一种单多质气体制备单元的制作方法

本发明涉及水的射流空化领域，尤其涉及一种单多质气体制备单元。

背景技术：

在许多场合，提高水溶液的气体溶解度或者说制备出高浓度的单质及多质气体水溶液，具有非常特殊的效果和作用。譬如说，国内外把富氢水作为一种高效抗氧化能力水溶液，进行了多年大量研究认为，富氢水具有特殊的强抗氧化能力且可选择性的中和羟基自由基、亚硝酸阴离子等，并应用于生命、生物科学及工业化学等等领域；如富氧水已经在许多行业应用，特别是水体养殖业提高溶氧量及水体净化处理提高do值；再如富氮水具有较理想的杀菌脱氧效果，可以很好地应用于动植物保鲜和农业栽培应用等等都得到良好的效果。众所周知，纯洁的水体中气体的溶解度大小，有一定的饱和度，而且根据气体的性质、压强和溶剂的温度的不同而变化。例如，在20℃时，气体的压强为1.013×10^5pa，一升水可以溶解气体的体积是:氢气为0.01819l，氧气为0.03102l。而氮气在标准情况下的气体密度是1.25g/l，氮气在水中溶解度很小，在常温常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气等等。那么，提高气体的溶解度或者说提高气体在水溶液中的含量，对于各个领域来讲，具有更特殊的效果和更广泛的应用范围。如何提高各种气体的高浓度水溶液已经成为热点研究课题。

专利cn103408122a《一种高氧富氢水及其的制备方法和应用》制得水中所溶解的氧含量在20.0mg/l～70.0mg/l之间，所溶解的氢含量在1.0mg/l～10.0mg/l之间。专利cn105600905a《一种负离子富氢水的制备方法》制备的负离子富氢水的氢含量为0.8ppm～1.5ppm，氧化还原电位为-300mv～-500mv，释放负离子个数500～1000个/cm³。专利cn105923712a《富氢水制备方法、装置、罐装水生产线、净/饮水机》是利用水电解在阴极侧形成的氢气与水混合形成富氢水的方法。在常压条件下控制生成的富氢水的浓度为2ppm。加之目前市售的各种富气体元素的水都是在一定的含量水平上。

技术实现要素：

本发明根据现有技术的不足，提供了一种高浓度单质气体及多质气体水溶液的制备方法和装置。本发明的方法是利用各种单质或多质的气体和10mω去离子水按照一定比例进行混合，经本发明的特殊结构设备多重射流空化微反应器组来制备各种标号的高浓度单质或多质气体水溶液。通过本方法和设备制备的各种标号的高浓度单质或多质气体水溶液，可以长时间保持水中的单质或多质气体不析出，并且水中没有添加任何化学物质。

本发明的技术方案是：

一种单多质气体制备单元，其特征在于，包括电解槽，通过热交换片与电解槽连接的气液分离管，所述气液分离管同时与离子水机以及触媒单元连接，气液分离管的液体分离出口与电解槽连接，所述气液分离管的气体分离出口与多重射流空化反应单元连接。

在上述的一种单多质气体制备单元，所述电解槽内设有一个横向贯穿整个电解槽的中心轴，电解槽内的中心轴两端固定有绝缘板，两端的绝缘板之间对称固定有两组电极板，所述由多片组成，电极板间隔为1-3mm，电压为12-48v,电解电流为50-200ma,电极板材质为不锈钢304，表面镀镍8-10μm。

本发明的方法和设备可以制备出各种标号的高浓度单质或多质水溶液，并可以长时间保持水溶液的浓度、单质或多质气体的气泡尺寸范围在10nm-120nm之间，频度最大数直径约30nm-60nm，频度峰直径约20nm-70nm，频度最小值直径约5nm-20nm，本发明的高浓度水溶液在封闭的容器中可以长期储存，在不封闭的容器中可以保持三个月基本没有变化。

