УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ pH
pH CONTROL DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для контроля значения pH раствора. Оно дополнительно относится к контролю значения pH электролизованной воды.
Уровень техники
Электролизованную воду, т.е. щелочную воду и кислую воду, можно использовать во многих областях. Например, слабощелочную воду можно использовать для питья, поскольку люди верят, что употребление слабощелочной воды полезно для здоровья. Щелочную воду также предлагают использовать для очистки пищи (фруктов и/или овощей), поскольку щелочная вода может способствовать удалению остатков пестицидов с овощей и фруктов. В порядке другого примера, кислая вода используется для стерилизации (уничтожения бактерий). В этих различных применениях, pH (концентрацию ионов водорода) щелочной воды или кислой воды необходимо регулировать в целях безопасности или усиления эффекта. Например, при использовании щелочной воды для очистки пищи, щелочная вода является электролизованной водопроводной водой и течет в раковину для использования пользователем; поскольку предполагается, что безопасное значение pH для долговременного контакта с кожей должно быть ниже 10,5, значения pH следует контролировать и регулировать.
+
Традиционный pH-метр использует два стеклянных электрода: индикаторный электрод и электрод сравнения. Когда два электрода погружены в раствор, образуется небольшой гальванический элемент. Его ЭДС зависит от обоих электродов. Реакция обусловлена обменом на обеих поверхностях вздутой мембраны между ионами стекла и H раствора в ионном обмене, который регулируется концентрацией H+ в обоих растворах. Эту традиционную технологию измерения pH можно миниатюризировать до определенного размера для измерения значений pH в организме и сообщения данных посредством телеметрии.
+
Другая технология измерения pH базируется на использовании ионно-селективного полевого транзистора (ISFET). В ISFET, буферное покрытие, чувствительное к H, нанесено на электрод затвора.
+
Таким образом, разность потенциалов между электродами стока и истока становится функцией концентрации H, воздействию которой подвергается электрод затвора. Датчик pH на основе ISFET может быть заключен в малый объем. Лабораторные датчики pH на основе ISFET коммерчески доступны и, в целом, более дороги, чем традиционные датчики pH со стеклянными электродами.
Как традиционные датчики pH, так и датчики pH на основе ISFET требуют калибровки и электрода сравнения, что затрудняет их использование. Современные датчики pH на основе ISFET довольно дороги.
В WO 2008/135930 описано устройство биохимического датчика для измерения уровня аналита. Процесс включает в себя обеспечение электрода, покрытого соединением/полимером, в котором соединение/полимер имеет профиль растворимости, зависящий от аналита, обеспечение воздействия раствора на электрод, покрытый соединением/полимером, измерение электропроводности на электроде как функции времени, и установление корреляции между электропроводностью и растворимостью соединения/полимера для определения pH раствора. В этой заявке, свойство растворимости полимера используется для определения значения pH раствора.
Однако в некоторых применениях не требуется измерять абсолютное значение pH раствора, в результате чего, для регулировки значения pH раствора достаточно иметь простой и дешевый раствор, чтобы убедиться в том, что значение pH раствора не превышает порогового значения.
Задача и сущность изобретения
Для решения вышеупомянутых одной или более проблем, это изобретение предусматривает устройство контроля pH, содержащее:
- камеру для вмещения раствора;
- полимер, погружаемый в раствор, причем физическое состояние полимера способно изменяться в зависимости от того, превышает ли pH раствора пороговое значение;
- детектор для обнаружения изменения физического состояния полимера.
С помощью этого устройства, когда детектор обнаруживает изменение физического состояния полимера, это означает, что значение pH раствора превысило пороговое значение.
Согласно другому свойству используемого полимера, детектор можно реализовать разными способами.
Преимущественно, когда изменение физического состояния полимера соответствует полимеру, растворяемому раствором, детектор содержит:
- источник света для испускания светового пучка;
- оптический датчик для обнаружения светового пучка;
в котором полимер расположен между источником света и световым пучком, благодаря чему световой пучок блокируется полимером, и световой пучок может обнаруживаться оптическим датчиком, когда полимер растворяется.
