[发明专利]超饱和氢气溶液的制备装置及其制备方法

说明书

技术领域

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

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》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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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)。

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；

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。

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：

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)、聚丙烯晴(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；

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0.5m²～2m²(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；

制备过程的主要参数：

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；