附图说明

图1是高浓度单质气体及多质气体水溶液的制备方法系统的结构示意图。

图2是水及触媒制备单元的结构示意图。。

图3是单质或多质气体制备单元的结构示意图。。

图4是多重射流空化微反应系统的结构示意图。。

图5a是射流空化微反应器组的结构示意图。

图5b是射流空化微反应器组的主视结构示意图。

图5c是射流空化微反应器组中第一多重空化片b-1的结构示意图。

图5d是图5c的左视结构的示意图。

图5e是射流空化微反应器组中第二多重空化片b-2的结构示意图。

图5f是图5e的左视结构的示意图。

图5g是壳体的结构示意图。

图5h是图5g的左视结构的示意图。

图6a是图5b中i处的的结构放大示意图。

图6b是图5b中ii处的的结构放大示意图。

图6c是射流空化微反应器(单体)中p压力、v流速和管径变化三者关系的曲线图。

图7a是动力离心式多重射流空化微反应器的一种结构示意图。

图7b是动力离心式多重射流空化微反应器的另一种结构示意图。。

图7c是动力离心式多重射流空化微反应器中反应端盖片一的主视结构示意图。

图7d是图7c的左视结构示意图。

图7e是动力离心式多重射流空化微反应器中反应片二的主视结构示意图。

图7f是图7e的左视结构示意图。

图7g是动力离心式多重射流空化微反应器中反应片五的主视结构示意图。

图7h是图7g的左视结构示意图。

图7i是动力离心式多重射流空化微反应器中反应片六的主视结构示意图。

图7j是图7i的左视结构示意图。

图7k是动力离心式多重射流空化微反应器中反应片三的主视结构示意图。

图7l是图7k的左视结构示意图。

图7m是动力离心式多重射流空化微反应器中反应片四的主视结构示意图。

图7n是图7m的左视结构示意图。

图7o是动力离心式多重射流空化微反应器中反应片五和反应片六的重叠结构示意图。

图7p是图7m的左视结构示意图。

图7q是动力离心式多重射流空化处理系统示意图。

图8是氢氧(2:1)混合气体高浓度水溶液实施设备方案。

图9是实施例中气泡尺寸与密度的频度图。

图10是实施例中oh浓度和压力的关系图。

图11是实施例中oh浓度和时间的关系图。

图12是实施例中oh浓度和温度的关系图。

图13是单质气体或多质气体示意图。

具体实施方式

结合实施举例对本发明的上述内容作进一步的详细说明，但不能理解为本发明技术方案仅限一下实施举例。本发明适合于所有的单质或多质气体的制备。

本发明包括：

电源控制系统：为整个制备装置供电，并控制电源的供电稳定；

plc系统：与电源电源控制系统连接，用于控制制备装置所有功能单元的工作；

水处理单元：基于触媒，将水溶液进行快速的去离子化；

单质或多质气体制备单元：用于制备单质或多质气体；

多重射流空化微反应系统：用于将去离子化的水溶液和制备好的单质或多质气体进行混合，并输出所需的高浓度水溶液。

水处理单元包括去离子水机以及与去离子水机连接的触媒单元。

去离子水机的去离子水电阻率为10mω，所述的触媒单元的触媒包括koh碱性电解液。

单质或多质气体制备单元包括制氢装置、制氧装置、布朗气体制备装置、制氮装置和常规气体存贮装置中的一种或多重组合。

制氢装置、制氧装置采用相同的氢氧机，分别提供氢气和氧气；所述的布朗气体制备装置采用布朗机提供氢氧混合气体；所述制氮装置采用分子筛制氮机提供氮气；所述的常规气体存贮装置采用常规储气罐提供所需的单质或多质气体。

单质或多质气体制备单元包括电解槽，通过热交换片与电解槽连接的气液分离管，所述气液分离管同时与离子水机以及触媒单元连接，气液分离管的液体分离出口与电解槽连接，所述气液分离管的气体分离出口与多重射流空化反应单元连接。

电解槽内设有一个横向贯穿整个电解槽的中心轴，电解槽内的中心轴两端固定有绝缘板，两端的绝缘板之间对称固定有两组电极板，所述由多片组成，电极板间隔为1-3mm，电压为12-48v,电解电流为50-200ma,电极板材质为不锈钢304，表面镀镍8-10μm。

多重射流空化微反应系统包括：

多重射流空化微反应单元：用于将去离子化的水溶液和制备好的单质或多质气体进行混合，

高浓度气体水溶液调整单元：用于按照设定调整高浓度气体水溶液的配比。

多重射流空化微反应单元的进口端与单质或多质气体制备单元连接，出口端与高浓度气体水溶液调整单元连接，所述高浓度气体水溶液调整单元还与去离子水机以及多重射流空化微反应单元的进口端连接。

多重射流空化微反应单元包括筒状本体以及设置在筒状本体内的射流空化微反应器组；所述射流空化微反应器组包括多重空化片一(b-1)、多重空化片二(b-2)垂直排列成至少一组或多组；多重射流空化微反应单元的水溶液流向依次为入口端、至少一组或多组多重空化片组、出口端。

