+
-
(c) Расхода воды: чем больше расход, тем более короткое время вода будет находиться в контакте с электродом, и тем меньше ионов H или OHбудет получено, и наоборот.
2
2
2
2
+
+
+
-
Хотя контекст относится к однонаправленному регулированию pH, однако регулятор pH 1, в одном варианте осуществления, регулирует pH воды в обратном направлении, что становится возможным при взаимозамене двух электродов на Фиг. 2, в результате чего получается регулятор pH 3 на Фиг. 3, содержащий электролизную ячейку 30. После обращения полярностей электродов, взаимозамененный анод 31 (используемый в качестве катода) содержит MnO, а взаимозамененный катод 32 (используемый в качестве анода) представляет собой противоэлектрод. В одном варианте осуществления обращение может осуществляться посредством изменения полярности источника питания. Предпочтительно обращение происходит, когда ячейка 2 на Фиг. 2 была использована для понижения pH воды в течение некоторого времени, и при этом MnO в электроде 22 был заряжен по меньшей мере частично. После инжекции/заливания воды 35 и применения электролизной ячейки 30 для воды 35, pH воды 35 может быть увеличен, поскольку высвобождаются A и потерянные электроны (смотри обратную реакцию в выражении (3)), при этом электроны приобретаются H в воде 35, следовательно, H расходуются, восстанавливаясь до H. В таком асимметричном электролизе OHне расходуются, но аккумулируются, и, следовательно, pH увеличивается. В вариантах осуществления данного изобретения типичные временные графики выполнения обращения включают в себя: когда MnO в катоде 22 необходимо регенерировать для дальнейшего регулирования pH, это может иметь место в соответствии с действием пользователя или проводиться регулярно с помощью регулятора pH 1. Другой типичный временной график выполнения обращения осуществляется, когда необходимо увеличение pH воды, например, для применений, где щелочная вода является более предпочтительной, чем кислая вода. В применениях поступающая вода может добавляться через вход 36 для воды и вода, высвобождающаяся через выход 37, имеет значение pH более высокое, чем у поступающей воды. Хотя на Фиг.3 источник питания 33 иллюстрируется как поворот источника 23 питания на Фиг. 3, в применениях взаимозамена электродов может быть выполнена посредством отключения исходных соединений и обеспечения новых соединений между полюсами источника питания и соответствующими электродами, что может быть реализовано специалистами в данной области техники без каких-либо изобретательских попыток. Для взаимозамены электродов можно использовать несколько способов: 1) использовать микросхему, которая запрограммирована для выдачи положительного или отрицательного напряжения, 2) использовать H-мост (http://en.wikipedia.org/wiki/H_bridge).
Обращаясь к Фиг. 2, в одном варианте осуществления регулятор pH 1 может дополнительно содержать первый узел 4, который предусмотрен для получения информации, относящейся к значению pH воды 3, и контроллер предназначен для управления электролизом, например посредством управления продолжительностью электролиза, током или напряжением, обеспечиваемыми источником 23 постоянного тока, в соответствии с полученной информацией так, чтобы регулировать значение pH воды 3 до целевого значения, например, примерно 5,5. Первый узел 4 может представлять собой, как проиллюстрировано на Фиг. 4, клавиатуру или сенсорный экран, с помощью которого пользователь может обеспечить входной сигнал от пользователя, указывающий исходное значение pH воды 3. В одном варианте осуществления пользователь вводит непосредственно точное значение pH воды 3. В альтернативном варианте осуществления пользователь вводит тип воды 3, так что регулятор pH 1 может определить или оценить исходный pH. Например, водопроводная вода в данной географической области не изменяется сильно со временем, например, она обычно соответствует pH 7,8 (слабощелочная). Аналогично, дистиллированная вода является более нейтральной, и ее pH может оцениваться регулятором pH 1, например, как равный 7. В одном варианте осуществления регулятор pH 1 имеет предварительно введенное картографирование между значениями pH и типами воды, следовательно, при условии, что пользователь вводит правильный тип воды, соответствующее значение pH, которое указывает исходный pH, может быть взято посредством поиска информации картографирования.
