УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРА, СОДЕРЖАЩЕГО КАТИОНЫ И АНИОНЫ Российский патент 2017 года по МПК C02F1/461 C02F1/68 

Область техники

Данное изобретение относится к приготовлению раствора, содержащего катионы и анионы, в частности к приготовлению раствора, содержащего выборочные катионы и анионы.

Уровень техники, предшествующий данному изобретению

Ионы являются электрически заряженными частицами, которые выполняют различные функции в организме, а также в промышленных и бытовых видах применения.

В настоящее время, растворы, содержащие ионы, приготавливают традиционным путем химического растворения. Например, раствор, содержащий K⁺ и Cl^-, может быть приготовлен растворением хлорида калия (KCl) в растворителе, таком как вода, или разбавлением концентрированного раствора KCl.

Однако таким путем анионы и катионы добавляются в соответствии с молярным соотношением, которое является неконтролируемым. Например, посредством растворения KCl в воде K⁺ и Cl^- добавляются при молярном соотношении 1:1. Посредством растворения Na₂SO₄, Na⁺ и SO₄^2- добавляются при молярном соотношении 2:1.

Поэтому, оказывается важным и существенным иметь новый способ и устройство, которые делают возможным улучшенное регулирование высвобождения ионов в раствор.

Каждая из WO 97/46490 A1 и US 5007989 A описывает способ и устройство для удаления ионов из жидкости, основанные на ионном обмене, однако не относящиеся к регулируемым в отношении высвобождения ионов.

Сущность изобретения

В соответствии с вышеуказанным традиционным способом, чтобы приготовить раствор, содержащий определенный тип катионов (например, K⁺) и анионов (например, Cl^-), используют соответствующий электролит (например, KCl), который может диссоциировать на катионы и анионы. В качестве альтернативы, один электролит с требуемыми катионами и другой электролит с требуемыми анионами используют совместно, чтобы предоставить раствор требуемых катионов и анионов, который включает другие, нетребующиеся ионы. С учетом того, что разные комбинации катионов и анионов могут требоваться в различных случаях, пользователи должны уметь обращаться с чрезвычайно широким диапазоном видов электролитов.

Кроме того, для электролита, такого как KCl, поскольку концентрация катионов, таких как K⁺, определена, то, соответственно, определена концентрация анионов, таких как Cl^-. В случае, когда требуется приготовить раствор с K⁺ в концентрации x и Cl^- в концентрации y, где x отличается от y, дополнительные виды химикатов должны быть добавлены в раствор, такие как K₂SO₄, HCl и т.д., что означает то, что концентрации катионов и анионов должны быть отрегулированы посредством предварительного точного массового дозирования каждой добавки.

Кроме того, при приготовлении раствора, для получения некоторых ионов, таких как H⁺, пользователю, возможно, придется использовать едкие химикаты, например HCl, H₂SO₄, в качестве исходных материалов или промежуточных продуктов процесса приготовления, которые являются опасными для пользователя.

Для лучшего решения одной или нескольких из вышеуказанных проблем, было бы выгодным иметь устройство, которое автоматически приготавливает раствор с катионами и анионами. Было бы также выгодным отдельное регулирование видов катионов и анионов.

Кроме того, было бы выгодным, если бы такое устройство по отдельности и автоматически регулировало соответствующие концентрации анионов и катионов.

Кроме того, было бы выгодным, если бы пользователь устройства не обращался с неприятными едкими химикатами.

В варианте осуществления изобретения, устройство для приготовления раствора, содержащего катионы и анионы, содержит:

- по меньшей мере один модуль для высвобождения катионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать по меньшей мере один вид катионов;

- по меньшей мере один модуль для высвобождения анионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать по меньшей мере один вид анионов;

- контроллер, сконфигурированный, чтобы управлять по меньшей мере одним указанным модулем для высвобождения катионов и по меньшей мере одним указанным модулем для высвобождения анионов для того, чтобы высвобождать соответствующие виды ионов.

Модуль для высвобождения катионов и модуль для высвобождения анионов могут соответственно высвобождать определенные типы катионов и анионов в раствор. Таким образом, виды катионов и анионов в растворе могут быть отрегулированы отдельным образом.

Кроме того, было бы выгодным выбирать посредством устройства, из различных видов катионов и/или анионов, требующиеся виды катионов и анионов для раствора. Для лучшего выполнения этого, в предпочтительном варианте осуществления, устройство содержит по меньшей мере два модуля для высвобождения катионов, соответственно, для разных видов катионов, и/или по меньшей мере два модуля для высвобождения анионов, соответственно, для разных видов анионов. В этом предпочтительном варианте осуществления с несколькими модулями для высвобождения катионов и модулями для высвобождения анионов, могут быть предоставлены растворы с различными комбинациями катионов и анионов, принимая во внимание как приспособляемость, так и простоту.

В предпочтительном варианте осуществления модуль для высвобождения катионов содержит: электрод из металла и/или сплава, соединенный с контроллером и сконфигурированный, чтобы погружаться в раствор; контроллер, сконфигурированный, чтобы прикладывать положительное напряжение к электроду из металла и/или сплава таким образом, чтобы катионы высвобождались в раствор.

