CN111973019A - 纳米气泡生成装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米气泡生成装置及其应用，该装置包括气体生成单元、管状通道、多孔元件和纳米气泡容纳腔，可以将纳米气泡状态的氢分子释放到干粉物质周围或者溶解于液体物质中，并且维持接近饱和的状态，停留的时间更长。同时，将纳米级的氢气泡溶于饮品中饮用后，可以抑制人体内活性氧和自由基的增加，实现抗氧化的效果。

Description

纳米气泡生成装置及其应用
技术领域
本发明属于纳米技术与食品处理领域，涉及一种纳米气泡生成装置及其应用。
背景技术
氢分子(氢气)已经被认为是非常有效的新型抗氧化剂，在预防疾病且增进健康等方面均有明显的病理学优势。氢的分子量极小，非常容易被人体吸收，并且副作用很低。将氢气填充到液体食品中，人们通过摄取填充在液体中的氢气，很难被人体吸收的东西就可以容易地吸收到人体中，容易发挥氢气具有的有益效果。
现有技术中公开了一些将氢气溶于液体中制成各种饮品的方法，例如公开号为CN100506091C的中国发明专利公开了一种液体食品及其生产方法，是将咖啡、果汁、豆浆等液体饮品直接实施电解处理，再进行脱氧处理，得到的液体装入包装容器中，根据需要进行巴氏灭菌法，制成包装饮品。但是这种操作下饮品中的其它物质相当于杂质，这些杂质有可能被电解或者混入得到的液体中，副产物较多，实际得到的氢气量较理论值很少。
另外，在一个大气压、20℃的环境下，氢气溶于水的最高浓度为1.6ppm(即1600ppb)，也即每公斤的水最多溶入1.6毫克的氢气，便达到了饱和浓度。在开放容器中，氢水的半衰期(浓度减半所需要的时间)约为2小时左右。因此在应用氢气的这些抗氧化功能时，需要保持饱和氢的浓度及稳定性，纳米氢气气泡技术可以很好地满足这个要求。
发明内容
本发明的目的，是为了解决上述现有技术的问题，来提供一种纳米气泡生成装置及其应用，可以将纳米气泡状态的氢分子释放到干粉物质周围或者溶解于液体物质中，并且维持接近饱和的状态。
为此，本发明的第一方面，提供了一种纳米气泡生成装置，包括气体生成单元、管状通道、多孔元件和纳米气泡容纳腔，其中，
所述气体生成单元包括被分隔件分隔而被划分为设置有第一电极的第一区域和设置有第二电极的第二区域、电解液、第一气体出口，和电源装置，用于向第一电极和第二电极施加电压；
管状通道用于连通第一气体出口和多孔元件；
所述多孔元件的一端与管状通道连接，所述多孔元件具有预设的孔径，使气体生成单元产生的气体成为纳米气泡，供给至纳米气泡容纳腔。在本发明中，气体生成单元中的第一电极、第二电极、电解液、分隔件、电源装置实际上构成可以对高纯度的水进行电解而生成氢气的电解槽结构。
进一步地，所述电解液为水性溶液。
进一步地，所述气体生成单元生成的气体包括氢气。
进一步地，第一气体出口位于气体生成单元的上部。
进一步地，多孔元件为纳米曝气管，纳米曝气管的管壁开设有均匀排布的小孔，所述小孔的孔径范围在1nm至20nm，较佳地为2nm至15nm，更佳地为5nm至10nm。
进一步地，所述多孔元件上的小孔可以呈矩阵排列、或环形排列、或三角型排列。
进一步地，所述小孔之间的孔间距为0.1mm至1mm。
进一步地，所述纳米曝气管的内径范围在1cm至3cm之间。
进一步地，所述多孔元件粘附有单向透气膜，所述单向透气膜与多孔元件的内壁的至少一部分粘合，用于选择性地通过纳米气泡。上述单向透气膜起到了气液分离膜的作用，能够使气体氢选择性透过而液体不透过。已知很多的气液分离膜符合这种要求，例如PUW单向透气膜，可以涂敷或者粘贴在多孔元件内，选用金属材质的多孔元件，同时也相当于支持体与单向透气膜层叠而使用，单向透气膜的结构能够使得多孔元件外部的液体泄漏到多孔元件内部的可能性最小化。
