專利名稱：一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種制備納米銀膠體的方法，具體是以在線或離線通過(guò)電解水獲得的堿性離子水為分散劑，制備含有高比例的、穩(wěn)定的納米銀膠粒子的納米銀膠體的方法。
背景技術(shù)：
納米銀對(duì)病菌和病毒的殺傷效力是無(wú)庸置疑的。文獻(xiàn)上是指出納米銀可殺菌 650種以上。其殺菌機(jī)理，不是直接將細(xì)菌毒化、將它殺死，而是用大量的銀粒子包圍細(xì)菌。 促使其細(xì)胞新陳代謝停頓，使細(xì)菌自然死亡。納米銀抗菌的機(jī)制概括為(1)干擾細(xì)胞壁的合成；( 損傷細(xì)胞膜；C3)抑制蛋白質(zhì)合成；(4)干擾核酸的合成；( 與細(xì)菌中的含硫氫基(-SH)化合，束縛了細(xì)菌中的(-SH)基不能參國(guó)氧化還原反應(yīng)。但是，要達(dá)到上述效果， 取決于所制備的銀膠體的質(zhì)量。理論和實(shí)踐證明，在相同濃度的條件下銀膠體中的銀微粒越小，殺菌效果越好。在國(guó)內(nèi)已公布的專利中，對(duì)于如何生成高質(zhì)量、高效殺菌力因膠體的物理機(jī)制和正確方法，未見于公開文獻(xiàn)。通常，在銀膠體中，銀離子占總的銀的含量大約是75% -99%。這意味著具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的銀膠粒子只有-25%。如果銀膠體中只包含離子銀，而沒(méi)有銀粒子，這樣的納米銀膠體就不是膠體。因?yàn)闆](méi)有懸浮顆粒存在。另一方面，如果含有100%的銀粒子，沒(méi)有銀離子，那就是理想的純膠體。衡量一個(gè)銀膠體質(zhì)量的判據(jù)是它含有多少銀粒子。在制作銀膠體過(guò)程中，納米銀離子的壽命很短，不到8秒鐘。很不穩(wěn)定。擴(kuò)散到水中的粒子所帶的電荷被稱之為ζ電位 (界面電位)。衡量銀膠穩(wěn)定性的物理指標(biāo)是界面電位(Zeta Potential)的強(qiáng)度。界面電位用毫伏(mv)表示，其范圍一般在-70mv至+70mv。當(dāng)界面電位低于-30mv時(shí)，膠體被認(rèn)為很穩(wěn)定，因?yàn)榱Ｗ泳哂凶銐虻呐懦饬σ源_保懸浮穩(wěn)定性。當(dāng)界面電位高于-15mv時(shí)，表明懸浮液已處于要凝聚的邊緣。當(dāng)界面電位是0mv+/-3mv時(shí)，膠體中的銀會(huì)特別快地凝結(jié)或絮凝，膠體不穩(wěn)定。典型銀銀膠體的界面電位是-35 to-45mv，取決于銀離子的含量。由于銀離子的正電荷會(huì)抵消掉銀粒子中的負(fù)電位，因此，銀離子越多，界面負(fù)電位就越小。如果銀膠體中沒(méi)有銀離子，其界面電位具有較高的負(fù)電位，約在_50mV以上。附

圖1給出了一種典型銀膠體的界面電位圖。 在銀膠體產(chǎn)生過(guò)稱中，純銀丟掉一個(gè)電子，按理帶正電荷的納米銀離子會(huì)使膠體總的電特性呈正電，為什么銀粒子會(huì)捕獲一個(gè)正電子呢？由于溶液的哥倫布力極強(qiáng)，即使存在極小的電荷不平衡力，也能產(chǎn)生足夠的電壓去電解分布其中的任何物質(zhì)，以消除電場(chǎng)的不平衡力，結(jié)果使整個(gè)膠體的總電位趨于零。電解過(guò)程使水分子分解為帶正電荷的氫離子(H+)和帶負(fù)電荷的氫氧根(0H_)離子。氫氧根(0H_)離子的負(fù)電荷對(duì)消了納米銀離子的正電荷，以保持膠體中總的電位為零。同時(shí)，新的氫氧根(0H_)離子和納米銀離子不斷產(chǎn)生。 不帶電的銀粒子也同時(shí)產(chǎn)生。由于氫氧根(0H_)離子是非金屬離子，它躍遷到銀粒子的原子中，于是將它的負(fù)電子切入銀粒子中，使它帶負(fù)電位，(Ag+ΟΗΓ。在水分子中，氧原子帶6個(gè)電子，兩個(gè)氫原子，各自帶一個(gè)電子，總共有8個(gè)電子。 由于水有絕緣特性，在常溫下，水的絕緣常數(shù)是80，因此，在以水為分散劑的膠體或溶液中， 帶相反電荷的離子是可以共存的?？傊?，銀膠體必須含有懸浮銀粒子，通常也包含銀離子。