Этот вариант осуществления предоставляет конкретное исполнение модуля для высвобождения катионов. Электрод из металла и/или сплава является небольшим по размеру, соответственно несколько видов электродов могут быть установлены в устройстве, чтобы предоставлять разнообразие для выбора катиона. Кроме того, электрод из металла и/или сплава обладает высокой способностью к накоплению катионов и удобен для перемещения и применения, что выгодно для бытового применения. В одном из вариантов осуществления анод из активного металла может быть использован для генерирования катионов металла. В альтернативном варианте осуществления используют анод из инертного металла, и может быть выполнен электролиз воды, и могут быть образованы катионы H⁺. Это может обеспечить устранение вовлечения едкой кислоты, например HCl, H₂SO₄, и, соответственно, безопасно для пользователя.

В предпочтительном варианте осуществления модуль для высвобождения катионов содержит первый контейнер для размещения первого электролита, содержащего первый вид катионов, данный первый контейнер имеет катионную мембрану для отделения первого электролита от раствора, и контроллер, сконфигурированный, чтобы прикладывать положительное напряжение в первом электролите таким образом, что катионы первого вида высвобождаются в раствор через катионную мембрану.

Этот вариант осуществления предоставляет другое конкретное исполнение модуля для высвобождения катионов. Катионы активного металла, такого как Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺, контролируемое образование которых металлическим электродом затруднено, могут быть сохранены и регулируемым образом высвобождены в этом варианте осуществления.

В предпочтительном варианте осуществления модуль для высвобождения анионов содержит второй контейнер для размещения второго электролита, содержащего второй вид анионов, данный второй контейнер имеет анионную мембрану для отделения второго электролита от раствора, и контроллер, сконфигурированный, чтобы прикладывать отрицательное напряжение во втором электролите таким образом, что анионы второго вида высвобождаются в раствор через анионную мембрану.

В отличие от катионов, может быть затруднено высвобождение анионов из электродов, соответственно данный вариант осуществления предоставляет конкретное исполнение модуля для высвобождения анионов.

В предпочтительном варианте осуществления модуль для высвобождения катионов содержит комплексы катионных полимеров и/или гелей, которые содержат первый вид катионов и выполнен с возможностью погружения в раствор, контроллер сконфигурирован, чтобы электролизовать воду в растворе и образовывать ионы H⁺, которые вводятся в комплексы катионных полимеров и/или гелей и переводят обменом первый вид катионов из полимеров и/или гелей в раствор.

Кроме того или в качестве альтернативы, модуль для высвобождения анионов содержит комплексы анионных полимеров и/или гелей, которые содержат второй вид анионов, и выполнен с возможностью погружения в раствор, контроллер сконфигурирован, чтобы электролизовать воду в растворе и образовывать ионы OH^-, которые вводятся в комплексы анионных полимеров и/или гелей и переводят обменом второй вид анионов из полимеров и/или гелей в раствор.

Данный вариант осуществления предоставляет другие конкретные исполнения модуля для высвобождения катионов и модуля для высвобождения анионов. Полимеры и/или гели являются легко заменяемыми и экономически выгодными.

В предпочтительном варианте осуществления контроллер обеспечивает модуль для высвобождения катионов и модуль для высвобождения анионов токами для высвобождения ионов; контроллер сконфигурирован, чтобы определять амплитуду тока, протекающего через каждый модуль для высвобождения катионов, и время протекания, в соответствии с первой концентрацией соответствующих катионов; и/или

контроллер сконфигурирован, чтобы определять амплитуду тока, протекающего через каждый модуль для высвобождения анионов, и время протекания в соответствии со второй концентрацией соответствующих анионов;

при этом контроллер сконфигурирован, чтобы регулировать амплитуду токов и время протекания для модуля для высвобождения катионов и модуля для высвобождения анионов, чтобы поддерживать общий электрический заряд образованных катионов и общий электрический заряд образованных анионов равными.

Этот вариант осуществления предоставляет конкретное исполнение для регулирования соответствующим образом концентрации каждого из катионов и анионов автоматически без привлечения точного массового дозирования. Этот вариант осуществления является полностью автоматическим и легко приспосабливаемым для пользователя, чтобы приготовлять раствор с требуемыми концентрациями ионов.

В варианте осуществления устройство содержит третий контейнер для размещения раствора. В измененном варианте осуществления устройство может быть помещено в раствор, и размер устройства может быть небольшим.

Растворы для различных видов применения, например, минеральная вода для питья, вода для изготовления соевого творога, ухода за кожей, дезинфекции и стирки, должны содержать различные виды подходящих катионов и/или анионов. Соответственно, было бы выгодным предоставление раствора в соответствии с практической необходимостью. Для лучшего выполнения этого, в предпочтительном варианте осуществления устройство дополнительно содержит: первый узел, сконфигурированный, чтобы определять применение раствора; второй узел, сконфигурированный, чтобы определять первый вид катионов и/или второй вид анионов в соответствии с определенным применением; и указанный контроллер выбирает модуль для высвобождения катионов и/или модуль для высвобождения анионов в соответствии с первым видом катионов и/или вторым видом анионов.

