CN117065592A - 超饱和氢气溶液的制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超饱和纳米气泡氢气溶液的制备装置及其制备方法。该制备装置包括壳体和中空纤维膜组，其中壳体设有与液体源连通的进液口、排液口以及用于与氢气源连通的进气口。中空纤维膜组包括多根中空纤维膜管并容纳于壳体内。中空纤维膜组的入口端与进液口连通从而液体能够在中空纤维膜管的内部流动，且来自氢气源的氢气能够从中空纤维膜管的膜孔流入中空纤维膜管的内部并与液体混合。中空纤维膜组的出口端与排液口连通。本发明采用将氢气以纳米级别直径氢气气泡与液体进行充分混合，无论是制备溶液的氢气浓度还是超饱和氢气溶液的制备时间均优于现有技术，并且制备效率高、成本低、应用范围广。
Description
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。
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；
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；
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；
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；
液路压力：液路压力接近常压；
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。
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。
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。
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。
一实施例中，所述中空纤维膜管的壁厚可为20-50μm。
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％。
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。
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。
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。
一实施例中，液体源可以是水箱。
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。
一实施例中，氢气源可为氢气罐。
另一实施例中，氢气源可为氢气发生器。
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。
一实施例中，所述进气口设置于所述壳体的侧壁上部。
一实施例中，在所述进气口处设有压力传感器。
一实施例中，在所述壳体的进液口处设有流量传感器。
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。
一实施例中，该氢气的压力为液体的压力的1.5～1.7倍。
一实施例中，液体的压力为常压。
较佳地，氢气在所述进气口处的进气压力为0.05MPa～0.6MPa。
更佳地，氢气在所述进气口的进气压力为0.08MPa～0.3MPa。
另一实施例中，所述中空纤维膜管的膜孔的直径为1nm～1μm。
较佳地，所述中空纤维膜管的膜孔的直径为4nm～10nm。
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％。
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。
一实施例中，所述中空纤维膜管的横截面为圆形或椭圆形。
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。
另一实施例中，所述中空纤维膜管可透气也可透水。
另一实施例中，所述中空纤维膜管可透气不可透水。
另一实施例中，所述中空纤维膜管由疏水性材料制成。
一实施例中，所述中空纤维膜管由有机高分子聚合物制成。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
A、提供膜组件；以及
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。
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。
较佳地，氢气的压力大于液体的压力。
较佳地，氢气的压力为0.05MPa～0.6MPa。
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。
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。
