CN108238665A - 便携式超浓富氢微气泡饮水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式超浓富氢微气泡饮水装置，属于一般的物理或化学的方法或装置的混合作业技术领域。该装置包括源水箱、循环泵和电解槽，电解槽包括阳离子隔膜、阴电解室和阳电解室，阳离子隔膜两侧设有阴、阳电极，阴电解室的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路，阳电解室设有阳极侧进水管路和阳极侧出水管路；在使用时，位于循环回路上的阴电解室中电极生成的氢气与该电解室中的水体混合生成氢气泡并在循环回路中高速流动。该装置可以保持水中的超浓富氢微气泡的溶解浓度不衰减、水中的超微氢气泡长期维持有足够的数量不破碎消失。

Description

便携式超浓富氢微气泡饮水装置
技术领域
本发明涉及一种便携式超浓富氢微气泡饮水装置，属于一般的物理或化学的方法或装置的混合作业技术领域。
背景技术
氢是自然界最小的分子，也是宇宙中含量最多的分子，是水的重要成分，对生命的贡献是巨大的。早在 20 世纪 80 年代，就有学者发表论文提出在溶液中氢气可与羟自由基直接反应。2007年7 月，日本医科大学太田成男教授在《自然－医学》中报道，动物呼吸2% 的氢气就能有效清除自由基，显著改善脑缺血再灌注损伤，其基础是氢气在体内的选择性抗氧化作用。该论文迅速引起广泛关注，掀起研究氢气治疗疾病的热潮。同时，保健养生产业因氢分子医学的兴起而迎来发展新机遇，各种主打“氢”概念的产品纷纷上市热销。
利用氢气治疗疾病，最常用和基本的方法是呼吸氢气和饮用氢水两种。研究证明，氢水是一种利用氢气治疗疾病的理想方法。
为了提高氢水的医疗效果，希望氢在水中的溶存度尽可能高。但是氢气很难溶解于水，在水中的饱和溶解度仅约 1.6ppm。现有电解制氢方法，无论是无膜或有膜(两室/三室）直接对水电解、抑或是 SPE 电解制取的氢水，水中氢溶解度均难以达到饱和乃至超饱和，必须辅以其它方法，通常是借助纳米氢气泡的气水混合方法来实现。
存在于水中的气泡，若粒径＞50mm，通常称之为大气泡；粒径＜ 5mm，称为小气泡；粒径＞1μm，称为微米气泡，或称微气泡；当水中存在大量平均粒径约 50μm 左右的气泡时，由于光的折射作用我们可以观察到的水溶液呈乳白色，俗称牛奶水。粒径小于 200μm，习惯称之为纳米气泡；而微纳米气泡，则是指介于微米气泡和纳米气泡之间的气泡。
纳米和微纳米气泡由于尺寸小，表现出一些特殊的特性，如比表面积大、在水中存在时间长、自身增压溶解、传质效率高、表面电荷形成的界面电位ζ高以及可释放出自由基等特性。引入纳米气泡技术，可以使氢水中氢水溶存度达到饱和乃至超饱和。而且，由于纳米和微纳米氢气泡的存在，氢水中氢浓度衰减速度可以大大减缓。
产生纳米或微纳米气泡方法很多，例如分散空气法、溶气释气法、超声空化法等，但是现有纳米氢气泡水制取技术及装置均十分复杂，产品价格也随之昂贵，更难于做到小型便携化，一般平民大众根本消费不起。若能开发出优质、高效、简便、廉价的纳米氢水技术及产品，推动氢分子医疗养生产业的迅猛发展，惠及民众与社会，这在环境污染加速、民众健康遭遇严重威胁的今天，乃是功德无量之事。
此外，如何维持气泡在液体中稳定存在是一个难题。气泡本身是不稳定体，在液体中总是要受浮力而上升，最终穿越气液双膜界面而外逃。尽管减小气泡尺寸可以有效延长气泡在液体中存在时间，但是要想保持气泡在液体中长时间不破灭，气泡数量维持足够密度，气体溶解度不衰减，这在静止容器中是做不到的。