優(yōu)質(zhì)的膠體是銀粒子占比例很高。最理想的是沒(méi)有銀離子，銀粒子占100%。在納米銀膠體中，銀離子帶正電荷，銀粒子帶負(fù)電荷。減少銀離子，會(huì)使界面電位往負(fù)值增大，于是，銀膠體的穩(wěn)定性大大提高。保持高質(zhì)量和殺菌效能。由上述分析可見納米銀膠體中的銀粒子(帶正電位)不是有用的東西。就從銀離子的本性來(lái)看，它也絕非善物。銀離子有以下幾種害處1.)銀離子會(huì)沉淀出來(lái)，出現(xiàn)結(jié)塊或凝聚現(xiàn)象；2.)銀離子含毒性；3.)銀離子抑制了免疫系統(tǒng)中CD4和CD8的作用，它對(duì)免疫系統(tǒng)是有毒性的；6.)銀離子缺少一個(gè)電子，所以不穩(wěn)定。(真正的銀膠體必須是由真正的擁有所有電子的銀原子組成。銀顆粒就是一簇銀 “原子”而不是“離子”。)另外，銀離子是單個(gè)的失去一個(gè)電子的銀原子，尺度只有0.23nm。太小的粒子不能有效地覆蓋在酶上面。而由帶負(fù)電位的穩(wěn)定膠粒子組成的原子團(tuán)就能夠有效地覆蓋在酶上面。而由帶負(fù)電位的穩(wěn)定膠粒子組成的原子團(tuán)就能夠有效地覆蓋在酶上面，具有殺菌作用。這樣看來(lái)，納米銀膠體中的銀離子是百害而無(wú)一利，成了廢物！在當(dāng)今貴金屬市場(chǎng)上金銀價(jià)格日益暴漲的情況下，是極大的浪費(fèi)！會(huì)加劇銀膠體生產(chǎn)成本的上漲。我們不禁要問(wèn) 能否設(shè)法變廢為寶，充分利用這部分銀呢？另外，前面提到增加銀膠體中含帶負(fù)電荷的穩(wěn)定膠粒的數(shù)量(在總的含銀量中的比例)，是提高銀膠體質(zhì)量的至關(guān)重要的關(guān)鍵。因此，如果能設(shè)法將銀膠體中那部分占比例相當(dāng)高的、無(wú)用的銀離子轉(zhuǎn)化為具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的銀膠粒的話，就可一箭雙雕，獲利匪淺。這就是本發(fā)明所要解決的難題。解決方案文獻(xiàn)中，通常提到在用點(diǎn)解法制備納米銀膠體時(shí)，應(yīng)使用恒定的電流，選擇極小的電流密度(mA/cm2)，目的是獲得盡可能小尺度的銀粒子。電流越小，銀粒子的直徑就越小。 在同樣體積中，銀粒子的尺度越小，單位容積中包含的銀粒子的數(shù)目就越多。由于納米銀的殺菌機(jī)制不同于其他殺菌劑，是采用“銀海戰(zhàn)術(shù)”，用大量的銀粒子包圍一個(gè)細(xì)菌或病毒，聚兒殲之。用10000個(gè)銀粒子，就可殺滅一個(gè)尺度較大的酵母菌或大腸桿菌。從這一方面考慮，當(dāng)然沒(méi)錯(cuò)。但是，這只是一個(gè)方面。只知其一，不知其二。忽略了另一個(gè)對(duì)銀膠質(zhì)量影響更重要的因素提高銀膠體中帶負(fù)電荷的穩(wěn)定膠粒的數(shù)目。設(shè)想一下，即使電解獲得的銀膠體中，100%的銀粒子都是很小的納米級(jí)的銀離子或銀原子(團(tuán))，但是，沒(méi)有帶負(fù)電荷的穩(wěn)定銀膠粒子，這種銀膠體幾乎沒(méi)有殺菌作用。相反，即使電解獲得的銀粒子的尺度稍大， 例如20-200nm，但是，如果采用有效的方法，使得銀膠體中帶負(fù)電荷的穩(wěn)定銀膠粒子盡可能多，例如通常能獲得占膠體含銀總量的-25%比例，就使銀膠體的殺菌能力大大提高。 這種比例越高，質(zhì)量就越高，殺菌能力就越強(qiáng)?？傊岣咩y膠體質(zhì)量的合理方法是力求提高膠體中帶負(fù)電荷的穩(wěn)定銀膠粒子的數(shù)目，同時(shí)，要注意使電解獲得的銀粒子的尺度盡可能小，通常介于5-200nm之間。要綜合考慮質(zhì)量、效率和成本等因素，實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化。為此，我們應(yīng)從原子微觀角度，從根本上探討一下影響生成穩(wěn)定銀膠粒子的關(guān)鍵因素，從而找出提高穩(wěn)定銀膠粒子的有效方法。