超饱和氢气溶液的制备装置及其制备方法与流程

本发明涉及向液体中充入氢气至超饱和状态的技术和装置，尤其涉及一种超饱和纳米气泡氢气溶液的制备装置。

背景技术：

1、氢气溶液是指氢气溶解于水后形成的气液混合物，加入氢气不改变原水的ph值。自2007年《自然医学》杂志刊登日本太田成男等关于氢气具有抗氧化、抗炎、抗凋亡生物医学效应报告。7年来，氢气水溶液的生物学效应逐渐的被人们所接受和认可。氢气溶液因为具有极高的生物安全性，令世人振奋地、主动地逆转病理损伤的效应和极为方便的使用方式(如：饮用/浸泡)，业已成为世界范围内医疗保健市场最值得关注的项目之一。其中，超饱和氢气溶液因为制备难度高且应用范围广，生物医学效应尤为显著。

2、通过饮用氢气水摄取氢气是目前应用最广泛的方法，也是氢气健康产品最安全、最常见的形式。但氢气在水中的溶解度非常低，是一种难溶甚至不溶于水的气体，在常温常压下(常温为20℃，常压为101.3kpa)，1l水的氢气饱和溶解量为18.2ml或1.6mg，通常我们用质量浓度1.6ppm来表示，鉴于氢气很难溶于水的特性，成为了人们通过饮用高含氢量的水溶液的障碍。

3、饮用氢气水的制备方式包括电解水、氢气溶解水、金属镁反应水等类型。

4、电解水是最早用于人体的氢气水，以保健为目的的饮用电解水最早起源于日本。制备电解水的设备称为电解槽，经过电解后通过半透膜分离出的碱性水会含有少量的氢气，电解水的不足在于由于饮用水直接通过电解槽进行电解，饮用水中会掺杂电解产生的余氯和臭氧，水的ph值将发生改变，且电解槽的金属电极直接作用于水，会有微量的金属离子析出，若用于饮用，则金属离子会随水进入人体内，更重要的一点是，电解水方式得到的氢水溶液效率很低且溶解度低，远达不到氢气在水溶液中的饱和状态。

5、利用金属和水在常温下产生氢气和氢氧化物的化学反应，也可以制备出氢气水。许多金属例如铁、铝、镁等都可以与水反应产生氢气，但多数金属存在口感差、反应速度慢、明显毒性的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低成本、快速制造超饱和氢气溶液的制备装置和制备方法。

2、本发明制备原理为“微管道气液两相流”法，超饱和的机理是纳米气泡技术。具体地，微管道气液两相流法同时控制气体跟液体流动，通过液体跟气体之间的剪切力使气体分散成尺寸较一致的小气泡，微管道气液两相流法产生的微气泡主要靠液体与气体之间的剪切力，其产生的微气泡尺寸可等于甚至小于微管道(中空膜膜壁的小孔)。

3、本发明突破了常温常压下氢气的饱和溶解度，制备出超饱和纳米气泡氢气溶液。常温常压下氢溶入水的饱和浓度为1.6ppm，采用本发明方法制得超饱和氢气水的浓度可提升2～4倍；气液混合器的组合(多级串联或并联)，也为大幅提高单位时间超饱和纳米气泡氢气溶液量打好了基础；

4、本发明氢气发生器与饮用水完全隔离，采用质子交换膜纯水电解法进行电解并将电解出的符合gb31633-2014标准的氢气与溶液以前述纳米气泡方式融合产生超饱和氢气溶液。

5、本发明采用“微管道气液两相流法”，选择膜组件，尤其是中空纤维膜作为产生纳米气泡生成装置。为了便捷、高效地制备超饱和氢溶液，在膜组件，尤其是中空纤维膜材料选择、膜结构、膜组结构等方面做了研究和优化，其中：

6、中空纤维膜的材料选用：根据研究表明，优选有机高分子聚合物合成膜，具有微孔孔径分布均匀、膜阻力小气体通过率高、有一定的较强的疏水性等特点，可选材料有聚砜(ps)、聚酰胺(pa)、聚丙烯腈(pan)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚醚砜(pes)等疏水性材料；也可通过在材料中掺杂聚乙烯吡咯烷酮(pvp)等亲水性材料，使膜同时具备亲水性和疏水性特征；

7、膜结构选择：根据研究表明，优选形状接近标准的圆形、用内外壁密度非对称、内径在40μm～400μm之间、壁厚20～50μm、孔隙率30％～70％、膜孔径1nm～1μm的中空纤维膜。膜组结构选择：膜组中中空纤维数量及长度决定了膜表面积，考虑到体积因素，优选膜表面积为0.5㎡～2㎡(中空纤维数量为8000～15000根)；若要增加超饱和氢气溶液的单位时间制备量，可将多个膜组进行串联或并联；考虑到设备实际使用环境，膜组长度5cm～100cm，直径10mm～500mm；