В варианте осуществления изобретения предоставлен способ приготовления раствора, содержащего катионы и анионы, включающий следующие стадии:

- выбор по меньшей мере одного из по меньшей мере одного модуля для высвобождения катионов, чтобы высвободить соответствующие катионы в раствор;

- выбор по меньшей мере одного из по меньшей мере одного модуля для высвобождения анионов, чтобы высвободить соответствующие анионы в раствор.

Краткое описание чертежей

Признаки, аспекты и преимущества данного изобретения станут очевидными при прочтении представленного ниже описания неограничивающих вариантов осуществления с использованием прилагаемых чертежей.

Фиг. 1-4 иллюстрируют блок-схемы различных устройств в соответствии с разными вариантами осуществления изобретения;

Фиг. 5 иллюстрирует один конкретный вариант осуществления модуля 10 для высвобождения катионов устройства 1, как показано на Фиг. 1-4;

Фиг. 6 иллюстрирует другой конкретный вариант осуществления модуля 10’ для высвобождения катионов устройства 1, как показано на Фиг. 1-4;

Фиг. 7 иллюстрирует один конкретный вариант осуществления модуля 12 для высвобождения анионов устройства 1, как показано на Фиг. 1-4;

Фиг. 8 иллюстрирует вариант осуществления устройства 1, содержащего модули 10 и 10' для высвобождения катионов и модули 12 и 12' для высвобождения анионов с помощью токов, протекающих в указанном направлении.

Фиг. 9 представляет собой схему последовательности процесса, иллюстрирующую способ 9 в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

При этом одинаковые или сходные обозначения относятся к одному и тому же или сходному компоненту/модулю.

Подробное описание вариантов осуществления

Ниже приведен перечень некоторых типичных ионов и соответствующих видов их применения:

1) Ca²⁺: Кальций является компонентом костей и зубов. Он также функционирует в качестве биологического мессенджера. Концентрация Ca²⁺ в воде влияет на эффективность детергентов и иногда вызывает осаждение.

2) K⁺ и Na⁺: Основной функцией ионов калия и натрия в животных организмах является поддержание осмотического баланса, особенно в почках.

3) Mg²⁺: Наиболее важным образом, ионы магния являются компонентом хлорофилла. Он также имеет отношение к жесткости воды.

4) Cl^-: Хлоридные ионы важны в балансе внутренней среды человеческого тела, и хлорид также является компонентом композиции кислоты желудочного сока.

5) CO₃^2-: В крови примерно 85% диоксида углерода преобразуется в радикал-ионы угольной кислоты, делая возможной более высокую степень переноса.

6) PO₄^3-: Аденозинтрифосфат является обычной молекулой, которая сохраняет энергию в доступной форме. Кость является фосфатом кальция.

7) Fe^2/3+: Гемоглобин, основная молекула, переносящая кислород, имеет центральный ион железа. Трехвалентный ион железа может коагулировать протеины и использоваться в кровоостанавливающих препаратах.

В соответствии с аспектом изобретения, предоставлено устройство 1 для приготовления раствора, содержащего катионы и анионы, содержащее:

- по меньшей мере один модуль 10 для высвобождения катионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать по меньшей мере один вид катионов в раствор;

- по меньшей мере один модуль 12 для высвобождения анионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать по меньшей мере один вид анионов;

- контроллер 14, сконфигурированный, чтобы управлять по меньшей мере одним указанным модулем для высвобождения катионов и по меньшей мере одним указанным модулем для высвобождения анионов для того, чтобы высвобождать соответствующие виды ионов.

В разных вариантах осуществления число модулей 10 для высвобождения катионов или модулей 12 для высвобождения анионов может варьироваться в достаточной степени в зависимости от необходимости. Фиг. 1-4 показывают блок-схемы различных устройств 1 в соответствии с разными вариантами осуществления изобретения. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, один модуль 10 для высвобождения катионов и один модуль 12 для высвобождения анионов содержится в устройстве 1. В этом варианте осуществления виды катионов и анионов в растворе являются неизменными. В более сложном варианте осуществления, как показано на Фиг. 2, устройство 1 содержит один модуль 12 для высвобождения анионов и несколько модулей 10, 10' и 10ʺ для высвобождения катионов, чтобы высвобождать фиксированные анионы вместе с любым видом катионов или любой комбинацией катионов. Также, подобным образом, в более сложном варианте осуществления, как показано на Фиг. 3, устройство 1 содержит один модуль 10 для высвобождения катионов и несколько модулей 12, 12' и 12ʺ для высвобождения анионов, чтобы высвобождать фиксированные катионы вместе с любым видом анионов или любой комбинацией анионов. Кроме того, в варианте осуществления, как показано на Фиг. 4, устройство 1 содержит несколько модулей 10, 10' для высвобождения катионов и несколько модулей 12, 12' для высвобождения анионов, чтобы высвобождать разные комбинации анионов и катионов. Следует понимать, что в других вариантах осуществления число модулей для высвобождения анионов и/или модулей для высвобождения катионов может отличаться от того, что проиллюстрировано на Фиг. 1-4.