通常，在銀膠體中，銀離子組成75-99%，而具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的銀粒子只有-25%。優(yōu)質(zhì)的銀膠體是其中包含的銀粒子數(shù)目占比例很高。最理想的是沒(méi)有銀離子，銀粒子占100%。在納米銀膠體中，銀離子帶正電荷，銀粒子帶負(fù)電荷。減少銀離子，會(huì)使界面電位往負(fù)值增大，于是，銀膠體的穩(wěn)定性大大提高。保持高質(zhì)量和殺菌效能。我們知道形成穩(wěn)定膠粒的要素包括帶負(fù)電荷的氫氧根離子0H—，用于形成膠粒 (Ag+0H)_。氫氧根離子0H_從哪里來(lái)呢？在電解銀的過(guò)程中，同時(shí)要使水發(fā)生電離。水是一種極弱的電解質(zhì)，存在電離平衡Η20+Η20^^Η30++0Η—簡(jiǎn)寫為可以看出，在任何酸堿度的水中，同時(shí)存在酸(H+)和堿(0Η_)兩種成分。即使是中性水中，(H+)離子的濃度也有10_7摩爾/立升水。通常用PH值來(lái)表征水溶液的酸堿度。 即，ρΗ值=7時(shí)，為中性。H+離子的濃度=or的濃度=10_7摩爾/立升水。ρΗ值<7時(shí)，為酸性。H+離子的濃度< 0H—的濃度< 10_7摩爾/立升水。ρΗ值>7時(shí)為堿性。H+離子的濃度> 0H—的濃度> 10_7摩爾/立升水。由基本化學(xué)知識(shí)知道1摩爾/立升水，含有6. 02x IOm個(gè)水分子。據(jù)此，可計(jì)算出不同PH值狀態(tài)下，有多少個(gè)水分子被離解，即可以計(jì)算出產(chǎn)生了多少個(gè)氫氧根離子0H—?；谕瑯拥睦碚?，我們用摩爾質(zhì)量濃度來(lái)表示分散質(zhì)銀的質(zhì)量，替代通常使用的重量密度單位，PPm(毫克/立升)，以便計(jì)算出單位銀質(zhì)量所包含的銀原子數(shù)目。根據(jù)摩爾質(zhì)量濃度和阿伏加德羅常數(shù)(Avogardc/s constant)的定義，可計(jì)算得到一立升含Ippm 銀(用摩爾質(zhì)量表示)其中有多少個(gè)銀原子數(shù)目。由于銀的摩爾質(zhì)量是107. 868克/摩爾，Ippm銀的摩爾質(zhì)量等于0.001/107. 868 = 9. 2706xl(T6摩爾。它含有的銀原子數(shù)目等于 5. 5809χ1018。用同樣的方法，可算出中性水，pH = 7時(shí)，電離得到的0Η_數(shù)目是6. 02xl016(即， 每55. 6x107[5. 56億個(gè)水分子，有一個(gè)被離解，獲得一個(gè)0H—離子?？梢?，中性水的的電離能力極其弱！)于是，可計(jì)算出不同PH值狀態(tài)下，由于水被電離可獲得的OH—數(shù)目和不同的含銀濃度(PPm)狀態(tài)下，所包含的銀離子數(shù)目。下面的表格，給出了一些典型情況的結(jié)果。 比較各各種情況中，銀離子數(shù)目和Off數(shù)目，就可估算出每神情況兩者匹配的百分比。這個(gè)表格，對(duì)于我們從微觀上深入了解銀膠體的內(nèi)涵本質(zhì)、提高它的質(zhì)量的方向、電解方法的局限性等問(wèn)題指出了明確的方向。這就是本發(fā)明的基本思路和理論依據(jù)。表1是根據(jù)上述分析方法，基于摩爾濃度的概念，計(jì)算出不同酸堿度情況下氫氧根離子OH—的數(shù)目、不同銀離子濃度情況下，銀離子的數(shù)目。同時(shí)計(jì)算出銀膠體中帶負(fù)電荷的銀粒子所占的比例(一個(gè)銀離子匹配一個(gè)氫氧根離子)。
權(quán)利要求
1.一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法，其特征在于基于摩爾濃度的概念，計(jì)算出不同 PH值情況下氫氧根離子Off的數(shù)目和不同銀離子濃度情況下，銀離子的數(shù)目，通過(guò)求解恒等式銀離子總數(shù)等于電解水的氫氧根離子總數(shù)，可準(zhǔn)確地計(jì)算出對(duì)應(yīng)每一種銀膠體含銀濃度的最佳匹配PH值，再?gòu)你y離子發(fā)生器外部補(bǔ)充足夠的氫氧根離子，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)銀離子都能匹配到一個(gè)氫氧根離子，將無(wú)用、有害的銀離子幾乎全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的銀膠粒子，大幅度增加了銀粒子在銀膠體中的比例，提高了納米銀膠體的殺菌效力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法，其特征在于濃度為Ippm 的納米銀膠體的最佳匹配pH值是8. 