Альтернатива UI 4 представляет собой датчик pH (не проиллюстрирован). Существующие датчики pH включают в себя датчик pH на основе стеклянного электрода, датчик pH на основе оксида переходного металла, автоэмиссионный датчик pH, датчик pH на основе SPR (поверхностного плазмонного резонанса) и тому подобного. Датчик детектирует исходный pH воды 3 и даже мгновенный pH воды 3 во время электролиза. При детектировании мгновенного pH во время электролиза можно точно управлять получающимся в результате pH воды 3. В том варианте осуществления, в котором используют датчик pH для детектирования мгновенного значения pH воды 3 во время электролиза, работа регулятора pH 1 может направляться посредством детектирования, и, следовательно, вода 3 может регенерироваться, если было достигнуто целевое значение pH, если нужно обрабатывать больше воды, или работа регулятора pH 1 может быть остановлена после высвобождения воды 3 с отрегулированным значением pH, если дополнительную воду обрабатывать не нужно.
В одном варианте осуществления pH воды с отрегулированным значением pH может управляться даже без использования датчика pH, упомянутого выше. В этом варианте осуществления кривые соотношений или что-то в этом роде хранятся в датчике pH (например, в памяти или в процессоре, который не показан), кривые соотношений указывают соотношения между различными параметрами, такими как расход поступающей воды, ток/напряжение, прикладываемое к электродам 21 и 22, исходный pH поступающей воды, количество воды (если ее обрабатывают статично вместо проточной воды при заданном расходе), продолжительность электролиза.
В одном варианте осуществления устройство хранит некоторые стандартные калибровочные кривые для взаимосвязи между значением pH и расходом при одинаковом приложенном напряжении и при различной общей жесткости воды (например, 0, 5, 10, 20 °dH (0, 14, 28, 56 °Ж) и так далее) и карбонатной жесткости (например, 5, 10, 20 °dH (14, 28, 56 °Ж) и так далее). Перед тем как пользователь мог бы использовать установку для получения воды с желаемым pH, требуется исследование жесткости и карбонатной жесткости поступающей воды, и при этом устройство может использовать практические данные для нахождения подходящей калибровочной кривой, основываясь на которой, оно изменяет расход для реализации управления pH.
Следовательно, при данном расходе воды (согласно расходомеру или входному сигналу от пользователя), количестве воды (при взвешивании или с помощью входного сигнала от пользователя) и исходном pH воды 3, известных регулятору pH 1, проверкой кривых с известными параметрами можно определять соответствующее время обработки, ток/напряжение. Иллюстративный процесс выполнения кривой описан в Экспериментальных результатах. В вариантах осуществления данного изобретения кривые могут быть получены производителями и предварительно загружены в регуляторы pH, так что конечные пользователи могут не беспокоиться об этом.
В одном варианте осуществления данного изобретения входной сигнал от пользователя может также включать в себя географическое положение устройства, которое может определяться альтернативно, если регулятор pH или устройство, связанное с регулятором pH, имеет функцию позиционирования, осуществляемую в нем. И географически можно иногда использовать ссылку на свойство воды, особенно водопроводной воды, включая исходный pH, и, следовательно, исходный pH воды 3 может оцениваться/определяться с помощью первого узла 4 на основе входных сигналов от пользователя.
В некоторых более продвинутых вариантах осуществления регулятор pH 1 может быть соединен с интранетом или Интернетом, где более точный исходный pH воды 3 может быть получен из профессиональных источников данных, таких как водопроводные станции, в этом случае первый узел 4 может включать в себя узел связи, который может сообщаться с сетевым устройством в доме или офисе пользователя, такой как межсетевое устройство или роутер.
Фиг. 5 иллюстрирует устройство для приготовления воды с отрегулированным значением pH в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения. В одном варианте осуществления устройство 5 содержит регулятор pH, например, который проиллюстрирован на Фиг. 2, и второй узел 51, находящийся в жидкостном сообщении с регулятором pH и предназначенный для распределения воды с отрегулированным значением pH. Специалисты в данной области техники понимают, что в различных случаях примеры, проиллюстрированные на Фиг. 2 или Фиг. 3, могли бы применяться в устройстве 5 для регулирования pH. Как правило, устройство 5 снабжено входом 51 для воды, баком 52 для воды, регулятором pH 53, выходом 54 для воды, регулятором 55 температуры и контроллером 56. Контроллер 56 находится в соединении связи с регулятором 55 температуры и с регулятором pH 53. Бак 52 для воды, в одном варианте осуществления, можно использовать в качестве камеры для регулятора pH 53, в которой осуществляется процесс электролиза. Регулятор 55 температуры находится в теплопроводном соединении с выходом 54 для воды, следовательно, вода может нагреваться или охлаждаться перед распределением. Упомянутый выше первый узел может встраиваться в контроллер 56 или монтироваться на устройстве 5 отдельно. Будет очевидно, что Фиг. 5 представляет собой иллюстративный вид устройства 5 и может показывать необязательные элементы, такие как регулятор 55 температуры, следовательно, Фиг. 5 не должна восприниматься как строго эксклюзивная, возможны альтернативы.