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％。
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。
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。
一实施例中，所述壳体的排液口的液体流速为0.200～2L/分钟。
根据本发明制备出的氢气溶液具备以下特点：
不改变原料水既有酸碱度；
不改变原料水硬度(钙、镁等离子浓度)；
室温水中氢气最高含量≥1.8mg/L；
氧化还原电位ORP≤-1000mv(WT20℃)。
附图说明
图1为本发明超饱和纳米气泡氢气溶液的制备装置的系统结构示意图。
图2是图1的制备装置中的气液混合器的结构示意图，其中局部剖切以示出内部结构。
图3是图2中A部分的放大图。
图4是中空纤维膜管的一实施例的结构示意图，其中示意性地示出气液混合。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
名称解释
超饱和气体溶液：本文中，超饱和气体溶液是气体结合于液体所形成的混合液。
这里，气体可以是氢气、氧气、氮气二氧化碳或空气等，液体包括水和果汁等。当气体是氢气时，称为超饱和氢气溶液。气体结合于液体的方式通常是气体以纳米或微纳米气泡形式存在于液体中。超饱和是指气体在液体中的质量浓度大于各种气体在常温常压下的质量饱和浓度。
孔隙率定义：材料的孔隙率是指材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，它以P表示。孔隙率P的计算公式为：
其中P为材料孔隙率，％；V0为材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3；ρ0为材料表观密度，g/cm3或kg/m3；V为材料的绝对密实体积，cm3或m3；ρ为材料密度，g/cm3或kg/m3。
下文的具体实施方式中，将主要基于中空纤维膜组来描述。应理解的是，本发明的工作原理是液体在膜组件的第一侧流动，而气体从所述膜组件的另一侧(通常为与所述第一侧相反的一侧)经由膜组件上的膜孔进入在膜组件的第一侧中流动的液体并与液体混合，从而制备超饱和气体(例如氢气)溶液。在该原理下，膜组件可选自中空纤维式、板框式、卷式、折叠式和管式膜组件中的一种或多种。当膜组件为中空纤维式膜组件时，也称为中空纤维膜组。
图1和2示出根据本发明的第一实施例的超饱和氢气溶液的制备装置100。如图1和2所示，制备装置100包括壳体4和容纳于壳体4内的中空纤维膜组18，壳体4和中空纤维膜组18共同构成中空纤维膜组气液混合器(如图2所示)。壳体4设有与液体源连通的进液口42、排液口43、用于与氢气源连通的进气口44以及泄压口45，其中排液口用于排放制备所得的超饱和氢气溶液，泄压口用于排出多余的氢气，下文将进一步详细描述。本实施例中，液体源为水箱1，氢气源为氢气发生器10，氢气发生器的出气口10a与壳体4的进气口44通过管道连接。应理解的是，液体源也可以是市政生活用水等，其通过管道与壳体的进液口连接。液体可以是符合饮用水标准的水，也可以是水之外的其它符合饮用标准的低粘度液体，例如碳酸类饮料、茶类饮料、咖啡类饮料或含酒精类饮料等。氢气源也可以为氢气罐等。
中空纤维膜组18包括多根中空纤维膜管19，通常为8000-15000根中空纤维膜管。所有的中空纤维膜管19的一端固定连接在一起(例如通过粘接)而形成中空纤维膜组的入口端20，各中空纤维膜管19在入口端20处相互之间无间隙，即紧密连接在一起，从而水或其它流体在入口端处不能在相邻的中空纤维管之间流动。所有的中空纤维膜管的另一端也固定连接在一起(例如通过粘接)，形成中空纤维膜组18的出口端23，各中空纤维膜管19在出口端23处相互之间无间隙，即紧密连接在一起，从而水或其它流体至出口端处不能在相邻的中空纤维管之间流动。中空纤维膜组的入口端20与出口端23之间的中空纤维膜管部分相互间隔开，即它们之间存在间隙21，从而气体可以在各中空纤维膜管之间的间隙21中流动。
中空纤维膜组18的入口端20固定连接(例如通过粘合剂22粘接)于壳体4的第一端41。类似地，中空纤维膜组的出口端23固定连接(例如通过粘合剂粘接)于壳体的第二端47。中空纤维膜组18的入口端20与进液口42连通从而液体能够在中空纤维膜管的内部流动。中空纤维膜组18的出口端23与排液口43连通，从而能够将制备成的超饱和氢气溶液排出。制备装置100运行时，来自氢气发生器10的氢气从中空纤维膜管19的膜孔191流入中空纤维膜管的内部并与液体混合，氢气以纳米级气泡形式存在于液体中，从而形成超饱和氢气溶液。
具体地，超饱和氢气溶液的制备原理为“微管道气液两相流”法，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(中空纤维膜膜壁的小孔)。
