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東大・宮崎大も注目するエルセ水。九州・龍王山の天然水をエルセ処理(製法特許)したミネラルウォーターです。
   水分子群の構造変化


エルセ活水器により処理を行い構造化された水の測定方法と評価解説
1)TSDC 熱刺激脱分極電流測定法
2)1H-NMR 核磁気共鳴測定法

徳島文理大学・大学院・工学研究科・ナノ物質工学専攻・岡島教授研究室
岡島邦彦



1)TSDC 熱刺激脱分極電流測定法
(Thermally Stimulated Depolarization Current method)

■原理
この方法は、ある温度で、平衡化した、分布を持つ水分子の双極子集団に直流電場をかけて分極(双極子配向)という準平衡な励起状態を作り、急激に温度を下げて先の分極を凍結させた後、等速昇温過程で起こる脱分極を電流値として観測するものです。(図1参照)したがって、氷水分子が、昇温過程で分極配向を解除され、元の状態に戻る時、電流が流れることになり、流れる時の温度が高いほど、構造的に動きにくい氷水分子群であるということが分かります。TSDCの測定は、一種の緩和現象であり、水の場合は、水素結合性に由来する、緩和現象を測定していることになります。



■測定方法
1.所定量の試験水をサンプル室に仕込む。
2.試験水に直流電場をかけ、水分子を分極する。
3.低温下において、水分子の分極を凍結する。
4.一定速度で試験水を昇温させ、脱分極電流を観測する。

■評価解説
図2に典型的な水(重水)のTSDC曲線と、対応するピークの水の水素結合様式を示します。この図より、温度-135℃、-115℃、-95℃、-60℃、-30℃付近にピーク電流を示すことが分かります。これらの位置に見出される各ピークの緩和過程に要する活性化エネルギーは、昇温速度を変化させた結果をアーレニュースプロットすれば、評価できます。これはその温度で氷水分子群が動いたことを示しており、−165℃〜0℃の域に、構造化された大きさの異なる氷水分子群が存在していることが分かります。すなはち、室温下での水分子は構造単位の異なる水分子群で構成されていることが推定されます。更に、重要な点は、特に、Aピークは、カチオン(Na+,Li+,Ca2+、Mg2+)の存在で、高温側にシフトし、水分子をより構造化し、動きにくくしています。これは、これら、カチオンが正の溶媒和をし、水の構造をより秩序化するといわれていることにも対応します。 なを、TSDC測定の再現性は、確認済みです。






図3 エルセ処理前後のイオン交換水のTSDCプロファイル図3にエルセ処理前後の試験水(蒸留水;含有されるカチオンはppbオーダーで、出現温度に、殆ど影響を与えません)のTSDC曲線を示します。より動きやすい状態下にある氷水分子のピークに相当するピークAが10℃以上高温にシフトし、ピークB,Cも高温にシフトし、ピークDは20℃近く高温シフトし、強度も増加していることが分かります。また、ピークEは氷の融点に相当するピークFに含まれ、20℃以上シフトしていることが分かります。各ピークの高温シフトは、一見、処理水に、先に、記載した正の溶媒和をするカチオンが、存在したかの様な状況を呈します。これは、エルセ処理の基本的処理原理である、セラミックスと水流界面に生じる電気二重層(水流側が正荷電)によって生じる正荷電との相互作用により、水が構造化(動きにくい構造)、し、分子運動性が低下したこと、すなはち、氷水分子の構造単位が粗大化したことを示しています。このことから、室温下においてエルセ処理した水分子群は、処理前と比較し、平均してより大きく強固に構造化された水分子群に変貌したと推定されます。





2)1H- NMR 核磁気共鳴測定法
(Nuclear Magnetic Resonance method)

■原理
この方法は、原子核スピンのエネルギーの吸収・放出現象の観測です。水分子は核磁気モーメントを持っており、水を強い静磁場下において、電磁波を照射するとエネルギー(電磁波)を吸収・放出します。これが核磁気共鳴現象であり、これを利用して、水分子の動きやすさ、厳密にはプロトン(H)の緩和挙動をとらえることができます。

■測定方法
1.サンプル管に所定量の試験水を仕込む。
2.NMR装置の中へサンプル管をセットする。
3.測定諸条件を設定後、NMR現象を観測する。

■評価解説
図4はエルセ処理前後のNMRスペクトルを示しています。水素原子核上の電荷密度が減少すれば、ピークは低磁場側(高ppm側)にシフトシします。この現象は、生じた正荷電との相互作用(水素結合性の増加、あるいは、正荷電による直接の水素核上の電荷密度減少)によると解釈されます。エルセ処理した水は、明らかに、低磁場側に新たなピークが出現していることが分かります。上記の理由で、水分子間の相互作用が増し、より拘束された状態になっている水分子集団が存在していることになります。このことは、TSDC結果とも対応するものと考えられます。

注意:安定な磁場下での測定には細心の注意が必要であり、かつ、再現性を確認した結果です。試験水:蒸留水測定温度25℃ 処理後処理前低磁場側に水素結合性の高いピークが出現(ppm) (ppm)


■評価解説
図5は富士市飲料水のエルセ処理前後のNMRスペクトルを示しています。処理前の飲料水は、主ピークとそのとなりに複ピークが存在し、さらに高磁場側に明瞭な2つのショルダーピークが存在することが分かります。これら低磁場側の2つのピークは、Na+,Ca2+,Mg2+などの多量のイオンの存在で安定構造化した水分子集団、高磁場側の2つのショルダーピークは、残留Cl-イオンなどにより、構造破壊された水分子集団と推定されます。エルセ処理によるこれらのピーク消失は、セラミックス処理により生じた正のチャージが、Cl-イオンなどのイオン周囲に作用し、構造破壊された水分子を通常の構造に変える作用などにより、水構造に変化をもたらしていると推定されます。







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