В указанных выше вариантах осуществления оксид переходного металла используется в качестве примера псевдоемкостного материала для обеспечения супер-емкости для катода или анода с тем, чтобы замедлять электролиз воды на одном из двух электродов. В альтернативном варианте осуществления для замены оксида переходного металла могут использоваться сопряженные проводящие полимеры. Следующее далее описание разъяснит этот альтернативный вариант осуществления.
Сопряженные проводящие полимеры (CCP) представляют собой органические полимеры, которые способны проводить электричество благодаря присутствию π-сопряженных основных цепей. Полипиррол (PPy) представляет собой один из наиболее широко используемых CCP в течение последних нескольких десятилетий. PPy может быть либо p-допированным, либо n-допированным для приобретения электропроводности и функции в качестве фарадеевских конденсаторов. Принцип зарядки и разрядки PPy также основывается на электрохимической реакции с ионами, которые подобны ионам TMO. Подробности сопряженного проводящего полимера хорошо известны специалистам в данной области техники, и, следовательно, они не описываются дополнительно.
Для увеличения удельной емкости и стабильности в предпочтительном варианте осуществления, углеродом допируют полипиррол. Например, для модификации полипиррола используют графем. Следующий далее вариант осуществления дает одно решение для получения модифицированного графемом полипиррола (сокращенно GmPPy).
2
4
Электроды из GmPPy могут быть приготовлены с помощью гибкого одноэтапного электроосаждения на месте PPy и графена на подложку с использованием циклической вольтамперометрии (CV). Подложка предпочтительно представляет собой подложку из пористого Ti для улучшения стабильности электрода и увеличения площади контакта между электродом и водным раствором электролита. Экспериментальная установка показана на Фиг. 6. Для изготовления используют трехэлектродную систему, в которой пористая Ti пластина используется в качестве рабочего электрода 60, нормальный Ti электрод используется в качестве противоэлектрода 62, а насыщенный каломельный электрод (SCE) используется в качестве электрода 64 сравнения. Использовали водную суспензию 66, содержащую порошок графена, мономер пиррола и допирующий анион (например, HSO), и использовали CHI 760C autolab, чтобы подавать электричество для электроосаждения с помощью циклической вольтамперметрии. Необходимо отметить, что рассмотренная выше экспериментальная установка является именно примером, и специалисты в данной области техники могут разработать другое промышленное решение для получения электрода из GmPPy.
А Фиг. 7 изображает схематическую иллюстрацию микроструктуры GmPPy, где G обозначает каркас сетки, сформированный графеном, а затемненная часть обозначает PPy.
Следующий далее эксперимент разъяснит электрохимические свойства электрода из GmPPy. Как описано выше и проиллюстрировано на Фиг. 6, электрод из GmPPy синтезировали посредством электроосаждения на месте пиррола (Py) и графена на пористую Ti пластину с использованием циклической вольтамперометрии (CV). Скорость сканирования устанавливали на 250 мВ/сек, диапазон напряжений составлял 0~1,25 В, и для изготовления повторяли 200 циклов. Были приготовлены три различных электрода из GmPPy с процентом PPy 28%, 49% и 66% (массовых) (отношение определяли по исходному отношению Py к графему в растворителе).
Электрохимические свойства электрода из GmPPy измеряли с помощью CV с использованием скорости сканирования 100 мВ/сек. Как показано на Фиг. 8A, P. обозначает потенциал, а C.D. обозначает плотность тока. 80 обозначает 28% PPy, 82 обозначает 49% PPy и 84 обозначает 66% PPy. Удельную емкость электрода из GmPPy вычисляли посредством интегрирования площади, окруженной кривой CV. Результат измерения указывает, что удельные емкости (SC) электрода из GmPPy составляли 57 Ф/г для 28% PPy, 107 для 49% PPy и 178 Ф/г для 66% PPy. В нашем предыдущем эксперименте приготавливали электрод из чистого PPy, а SC согласно вычислениям составлял около 15 Ф/г, что указывает улучшенный SC (в 5-10 раз больше) электрода из GmPPy по сравнению с электродом из чистого PPy.