В соответствии с аспектом изобретения, как показано на Фиг. 9, предоставлен способ приготовления раствора, содержащего катионы и анионы, включающий следующие стадии:

- S94: выбор по меньшей мере одного из по меньшей мере одного модуля для высвобождения катионов, чтобы высвободить соответствующие катионы в раствор;

- S96: выбор по меньшей мере одного из по меньшей мере одного модуля для высвобождения анионов, чтобы высвободить соответствующие анионы в раствор.

В отношении описанных устройств с различными структурами и способа в соответствии с вариантами осуществления изобретения, представленная ниже часть описания будет разъяснять различные конкретные варианты осуществления модуля для высвобождения катионов и модуля для высвобождения анионов и применяемое к ним регулирование.

Модуль для высвобождения катионов

В одном из вариантов осуществления модуль 10 для высвобождения катионов содержит электрод 2 из металла и/или сплава, соединенный с контроллером и сконфигурированный, чтобы погружаться в раствор. При этом контроллер сконфигурирован, чтобы прикладывать положительное напряжение к электроду из металла и/или сплава таким образом, чтобы катионы высвобождались в раствор.

Как показано на Фиг. 5, электрод 2 изготовлен из активного металла A и используется в качестве анода. Электрод 2 погружается в раствор 5, и, когда положительное напряжение приложено к электроду 2 (при отрицательном напряжении, приложенном к раствору 5), атомы металла в электроде 2 теряют электроны, и катионы A^m+ высвобождаются из электрода 2 в раствор 5. Предпочтительно в некоторых вариантах осуществления катионы активных металлов, такие как Al³⁺, Zn²⁺, Fe³⁺, Sn²⁺, Cu²⁺ и Ag⁺, могут быть высвобождены таким образом. Электродные реакции являются следующими:

Al-3e^-→Al³⁺;

Zn-2e^-→Zn²⁺;

Fe-3e^-→Fe³⁺;

Sn-2e^-→Sn²⁺;

Cu-2e^-→Cu²⁺; и

Ag-e^-→Ag⁺.

При этом e^- представляет собой электрон.

В альтернативном варианте осуществления электрод из инертного металла, такой как электрод из Pt, используют в качестве анода, и электролиз воды будет выполняться на аноде, и катионы H⁺ могут быть генерированы в растворе. Это может обеспечивать образование катионов H⁺ без растворения добавки едкой кислоты, например HCl, H₂SO₄, и следовательно, это безопасно для пользователя.

Электрод из металла и/или сплава является небольшим по размеру, соответственно несколько видов электродов могут быть установлены в устройстве 1, чтобы предоставлять разнообразие для выбора катиона.

В качестве аспекта способа, первая стадия выбора содержит: приложение положительного напряжения к электроду 2 из металла и/или сплава таким образом, чтобы катионы высвобождались в раствор.

В другом варианте осуществления, как показано на Фиг. 6, модуль 10' для высвобождения катионов содержит первый контейнер 3 для размещения первого электролита 6, содержащего первый вид катионов A^m+, и первый контейнер 3, например, сконфигурирован, чтобы погружаться в раствор 5. Первый контейнер 3 имеет катионную мембрану 30 для отделения первого электролита 6 от раствора 5, и данная катионная мембрана 30 лишь предоставляет возможность прохождения через нее катионов, а именно, из первого контейнера 3 в раствор 5. Модуль 10' для высвобождения катионов содержит также анод 32 с одним концом, погружаемым в первый электролит 6, и другим концом, соединенным с контроллером 14 (не показан на Фиг. 6), который сконфигурирован, чтобы прикладывать положительное напряжение к первому электролиту 6 посредством анода 32. Катионы H⁺ образуются в первом электролите 6. Для того, чтобы поддерживать электронейтральность в первом электролите 6, катионы A^m+ проходят из первого электролита 6 через катионную мембрану 30 в раствор 5.

Этот вариант осуществления предоставляет другое конкретное исполнение модуля для высвобождения катионов. Катионы активного металла, такого как Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺, контролируемое образование которых металлическим анодом затруднено, могут быть сохранены и регулируемым образом высвобождены в этом варианте осуществления.

В качестве аспекта способа, первая стадия выбора S94 включает приложение положительного напряжения к первому электролиту таким образом, что катионы высвобождаются в раствор через катионную мембрану 30.