8、制备过程的主要参数：

9、环境温度：根据本发明制备超饱和纳米气泡氢气溶液，无需特殊环境温度，常温下即可实施；

10、气路压力：氢气发生器产生氢气的同时，为确保超饱和纳米氢气溶液的浓度，优选对气液混合器进气端保持0.05mpa～0.6mpa的压力；

11、液路压力：液路压力接近常压；

12、液体流速：为确保超饱和纳米氢气溶液的浓度及实时制备效率，排液口液体流速优选为0.200～2l/分钟范围。

13、上文的膜组件的结构、材料等的选择主要基于中空纤维膜组来说明。然而，应理解的是，本发明的超饱和氢气溶液的制备装置的膜组件也可选择板框式、卷式、折叠式和管式膜组件中的一种或多种。

14、根据本发明的一方面，本发明提供了一种超饱和氢气溶液的制备装置，该制备装置包括壳体和中空纤维膜组，其中所述壳体设有与液体源连通的进液口、用于与氢气源连通的进气口以及排液口，所述中空纤维膜组包括多根中空纤维膜管并容纳于所述壳体内，所述中空纤维膜组的入口端与所述进液口连通从而液体能够在所述中空纤维膜管的内部流动，且来自所述氢气源的氢气能够从所述中空纤维膜管的膜孔流入所述中空纤维膜管的内部并与液体混合，以及所述中空纤维膜组的出口端与所述排液口连通。

15、一实施例中，所述液体可为水、碳酸类饮料、茶类饮料、功能饮料、咖啡饮料或含酒精类酒饮料等低粘度液体。

16、一实施例中，所述中空纤维膜管的壁厚可为20-50μm。

17、一实施例中，所述中空纤维膜管的孔隙率可为30％-70％，优选地为40％-50％。

18、一实施例中，所述中空纤维膜的内径可为40μm～400μm，优选地为150-250μm。

19、一实施例中，所述中空纤维膜组的长度可为5cm～100cm，优选地为100mm～400mm。

20、一实施例中，所述中空纤维膜组的直径可为10mm～500mm，优选地为35mm～100mm。

21、一实施例中，液体源可以是水箱。

22、另一实施例中，液体源可以是符合饮用标准的水或其他低浓度液体，其通过管道与壳体的进液口连接。

23、一实施例中，氢气源可为氢气罐。

24、另一实施例中，氢气源可为氢气发生器。

25、一实施例中，所述进液口设置于所述壳体的顶端，所述排液口设置于所述壳体的底端，且所述进气口设置于所述壳体的侧壁。

26、一实施例中，所述进气口设置于所述壳体的侧壁上部。

27、一实施例中，在所述进气口处设有压力传感器。

28、一实施例中，在所述壳体的进液口处设有流量传感器。

29、较佳地，在所述壳体内流动的氢气的压力大于在所述中空纤维膜管的内部流动的液体的压力。而当进气端压力小于水压时，出水的氢含量降低。

30、一实施例中，该氢气的压力为液体的压力的1.5～1.7倍。

31、一实施例中，液体的压力为常压。

32、较佳地，氢气在所述进气口处的进气压力为0.05mpa～0.6mpa。

33、更佳地，氢气在所述进气口的进气压力为0.08mpa～0.3mpa。

34、另一实施例中，所述中空纤维膜管的膜孔的直径为1nm～1μm。

35、较佳地，所述中空纤维膜管的膜孔的直径为4nm～10nm。

36、一实施例中，所述中空纤维膜组的长度为5cm～100cm且直径为10mm～500mm，以及所述中空纤维膜管的孔隙率为30％-70％。

37、一实施例中，所述中空纤维膜管具有波型结构，或所述中空纤维膜管间增加横向编织。

38、一实施例中，所述中空纤维膜管的横截面为圆形或椭圆形。

39、一实施例中，所述中空纤维膜管由掺杂有亲水性材料的疏水性材料制成。

40、另一实施例中，所述中空纤维膜管可透气也可透水。

41、另一实施例中，所述中空纤维膜管可透气不可透水。

42、另一实施例中，所述中空纤维膜管由疏水性材料制成。

43、一实施例中，所述中空纤维膜管由有机高分子聚合物制成。

44、一实施例中，疏水性材料选自聚砜(ps)、聚酰胺(pa)、聚丙烯腈(pan)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)和聚醚砜(pes)中的一种或多种。优选地，亲水性材料选自聚乙烯吡咯烷酮(pvp)等。

