CN109665612A - 一种氢水的制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢水的制备装置及方法。所述制备装置包括压力桶体、置于压力桶体内的可拆卸式功能高分子复合膜式内胆和可拆装式压力桶盖；所述的压力桶体、膜式内胆和压力桶盖密封连接后形成两个腔体；其中，所述膜式内胆为第一空腔，储存经净化处理后的水；所述的压力桶体内壁与膜式内胆外壁之间形成的腔体为第二空腔，储存一定压力的功能气体氢分子。所述装置中功能高分子复合膜式内胆具有渗透性与弹性功能，第二空腔内储存的功能气体氢分子在其中溶解扩散，并逐渐渗透入第一空腔内的水中，从而形成集聚氢分子的氢水。本发明装置可实现氢水的自动制备，结构简单，节能环保，安全稳定，可重复利用，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种高效的氢水的制备装置及方法。
背景技术
近年来，科学家对氢分子气体医学与生物学效应的研究越来越重视，在全球生物医学领 域比较领先的国家与著名的研究机构都在积极参与这一相关领域的探索与研究。人体使用氢 气的安全性得到国内外广泛认可，中国、日本、欧盟、美国等国家已经批准氢气作为食品添 加剂使用(中国国家标准GB31633-2014食品安全国家标准食品添加剂氢气)。氢水也由此 应运而生，并渐渐进入普通大众的消费市场，颇受消费者的健康好评。氢水从根源上补充能 量，氢分子清除体内多余的恶性自由基，包括羟自由基和亚硝酸阴离子，其选择性抗氧化、 抗炎症作用有利于预防疾病、美容养颜、延缓机体衰老并增进身体健康等诸多作用。
氢水中的氢分子含量一般用质量百分比浓度(PPM)表示。一般状态下，氢分子在水中的 饱和浓度大约是1.6PPM，浓度大于1.6PPM的就是过饱和氢水。氢分子浓度在1.0PPM以上的具 有功能气体医学与生物学效应的显著效果，而低于浓度1.0PPM的则效果不明显。目前市面上 多数产品(氢水棒、富氢水杯、电解水机、大部分瓶装或者袋装富氢水)的氢分子浓度在1.0PPM 以下。
氢水的制取装置通常包括氢气发生器或储氢瓶，采用一定方法将氢气溶解在水中。如， 专利CN201620542931.9公开了一种空气取水的富氢水饮水机，通过氢气发生装置对储水装置 中储存的饮用水进行电解，以使得饮用水中含有氢气，电解过程中产生的氢气不仅含量低， 而且纯度也低。201820387846.9公开了一种供肠道水疗用水的富氢水滤芯式发生装置，包括 反应罐体、支撑架、引流封板、气压机构、反应机构和控制装置，在反应罐体的纵向中分线 左侧设置引流封板，使引流封板把反应罐体的内部分隔成储水室和反应室，所述引流封板上 设置数个导流孔，所述反应室内通过支撑架设置反应机构，且反应机构与引流封板固定连接， 使反应机构通过导流孔连通储水室，设置有反应室的反应罐体一端设置气压机构，气压机构 连接反应机构，所述储水室的底部设置出水口，在储水室的顶部设置排气口，所述气压机构、 反应机构均电连接控制装置。201810931353.1提供了一种具有搅拌器的富氢水发生装置，其 包括：第一水箱、第一输水管；第一抽水机；第二水箱，第一抽水机通过第二输水管连接第 二水箱，第二水箱还设置第三输水管；氢气发生装置，其具有一氢气输出管道；混液管，混 液管还设置自吸增压泵，自吸增压泵的出口通过连接管连接至搅拌器，搅拌器内设置水路管 道和气液混合管道气液混合管道内设置叶轮；氢气输出管道产生的氢气与第三输水管中的水 在自吸增压泵的作用下进入混合管中，然后氢气和水混合后进入到连接管，再进入到搅拌器 中，氢气和水在水路管道中压力逐渐增大，流速逐渐变快，最后在气液混合管道中的叶轮中， 氢气溶于水中，变成富氢水。上述氢水的制取装置结构复杂，均是将氢气与纯水直接混合， 即使是利用高压将氢气直接溶解在水中，其中氢浓度不高且不稳定。专利CN201710082924.4 公开了一种富氢水饮水机，其中采用一种富氢水发生材料，发生化学反应可产生富氢水，在 化学反应过程中容易产生副产物，所制备的富氢水浓度较低且不稳定。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种高效的氢水的制备装置及 方法，其中氢气浓度可达到3.0ppm以上，且所述的氢水制备装置结构简单、功效显著、节能 环保、安全可靠。