Электрохимическую стабильность оценивали посредством сравнения SC после 100 циклов зарядки-разрядки, как показано на Фиг. 8B. N обозначает количество циклов и SC обозначает удельную емкость. Как указывают экспериментальные результаты, электрод из GmPPy мог бы удерживать около 50% от его исходной SC, измеренной в первом цикле. Конкретно, GmPPy с отношением PPy 28% удержал 40,2% от исходной SC, GmPPy с отношением PPy 48% удержал 57,2%, а GmPPy с отношением PPy 66% удержал 56,5%. По сравнению с электродом из чистого PPy, который удержал менее 40% от своей исходной SC в нашем исследовании при таких же условиях измерения, электроды из GmPPy с различными отношениями графена имеют относительно лучшие рабочие характеристики при долговременной стабильности. После 500 циклов электроды из GmPPy по-прежнему удерживают около 30% от исходной SC. Это указывает, что электрохимическая стабильность может быть улучшена с помощью модификации графеном в электродах из GmPPy.
В итоге, по сравнению с электродом из чистого PPy, GmPPy имеет несколько преимуществ благодаря присутствию графенового каркаса:
• Улучшенную удельную емкость: каркас, сформированный графеном, мог бы помочь в пространственном разделении PPy, делая большее отношение PPy доступным для ионов в растворе. Этот эффективный перенос электролита из раствора к активным центрам для усиленных реакций переноса фарадеевских зарядов будет приводить к большей удельной емкости GmPPy по сравнению с чистым PPy.
• Улучшенную электрохимическую стабильность: графеновая часть в электроде будет формировать каркасные структуры, в которых PPy не может формировать взаимосвязанную сеть внутри объемной матрицы электрода. В результате эффект набухания и усадки PPy в течение циклов зарядки-разрядки, который, как полагают, является причиной нестабильности электрода из PPy, будет значительно ослаблен, что приводит к улучшенной электрохимической стабильности.
• Улучшенную удельную электропроводность: добавление высокопроводящего графена может эффективно улучшить удельную электропроводность получающихся в результате электродов из GmPPy.
В результате синергическое влияние графена и PPy делает электрод из GmPPy пригодным для долгодействующих суперконденсаторов в сферах применения для регулирования pH.
-
+
+
-
2
Фиг. 9A показывает схематическую структуру регулятора pH 9, использующего GmPPy в качестве анода. Для подачи требуемого электричества для регулятора pH используют источник 90 постоянного тока. Анод 92 содержит материал из GmPPy, а катод 94 содержит материал MMO. В течение процесса электролиза GmPPy будет разряжаться благодаря его свойству суперконденсатора, теряя электроны. В это же время анионы в растворе будет поглощаться с помощью анода 92 из GmPPy. При этом окислительно-восстановительная реакция, которая потребляет OH, будет замедляться на аноде 92 из GmPPy. На катоде 94 окислительно-восстановительная реакция, которая потребляет H, по-прежнему происходит, и генерируется водород H. Следовательно, этот вариант осуществления разрушает исходный баланс между H и OH, приводя к увеличению pH и к получению щелочной воды 96. В этом случае GmPPy является по меньшей мере частично заряженным заранее.
+
-
+
-
2
Фиг. 9B показывает схематическую структуру регулятора pH 9, использующего GmPPy в качестве катода. Для подачи требуемого электричества для регулятора pH используют источник 90 постоянного тока. Анод 92 содержит материал MMO, а катод 94 содержит материал из GmPPy. В течение процесса электролиза GmPPy будет заряжаться благодаря его свойству суперконденсатора, получая электроны. В это же время катион в растворе будет поглощаться катодом 94 из GmPPy. При этом окислительно-восстановительная реакция, которая потребляет H, будет замедляться на катоде 94 из GmPPy. На аноде 92, окислительно-восстановительная реакция, которая потребляет OH, по-прежнему происходит, и генерируется кислород O. Этот вариант осуществления разрушает исходный баланс между H и OH, приводя к уменьшению pH и к получению кислой воды 98. В этом случае GmPPy является чаще всего частично заряженным заранее.
Подобно приведенному выше варианту осуществления регулятор 9 может быть выполнен таким образом, что катод и анод могут взаимозаменяться, так что псевдоемкостной материал можно использовать в качестве любого из упомянутого катода и упомянутого анода в соответствии с тем, необходимо ли понижать или повышать pH раствора.