综上，如何保持水中的超浓富氢微气泡的溶解浓度不衰减、水中的超微气泡始终维持有足够的数量不破碎消失（超浓富氢微气泡在水中的溶解度达到饱和或超饱和并长时间保持），是现实中急需解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种保持水中的超浓富氢微气泡的溶解浓度不衰减、水中的超微氢气泡长期维持有足够的数量不破碎消失的便携式超浓富氢微气泡饮水装置。
为了解决上述技术问题，本发明的发明人在上述认识的基础上提出如下技术方案是：一种便携式超浓富氢微气泡饮水装置，包括源水箱、循环泵和电解槽，所述电解槽包括可透水的阳离子隔膜以及由阳离子隔膜分隔出的阴、阳电解室，所述阳离子隔膜两侧对称紧贴的设有分别位于阴、阳电解室内的阴、阳电极，所述阴电解室的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路，所述阳电解室设有阳极侧进水管路和阳极侧出水管路，所述源水箱与靠近循环泵进水口处的管路之间连通有主进水管，所述管路在靠近阴电解室的出水口处还接有连通外部的主出水管，所述源水箱设有与所述主出水管连通的回水管；在使用时，位于所述循环回路上的阴电解室中电极生成的氢气与该电解室中的水体混合生成氢气泡并在所述循环回路中高速流动。
上述本发明公开的便携式超浓富氢微气泡饮水装置技术方案的工作机理及有益效果陈述如下。
本发明装置结构特征是，参见图1，源水从源水箱送至循环泵入口，当主出水管关闭时，在循环泵驱动下，源水经循环泵出水口→阴电解室→循环泵入水口构成一循环回路进行封闭循环流动，整个循环回路的水阻很小，管路压降趋于零，因此循环泵的很小泵压就可以产生很高的循环流速，水流总体表现为层流状态。
本发明先在阴电解室中电极生成的氢气，由于循环回路中的水流流速很高，氢气分子迅速溶解入水流中，与该电解室中的水体混合，在水中生成相当数量的气泡。
在静止液体中，氢气泡与液体之间最重要的力是升力，氢气泡在升力作用下不断上浮逃逸。而氢气泡在流动场中,因气液两相密度、黏度等不同，引起氢气泡与流体之间速度存在一定差异。而气液两相的相对速度差，产生气液两相间的曳力。在静止液体中，氢气泡与液体之间最重要的力是升力，而流动液体中则主要是曳力。曳力的存在，限制了气泡的上浮，气泡随流体同向运动而保持相对稳定。
流速越高，同速、同向运动的气泡间发生相互碰撞的几率就越小。氢气泡进入流水后随水流流向运动时，必定受到水流挤压而变细变长→被持续拉伸→拉断成小气泡→小气泡再进一步缩小…，甚至气泡粒径可以达到100纳米以下。本发明装置正是通过保持封闭循环管路中水体的高流速，来确保生成小气泡。
需要特别指出的是：为要使水中氢气泡大量稳定存在，理想的情况是氢气泡均匀分布悬浮于水中，相互之间不碰撞，同时解决氢气泡无法在静止水中稳定存在的缺陷。本发明装置将氢气泡溶存在一个封闭旋转的循环回路中,形成一个动态水箱。由流体力学常识知道，对于相同管道截面积，流速越高，流量越大，意味着动态容积增大，可以包容更多气泡进入。伴随着电解室中气泡持续进入水中，循环回路中的气体溶解浓度和气泡数量稳步均匀增加，很快达到饱和乃至超饱和。
概括上述本发明的便携式超浓富氢微气泡饮水装置技术方案的有益效果是：
1）本发明通过阴电解室中电极生成的氢气，融入水中，从水体内部进行立体溶气，水中存在大量氢气泡尤其是超微氢气泡，伴随着氢气泡的破灭气体在水中释放，就可能发生氢气体水中以单分子或多分子态的的超量溶解，成为超饱和氢气水，氢气体在水中的扩散就可以不受水体表面溶解度的限制，可以达到超饱和度的状态，并在进入流水后随水流流向运动时，受到水流挤压，甚至可以被持续拉伸、拉断成达到100纳米以下粒径，同时，通过在循环回路中的高流速，使得循环回路中的氢气溶解浓度不衰减，水中氢气泡始终维持有足够的数量。