本发明采用如下的技术方案：
一种氢水的制备装置，包括压力桶体(1)，其特征在于：所述装置还包括置于压力桶体 (1)内的可拆卸式功能高分子复合材料膜式内胆(2)和可拆装式压力桶盖(3)；所述的压 力桶体(1)、膜式内胆(2)和压力桶盖(3)密封连接后形成两个腔体，其中所述膜式内胆(2)为第一空腔(5)，储存经净化处理后的水；所述的压力桶体(1)内壁与膜式内胆(2) 外壁之间形成的腔体为第二空腔(6)，储存功能气体氢分子。
本发明的氢水的制备装置中，所述功能高分子复合材料膜式内胆(2)具有渗透性与弹性 功能，功能气体氢分子可以在其中溶解扩散，并逐渐渗透入第一空腔(5)内的水中，从而形 成集聚氢分子的氢水。其中氢分子浓度可达到3.0ppm以上，不仅氢分子溶解浓度高，而且氢 水结构稳定。
所述功能高分子复合材料膜式内胆(2)的渗透性介于2～1000barrer(1barrer＝10-10 cm3(STP)·cm·s-1·cm-2·cmHg-1)之间，优选2～300barrer，更优选2～100barrer；可采用橡胶 或热塑性弹性体，作为优选，可以是聚砜、顺丁橡胶、硅橡胶、聚酰亚胺等任意一种或几种 的任意复合物。
优选地，所述的第二空腔(6)内氢气的压力为0.01～3MPa，更优选0.1～2MPa。
申请人在科研实践中发现，储存于橡胶气囊的功能气体氢分子会逐渐减少，随着存放时 间的延长，内部压力会越来越低。利用聚合物功能材料的这一特性，将功能气体氢分子储存 在聚合物功能材料膜的一侧，另一侧存储经净化处理后的水，功能气体氢分子会逐渐渗透到 水中，形成稳定的水包气结构，从而形成集聚氢分子的氢水。这一过程自动实现，无需消耗 能源，也不涉及复杂的电化学反应，高效节能，安全环保。功能高分子复合膜的渗透性和弹 性是实现高效制备氢水这一过程的关键性因素，如膜材料的渗透性过低，制备氢水的时间就 会很长，从而失去其实用价值。同时利用功能高分子复合膜的弹性功能，通过压差的变化驱 使其孔道结构发生改变，并实现智能开合。当压差较高时，孔道结构的伸展有利于氢分子的 渗透性以及扩散系数的大幅度提高；当压差较低时，孔道结构的收缩而有利于提高氢分子的 利用率。
作为具体和优化的实现方式，本发明的氢水的制备装置可以采用以下一种或几种方式的 组合：
所述压力桶盖(3)上设有一进出水口(4)；所述压力桶体(1)上设有一进出气孔(7)。 所述压力桶盖(3)或压力桶体(1)上还可以设置提手(14)。
所述压力桶体(1)上设有紧固件(8)，所述压力桶体(1)和压力桶盖(3)之间通过所述紧固件(8)进行密封连接；或者所述压力桶体(1)和压力桶盖(3)之间通过螺纹直接拧紧密 封连接。
所述压力桶盖(3)上进出水口(4)设有一快插式组件(9)；所述快插式组件(9)包括母插头与公插头，所述母插头(91)一端与压力桶盖上的进出水口密封连接，另一端与公插头(92)之间通过快捷的插合密封连接，既可以快插连接水龙头直接单独使用；也可以快插连接各种饮水设备或者供水设备进行组合使用，实现用水、储水与氢水制备一体化。或者所述压力桶盖(3)上的进出水口(4)设有螺纹接水口(101)，所述螺纹接水口(101)一 端与压力桶盖(3)上的进出水口(4)密封连接，另一端可与其它多种饮水设备或者供水设 备直接拧紧密封连接。
所述功能高分子复合膜式内胆(2)与压力桶盖的密封面设有一圈上凸环(10)，所述压力 桶盖(3)与上凸环(10)的接触面设有相配合的上环形凹槽(12)，所述膜式内胆(2)与 压力桶体(1)的密封面设有一圈下凸环(11)，与所述压力桶体(1)接触面所设的下环形凹槽 (13)相配合。
所述压力桶体(1)、压力桶盖(3)、紧固件(8)、快插组件(9)、螺纹接水口(101)具有一定压力强度的金属材料或有机复合材料，作为优选，可以采用不锈钢材料。