Предпочтительно, когда изменение физического состояния полимера соответствует полимеру, набухающему под действием раствора, детектор содержит:
- источник света для испускания светового пучка;
- оптический датчик для обнаружения светового пучка;
в котором полимер расположен между источником света и световым пучком, благодаря чему, когда полимер набухает, световой пучок блокируется набухшим полимером.
Предпочтительно, когда изменение физического состояния полимера соответствует полимеру, растворяемому раствором, детектор содержит:
- два электрода, изолированные полимером, и когда полимер растворяется, два электрода могут быть электрически соединены раствором;
- источник питания, соединенный с двумя электродами;
- электрический датчик для обнаружения наличия или отсутствия электрического соединения между двумя электродами.
Предпочтительно, когда изменение физического состояния полимера соответствует полимеру, растворяемому раствором, и полимер расположен в камере таким образом, что поток раствора блокируется полимером, и поток раствора может быть обнаружен, когда полимер растворяется, причем указанный детектор содержит датчик потока для определения расхода раствора.
Предпочтительно, когда изменение физического состояния полимера соответствует полимеру, набухающему под действием раствора, и полимер располагается в камере таким образом, что поток раствора блокируется, когда полимер набухает, причем указанный детектор содержит датчик потока для определения расхода раствора.
С использованием вышеописанного устройства контроля pH, настоящее изобретение дополнительно предусматривает устройство для обработки. Устройство содержит:
- вышеупомянутое устройство контроля pH;
- блок электролиза для электролиза воды для получения щелочной воды и кислой воды, причем щелочная вода или кислая вода соответствует раствору;
- контроллер для остановки электролиза воды при обнаружении изменения физического состояния полимера.
Таким образом, процессом электролиза воды можно управлять так, чтобы pH щелочной воды или кислой воды не превышал заранее заданный порог.
Согласно одному варианту осуществления этого изобретения, раскрыта система для очистки пищи, использующая вышеупомянутое устройство для обработки воды для получения щелочной воды. Полученная щелочная вода используется для очистки пищи.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предусмотрен способ контроля pH раствора. Способ содержит этапы, на которых:
- погружают полимер в раствор, причем физическое состояние полимера способно изменяться в зависимости от того, превышает ли pH раствора пороговое значение;
- обнаруживают изменение физического состояния полимера с помощью детектора.
На основании свойства полимера, этап обнаружения изменения физического состояния полимера можно реализовать разными способами.
Предпочтительно, когда детектор содержит источник света для испускания светового пучка, и полимер располагается между источником света и световым пучком; этап обнаружения изменения физического состояния содержит этап обнаружения светового пучка с помощью оптического датчика.
Предпочтительно, когда детектор содержит два электрода изолированные полимером, и два электрода могут быть электрически соединены раствором, когда полимер растворяется; и источник питания, соединенный с двумя электродами, этап обнаружения изменения физического состояния содержит этап обнаружения наличия или отсутствия электрического соединения между двумя электродами с помощью электрического датчика.
Предпочтительно, полимер располагается в камере таким образом, что поток раствора блокируется, когда полимер набухает, или полимер располагается в камере таким образом, что поток раствора блокируется полимером, и поток раствора может быть обнаружен, когда полимер растворяется; этап обнаружения изменения физического состояния содержит этап обнаружения расхода раствора.
Настоящее изобретение также предусматривает способ обработки воды, причем способ содержит этапы, на которых:
- электролизуют воду для получения щелочной воды и кислой воды;
- контролируют pH щелочной воды или кислой воды, согласно вышеописанному способу контроля pH;
- останавливают этап электролиза воды при обнаружении изменения физического состояния полимера.
Настоящее изобретение также предусматривает способ очистки пищи, причем способ содержит этапы, на которых:
- обрабатывают воду согласно способу по п.14 для получения щелочной воды и кислой воды;
- промывают пищу с использованием электролизованной щелочной воды.