В еще одном варианте осуществления другие материалы, которые могут высвобождать катионы при электрическом регулировании, могут также быть использованы в качестве модуля для высвобождения катионов, такие как полимер, гель. Более конкретно, полимер, связанный в комплекс с катионом, или гель, содержащий этот вид катионов, выполнен с возможностью погружения в раствор, и контроллер 14 выполнен с возможностью электролизовать воду в растворе, чтобы образовывать катионы H⁺. Катионы H⁺ проникают в полимер, связанный в комплекс с катионом и/или гель и удаляют обменом этот вид сохраненных катионов из полимера или геля под воздействием электрического поля, и этот вид катионов вводится в раствор под воздействием электрического поля. В одном из вариантов осуществления один модуль для высвобождения катионов может содержать один вид полимера, который сохраняет и высвобождает один вид катионов. В случае, когда требуются несколько видов катионов, должно быть задействовано несколько модулей для высвобождения катионов, соответственно, с надлежащими полимерами. В другом варианте осуществления один модуль для высвобождения катионов может содержать один полимер, сохраняющий несколько видов катионов, или содержать несколько полимеров, соответственно сохраняющих по одному виду катионов. В этом другом варианте осуществления несколько видов катионов будут высвобождаться одновременно.

Описание, приведенное выше, предоставляет варианты осуществления модуля 10 для высвобождения катионов, а описание, приведенное ниже, будет разъяснять варианты осуществления модуля 12 для высвобождения анионов.

Модуль для высвобождения анионов

В одном из вариантов осуществления, как показано на Фиг. 7, модуль 12 для высвобождения анионов содержит второй контейнер 4 для размещения второго электролита 7, содержащего второй вид анионов B^n-, и второй контейнер 4, например, сконфигурирован, чтобы погружаться в раствор 5. Второй контейнер 4 имеет анионную мембрану 40 для отделения второго электролита 7 от раствора 5, и данная анионная мембрана 40 лишь предоставляет возможность прохождения через нее анионов, а именно, из второго контейнера 4 в раствор 5. Модуль 10 для высвобождения катионов содержит катод 42 с одним концом, погружаемым во второй электролит 7, и другим концом, соединенным с контроллером 14, который сконфигурирован, чтобы прикладывать отрицательное напряжение ко второму электролиту 7 посредством катода 42. Анионы OH^- образуются во втором электролите 7. Для того чтобы поддерживать электронейтральность во втором электролите 7, анионы B^n- проходят из второго электролита 7 через анионную мембрану 40 в раствор 5.

В примере, кислотные радикалы, такие как Cl^-, SO₄^2-, могут требоваться в растворе 5. В случае известного уровня техники, пользователю, возможно, придется обращаться с HCl или H₂SO₄, и это опасно. При применении варианта осуществления изобретения, модуль 12 для высвобождения анионов может использовать раствор KCl или Na₂SO₄ в качестве второго электролита 7. Кислотные радикалы высвобождаются без манипуляций со стороны пользователя, и пользователь не обращается с едкими химикатами.

В качестве аспекта способа, вторая стадия выбора содержит: приложение отрицательного напряжения ко второму электролиту таким образом, что анионы высвобождаются в раствор через анионную мембрану 40.

В еще одном варианте осуществления другие материалы, которые могут высвобождать анионы при электрическом регулировании, могут также быть использованы в качестве модуля для высвобождения анионов, такие как полимер, гель. Более конкретно, полимер, связанный в комплекс с анионом, или гель, содержащий этот вид анионов, выполненный с возможностью погружения в раствор, и контроллер выполненный с возможностью электролизовать воду в растворе и образовывать анионы OH^-. Анионы OH^- проникают в анионный полимер и/или гель и удаляют обменом этот вид сохраненных анионов из полимеров или гелей под воздействием электрического поля, и этот вид анионов вводится в раствор под воздействием электрического поля. В одном из вариантов осуществления, один модуль для высвобождения анионов может содержать один вид полимера, который содержит и высвобождает один вид анионов. В случае, когда требуются несколько видов анионов, должно быть задействовано несколько модулей для высвобождения анионов, соответственно, с надлежащими полимерами. В другом варианте осуществления один модуль для высвобождения анионов может содержать один полимер, содержащий несколько видов анионов, или содержать несколько полимеров, соответственно содержащих по одному виду анионов. В этом другом варианте осуществления несколько видов анионов будут высвобождаться одновременно.

Как правило, в отличие от металлических анодов, которые высвобождают катионы металла, большинство катодов сами по себе не могут высвобождать анионы, поэтому представленные выше варианты осуществления с содержащим анионы раствором и полимером, связанным в комплекс с анионом и/или гелем, делают возможным высвобождение анионов.

Приведенное выше описание разъясняет структуру устройства 1 и конкретные варианты осуществления модулей 10 для высвобождения катионов и модулей 12 для высвобождения анионов. Последующее описание будет разъяснять, каким образом управлять каждым из модулей, чтобы получить требуемые концентрации каждого из катионов и анионов.

Устройство 1 с двумя модулями 10 для высвобождения катионов и двумя модулями 12 для высвобождения анионов взято в качестве примера и проиллюстрировано на Фиг. 8. Контроллер 14 снабжает модули 10 для высвобождения катионов и модули 12 для высвобождения анионов токами, чтобы высвобождать ионы, и контроллер 14 регулирует амплитуду тока и время протекания тока для каждого модуля, чтобы получить требуемую концентрацию. Для облегчения понимания, все модули 10 и 10' для высвобождения катионов аналогичны тем, что представлены на Фиг. 6, и модули 12 и 12' для высвобождения анионов аналогичны тем, что представлены на Фиг. 7. Устройство дополнительно содержит третий контейнер 50 для размещения раствора 5, и указанные модули размещены внутри контейнера 50 и сконфигурированы, чтобы погружаться в раствор 5.