本发明还涉及一种采用所述的装置的高效氢水制备方法，将净水注入第一空腔(5)内； 将功能气体氢分子充入第二空腔(6)内；第二空腔(6)储存的功能气体氢分子可以在功能 高分子复合材料膜式内胆(2)内进行溶解扩散，并渗透入第一空腔(5)内的经净化处理后 的水中，形成稳定的水包气结构，从而形成集聚氢分子的氢水；在打开出水口时，第一空腔 (5)中集聚氢分子的氢水在第二空腔(4)压力气体的驱动下实现自动取水。
具体地，所述的一种氢水制备方法，包括以下步骤：
步骤一：预先将水进行净化处理；
步骤二：将净化处理后的水注入压力桶体(1)的第一空腔(5)内储存；
步骤三：将氢气充入压力桶体(1)的第二空腔(6)内储存，并增压至0.01～3MPa，优选0.1～2MPa；
步骤四：第二空腔内储存的氢气向膜式内胆中溶解扩散，并逐渐渗透进第一空腔内的水 中；
步骤五：将处理后的压力桶体在静止状态下放置；将压力桶体的第二空腔内的压力数值 调整至氢水正常使用的压力范围(通常为0.03～0.5MPa)。
上述步骤中，步骤二和步骤三可以交换次序，即：
步骤二：将氢气充入压力桶体(1)的第二空腔(6)内储存，并增压至0.01～3MPa，优选0.1～2MPa；
步骤三：将净化处理后的水注入压力桶体(1)的第一空腔(5)内储存。
优选地，在步骤四之后还包括步骤：将储存水和氢气的压力桶放置在装有超声波的振荡 器上超声振荡，以加快氢分子的扩散，让氢分子与水进行充分溶合，形成稳定的水包气结构， 处理时间通常为0.5～10h，优选为1～6h。
本发明的有益效果是：
1、利用功能高分子复合材料膜式内胆的渗透性与弹性功能，压力桶体内储存的功能气体 氢分子可以在其中溶解扩散，并逐渐渗透入膜式内胆内的水中，形成稳定的水包气结构，从 而形成集聚氢分子的氢水，其氢分子浓度可达到3.0ppm以上。
2、通过物理过程实现，不仅氢分子溶解浓度高，而且氢水结构稳定，不涉及复杂的化学 反应，也不产生化学副产物，高效节能，安全环保。
3、压力桶的多功能设计，既可以快插连接水龙头直接单独使用；也可以快插连接各种饮 水设备或者供水设备进行组合使用，实现用水、储水与氢水制备一体化；或者通过螺纹接水 口与其它多种饮水或供水设备直接拧紧密封连接。
4、设备结构简单，操作便捷，功能多样，功效显著，易于实现，可重复利用，成本较低。
附图说明
图1为本发明的氢水制备装置的结构示意图。
图2为图1中的A处放大图。
图3为图1中的快插组件的放大图。
图4为压力桶盖上进出水口的螺纹接水口的示意图。
图中，1-压力桶体；2-膜式内胆；3-压力桶盖；4-进出水口；5-第一空腔；6-第二空腔； 7-进出气孔；8-紧固件；9-快插组件；10-上凸环；11-下凸环；12-上环形凹槽；13-下环形 凹槽；14-提手；91-母插头；92-公插头；101-螺纹接水口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实现方式进行描述。 显而易见，下述实施例及附图仅仅是本发明的一种实施方式，本发明的保护范围包含但不限 于下述各实施例。
实施例1
如图1-3所示，一种高效的氢水制备装置，包括不锈钢压力桶体1、置于不锈钢压力桶体1 内的膜式内胆2和不锈钢压力桶盖3；膜式内胆2内部为第一空腔5，不锈钢压力桶体1内壁与膜 式内胆2外壁之间形成第二空腔6；膜式内胆2由硅橡胶有机复合材料制成；不锈钢压力桶盖3 上设有一进出水口4；不锈钢压力桶体1底部设有一进出气孔7。所述压力桶体1上设有紧固件8， 所述压力桶体1和压力桶盖3之间通过所述紧固件8进行密封连接；平时可快速拆卸，便于膜式 内胆2的清洁、消毒。膜式内胆2的进出口外壁处上面设有一圈上凸环10，不锈钢桶盖3与上凸 环10的接触面设有相配合的上环形凹槽12，所述膜式内胆2的进出口外壁处下面设有一圈下凸 环11与不锈钢压力桶口设有的下环形凹槽13相配合，不锈钢压力桶盖3正好在上凸环10的上方 进行密封压接。进出水口4处设有不锈钢快插组件9，所述不锈钢母插头91与不锈钢公插头92 之间通过快捷的插合密封连接，并且隔离了空气，使氢水在进出不锈钢压力桶体1的过程中没 有与空气接触，防止了二次污染，储存的氢水长期保持新鲜卫生。另外，不锈钢快插组件9 还可以快速连接各种饮水设备或者供水设备，实现用水、储水与氢水制备一体化。或者如图4 所示，在进出水口4处设有螺纹接水口101，所述螺纹接水口101一端与压力桶盖3上的进出水 口4密封连接，另一端可与其它多种饮水设备或者供水设备直接拧紧密封连接。