进一步地，所述多孔元件的材料为不锈钢。
进一步地，所述纳米气泡生成装置还包括搅拌机构，该搅拌机构位于纳米气泡容纳腔内。
进一步地，所述纳米气泡生成装置还包括可以使搅拌机构运行的驱动组件。
进一步地，该分隔件用于阻止在第一电极产生的气体与在第二电极产生的气体混合。第一电极和第二电极可以将分隔件夹在中间，第一电极和第二电极之间的距离并不特别限定，本领域技术人员知悉的是，通过缩短第一电极和第二电极之间的距离，能够减小电解所需要的电压。
进一步地，该分隔件为质子交换膜PEM。常见的例如全氟磺酸聚合物等。
进一步地，所述纳米气泡生成装置还包括电源装置，用于向第一电极和第二电极施加电压。较佳地，该电源装置可以将交流电压转换为直流电压。
进一步地，以第一电极成为阴极且第二电极成为阳极的方式向所述第一电极和第二电极之间施加电压。
进一步地，在第一区域产生氢气，在第二区域产生氧气。
进一步地，所述管状通道可以是软管导管，并不做特别限定，可以是具有柔性的材料(橡胶、树脂等)
进一步地，所述氧气排气口可以是在第二区域产生氧气后，用来排放出氧气的机构。这样的机构包括在第二区域内的气体压力变得高于预定值时开放、其余时间关闭的阀门或者能够以开放方式罩住的塑料片或者橡胶片。
进一步地，所述氧气排气口的高度高于电解液的液面。
进一步地，所述纳米气泡生成装置还包括一排水口，排水口可覆盖有塞紧件。
本发明的第二方面，提供一种使用该纳米气泡生成装置将纳米气泡氢气溶解于液态饮品的设备。
本发明的第三方面，提供一种生成纳米气泡的方法，包括步骤：
(1)向气体生成单元提供水性液体作为电解液；
(2)向所述第一电极和第二电极之间施加电压，水性液体电解产生的氢气从第一气体出口经管状通道进入多孔元件内；
(3)氢气经多孔元件表面的小孔形成纳米氢气泡，分散至纳米气泡容纳腔。
与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
1.本发明所提供的纳米气泡生成装置可以得到体积极小的纳米氢气泡，在液态饮品中所受到的浮力要远远小于普通气泡在水中受到的浮力，停留的时间更长，维持果汁等液体饮品以及干货(例如干果、干蔬、调味料、杂粮、饮片、药材、果脯等)在提取或者搅拌后的稳定性，维持口感和风味。同时，将纳米级的氢气泡溶于饮品中饮用后，可以抑制人体内活性氧和自由基的增加，实现抗氧化的效果。
2.本发明所提供的纳米气泡生成装置中，直接电解的是水，而非果汁、咖啡等液体物质，水电解过程中没有任何干扰，更有利于氢气的产生。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
图1是包含本发明所提供的一个示例性的纳米气泡生成装置应用到料理机中的结构示意图；
图2是本发明所提供的一个示例性的纳米气泡生成装置的截面图；
图3是图1中的料理机的基座部分示意图；
图4是本发明所提供的一个示例性的纳米气泡生成装置中的单向透气膜的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。
术语说明
如本文所用，第一电极和第二电极是能够发生水的电解反应的电极。第一电极和第二电极可以相同也可以不同，较佳地可以为包括金属部分的电极，例如铂电极。其中，生成氢气的第一电极也可以是不锈钢等腐蚀性较小的金属构成的电极，也可以使用除金属外的导电性材料(例如导电的碳材料)的电极。