射流空化微反应器组中的多重空化片内设有两个依次连接漏斗状容器，分别容器一和容器二；容器一和容器二开口小的一端连接在一起，且开口小的一端直径为中；容器一的另一端开口为入；容器一的另一端开口为出；且容器一的高度为l1，容器一和容器二连接后的总高度为l0，且l1＝1/3l0。

多重射流空化微反应系统包括一个动力离心式多重射流空化微反应系统；所述动力离心式多重射流空化微反应系统包括筒状本体以及设置在筒状本体内的微反应器，所述微反应器通过动力旋转轴与筒状本体外的电机配接，并能够在电机的驱动下高速旋转，筒状本体水溶液进口端与去离子水机连接，气体进口端与单质或多质气体制备单元连接；所述水溶液是电阻率为10mω的去离子水；所述单质气体是包括氢、氧、氮等各种单一纯净气体；所述多质气体是至少包括两种以上的单质气体的混合气体。

微反应器包括由上至下依次设置的反应端盖片一、反应片二、反应片三、以及反应片四；所述反应端盖片一为圆环状，中部圆孔设有用于和动力旋转轴配接的法兰；反应片二、反应片三为中部设有若干蜂窝状圆孔，反应片四为圆环状，中部的圆孔与筒状本体的内部相通，所述反应片二、反应片三、以及反应片四的孔径一样，并且，反应片一和反应片二的通孔排列位置呈错位相位排列，当反应片一和反应片二重合时，反应片一上的每一个圆形通孔的圆心是反应片二上三个相邻圆形通孔的最近外相交点；每个微型反应釜与相邻的反应釜相通，构成了液体介质在不同的空间、压力、温度、射流等状态下连续流动并参与反应的多重微型反应釜；各个反应片之间是密贴无间隙；由于微反应器是高速旋转的，在离心力的作用下液体经中心通孔被吸入，液体向水平方向经过各个微反应器内的微反应腔射出。

反应片二、反应片三、以及反应片四上下叠加设置，且反应片二、反应片三、以及反应片四之间的蜂窝圆孔交错排列。

微反应器包括由上至下依次设置的反应端盖片一、反应片二、反应片三、反应片五、反应片六、以及反应片四；所述反应端盖片一为圆环状，中部圆孔设有用于和动力旋转轴配接的法兰；反应片二、反应片三、反应片五、反应片六为中部设有若干蜂窝状圆孔，各个反应片之间是密贴无间隙；由于微反应器是高速旋转的，在离心力的作用下液体经中心通孔被吸入，液体向水平方向经过各个微反应器内的微反应腔射出。

反应片二、反应片三、反应片五、反应片六以及反应片四上下叠加设置，且反应片二、反应片三、反应片五、反应片六之间的蜂窝圆孔交错排列。

一种高浓度单质气体及多质气体水溶液的制备方法，包括：

步骤1、自来水或市售的各种饮用水经过去离子水机将水处理为10mω的去离子水，添加纯度为99％koh电解质，混合成浓度为3-8％的电解液，并由触媒单元的管道输送到2-10触媒剂入口，当电解系统的电解液浓度上升到12％以上时，去离子水机将经过管道向2-6气液分离罐中补充纯水，保持电解系统电解液的浓度和液体量；

步骤2、电解液通过气液分离罐再到电解液循环管，由p1循环泵和f4阀门向电解槽中输送电解液进行循环，电极板通电后产生的氢氧混合气和水再经过热交换片回流到气液分离罐进行循环，

步骤3、气液经过热交换片时由热交换风机提供热交换并保持电解液温度在40-70℃之间，气液分离罐进行气液分离，保持0.08-0.2mpa的压力区间，触媒剂入口提供koh触媒，保持浓度3-8％之间，气液分离罐分离出来的气体经过氢氧混合气出口管道输送在3多重射流空化反应单元；

步骤4、氢氧混合气体进入多重射流空化反应单元进行反应，同时高浓度气体水溶液调整单元的去离子水由去离子水机10mω，经管道和f5阀补充保持；p2动力泵、f1节流阀、f2调压阀将水溶液浓度调节罐中的水溶液输送到射流空化微反应器组，进行射流空化循环反应；当参数达标时，由f3阀门输送到5高浓度水溶液储存罐。步骤4中，射流空化微反应器组循环处理时间为60min时，检测得到水溶液温度为38℃；ph值为8.5；orp为-630mv；并得到气泡尺寸与密度的频度图，显示结果是频度最大数直径为50nm，频度峰直径为40nm，频度最小值直径为10nm；大量的溶氢氧微泡经过射流空化微反应器组的反应后，液体的介质和溶氢氧微泡的接触界面产生了微泡离子的形态，即产生了纳米尺寸效应，气体微泡在水溶液中可以长时间稳定不析出，观测到在不封闭的容器中可以保持三个月水溶液浓度基本没有变化。