2）本发明可以通过阴极侧进水透过电解槽隔膜进入阳极侧进水管路和阳极侧出水管路进行排出，此时，阳极侧进水管路和阳极侧出水管路可以形成开路，这样不仅阳极侧反应生成的产物可以通过阳电解室连接的管路排出，还同时对隔膜启到加湿作用，更好地有效的控制电解电流。
本发明在上述技术方案基础上的改进是：在使用时，所述循环回路内的循环水流量Lx和主出水管的出水流量Lc两者保持量化关系为：Lx：Lc≧5。
具体实用效果是：如果从循环水路（动态水箱）中取水输出的流量过大，就会破坏循环回路中气水两相流型的稳定，故本发明装置限定Lx：Lc≧5。
本发明在上述技术方案基础上的完善之一是：所述阳极侧进水管路连通源水箱和阳电解室，所述阳极侧出水管路连通阳电解室和超声波加湿端口。
具体实用效果是：阳极侧反应生成的产物可以通过阳电解室连接的管路，从超声波加湿端口排出，不仅仅只对空气进行加湿，而且还可以利用阳极侧的产物对空气中进行杀菌。
本发明在上述技术方案基础上的完善之二是：所述电解槽外设有补偿水箱，所述阳极侧进水管路和阳极侧出水管路均分别连通阳电解室和补偿水箱并形成一回路。
具体实用效果是：通过阳极侧进水管路和阳极侧出水管路均分别连通阳电解室和补偿水箱并形成一回路，可以排除掉阳极的副产物，同时对隔膜启到加湿作用，更好地有效的控制电解电流。
本发明在上述技术方案基础上的完善之三的改进是：所述循环回路上串接有梳状格栅单元，所述梳状格栅单元包括设有用于气水混合溶液穿过并梳理分隔气泡的多孔材料。
具体实用效果是：梳状格栅单元对水中悬浮运动的气泡群进行梳理分隔，防止气泡间相互聚积，维持泡沫流型，还可在高温时，阻挡气泡上浮。
本发明在上述技术方案基础上的完善之四是：该装置还包括设于循环泵的进水口处的进水控制单元和设于位于所述循环回路上的阴电解室的出水口处的出水控制单元，所述进/出水控制单元是开关阀、单向阀或稳压阀。
本发明在上述技术方案基础上的完善之五是：所述循环回路上设有循环控制单元，所述循环控制单元包括循环单向阀、流量控制阀、稳压阀或其组合。
具体实用效果是：可以通过循环控制单元对气水流循环的流量、流速、压力等运行工况进行调试或调整。
本发明在上述技术方案基础上的完善之六的改进是：所述阴、阳电极均为钛基且喷涂铂族惰性金属氧化物的金属电极，所述阴、阳电极均布开孔。
本发明在上述技术方案基础上的完善之七的改进是：所述循环泵为隔膜泵，所述主出水管的出口处设有瞬时加热器。
具体实用效果是：通过在主出水管的出口处设有瞬时加热器，更适合大多数人的对饮水的需求。
附图说明
下面结合附图对本发明的便携式超浓富氢微气泡饮水装置作进一步说明。
图1是本发明实施例一的便携式超浓富氢微气泡饮水装置的连接结构示意图。
图2是本发明实施例二的便携式超浓富氢微气泡饮水装置的连接结构示意图。
图3是本发明实施例三的便携式超浓富氢微气泡饮水装置的连接结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的便携式超浓富氢微气泡饮水装置，参见图1，包括源水箱1、循环泵和电解槽2。电解槽2包括可透水的阳离子隔膜21以及由阳离子隔膜分隔出的阴电解室22和阳电解室23，阳离子隔膜21两侧对称紧贴的设有分别位于阴、阳电解室内的阴电极24和阳电极25。
为了提高制取氢水的效率，电解槽2可以采用多个级联的方式。当期望获得更高的溶解氢时，可以将各电解槽2的水路串联；若期望加大出水流量，可以将各电解槽2水路并联。至于各电解槽2的电极供电电压，优选采用正负相串联的方式，以保持相同的电解电流。若设计合理的话，可以与循环泵供电使用统一电压等级，使得系统更加简化。
阴电解室22的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路3，阳电解室23设有阳极侧进水管路26和阳极侧出水管路27。