Краткое описание чертежей
Изобретение объяснено более подробно, и для примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - устройство контроля pH для контроля pH раствора согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.2 - другой пример устройства контроля pH;
фиг.3 - другой пример устройства контроля pH;
фиг.4 - пример устройства 40 для обработки воды;
фиг.5 - блок-схема операций контроля pH раствора согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.6 - блок-схема операций обработки воды согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.7 - пример полимеризации этана в полиэтилен;
фиг.8 демонстрирует структуру HPMC (гидроксипропилметилцеллюлозы).
Пунктирные линии на фигурах указывают соответствующие этапы или блоки, которые являются необязательными; в некоторых вариантах осуществления они могут отсутствовать.
На вышеупомянутых чертежах, сходные ссылочные позиции обозначают сходные, аналогичные или соответствующие признаки или функции.
Подробное описание
Полимер, в контексте настоящего изобретения, представляет собой длинную, повторяющуюся цепь атомов, сформированную посредством связывания большого числа молекул, именуемых мономерами. Мономеры могут быть идентичными или могут иметь в своем составе одну или более заменяемых химических групп. Эти различия между мономерами могут оказывать влияние на такие свойства, как растворимость, гибкость или прочность.
Ключевым признаком, отличающим полимеры от других больших молекул, является повторение блоков атомов (мономеров) в их цепях. Это происходит во время полимеризации, в ходе которой многие мономерные молекулы образуют связи друг с другом.
2
2
Фиг.7 демонстрирует пример полимеризации этана в полиэтилен. Формирование полиэтилена предусматривает установление связей между тысячами молекул этилена с образованием цепи повторяющихся блоков -CH-. Блоки -CH- являются мономерными блоками полиэтилена.
В настоящем изобретении, требуется pH-чувствительный полимер, характеристики которого таковы, что, когда полимер погружается в раствор, физическое состояние такого pH-чувствительного полимера может изменяться, когда pH раствора превышает пороговое значение. Изменение физического состояния полимера соответствует полимеру, растворяемому раствором, когда pH щелочного раствора выше порогового значения, или когда pH кислого раствора ниже порогового значения. Изменение физического состояния полимера также может соответствовать полимеру, набухающему под действием раствора, когда pH щелочного раствора выше порогового значения, или когда pH кислого раствора ниже порогового значения. В этом отношении, изменение физического состояния полимера также можно рассматривать как изменение размера полимера. Когда полимер растворяется, размер уменьшается и уменьшается, пока полимер полностью не растворится в растворе. Когда полимер набухает, размер становится все больше и больше.
pH-чувствительные полимеры это материалы, которые реагируют на изменения pH окружающей среды, изменяя свои размеры. Такие материалы набухают или сжимаются, в зависимости от pH среды, где они находятся. Они демонстрируют такое поведение благодаря наличию определенных функциональных групп в полимерной цепи.
3
2
Примером такого pH-чувствительного полимера является полимер, имеющий кислотную группу (-COOH, -SOH), который будет набухать в основном pH, например, полиакриловая кислота. Другой разновидностью полимера является полимер, имеющий основные группы (-NH), который будет набухать в кислотном pH, например целлюлоза. Механизм реакции одинаков для обоих примеров, отличаются только стимулы. Эти материалы широко используются в системах управляемой доставки лекарств и в биомиметике. На Фиг.8 показана структура HPMC (гидроксипропилметилцеллюлозы), основной смолой которой является целлюлоза.
Свойство полимера, который чувствителен к значению pH раствора, активируется благодаря наличию ионизуемых функциональных групп (наподобие -COOH), которые ионизируются и приобретают заряд (+/-) при определенном pH. В этом случае полимерные цепи имеют многочисленные одноименно заряженные группы, из-за чего они испытывают взаимное отталкивание, благодаря которому материал увеличивается в размерах. Обратный случай имеет место, когда pH изменяется, и функциональные группы теряют свой заряд, благодаря чему отталкивание исчезает, и материал снова сжимается.
Пример полимера, который будет значительно изменять свое физическое состояние, когда значение pH превышает 11, описан в статье “Synthesis of pH-sensitive modified cellulose ether halfesters and their use in pH detecting systems based on fiber optics”, Journal of Controlled Release, 1995, (35) 155-163, которая включена в настоящее описание для ссылки. В этой статье описан pH-чувствительный модифицированный полиакриламидный гидрогель, приготовленный в два этапа. В этой статье исследуются морфология поверхности и свойство набухания гидрогелей.