Концентрации высвобожденных катионов и анионов тесно связаны с электрическим зарядом (Q=t×I), предоставленным для каждого модуля током на протяжении периода времени. Уравнения могут быть записаны как:

m×C_A1^m+×V=t×I_A1; n×C_A2ⁿ⁺×V=t×I_A2; o×C_B1^o-×V=t×I_B1; p×C_B2^p-×V=t×I_A2,

где m, n, o и p представляют собой зарядовые числа катионов и анионов; C_A1^m+, C_A2ⁿ⁺, C_B1^o- и C_B2^p- представляют собой концентрации катионов и анионов; V представляет собой объем раствора S, I_A1, I_A2, I_B1 и I_A2 представляют собой токи, протекающие через модули; t представляет собой время, в течение которого ток протекает и высвобождает ионы. При задании требуемой концентрации катионов и анионов, контроллер 14 определяет амплитуду тока, протекающего через соответствующий модуль, и время протекания, в соответствии с концентрацией соответствующих ионов вместе с зарядовыми числами ионов и объемом раствора S. Например, для A1^m+, при задании требуемой концентрации C_A1^m+, ток I_A1 и время t должны отвечать следующему выражению:

t×I_A1=m×C_A1^m+×V.

Для того чтобы поддержать электронейтральность, высвобожденные катионы и анионы должны отвечать следующему уравнению:

m×C_A1^m++n×C_A2ⁿ⁺=o×C_B1^o-+p×C_B2^p-

Кроме того, общее количество высвобожденных ионов может отслеживаться и регулироваться посредством общего электрического заряда, протекающего через модули для высвобождения ионов, который может быть представлен как:

Q_total=Σt×I_Ai=Σt×I_Bi=Σm_i×C_Ai^mi+×V=Σo_j×C_Bj^oj-×V.

Например,

1. Когда I_A1=I_B1≠0 и I_A2=I_B2=0, тогда A1^m+ и B1^o- высвобождаются при соотношении концентраций o:m.

2. Когда I_A1=I_B2≠0 и I_A2=I_B1=0, тогда A1^m+ и B2^q- высвобождаются при соотношении концентраций q:m.

3. Когда I_A1=2I_B1=2I_B2 и I_A2=0, тогда A1^m+, B1^o- и B2^q- высвобождаются при соотношении концентраций 2oq:mq:mo.

4. Посредством регулирования распределения тока может быть реализована комплексная комбинация разных катионов и анионов.

Этот вариант осуществления предоставляет конкретное исполнение для регулирования соответствующим образом концентрации каждого из катионов и ионов. Этот вариант осуществления является полностью автоматическим и легко приспосабливаемым для пользователя, чтобы приготовлять раствор с требуемыми концентрациями ионов.

Что касается аспекта способа, способ дополнительно включает:

определение амплитуды тока, протекающего через каждый модуль 10 для высвобождения катионов, и времени протекания, в соответствии с первой концентрацией соответствующих катионов; и/или

определение амплитуды тока, протекающего через каждый модуль 12 для высвобождения анионов, и времени протекания, в соответствии со второй концентрацией соответствующих анионов;

и включает:

регулирование амплитуды токов и времени протекания для модуля 10 для высвобождения катионов и модуля 12 для высвобождения анионов, чтобы поддерживать общий электрический заряд образованных катионов и общий электрический заряд образованных анионов равными.

В данном варианте осуществления раствор для различных видов применения, например, минеральной воды для питья, воды для изготовления соевого творога, ухода за кожей, дезинфекции или стирки, должен содержать различные виды подходящих катионов и/или анионов. Соответственно, было бы выгодным для одного лишь устройства, предоставлять различные растворы в соответствии с разными практическими потребностями. Для лучшего выполнения этого, в предпочтительном варианте осуществления устройство дополнительно содержит:

первый узел, сконфигурированный, чтобы получать информацию в отношении применения раствора;

второй узел, сконфигурированный, чтобы определять первый вид катионов и/или второй вид анионов в растворе в соответствии с полученной информацией;

и контроллер 14 выбирает по меньшей мере один указанный модуль 10 для высвобождения катионов и/или по меньшей мере один указанный модуль 12 для высвобождения анионов в соответствии с определенным первым видом катиона и/или определенным вторым видом анионов.

Например, чтобы приготовить минеральную воду для питья, катионами являются Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺, в то время как анионами являются SO₄^2- и Cl^-. Чтобы приготовить воду для ухода за кожей и ухода за полостью рта, катионами могут являться Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, и анионами являются NO₃^- или SO₄^2-. Чтобы приготовить воду для дезинфекции и гигиены, катионами могут являться Ag⁺, H⁺, и анионами могут являться S₂O₈^2-. В других вариантах осуществления раствор не используют непосредственным образом, а подвергают дополнительной обработке, например, применением раствора является подвергание его электролизу, чтобы образовывать соответствующие газы, такие как Cl₂. В этом случае, контроллер 14 выбирает модули, чтобы высвобождать соответствующие ионы в раствор, например, выбирает модуль для высвобождения Cl^-, чтобы высвобождать Cl^- в раствор для того, чтобы образовать Cl₂.