本实施例的循环泵为隔膜泵，阴电极24和阳电极25均为钛基且喷涂铂族惰性金属氧化物的金属电极，阴、阳电极均布开孔。
源水箱1与靠近循环泵进水口处的管路之间连通有主进水管4，管路在靠近阴电解室22的出水口处还接有连通外部的主出水管5，源水箱1设有与主出水管5连通的回水管。主出水管5的出口处设有瞬时加热器。
该装置还包括设于循环泵的进水口处的进水控制单元和设于位于循环回路3上的阴电解室22的出水口处的出水控制单元。进/出水控制单元可以是开关阀、单向阀或稳压阀，等等。
在使用时，位于循环回路3上的阴电解室22中电极生成的氢气与该电解室中的水体混合生成氢气泡并在循环回路中高速流动。同时，循环回路3内的循环水流量Lx和主出水管5的出水流量Lc两者保持量化关系为：Lx：Lc≧5。
为了使封闭循环水路担任的动态水箱的容积足够大，同时从气水两相流形态研究可知，为使气泡群能均匀稳定分布于流体中（所对应的气水两相流型为泡状流，或称泡沫流），管路直径应远远大于气泡粒径；反之，若管径太大，水流循环功率损耗将增大。综合平衡后，本发明装置的循环回路3的管路采用具疏水特性，截面内径范围 100mm≧D≧2mm的管道内壁材料。
本实施例的位于循环回路3上的阴电解室的截面积与循环回路3的管路截面积相同。循环回路3中的气水混合溶液的最小流速Umin=ɑ×出水流量÷循环回路3的管路截面积S，其中ɑ为设定数值，取 5≥ɑ≥2。
实际试验测试中，以氢气和水混合制取的氢水，采用丹麦Unisense高精度氢微电极检测，溶解氢浓度可以稳定维持在3.0ppm以上。气泡密度为1500～3100/ml。
本发明装置在使用时，循环回路3基本工作在≤0.01MPa低压范围。循环泵始终处于轻负荷状态，因此不仅节能，而且工作可靠，故障率极低。同时，本发明装置中各单元部件基本都是市面上技术成熟、易购易元器件，因此本发明装置的性价比极高，适合大批量生产、适用于各种场合推广普及。本发明装置生成的气泡水的气泡溶解度达到饱和或超饱和，气泡可在水体中长时间保持（不少于300s），耐高温，可连续大流量产出的气泡水。
实施例二
本实施例的便携式超浓富氢微气泡饮水装置是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于： 参见图2，本实施例的阳极侧进水管路26连通源水箱1和阳电解室23，阳极侧出水管路27连通阳电解室23和超声波加湿端口28。
实施例三
本实施例的便携式超浓富氢微气泡饮水装置是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于：参见图3，本实施例的电解槽2外设有补偿水箱29，阳极侧进水管路26和阳极侧出水管路27均分别连通阳电解室23和补偿水箱29并形成一回路。
实施例四
本实施例的便携式超浓富氢微气泡饮水装置是在上述实施例基础上的改进，与上述实施例的不同之处在于：本实施例的循环回路3上串接有梳状格栅单元，梳状格栅单元包括设有用于气水混合溶液穿过并梳理分隔气泡的多孔材料。
多孔材料是活性炭颗粒、烧结活性炭或沸石。多孔材料也可以采用微滤膜或超滤膜。多孔材料的大量无规则微孔对水流起到阻挡、分割等作用，使之趋向成为无序紊流，可以使气体在水中溶解得更充分，生成的纳米气泡更多、气泡粒径更小。这对于难溶于水的氢气，效果尤为显著。
由于基于同样的道理，可将阴电解室22内部水路设计成易于形成紊流的结构，例如呈“之”字形、螺旋形等等。循环回路3的优选水路断面呈渐缩突扩形状，过流断面逐渐缩小后突然扩大，水流在通道内剧烈碰撞，形成涡流，对气泡进行切割，过流断面再次收缩时，流态剧变，紊动更为剧烈，气泡进一步变小，最终产生超精细纳米氢气泡。