Другой пример полимера, демонстрирующего явление набухания при разных значениях pH описан в статье, озаглавленной “A pH-sensitive Modified Polyacrylamide Hydrogel”, которая включена в настоящее описание для ссылки. Статья была опубликована в Chinese Chemical Letters т.17, №3, стр. 399-402, 2006. В статье показано, что равновесный коэффициент набухания трех высушенных гелей не изменяется в диапазоне pH 1-7,0; однако при значении pH более 7,0, равновесный коэффициент набухания (Qeq) значительно увеличивается. Это явление можно объяснить наличием групп -COOH на боковых цепях полимера.
Материалы, используемые в двух вышеупомянутых примерах, можно использовать для реализации настоящего изобретения; например, материал, используемый в первом примере, можно использовать для контроля превышения pH раствора значения 11, и материал, используемый во втором примере, можно использовать для контроля превышения pH значения 7.
Благодаря управлению процессом полимеризации, полимер для использования в настоящем изобретении можно сконструировать так, чтобы он, по существу, не изменял свое физическое состояние, пока не будет превышено пороговое значение pH. Как создать такой pH-чувствительный полимер, известно из уровня техники, например, показано в двух вышеупомянутых примерах, и не будет подробно описано в настоящем изобретении.
В целях иллюстрации, устройства, системы и способы согласно настоящему изобретению описаны здесь более подробно со ссылкой на примерные варианты осуществления. Однако раскрытые устройства, системы и способы имеют широкую сферу применения, что совершенно очевидно специалистам в данной области техники.
На фиг.1 - фиг.3 показаны примерные варианты осуществления устройства контроля pH для контроля pH раствора. Предусмотренное устройство контроля pH содержит камеру для вмещения раствора; полимер, погружаемый в раствор, причем физическое состояние полимера способно изменяться в зависимости от того, превышает ли pH раствора пороговое значение; и детектор для обнаружения изменения физического состояния полимера. В контексте настоящего изобретения, камера может представлять собой контейнер, содержащий образец раствора, камера также может представлять собой трубу, по которой течет раствор, или любой другой пригодный механизм.
На фиг.1A показано устройство 10 контроля pH, в котором полимер 105 располагается на дне камеры 107. Полимер будет в значительной степени растворяться раствором, когда pH раствора превышает пороговое значение (достигает его). Детектор 109 содержит источник 101 света для испускания светового пучка и оптический датчик 103 для обнаружения светового пучка. Полимер располагается между источником света и световым пучком, благодаря чему, световой пучок блокируется полимером, и источник света и оптический датчик располагаются таким образом, что световой пучок может обнаруживаться оптическим датчиком, когда полимер растворяется. Источник света и оптический датчик могут использовать оптическое соединительное устройство, которое испускает инфракрасный сигнал. В результате, когда оптический датчик обнаруживает световой пучок, он указывает, что было обнаружено изменение физического состояния полимера, т.е. растворение полимера, и это указание означает, что значение pH раствора превышает пороговое значение.
Альтернативно, pH-чувствительный полимер можно заставить значительно набухать в растворе, когда pH раствора превышает пороговое значение. В этом примере, полимер, источник света и оптический датчик располагаются таким образом, что световой пучок может обнаруживаться оптическим датчиком до того, как полимер набухнет, и не может обнаруживаться, когда полимер набухнет. Например, полимер 105 может быть меньше оптического датчика 103 и не полностью покрывать оптический датчик, и, таким образом, световой пучок может обнаруживаться оптическим датчиком. После набухания полимера, он полностью покрывает оптический датчик, таким образом, блокируя световой пучок. В результате, когда оптический датчик не может обнаружить световой пучок, он указывает, что было обнаружено изменение физического состояния полимера, т.е. набухание полимера.