2
4
Для исследования способности к регулированию pH у электрода из GmPPy, этот электрод из GmPPy (49% PPy) используют в качестве одного электрода вместе с MMO в качестве другого электрода при электролизе водного раствора NaSO (EC = 520 мкСм/см). Общий объем раствора электролита составлял 150 мл и напряжение, прикладываемое для электролиза, составляло 30 В. Результаты для GmPPy в качестве анода и в качестве катода показаны соответственно на Фиг. 10A и 10B и в следующей далее Таблице 1.
Таблица 1
Продолжительность электролиза (сек)
GmPPy и пластина из пористого Ti в качестве анода
GmPPy и пластина из пористого Ti в качестве катода
0
5,92
5,92
30
10,14
4,06
60
10,48
3,61
90
10,68
3,36
120
10,81
3,22
В соответствии с практическим требованием регулирования pH контроллер может определять следующие параметры для электролиза:
-
+
- Продолжительность электролиза - чем дольше жидкость находится в контакте с электродом, тем больше анионов OH или катионов H генерируется, что означает, что могут быть достигнуты более низкие или более высокие pH.
-
+
- Ток/напряжение - увеличение тока/напряжения увеличит скорость переноса электронов между электродами и раствором с увеличением скорости генерирования ионов OH или H.
В дополнение к этому, следующие характеристики регулятора pH могут влиять на рабочие характеристики электролиза, и эти характеристики регулятора должны учитываться при конструировании регулятора pH:
-
+
- Удельная электропроводность материала электрода - более высокие EC электрода будут увеличивать скорость генерирования ионов OH или H, и наоборот.
-
+
- Площадь поверхности электрода - увеличенная площади поверхности электрода будет увеличивать скорость генерирования ионов OH или H, и наоборот.
+
-
Дополнительно, свойства поступающей воды могут также влиять на рабочие характеристики регулятора pH. Поступающая вода с высокой карбонатной жесткостью будет иметь больший буферный эффект, а именно реагируя с генерируемыми H или OH и приводя к меньшему изменению значения pH; поступающая вода с низкой карбонатной жесткостью будет иметь меньший буферный эффект, приводя к большему изменению значения pH. Следовательно, в регуляторе pH продолжительность электролиза, ток/напряжение, удельная электропроводность электрода и площадь поверхности электрода могли быть дополнительно оптимизированы в соответствии с карбонатной жесткостью воды в целевой рыночной области/стране. Как вариант, регулятор pH дополнительно содержит детектор для детектирования жесткости поступающей воды, а контроллер управляет продолжительностью электролиза и током/напряжением в соответствии с детектируемой жесткостью.
Как описано дополнительно, устройство 5 может воплощаться в виде различных вариантов осуществления ниже.
Вариант осуществления 1
Настольный распылитель
Настольные распылители широко используются, в частности сотрудницами офисными, которые работают весь день в окружающей среде с кондиционированием воздуха. Они используют распылители для ежедневного ухода за кожей, такого как увлажнение. В этом варианте осуществления компактный настольный распылитель может быть снабжен упомянутым выше регулятором pH. По сравнению с одноразовыми бутылями, настольный распылитель, в котором вода может регенерироваться, может быть более экономичным. А второй узел воплощается с помощью выпускного отверстия или пульверизатора, который распределяет воду с отрегулированным значением pH на лицо, ладони или руки пользователя при избыточном давлении. В этом варианте осуществления вода с отрегулированным значением pH распределяется в парообразном состоянии.
Вариант осуществления 2
Детские ванночки используют в настоящее время для инжекции/заливания воды с помощью отдельного выпускного отверстия, как правило, используемой для ежедневного душа. В этом варианте осуществления детская ванночка воплощает устройство для приготовления воды с отрегулированным значением pH. Конкретно, упомянутый выше регулятор pH встроен в детскую ванночку, а выход для воды открывается во внутреннюю часть ванны, с помощью его вода с отрегулированным значением pH может нагнетаться или натекать в ванночку. В дополнение к этому, для удобства младенца, детская ванночка может дополнительно снабжаться регулятором температуры для регулирования температуры воды, например, после регулирования pH. Одной из альтернатив для этого вариант осуществления является умывальник, который обычно люди устанавливают в туалете.
Вариант осуществления 3
В этом варианте осуществления может предусматриваться душ, содержащий форсунку и трубу, соединяющую форсунку с баком для воды или водопроводным краном. Регулятор pH находится в гидравлическом сообщении с трубой и баком для воды или водопроводным краном. В одном варианте осуществления этот душ может быть воплощен как устройство для отмывки области подгузников, который обеспечивает кислую воду конкретно для промывки области подгузников ребенка. Поскольку все больше родителей стремятся промывать область подгузников с помощью водопроводной воды, вода с пониженным pH, обеспечиваемая устройством для отмывки, может лучше помочь в восстановлении барьерной функции кожи ребенка.