本实施例的循环回路3上设有循环控制单元，循环控制单元包括循环单向阀、流量控制阀、稳压阀或其组合。
本发明装置是从源水箱1中抽水，当本发明装置循环系统压力流量调整好了之后，系统各点的水压、流量已经处于相对固定，此时即使将各循环单向阀去除不用，系统仍能稳定工作。亦即，循环单向阀并非是必须的。
进一步地，选择合适的多孔材料及填充结构，使之具有合适的水压递减分布，则压力调节阀也可以省去，而这绝非只是降低成本，须知，在保证所需功能的前提下，一个越精简的系统也是越稳定可靠的。
本发明不局限于上述实施例的具体技术方案，例如：本实施例的循环回路3上设有气泡粒径测量传感器。通过检测循环水中气体的折光度，来判断气水溶液两相运转情况，实现对系统运行工况的控制，使泵处在一个低速保持的循环工况，等等；本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：包括源水箱、循环泵和电解槽，所述电解槽包括可透水的阳离子隔膜以及由阳离子隔膜分隔出的阴、阳电解室，所述阳离子隔膜两侧对称紧贴的设有分别位于阴、阳电解室内的阴、阳电极，所述阴电解室的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路，所述阳电解室设有阳极侧进水管路和阳极侧出水管路，所述源水箱与靠近循环泵进水口处的管路之间连通有主进水管，所述管路在靠近阴电解室的出水口处还接有连通外部的主出水管，所述源水箱设有与所述主出水管连通的回水管；在使用时，位于所述循环回路上的阴电解室中电极生成的氢气与该电解室中的水体混合生成氢气泡并在所述循环回路中高速流动。
2.根据权利要求1所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：在使用时，所述循环回路内的循环水流量Lx和主出水管的出水流量Lc两者保持量化关系为：Lx：Lc≧5。
3.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：所述阳极侧进水管路连通源水箱和阳电解室，所述阳极侧出水管路连通阳电解室和超声波加湿端口。
4.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：所述电解槽外设有补偿水箱，所述阳极侧进水管路和阳极侧出水管路均分别连通阳电解室和补偿水箱并形成一回路。
5.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：所述循环回路上串接有梳状格栅单元，所述梳状格栅单元包括设有用于气水混合溶液穿过并梳理分隔气泡的多孔材料。
6.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：该装置还包括设于循环泵的进水口处的进水控制单元和设于位于所述循环回路上的阴电解室的出水口处的出水控制单元，所述进/出水控制单元是开关阀、单向阀或稳压阀。
7.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：所述循环回路上设有循环控制单元，所述循环控制单元包括循环单向阀、流量控制阀、稳压阀或其组合。
8.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：所述阴、阳电极均为钛基且喷涂铂族惰性金属氧化物的金属电极，所述阴、阳电极均布开孔。
9.根据权利要求1或2所述便携式超浓富氢微气泡饮水装置，其特征在于：所述循环泵为隔膜泵，所述主出水管的出口处设有瞬时加热器。
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