Согласно фиг.1A, источник 101 света располагается в верхней части камеры, и оптический датчик располагается на дне камеры. Альтернативно, источник света и детектор находятся с одной стороны, но располагаются под углом друг к другу. На фиг.1B показано другое примерное устройство 11, в котором источник 101 света и оптический датчик 103 располагаются в верхней части камеры, и на дне полимера имеется зеркалоподобная поверхность, которая может отражать свет источника света, тогда как полимер не может этого делать. Дно камеры 107 является зеркалоподобной поверхностью и покрыто полимером. Когда полимер растворяется, световой пучок обнаруживается оптическим датчиком после отражения от поверхности дна камеры. Аналогично, источник 101 света и оптический датчик 103 также могут располагаться на дне камеры. Таким образом, изменение физического состояния полимера обнаруживается.
Фиг.2 демонстрирует другой вариант осуществления устройства 21 контроля pH для контроля pH раствора. Полимер будет в значительной степени растворяться раствором, когда pH раствора превышает пороговое значение. Согласно фиг.2 детектор 209 содержит два электрода 201, изолированные полимером 205. Изоляция может осуществляться, например, за счет нанесения полимера на поверхность, по меньшей мере, одного из двух электродов, поскольку полимер не проводит электрический ток. Два электрода подвергаются воздействию раствора в камере 207. Детектор 209 дополнительно содержит источник 211 питания, соединенный с двумя электродами, и электрический датчик для обнаружения наличия или отсутствия электрического соединения между двумя электродами. Электрическим датчик может быть, например, амперметр, вольтметр или омметр. Когда полимер растворяется, два электрода могут электрически соединяться раствором, поскольку раствор обладает электропроводностью. В результате, тот факт, что электрический датчик обнаруживает изменение напряжения, тока или сопротивления, указывает, что полимер растворяется, т.е. физическое состояние полимера изменилось.
Фиг.3 демонстрирует другой вариант осуществления устройства 31 контроля pH. В этом примере, камерой 307 является труба, по которой может течь раствор. Если полимер является растворимым, когда pH раствора превышает пороговое значение, полимер 305 может располагаться в трубе, чтобы блокировать поток. Детектор 309 содержит датчик 303 потока для определения расхода раствора. В результате, тот факт, что расход раствора сильно возрастает, указывает, что полимер растворяется.
Альтернативно, если полимер можно заставить набухать, когда pH раствора превышает пороговое значение, тот факт, что расход раствора сильно снижается, указывает, что полимер набух, т.е. физическое состояние полимера изменилось.
Благодаря указанию изменения физического состояния полимера, устройство датчика pH может обнаруживать, что значение pH раствора достигло порогового значения.
Это устройство контроля pH можно использовать в различных изделиях. Фиг.4 демонстрирует пример устройства 40 для обработки воды. Устройство 40 содержит резервуар 409, первоначально содержащий некоторое количество водопроводной воды, и блок 403 электролиза для электролиза водопроводной воды для получения щелочной воды и кислой воды. Сгенерированная щелочная вода возвращается в резервуар, и сгенерированная кислая вода подается в другие места по трубе 415. В результате, щелочность воды в резервуаре непрерывно возрастает. Устройство 40 содержит вышеописанное устройство 401 контроля pH. В этом примере, устройство 401 контроля pH используется для контроля значения pH щелочной воды в резервуаре. Сгенерированная щелочная вода или кислая вода соответствует вышеупомянутому раствору. В этом примере, устройство контроля также можно использовать для контроля кислотности кислой воды.
Как показано на фиг.4, вода из резервуара поступает в устройство контроля pH. Оно будет отслеживать значение pH воды в резервуаре. Полимер сконструирован так, что, когда значение pH щелочной воды превышает пороговое значение, например 11, физическое состояние полимера будет существенно изменяться.
Устройство 40 также содержит контроллер 407 для остановки электролиза воды при обнаружении изменения физического состояния полимера. Когда значение pH ниже порогового значения, модуль электролиз будет продолжать работать. Когда устройство контроля pH указывает, что достигнуто пороговое значение pH, электролиз воды будет остановлен контроллером 407. Контроллер, например, содержит переключатель. Когда устройство 401 контроля pH обнаружит, что значение pH щелочной воды превышает пороговое значение, это устройство запустит сигнал контроллер для размыкания переключателя, чтобы остановить работу блока 403 электролиза.