在第一电极和第二电极之间发生水的电解的电位差，那么水可以被电解产生氢气和氧气。示例性地，可以以第一电极成为阴极且第二电极成为阳极的方式向两者之间施加规定的直流电压。通过该电压施加，从第一电极产生氢气，从第二电极产生氧气，氢气从第一气体出口排出。通常向第一电极与第二电极之间施加直流电压。只要能使水性液体被电解，则所施加的电压(电位差)的大小以及施加方法并不特别限定。也可以基于电流恒定的方式向电极之间施加电压。或者，也可以向电极之间施加恒定的电压。在一例中，向电极之间施加处于2伏～70伏的范围或5伏～20伏的范围的直流电压。
设置有第一电极的第一区域和设置有第二电极的第二区域由能够保持水性液体的材料形成。通常，至少第一区域和/或第二区域的内表面由绝缘性的材料形成，例如可以是玻璃、树脂、橡胶、金属、或者它们的复合体形成。
如本文所用，电源装置可以是直流电源，也可以带有将交流电压转换成直流电压的转换器，也可以是一次电池或二次电池等。
如本文所用，隔离件可以是一类隔膜，目的是阻止第一电极生成的气体和第二电极生成的气体的混合。隔离件的形态不做过多限定，优选地可以是质子交换膜。采用质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)，可以允许氢离子(H+)(也称为质子)通过膜内迁移到对侧，在电极电解的辅助下结合以形成氢气。一旦重新结合为氢气，分子就不能再穿过膜，而被捕获为高纯度的氢。第一电极以及第二电极以将隔离件夹在中间的方式配置。第一电极与第二电极之间的距离并不特别限定。通过缩短第一电极与第二电极之间的距离，能够减小电解所需的电压。示例性地，第一电极与第二电极之间的距离可以在0.10mm至30mm的范围。当在上述条件下对水进行电解时，优选隔离件不使在第二电极生成的气体(例如为氧气)的气泡的50体积％以上(例如，80体积％～100体积％、90体积％～100体积％、95体积％～100体积％)透过。
如本文所用，作为“电解液”的水性液体是指含有水的液体，该水性液体含有50质量％以上(例如60-100质量％、80-100质量％、90-100质量％)的水。代表性的水性溶液是在氢离子和氢氧离子的基础上可能含有其他离子的水溶液。水性溶液的典型例子包括纯净水、蒸馏水、矿泉水等。
如本文所用，“不锈钢”特别是指铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢，包括超级奥氏体和奥氏体-铁素体不锈钢。用作食品接触的情况下，优选为奥氏体不锈钢，需要满足GB 9684—2011规定的食品安全国家标准不锈钢制品。
如本文所用，多孔元件被用作将来自气体生成单元产生的氢气形成纳米气泡，可以是纳米曝气管(棒)等，利用气体生成单元经管状通道的输送途径，形成一定范围内(例如，约0.15MPa至0.4MPa之间)的压力。氢气通过管状通道输送至纳米曝气管，纳米曝气管的多孔元件将氢气以纳米气泡的形式分散至纳米气泡容纳腔中的液体里，同时，利用搅拌刀片的搅动剪切力效应，分散出更多纳米级的气泡，从而与被搅拌后形成的果汁等液体饮品以及干货(例如干果、干蔬、调味料、杂粮、饮片、药材、果脯等)充分混合。
如本文所用，“单向透气膜”是指例如由于微孔的存在而允许气体通过的聚合物膜。本发明含义中的“膜”为中值厚度小于其长度和宽度的材料的片或层。例如，术语“膜”可指中值厚度小于200μm但大于1μm的材料的片或层。
如本文所用，“粘附”能够包括粘接以及粘合地接触的含义，意指一个层的一个面部表面和另一个层的一个面部表面彼此接触并且粘合接触，使得一层不可在不损坏两层的接触面部表面的情况下从另一层移除。