9670 ；濃度為2ppm的納米銀膠體的最佳匹配pH值是 9. 2682 ；濃度為5ppm的納米銀膠體的最佳匹配pH值是9. 6661 ；濃度為IOppm的納米銀膠體的最佳匹配PH值是9. 9671 ；濃度為15ppm的納米銀膠體的最佳匹配pH值是10. 1432 ；濃度為20ppm的納米銀膠體的最佳匹配pH值是10. 2681 ；濃度為IOOppm的納米銀膠體的最佳匹配PH值是10. 967。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法，其特征在于利用一個(gè)單獨(dú)的電解槽在線制取負(fù)離子水，被電解的水源是經(jīng)過(guò)軟化，除去鈣鎂離子和其他雜質(zhì)后，進(jìn)行過(guò)濾、凈化，使雜質(zhì)含量低于2-3ppm，電解槽要具有離子交換膜，使電離分解得到的酸性水和堿性水分開，堿性水一邊制取、一邊流入銀電解槽作為制取納米銀膠體的分散劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法，其特征在于在進(jìn)行水電解之前要根據(jù)準(zhǔn)備制備的銀膠體的濃度，計(jì)算出最佳匹配PH值，根據(jù)要制備的納米銀膠體的總量(W)和濃度(ND)，利用法拉第定律，首先確定電流密度(或總電流強(qiáng)度I)，計(jì)算出所需要的電解銀的時(shí)間(T)，令電解水的時(shí)間和電解銀的時(shí)間相等，電解水的流量(氫氧根離子水)也要滿足制備銀膠體總量的要求，然后確定水電解槽的電流密度(或總電流)，調(diào)整水電解槽各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)則是保證制取納米膠體銀時(shí)，全部銀離子有足夠的氫氧根離子數(shù)目匹配，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的銀膠粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法，其特征在于在制取銀膠體時(shí)，需要使用電動(dòng)螺旋漿攪拌器和吹氣泡裝置使堿性水流動(dòng)、攪拌均勻，防止結(jié)塊和沉淀，同時(shí)，要加溫，使電解銀槽中的離子水溫度保持在50度(攝氏)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制取穩(wěn)定電解銀膠體的方法，具體做法是利用電解水獲得的堿性離子水為分散劑，制備含有高比例的、穩(wěn)定的納米銀膠粒子的納米銀膠體。采用和現(xiàn)有電解法不同的流程，將電解銀的電路和電解水的電路區(qū)分開來(lái)。利用一個(gè)單獨(dú)的電解槽在線制取負(fù)離子水，注入電解槽作為制取納米銀膠體的分散劑，調(diào)整電解水發(fā)生器各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)則是保證制取納米膠體銀時(shí)，全部銀離子有足夠的氫氧根離子數(shù)目匹配，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的銀膠粒。本發(fā)明制備的納米銀膠體，質(zhì)量穩(wěn)定、殺菌效果好，可廣泛地應(yīng)用于人類日常生活用品的衛(wèi)生殺菌消毒，也可用來(lái)給寵物消毒和衛(wèi)生、潔凈。
文檔編號(hào)B22F9/16GK102441674SQ201110242390
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者朱上翔 申請(qǐng)人:朱上翔