通过进出水口4将净化处理后的活性水注入第一空腔5内，也就是注入功能高分子复合 材料硅橡胶制成的膜式内胆2内储存,硅橡胶的渗透性为289barrer(1barrer＝10-10cm3(STP)·cm·s-1·cm-2·cmHg-1)；利用功能高分子复合膜的弹性功能，通过增加压力驱使其 孔道结构发生伸展变化；通过进出气孔7将压力0.3MPa的99.999％超高纯氢气充入第二空腔 6内储存(使用时间大约3个月左右，当氢气量较少时，可再行充气，重复进行利用)；第 二空腔6内储存的氢气可以在膜式内胆2中溶解扩散2个小时，并逐渐渗透进第一空腔5内 的活性水中，同时将不锈钢压力桶放置在装有超声波的振荡器上进行加快氢分子的扩散，让 氢分子与活性水进行充分溶合处理，再将不锈钢压力桶在静止状态下放置时间为0.5个小时， 其氧化还原电位可达到-900mv,形成稳定的水包气结构，制得高效的氢水，其氢分子浓度达到 2.3ppm。打开进出水口4，第一空腔5中的氢水在第二空腔6气体压力的驱动下自动出水。
实施例2
一种高效氢水的制备装置及方法，所述的制备装置包括不锈钢压力桶体1、置于不锈钢压 力桶体内1的膜式内胆2和不锈钢压力桶盖3；膜式内胆2内部为第一空腔5，不锈钢压力桶体1 内壁与膜式内胆2外壁之间形成第二空腔6；膜式内胆2由聚砜复合材料制成；不锈钢压力桶盖 3上设有一进出水口4；不锈钢压力桶体1底部设有一进出气孔7；不锈钢压力桶体1和不锈钢压 力桶盖3之间通过螺纹直接拧紧密封连接，平时可快速拆卸，便于膜式内胆2的清洗、消毒。 膜式内胆2的进出口外壁处上面设有一圈上凸环10，不锈钢压力桶盖3与上凸环10的接触面设 有相配合的上环形凹槽12，所述膜式内胆2的进出口外壁处下面设有一圈下凸环11与不锈钢压 力桶口设有的下环形凹槽13相配合，不锈钢压力桶盖3正好在上凸环10的上方进行密封压接。 进出水口4处设有不锈钢快插组件9，所述不锈钢母插头91与不锈钢公插头92之间通过快捷的 插合密封连接，并且隔离了空气，使氢水在进出压力不锈钢压力桶1的过程中没有与空气接触， 防止了二次污染，储存的氢水长期保持新鲜卫生。另外，不锈钢快插组件9还可以快速连接各 种饮水设备或者供水设备，实现用水、储水与氢水制备一体化。
通过进出水口4将净化处理后的活性水注入第一空腔5内,也就是注入功能高分子复合材 料膜式内胆(2)内,聚砜复合材料的渗透性为51.5barrer(1barrer＝10-10 cm3(STP)·cm·s-1·cm-2·cmHg-1)。利用功能高分子复合膜的弹性功能，通过增加压力驱使其孔道结构发生伸展变化；通过进出气孔7将压力为1.0MPa的99.999％超高纯氢气充入第二空 腔6内(使用时间大约3个月左右，当氢气量较少时，可再行充气，重复进行利用)；第二空腔6内储存的氢气可以在聚砜复合膜式内胆2中溶解扩散4个小时，并逐渐渗透进第一空腔5内的活性水中，同时将不锈钢压力桶放置在装有超声波的振荡器上进行加快氢分子的扩 散，并与活性水进行充分溶合处理，再将不锈钢压力桶在静止状态下放置时间为0.5个小时， 其氧化还原电位可达到-1100mv,形成稳定的水包气结构，制得高效的氢水，其氢分子浓度可 达到3.0ppm；然后在静止状态下将压力桶体1的第二空腔内6的压力数值调整至氢水通常使 用的压力范围0.1～0.35MPa。打开进出水口4，第一空腔5中的氢水在第二空腔6气体压力 的驱动下自动出水。