本发明的纳米气泡生成装置能够用于各种各样的用途。例如，可以将该纳米气泡生成装置本身用于使气体(氢气以及/或者氧气)溶解于液体的装置。也可以将该纳米气泡生成装置用于需要氢气纳米气泡扩散至限定空间的装置中。溶解纳米气泡的装置可以产生溶解氢的液体，例如，富含氢的水或者其它饮用的液体(例如果汁、咖啡、茶水等)。上述纳米气泡溶于液体中能够得到溶解氢浓度为300ppb以上(质量基准)的水性液体(例如水)，例如可以处于400ppb～1500ppb的范围或500ppb～1200ppb的范围。
本发明的纳米气泡生成装置可以应用到各种搅拌液体或固体物质的搅拌机、料理机或粉碎机等。搅拌机可以是搅拌用叶片和使得叶片旋转的电机构成的装置，搅拌的对象不限于固体或者液体，可以是果汁等液体饮品以及干货(例如干果、干蔬、调味料、杂粮、饮片、药材、果脯等)。例如对于干货物质，在搅拌腔内非常容易被氧化，将纳米气泡抗氧化技术与干粉物质或者液体混合起来，保证了抗氧化效果，还能制作成适于饮用的饮品。
将本发明的纳米气泡生成装置应用在搅拌料理机(可以是粉碎机或者破壁机)中为例说明本发明的具体实施例。
果汁等液体饮品以及干货(例如干果、干蔬、调味料、杂粮、饮片、药材、果脯等)类固体物质在刚刚提取、榨汁或者搅碎后，风味和品质最佳，但是随着时间延长，由于氧化作用、温度的改变，容易品质变差。因此，在料理设备中加入本发明所提供的纳米气泡生成装置，一方面可以维持这些物质在提取或搅碎后的稳定性，维持口感和风味；另一方面将纳米级的氢气泡溶于饮品中，饮用后可以抑制人体内活性氧和自由基的增加，实现抗氧化的效果。
本发明所提供的纳米气泡生成装置通过对水电解生成氢气。
分隔件把气体生成单元分隔为第一电极所存在的第一区域和第二电极所存在的第二区域，第一区域与第一气体出口相连，第二区域与氧气排气口相连。第一区域或第二区域都可以是沿着竖直方向延伸的圆柱状、长方体状、筒状的形状。
分隔件是用于阻止第一电极生成的氢气与第二电极生成的氧气的气泡混合，可以选用质子交换膜PEM作为分隔件。
气体生产单元的壁可以由能够容纳水性液体的绝缘性材料制成，例如玻璃、树脂等。
多孔元件内壁可贴附单向透气膜220(如图4所示)，阻止搅拌腔内的液体渗透入多孔元件内。
本实施例中，如图1、图2、图3所示，提供了一种料理机，包括基座210和可拆卸地设置在基座210上的杯体1。杯体1安装到基座210上时，可以通过使用密封圈23将杯体1和基座210之间的间隙密封。整个基座210包括电源装置、注水孔27、气体生成单元2、管状通道216和氧气排气口213。整个杯体1包括杯盖11、杯嘴12、把手13、搅拌刀片22、纳米气泡容纳腔14(在料理机中也可以称为“料理腔”)和多孔元件21。
电源装置可以包括驱动搅拌刀片22的驱动机构214，驱动机构214具有向上穿过基座210并深入料理腔14与搅拌刀片22相连的主轴(图示未标出)，主轴的顶部连接搅拌刀片22，搅拌刀片22用于对投入料理腔14的水果或者干货(例如干果、干蔬、调味料、杂粮、饮片、药材、果脯等)进行粉碎。
气体生成单元2中，两个电极217之间的电解可以按照常规方法，使得纯净水在两个电极之间连续流过和/或滞留的状态下，施加5伏～20伏的直流电压。氢离子(H+)(也称为质子)通过PEM膜218(质子交换膜)迁移到对侧，在电极的辅助下结合以形成氢气(H2)。一旦结合为氢气，氢气分子就不能再穿过PEM膜218，而被捕获为高纯度的氢。
使用时，可以首先从注水孔27注入一定体积(例如50ml至100ml)的纯净水，通过整流器215将插座电源212的220V左右的交流电压转化为20V左右的直流电压。气体生成单元发生水的电解使得含氢量增加。然后可以在料理腔14内投入待粉碎的水果或者干货，气体生成单元制得的氢气通过多孔元件21形成纳米气泡扩散至料理腔14，通过驱动机构214驱动搅拌刀片22旋转，进而对料理腔内的水果或者干货进行粉碎。料理腔中形成的大量纳米氢气泡与果汁或粉碎的干货混合，可以制得含氢浓度较高的饮品或者没有被氧化的干粉类物质，保持了饮品或者干粉类物质的营养成分和风味。这个过程中，借助从管状通道216流出的氢气的压力的改变，促进氢气经过多孔元件的释放，同时，搅拌刀片也会形成一定的剪切力，将气体分子进行反复剪切破碎，加速纳米气泡的分散。