Первым узлом, сконфигурированным, чтобы получать информацию, может быть пользовательский интерфейс, сконфигурированный, чтобы принимать данные, вводимые пользователем. В случае, в котором устройство присоединено к устройству, такому как водораздатчик, машина для изготовления соевого творога, промывочная машина, приспособленному для использования этого раствора, и выводит в него раствор, интерфейс может быть интерфейсом машина-машина, чтобы получать инструкции от устройства. В другом варианте осуществления первый узел может также быть памятью, в которой предварительно записана информация, относящаяся к использованию раствора.

В качестве аспекта способа, как показано на Фиг. 9, перед стадиями S94 и S96, способ дополнительно включает следующие стадии:

- S90: получение информации, относящейся к использованию раствора; и

- S96: определение первого вида катионов и/или второго вида анионов в растворе в соответствии с полученной информацией;

указанные две стадии выбора соответственно выбирают модуль 10 для высвобождения катионов и/или модуль 12 для высвобождения анионов в соответствии с определенным первым видом катионов и/или определенным вторым видом анионов.

Средние специалисты в данной области техники смогут понять и реализовать модификации описанных вариантов осуществления, посредством изучения описания, чертежей и прилагаемой формулы изобретения. Например, каждый из модулей для высвобождения катионов может содержать и высвобождать два или более вида катионов одновременно, таких как Na⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺, и каждый из модулей для высвобождения анионов может содержать и высвобождать два или более вида анионов одновременно. Все такие модификации, которые не отклоняются от сущности изобретения, предназначены для включения в объем прилагаемой формулы изобретения.

Слово «содержащий» не исключает присутствие элементов или стадий, которые не перечислены в формуле изобретения или в описании. Употребление слова в единственном числе не исключает присутствие нескольких таких элементов. При практическом использовании данного изобретения, несколько технических признаков в формуле изобретения могут быть осуществлены одним компонентом. В формуле изобретения любые ссылочные обозначения, заключенные в круглые скобки, не должны истолковываться как ограничивающие формулу изобретения. Выражение «по меньшей мере один из A, B и C» должно рассматриваться как включающее любую из следующих групп: A; B; C; A и B; A и C; B и C; A и B и C.

Изобретение относится к приготовлению раствора, содержащего катионы и анионы. Токовый способ для выбора вида ионов и концентрации является традиционным путем химического растворения. Устройство для приготовления раствора (5) содержит: по меньшей мере, два модуля (10, 10’) для высвобождения катионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать, по меньшей мере, один вид катионов; по меньшей мере, два модуля (12, 12’) для высвобождения анионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать, по меньшей мере, один вид анионов; и контроллер (14), сконфигурированный, чтобы управлять, по меньшей мере, одним указанным модулем для высвобождения катионов и, по меньшей мере, одним указанным модулем для высвобождения анионов, чтобы высвобождать соответствующие виды ионов. Способ позволяет автоматически приготавливать раствор посредством соответствующего регулирования катионов и анионов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для приготовления раствора, содержащего катионы и анионы, содержащее:

- по меньшей мере два модуля (10, 10') для высвобождения катионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать по меньшей мере один вид катионов;

- по меньшей мере два модуля (12, 12') для высвобождения анионов, каждый из которых сконфигурирован, чтобы высвобождать по меньшей мере один вид анионов;

- контроллер (14), сконфигурированный, чтобы управлять по меньшей мере одним указанным модулем для высвобождения катионов и по меньшей мере одним указанным модулем для высвобождения анионов для того, чтобы высвобождать соответствующие виды катионов и анионов.

2. Устройство по п. 1, в котором модуль для высвобождения катионов содержит:

- электрод (2) из металла и/или сплава, соединенный с контроллером и выполненный с возможностью погружения в раствор;

контроллер (14) выполнен с возможностью приложения положительного напряжения к электроду (2) из металла и/или сплава таким образом, чтобы катионы высвобождались в раствор.

3. Устройство по п. 1, в котором модуль для высвобождения катионов содержит первый контейнер (3) для размещения первого электролита, содержащего соответствующий вид катионов, при этом данный первый контейнер (3) имеет катионную мембрану (30), отделяющую первый электролит от раствора,

контроллер (14), выполненный с возможностью прикладывать положительное напряжение к первому электролиту таким образом, что соответствующий вид катионов высвобождается в раствор через катионную мембрану (30).

4. Устройство по п. 1, в котором модуль для высвобождения анионов содержит второй контейнер (4) для размещения второго электролита, содержащего соответствующий вид анионов, при этом данный второй контейнер (4) имеет анионную мембрану (40) для отделения второго электролита от раствора,

контроллер (14) выполнен с возможностью прикладывать отрицательное напряжение ко второму электролиту таким образом, что соответствующий вид анионов высвобождается в раствор через анионную мембрану (40).