45、一实施例中，所述中空纤维膜管由聚砜(ps)、聚酰胺(pa)、聚丙烯腈(pan)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)和聚醚砜(pes)中的一种或多种制成。

46、一实施例中，所述壳体的侧壁上还设有泄压口，所述泄压口安装有泄压装置。

47、一实施例中，所述中空纤维膜组的入口端与所述壳体的第一端固定连接且各中空纤维膜管在所述入口端处相互之间无间隙，所述中空纤维膜组的出口端与所述壳体的第二端固定连接且各中空纤维膜管在所述出口端处相互之间无间隙，以及各中空纤维膜管在所述入口端与所述出口端之间的部分相互间隔开而形成间隙，从而氢气能够在该间隙中流动。

48、一实施例中，所述氢气源为氢气发生器，所述氢气发生器的出气口与所述壳体的进气口连通。

49、一实施例中，所述制备装置进一步包括水箱，所述水箱设有水箱进水口和水箱出水口，其中所述水箱出水口与所述壳体的进液口连通，所述水箱进水口与液体源连通，或者所述水箱进水口经由第一支路与液体源连接并经由第二支路与所述壳体的排液口连通，且所述第一支路和所述第二支路上均设有阀门。

50、一实施例中，在所述水箱的水箱出水口与所述壳体的进液口之间设有泵或阀门。较佳地，所述阀门为单向阀。

51、一实施例中，所述制备装置进一步设有第三支路和第四支路，所述第三支路的一端与所述壳体的排液口连通，所述第三支路的另一端为第一取水口，且在所述第三支路上在所述第一取水口之前设有阀门；以及所述第四支路的一端与所述壳体的排液口连通，所述第四支路的另一端为第二取水口，且在所述第四支路上在所述第二取水口之前设有加热装置，用于加热超饱和氢气溶液。优选地，该第四支路的与所述排液口连通的一端与所述第三支路连通。

52、根据本发明的另一方面，提供了一种超饱和氢气溶液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

53、a、提供膜组件；以及

54、b、使得液体在所述膜组件的第一侧流动，同时使得氢气从所述膜组件的另一侧经由所述膜组件的膜孔进入在所述膜组件的所述第一侧中流动的液体并与所述液体混合。

55、一实施例中，所述膜组件选自中空纤维式、板框式、卷式、折叠式和管式膜组件中的一种或多种。

56、较佳地，氢气的压力大于液体的压力。

57、较佳地，氢气的压力为0.05mpa～0.6mpa。

58、一实施例中，所述膜组件为中空纤维膜组，所述中空纤维膜组包括多根中空纤维膜管，液体在所述中空纤维膜管的内部流动，同时使得氢气经由所述中空纤维膜管的膜孔进入所述中空纤维膜管的内部并与液体混合。

59、较佳地，氢气的压力大于在所述中空纤维膜管的内部流动的液体的压力。而当进气端压力小于水压时，出水的氢含量降低。

60、一实施例中，所述膜组件为中空纤维膜组，所述中空纤维膜组包括多根中空纤维膜管，所述中空纤维膜组的长度为5cm～100cm且直径为10mm～500mm，所述中空纤维膜管的膜孔的直径为1nm～1μm，以及所述中空纤维膜管的孔隙率为30％-70％。

61、一实施例中，所述制备方法进一步包括提供氢气发生器，在步骤b之前启动所述氢气发生器，并使得所述氢气发生器的出气端的压力升至额定值。

62、一实施例中，所述膜组件为中空纤维膜组，所述中空纤维膜组包括多根中空纤维膜管，所述制备方法进一步包括提供一个壳体，所述壳体设有与液体源连通的进液口、用于与氢气源连通的进气口以及排液口，其中所述中空纤维膜组容纳于所述壳体内，且所述中空纤维膜组的入口端与所述进液口连通从而液体能够在所述中空纤维膜管的内部流动，来自所述氢气源的氢气经由所述进气口进入所述壳体的内部，接着经由所述中空纤维膜管的膜孔流入所述中空纤维膜管内部并与液体混合，以及所述中空纤维膜组的出口端与所述排液口连通。

63、一实施例中，所述壳体的排液口的液体流速为0.200～2l/分钟。

64、根据本发明制备出的氢气溶液具备以下特点：

65、不改变原料水既有酸碱度；

66、不改变原料水硬度(钙、镁等离子浓度)；

67、室温水中氢气最高含量≥1.8mg/l；

68、氧化还原电位orp≤-1000mv(wt20℃)。