进一步地，可以在靠近基座底部的位置设置排水孔219，用于将多余的电解液排放掉，以防止过多的水在气体生成单元中累积发生腐蚀或者结垢。
进一步地，本领域技术人员均理解的是，在电源装置中设有PCB控制板，通过线路连接分别与驱动机构214和气体生成单元连接并控制其运行。
进一步地，为了更好的使用体验，基座的侧面分别设置有电源指示灯25、电源按钮26、制氢指示灯28和制氢按钮29，用于提醒或者指示用户进行制氢操作和搅拌操作。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米气泡生成装置，其特征在于，包括气体生成单元、管状通道、多孔元件和纳米气泡容纳腔，其中，
所述气体生成单元包括被分隔件分隔而被划分为设置有第一电极的第一区域和设置有第二电极的第二区域、电解液、第一气体出口、和电源装置，该电源装置用于向第一电极和第二电极施加电压；
所述管状通道用于连通第一气体出口和多孔元件；
所述多孔元件的一端与管状通道连接，且所述多孔元件具有预设的孔径，使气体生成单元产生的气体成为纳米气泡，供给至纳米气泡容纳腔。
2.如权利要求1所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，所述多孔元件为纳米曝气管，纳米曝气管的管壁开设有均匀排布的小孔，所述小孔的孔径范围在1nm至20nm，较佳地为2nm至15nm，更佳地为5nm至10nm。
3.如权利要求2所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，所述小孔之间的孔间距为0.1mm至1mm。
4.如权利要求2所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，所述纳米曝气管的内径范围在1cm至3cm之间。
5.如权利要求1所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，所述多孔元件粘附有单向透气膜，所述单向透气膜与多孔元件的内壁的至少一部分粘合，用于选择性地通过纳米气泡。
6.如权利要求1所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，该分隔件为质子交换膜PEM。
7.如权利要求1所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，以第一电极成为阴极且第二电极成为阳极的方式向所述第一电极和第二电极之间施加电压，并且在第一区域产生氢气，在第二区域产生氧气。
8.如权利要求1所述的纳米气泡生成装置，其特征在于，所述纳米气泡生成装置还包括搅拌机构，该搅拌机构位于纳米气泡容纳腔内。
9.一种使用如权利要求1-8任一项所述的纳米气泡生成装置将纳米气泡氢气溶解于液态饮品的设备。
10.一种使用如权利要求1-8任一项所述的纳米气泡生成装置生成纳米气泡的方法，其特征在于，包括步骤：
(1)向气体生成单元提供水性液体作为电解液；
(2)向所述第一电极和第二电极之间施加电压，水性液体电解产生的氢气从第一气体出口经管状通道进入多孔元件内；
(3)氢气经多孔元件表面的小孔形成纳米氢气泡，分散至纳米气泡容纳腔。
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