根据本发明制取的氢水，通过实验的方法，将目前市场上常见的电解法制备的氢水与本 装置制备的氢水分别各取一杯，敞口放置在自然环境(20℃)的状态下，与空气正常接触， 经过不同的时间，分别测定它们的氢分子含量，其结果如下表1，经过2小时后，本装置所 制备的氢水比目前市场上常见的电解法制备的氢水的氢剩余率要高出30％以上，由此说明本 装置所制备的氢水比目前市场上常见的电解法制备的氢水具有比较强的稳定性。
表1.氢水中氢分子稳定性对比实验
Claims (11)
1.一种氢水的制备装置，包括压力桶体(1)，其特征在于：所述装置还包括置于压力桶体(1)内的可拆卸式功能高分子复合膜式内胆(2)和可拆装式压力桶盖(3)；所述的压力桶体(1)、膜式内胆(2)和压力桶盖(3)密封连接后形成两个腔体，其中所述膜式内胆(2)为第一空腔(5)，储存经净化处理后的水；所述的压力桶体(1)内壁与膜式内胆(2)外壁之间形成的腔体为第二空腔(6)，储存功能气体氢分子；所述功能高分子复合膜式内胆(2)的渗透性介于2～1000barrer。
2.根据权利要求1所述的一种氢水的制备装置，其特征在于：所述功能高分子复合膜式内胆(2)的渗透性为2～300barrer。
3.根据权利要求1所述的一种氢水的制备装置，其特征在于：所述功能高分子复合材料膜式内胆(2)选用橡胶或热塑性弹性体。
4.根据权利要求1所述的一种氢水的制备装置，其特征在于：所述的第二空腔(6)内氢气的压力为0.01～3MPa。
5.根据权利要求1所述的一种氢水的制备装置，其特征在于：所述压力桶盖(3)上设有进出水口(4)；所述压力桶体(1)上设有进出气孔(7)。
6.根据权利要求5所述的一种氢水的制备装置，其特征在于:所述压力桶盖(3)上的进出水口(4)设有快插组件(9)，包括母插头(91)与公插头(92)，所述母插头(91)一端与压力桶盖(3)上的进出水口(4)密封连接，另一端与公插头(92)之间插合密封连接；或者，所述进出水口(4)设有螺纹接水口(101)，所述螺纹接水口(101)一端与压力桶盖(3)上的进出水口(4)密封连接。
7.根据权利要求1所述的一种氢水的制备装置，其特征在于：所述压力桶体(1)上设有紧固件(8)，所述压力桶体(1)和压力桶盖(3)之间通过所述紧固件(8)进行密封连接；或者所述压力桶体(1)和压力桶盖(3)之间通过螺纹直接拧紧密封连接。
8.根据权利要求1所述的一种氢水的制备装置，其特征在于：所述功能高分子复合膜式内胆(2)与压力桶盖(3)的密封面设有一圈上凸环(10)，所述压力桶盖(3)与上凸环(10)的接触面设有相配合的上环形凹槽(12)；所述膜式内胆(2)与压力桶体(1)的密封面设有一圈下凸环(11)，所述压力桶体(1)与下凸环(11)的接触面设有相配合的下环形凹槽(13)。
9.一种氢水的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的氢水的制备装置，将净化处理后的水注入压力桶体(1)的第一空腔(5)内，将氢分子充入第二空腔(6)内；第二空腔(6)内储存的氢分子在膜式内胆(2)内进行溶解扩散，并渗透入第一空腔(5)内的水中，形成集聚氢分子的氢水。
10.根据权利要求9所述的氢水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：预先将水进行净化处理；
步骤二：将净化处理后的水注入压力桶体(1)的第一空腔(5)内储存；
步骤三：将氢气充入压力桶体(1)的第二空腔(6)内储存，并增压至0.01～3MPa；
步骤四：第二空腔(6)内储存的氢气向膜式内胆(2)中溶解扩散，并逐渐渗透进第一空腔(5)内的水中；
步骤五：将处理后的压力桶体(1)在静止状态下放置；将压力桶体(1)的第二空腔(6)内的压力调整至氢水使用的压力范围；
或者，步骤二和步骤三交换次序进行。
11.根据权利要求10所述的氢水的制备方法，其特征在于，在步骤四之后还包括以下步骤：将压力桶体(1)放置在装有超声波的振荡器上超声振荡，处理时间为0.5～10h。
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