5. Устройство по п. 1, в котором модуль (10) для высвобождения катионов содержит полимер, связанный в комплекс с катионом, и/или гель, содержащий катионы, и выполнен с возможностью погружения в раствор,

контроллер (14) выполнен с возможностью электролизовать воду в растворе и образовывать ионы Н⁺, которые проникают в полимер, связанный в комплекс с катионом, и/или гель, и переводят обменом указанный вид катионов из полимера и/или геля в раствор;

и/или модуль (12) для высвобождения анионов содержит полимер, связанный в комплекс с анионом, и/или гель, содержащий анионы, и выполнен с возможностью погружения в раствор,

контроллер (14), выполненный с возможностью электролизовать воду в растворе и образовывать ионы ОН^-, которые проникают в полимер, связанный в комплекс с анионом, и/или гель, и переводят обменом соответствующий вид анионов из полимера и/или геля в раствор.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором контроллер (14) снабжает модуль (10) для высвобождения катионов и модуль (12) для высвобождения анионов токами, чтобы высвобождать ионы;

контроллер (14) выполнен с возможностью определять амплитуду тока, протекающего через каждый модуль (10) для высвобождения катионов, и время протекания, в соответствии с первой концентрацией соответствующих катионов; и/или

контроллер (14), выполненный с возможностью определять амплитуду тока, протекающего через каждый модуль (12) для высвобождения анионов, и время протекания, в соответствии со второй концентрацией соответствующих анионов;

при этом контроллер (14) выполнен с возможностью регулировать амплитуду токов и время протекания для модуля (10) для высвобождения катионов и модуля (12) для высвобождения анионов, чтобы поддерживать общий электрический заряд образованных катионов и общий электрический заряд образованных анионов равными; и

устройство дополнительно содержит:

- третий контейнер (50) для размещения раствора.

7. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

- первый узел, выполненный с возможностью получать информацию в отношении применения раствора;

- второй узел, выполненный с возможностью определять первый вид катионов и/или второй вид анионов в растворе в соответствии с полученной информацией;

указанный контроллер выбирает по меньшей мере один указанный модуль для высвобождения катионов и/или по меньшей мере один указанный модуль для высвобождения анионов в соответствии с определенным первым видом катионов и/или определенным вторым видом анионов.

8. Способ приготовления раствора, содержащего катионы и анионы, включающий следующие стадии:

получение информации, относящейся к использованию раствора;

определение требуемого вида катионов и/или требуемого вида анионов в растворе в соответствии с полученной информацией;

выбор по меньшей мере одного из по меньшей мере двух модулей (10, 10') для высвобождения катионов, чтобы высвободить соответствующие катионы в соответствии с требуемым видом катионов;

выбор по меньшей мере одного из по меньшей мере двух модулей (12, 12') для высвобождения анионов, чтобы высвободить соответствующие анионы в соответствии с требуемым видом анионов.

9. Способ по п. 8, в котором модуль для высвобождения катионов содержит:

- электрод (А) из металла и/или сплава, используемый в качестве анода и выполненный с возможностью погружения в раствор;

и первая стадия выбора включает:

приложение положительного напряжения к электроду (А) из металла и/или сплава таким образом, чтобы катионы металла высвобождались в раствор.

10. Способ по п. 8, в котором модуль (10) для высвобождения катионов содержит первый контейнер (3) для размещения первого электролита, содержащего катионы, при этом данный первый контейнер (3) имеет слой (30) катионной мембраны для отделения первого электролита от раствора,

и первая стадия выбора включает:

приложение положительного напряжения к первому электролиту таким образом, что катионы высвобождаются в раствор через катионную мембрану (30).

11. Способ по п. 8, в котором модуль (12) для высвобождения анионов содержит второй контейнер (4) для размещения второго электролита, содержащего анионы, при этом данный второй контейнер (4) имеет слой (40) анионной мембраны для отделения второго электролита от раствора,

и вторая стадия выбора включает:

приложение отрицательного напряжения ко второму электролиту таким образом, что анионы высвобождаются в раствор через анионную мембрану (40).

12. Способ по любому одному из пп. 8-11, в котором первая и вторая стадии выбора предоставляют модулю (10) для высвобождения катионов и модулю (12) для высвобождения анионов токи, чтобы высвобождать ионы;

данный способ дополнительно включает:

определение амплитуды тока, протекающего через каждый модуль (10) для высвобождения катионов, и времени протекания, в соответствии с первой концентрацией соответствующих катионов; и/или

определение амплитуды тока, протекающего через каждый модуль (12) для высвобождения анионов, и времени протекания, в соответствии со второй концентрацией соответствующих анионов;

и включает:

регулирование амплитуды токов и времени протекания для модуля (10) для высвобождения катионов и модуля (12) для высвобождения анионов, чтобы поддерживать общий электрический заряд образованных катионов и общий электрический заряд образованных анионов равными.