一、下面结合附图介绍一下本发明的具体装置结构：

所述1水处理单元包括水去离子化的出来，去离子化水的电阻率10mω。所述的触媒包括koh碱性电解液。

所述2单质或多质气体制备单元包括a制氢装置、b制氧装置、c布朗气体、d制氮装置和e任何气体。其中所述的a制氢装置、b制氧装置可以由氢氧机分别提供氢气和氧气。所述的c布朗气体可以由布朗机提供氢氧混合气体。所述d制氮装置可以由分子筛制氮机提供氮气。所述的e任何气体可以由市售常规储气罐提供的单质、多质气体。

所述多重射流空化微反应系统包括3多重射流空化反应单元、4高浓度气体水溶液调整单元、p动力泵、f1节流阀、f2调压阀组成。

所述的3多重射流空化反应单元包括图5射流空化微反应器组、图6射流空化微反应器(单体)、图7动力离心式多重射流空化微反应器、图7.1动力离心式多重射流空化处理系统。所述图5射流空化微反应器组包括壳体端盖、壳体、紧固螺栓、b-1多重空化片、b-2多重空化片组成，两端设有入口、出口端。所述图6射流空化微反应器(单体)为图5射流空化微反应器组ⅰ和ⅱ的空化微反应器单体的描述。所述的图7动力离心式多重射流空化微反应器包括动力旋转轴、c-1微反应器动力端盖、c-2多重射流空化微反应单组单片、c-3多重射流空化微反应单组单片、c-4进口端盖、c-5多重射流空化微反应多组单片、c-6多重射流空化微反应多组单片、c-7双片组合、定位螺栓、固定螺栓组成。所述的图7.1动力离心式多重射流空化处理系统包括7-1壳体、7-2动力电机、微反应器组、f6进水阀、f7进气阀、f8高浓度水溶液出口阀、通气口组成。

所述图5射流空化微反应器组包括液体由入口进入，经过多重空化组的射流空化后由出口排出。多重空化组由b-1多重空化片、b-2多重空化片组成的一组或多组，优选5-15组组成。

所述图6射流空化微反应器(单体)的几何尺寸关系为l1＝1/3l0。从p压力、v流速和管径变化三者关系的曲线图可以得到：l1区间随着管径的收缩至l0时，流体压力逐步下降，流速逐步增大，当管径收缩到l0时，流速最大，流体压力将至最小，由于惯性作用，流体压力瞬间出现压力负值现象，进而产生流体空化作用。此时，液体中的微泡核产生、生长扩大到溃灭产生巨大能量。当液体经过ⅰ单体微反应器时产生液体空化作用，当ⅱ单体组合时产生射流空化效应，双重空化的作用产生机械、热效、化学、生物等等一系列效应。主要表现在非均相反应界面的增大；微泡过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键断裂和产生自由基等。空化作用气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使冲击碰撞密度极高，气液界面面积增大，气泡变小至纳米级。本发明的双重空化最佳参数是通过·oh浓度的增加量来确定的。其试验结果为图10·oh浓度和压力的关系图、图11·oh浓度和时间的关系图、图12·oh浓度和温度的关系图。双重空化最佳参数为温度在0-50℃，优选30-40℃；流体压力为0.3-0.7mpa，优选0.4-0.5mpa，处理时间为30-120min，优选50-90min。

所述的图7动力离心式多重射流空化微反应器包括液体是通过动力旋转轴、c-1微反应器动力端盖、c-2多重射流空化微反应单组单片的入口进入，由于离心力的作用，液体通过c-4片的通孔进入经过c-1、c-2、c-3、c-4多重反应组的反应后，向圆柱体的切线方向输出。包括液体通过c-4、c-5、c-6的中心通孔等多片组合的多重反应组，由于离心力的作用经过反应后，向圆柱体的切线方向输出。c-7为c-5和c-6的重叠示意图，可以观察到液体的走向。c-5、c-6为一组片，原则上组片越多功率越大，处理量也越大。本专利实施为3-20组，优选5-15组。