Вариант осуществления 4
В этом варианте осуществления устройство воплощается с помощью санитарно-гигиенических установок, таких как сиденье унитаза, и регулятор pH предусматривается между входом для воды и выходом для воды в нем. После посещения туалета вода может распределяться для отмывки, и повреждение барьерной функции кожи при мытье уменьшается при предварительном уменьшении pH воды.
Вариант осуществления 5
В этом варианте осуществления вариант воплощения устройства 5 используется для обработки ткани для ребенка. В случае покупки родителями для ребенка каких-либо тканей, значение pH которых не является предпочтительным (например, слабощелочное), вода с отрегулированным значением pH может распыляться или разбрызгиваться на ткань устройством 5, таким как распылитель. Как вариант, вода с отрегулированным значением pH, приготовленная с помощью другого типа устройства 5, может наливаться или инжектироваться в ванночку, и ткань может погружаться в нее на короткое время, чтобы получить измененный pH окружающей среды на ткани.
Вариант осуществления 6
Одна из причин чувствительной кожи представляет собой слабую барьерную функцию кожи. Более высокая проницаемость сделает более легким проникновение раздражителя в нижний слой кожи. Чувствительность кожи представляет собой очень важную тему при уходе за кожей, по мере того как большая часть азиатских женщин жалуется на чувствительность кожи. Кислая вода будет благоприятной для ключевых ферментов барьера кожи, обработки липидов, целостности барьера и микроорганизмов.
Вариант осуществления 7
Бритье может вызывать сухость кожи, шелушение, раздражение, а иногда - микроповреждения. Кислая вода может быть полезной для баланса микроорганизмов на поверхности кожи, который предотвращает инфекцию из-за микроповреждения, нарушенной окружающей микробной средой кожи, и может восстанавливать градиент pH барьера кожи, который может теряться из-за грубого бритья. Для этого применения устройство 5 может воплощаться в виде распылителя или таким образом, что вода с отрегулированным значением pH может распределяться на области бритья для этих целей.
Экспериментальные результаты
2
2
2
2
В одном варианте осуществления диоксид марганца (MnO) выполняли в виде электрода на титановой подложке (сетки, используемой в качестве проводника электричества) для эксперимента по регулированию pH. Результаты указывают, что титан, покрытый MnO, является эффективным при регулировании значения pH во время электролиза в качестве катода, что приводит к получению кислой воды при pH всего лишь 3,16. В соответствии с литературными данными, удельная емкость MnO может быть вплоть до 500 Ф/г, так что 1 грамм этого полимера может генерировать 51 л воды с pH=3 при 10-вольтовой зарядке. Для применения с целью промывки кожи ребенка (20 л/день, pH=4,5), 10 грамм MnO могут производить кислую воду в течение 2 лет.
Таблица 2
Экспериментальный результат
Продолжительность электролиза (мин)
pH (MnO<sub>2</sub> в качестве катода)
0
5,67
15
4,54
30
3,91
45
3,71
60
3,57
90
3,38
120
3,24
Хотя данное изобретение иллюстрируется и описывается подробно на чертежах и предшествующим описанием, такие иллюстрации должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты к раскрытым вариантам осуществления могут быть понятны специалистам в данной области техники, и осуществлены ими при практической реализации заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. Например, в рассмотренном выше варианте осуществления в качестве вариантов осуществления псевдоемкостного материала используют TMO и сопряженные проводящие полимеры. Необходимо отметить, что имеются другие альтернативы, и термин «псевдоемкостной материал» в данном изобретении предназначен для охвата любого материала, который может заряжаться и разряжаться как фарадеевские конденсаторы посредством электрохимических реакций с ионами в водном растворе электролита. В рассмотренном выше варианте осуществления электрод из MMO используют в качестве противоэлектрода для электрода из псевдоемкостного материала, и, как вариант, электрод из MMO может быть заменен другими электродами из инертного материала, такими как электрод из инертного металла или электрод из твердого углерода.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. Отдельный узел может выполнять функции нескольких объектов, приведенных в формуле изобретения. Сам по себе факт, что определенные меры приведены в различных взаимно зависимых пунктах формула изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может быть использовано с преимуществом. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.