Таким образом, процессом электролиза можно управлять, и щелочная вода не будет превышать заранее заданное значение.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает систему для очистки пищи. Система содержит устройство 40 для обработки воды, которое генерирует щелочную воду с определенной степенью щелочности и устройство для очистки пищи с использованием сгенерированной щелочной воды. Пользователь также может использовать щелочную воду непосредственно в резервуаре для мытья пищи вручную. В этой модели ручного мытья контроль pH очень важен для защиты кожи пользователя от повреждения водой высокой щелочности.
Согласно другому аспекту изобретения, предусмотрен способ контроля pH раствора. Фиг.5 демонстрирует блок-схему операций для контроля pH раствора согласно варианту осуществления изобретения. Способ содержит этап 51 погружения полимера в раствор, причем физическое состояние полимера способно изменяться в зависимости от того, превышает ли pH раствора пороговое значение. На этапе 53, детектор обнаруживает изменение физического состояния полимера. Изменение физического состояния соответствует существенному набуханию полимера или существенному растворению полимера.
Когда детектор содержит источник света для испускания светового пучка, и полимер располагается между источником света и световым пучком, этап 53 обнаружения изменения физического состояния содержит этап обнаружения светового пучка с помощью оптического датчика. Как указано выше, когда полимер может растворяться раствором, полимер будет располагаться так, чтобы блокировать световой пучок, в результате чего, оптический датчик не сможет обнаружить световой пучок; и после растворения полимера, световой пучок сможет обнаруживаться оптическим датчиком. Альтернативно, когда полимер можно заставить набухать под действием раствора, полимер будет располагаться так, чтобы не блокировать световой пучок, и после набухания полимера, световой пучок не сможет обнаруживаться оптическим датчиком.
Когда детектор содержит два электрода изолированные полимером, и два электрода могут быть электрически соединены раствором, когда полимер растворяется; и источник питания, соединенный с двумя электродами, этап 53 обнаружения изменения физического состояния содержит этап обнаружения наличия или отсутствия электрического соединения между двумя электродами с помощью электрического датчика.
Когда полимер располагается в камере таким образом, что поток раствора блокируется, когда полимер набухает, или полимер располагается в камере таким образом, что поток раствора блокируется полимером, и поток раствора может быть обнаружен, когда полимер растворяется, этап 53 обнаружения изменения физического состояния содержит этап обнаружения расхода раствора.
Фиг.6 демонстрирует блок-схему операций обработки воды согласно варианту осуществления изобретения. Как показано на фиг.6, на этапе 61, блок электролиза используется для электролиза воды для получения щелочной воды и кислой воды. На этапе 63, pH щелочной воды или кислой воды контролируется согласно вышеупомянутому этапу 51 и этапу 53. На этапе 65 электролиз воды останавливается, когда этап 63 контроля указывает, что pH щелочной воды достигает порогового значения, т.е. обнаружено изменение физического состояния полимера.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ очистки пищи. Способ содержит этап обработки воды согласно вышеописанному способу для получения щелочной воды и кислой воды; и этап мытья пищи с использованием щелочной воды.
Существует много подходов к реализации функций посредством компонентов оборудования или программного обеспечения, или комбинации оборудования и программного обеспечения. В этом отношении, чертежи также весьма иллюстративны, каждый из которых представляет лишь один возможный вариант осуществления изобретения. Например, вышеупомянутые контроллер 407, детектор 109, 209, 309 можно реализовать посредством одного или множества блоков памяти, где хранятся различные коды инструкций, т.е. одного или более микропроцессоров, множества печатных плат и некоторого оборудования.
Следует отметить, что вышеописанные варианты осуществления приведены для описания, а не для ограничения изобретения, и следует понимать, что специалисты в данной области техники могут предлагать модификации и вариации, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения. Считается, что такие модификации и вариации входят в объем изобретения и нижеследующей формулы изобретения. Объем защиты изобретения задается нижеследующей формулой изобретения. Кроме того, ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение формулы изобретения. Употребление глагола “содержать” и его производных не исключает наличия элементов или этапов, отличных от указанных в формуле изобретения. Употребление названия элемента или этапа в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов или этапов.