所述的图7.1动力离心式多重射流空化处理系统包括去离子水通过f6进水阀进入反应系统，各种气体经过f7进气阀进入反应系统的底部，并有7.1-2电机提供动力，进行高速旋转，微反应器组产生离心力，气液通过微反应器底部的通孔吸入，并通过微反应器的中心通孔将气液分配到各个微反应器的中心入口，进行反应后的气液沿微反应器外壁的切线方向射出，并循环参加反应。当微反应系统中的水溶液浓度达到标准时，由f8高浓度水溶液出口阀排出。去离子水为10mω；离心转速为100-2980r/min，优选200-1200r/min，气体的供给流量5-50ml/min，优选10-30ml/min，反应温度为20-50℃，优选30-40℃，反应时间30-120min，优选40-80min。

所述图5射流空化微反应器组包括射流空化壳体，射流微反应组片a、射流微反应组片b组成。所述图7动力离心式多重射流空化微反应器包括动力转轴、微反应器片a、微反应器片b、微反应器片c、微反应器片d组成。所述图4多重射流空化微反应系统包括4-1温度表、4-2ph计、4-3电动势计、f1节流阀、f2调压阀、p动力泵、3多重射流空化微反应器、4水溶液浓度调节罐。

所述5高浓度气体水溶液包括5成品罐。

所述图8氢氧(2:1)混合气体高浓度水溶液实施设备方案包括，1去离子水机(10mω)、2-1中心轴、2-2绝缘板、2-3电解槽、2-4电极板、2-5热交换片、2-6气液分离管、2-7压力表、2-8温度表、2-9安全阀、2-10触媒剂入口、2-11氢氧混合气出口、2-12电解液、2-13电解液循环管、2-14热交换风机、p1循环泵、f4电解液循环阀门、3射流空化微反应器、p2动力泵、4水溶液浓度调整罐、4-1温度表、4-2ph计、4-3电动势计、f1节流阀、f2调压阀、f3阀门、5高浓度水溶液储存罐组成。

二、下面以氢氧(2:1)混合气体高浓度水溶液的制备为例，详细说明采用本发明的具体方案。

参考图8氢氧(2:1)混合气体高浓度水溶液实施设备方案：氢氧(2:1)混合气体高浓度水溶液实施设备方案包括，本发明设备制备用水可以是自来水或市售的各种饮用水，1去离子水机(通过国家许可的市售产品)将水处理为10mω的去离子水，添加纯度为99％koh电解质，混合成浓度为3-8％的电解液，并由触媒单元的管道输送到2-10触媒剂入口，当电解系统的电解液浓度上升到12％以上时，去离子水机将经过管道向2-6气液分离罐中补充纯水，保持电解系统电解液的浓度和液体量。电解液通过气液分离罐再到2-13电解液循环管，由p1循环泵和f4阀门向2-3电解槽中输送电解液进行循环，2-4电极板通电后产生的氢氧混合气和水再经过2-5热交换片回流到2-6气液分离罐进行循环，2-4电极板可以是由多片组成，电极板间隔为1-3mm，电压为12-48v,电解电流为50-200ma,电极板材质为不锈钢304，表面镀镍8-10μm，采用电容式的电解方法进行电解，气液经过2-5热交换片时由2-14热交换风机提供热交换并保持电解液温度在40-70℃之间，2-6气液分离罐进行气液分离，由2-7压力表、2-8温度表控制读数，通过2-9压力表保持0.08-0.2mpa的压力区间，2-10触媒剂入口提供koh触媒，保持浓度3-8％之间，2-6气液分离罐分离出来的气体经过2-11氢氧混合气出口管道输送在3多重射流空化反应单元。

氢氧混合气体进入3多重射流空化反应单元进行反应，同时4高浓度气体水溶液调整单元的去离子水由1去离子水机10mω，经管道和f5阀补充保持。p2动力泵、f1节流阀、f2调压阀将4水溶液浓度调节罐中的水溶液输送到图6射流空化微反应器组，进行射流空化循环反应。反应由4-1温度表、4-2ph计、4-3电动势计监控水溶液的浓度指标。图6射流空化微反应器组采用八组组合，循环处理时间为60min时，检测得到水溶液温度为38℃；ph值为8.5；orp为-630mv；并得到图9气泡尺寸与密度的频度图，显示本例的结果是频度最大数直径约为50nm，频度峰直径约为40nm(50％粒子数)，频度最小值直径约10nm。大量的溶氢氧微泡经过射流空化微反应器组的反应后，液体的介质和溶氢氧微泡的接触界面产生了微泡离子的形态，即产生了纳米尺寸效应，气体微泡在水溶液中可以长时间稳定不析出，观测到在不封闭的容器中可以保持三个月水溶液浓度基本没有变化。当参数达标时，由f3阀门输送到5高浓度水溶液储存罐。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。