需要说明的是，发明人经过研究发现，对于中空纤维膜管组及中空纤维膜管，不同的材料、膜表面积、长度、直径、孔隙率以及膜孔的孔径，对最终所制得的超饱和氢气溶液的氢气浓度有一定的影响。
一实施例中，中空纤维膜组的长度为5cm～100cm，优选地为100mm～400mm。中空纤维膜组的直径为10mm～500mm，优选地为35mm～100mm。
一实施例中，中空纤维膜管的壁厚为20-50μm。
一实施例中，中空纤维膜的内径为40μm～400μm，优选地为150-250μm。
一实施例中，中空纤维膜管的膜孔的直径为1nm～1μm，优选地，中空纤维膜管的膜孔的直径为4nm～10nm。
一实施例中，中空纤维膜管的孔隙率为30％-70％，优选地为40％-50％。
另外，为了避免中空纤维膜组中数量巨大(8千～1.5万根)的纤维膜间粘连，中空纤维膜管可具有波型结构，或中空纤维膜管间增加横向编织。
中空纤维膜管可具有任何合适的横截面形状。较佳地，中空纤维膜管的横截面为圆形或椭圆形。
中空纤维膜管可由任何适当的材料制成。较佳地，中空纤维膜管由亲疏水双性膜材料制成。这里，亲疏水双性膜材料指的是由聚砜(PS)、聚酰胺(PA)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚砜(PES)等疏水性材料为主，掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等亲水性材料后形成的同时具备亲水性和疏水性特征的材料。一实施例中，所述中空纤维管可透气也可透水。另一实施例中，所述中空纤维管可透气不可透水。另一实施例中，所述中空纤维膜管由疏水性材料制成。一实施例中，所述中空纤维膜管由有机高分子聚合物制成。一实施例中，所述中空纤维膜由聚砜(PS)、聚酰胺(PA)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚醚砜(PES)为主同时掺杂掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)制成。
壳体为柱状体，其可由聚碳酸酯等材料制成。进液口42连接于(例如通过螺纹连接于)壳体4的第一端41。排液口43连接于(例如通过螺纹连接于)壳体4的第二端47。进气口44设置于所述壳体的侧壁46。具体地，进气口44设置于壳体4的侧壁上部，并位于中空纤维管组的入口端20下方，从而与中空纤维膜管之间的间隙21流体连通。泄压口45设置在壳体的侧壁下部，泄压口45可安装有泄压阀等泄压装置。当壳体内的压力超过预定阈值时，例如0.05MPa～0.6MPa之间的某个值，泄压装置动作，从而降低壳体内气体的压力，保证制备装置100正常运行，并使得能够制备一定浓度的氢气溶液。
进气口44处可设有压力传感器。控制装置(图未示)可根据该压力传感器检测到的压力来控制氢气发生器的运行。类似地，在氢气发生器内也可设置压力传感器24。为了使得氢气更有效地以纳米级气泡形式存在于液体中，在壳体内流动的氢气的压力应大于在中空纤维膜管的内部流动的液的压力。一实施例中，液的压力为常压或接近常压，而进气口44的进气压力为0.05MPa～0.6MPa。
进液口42处设有流量传感器(图未示)，或者在水箱与壳体的进液口之间的管路上设置流量传感器2，用于检测流入中空纤维膜组的液体量。在水箱与进液口之间的管路上还设有泵或阀门3，用于接通或关断液体源。较佳地，所述阀门为单向阀。
水箱1设有水箱进水口16和水箱出水口15，其中水箱出水口15经由管路17与壳体的进液口42连通。水箱进水口16经由第一支路11与液体源连接并经由第二支路12与壳体的排液口43连通，且所述第一支路和所述第二支路上分别设有单向阀9和5。替代地，水箱进水口16可直接与液体源连通。
图1所示的实施例中，制备装置100进一步设有第三支路13和第四支路14，第三支路13的一端与壳体的排液口43连通，第三支路的另一端为第一取水口。在第三支路上在第一取水口之前设有单向阀6。第四支路14的一端与壳体的排液口43连通，第四支路的另一端为第二取水口。第四支路上在第二取水口之前设有加热装置7，用于加热超饱和氢气溶液。在第四支路上在第二取水口之前还设有单向阀8。图1所示的实施例中，第四支路14的与排液口43连通的一端与第三支路13连通。应理解的是，第四支路14也可通过单独的管线直接与排液口43连接。
一变型例中，由于从壳体的排液口出来的氢气溶液已经是可饮用的超饱和氢气溶液，因此，壳体的排液口可直接连接取水管或阀门，即不设置第二支路12和第四支路14。
一变型例中，可仅设有第二支路12和第四支路14其中之一。
一变型例中，如上所述，可以不设置水箱，而是将壳体的进液口与其它液体源连接。
本文的超饱和氢气溶液制备装置中，制备超饱和氢水量可调，例如通过使用不同比表面积的真空纤维气液混合器或者多个小型气液混合器并联的方式，可实现0～100L/H(可更大量)超饱和氢水的即时制备。
本发明的超饱和氢气溶液的制备装置关键在于提供包括多根中空纤维膜管的中空纤维膜组，然后使得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，由此制得超饱和氢气溶液。在上述原理方法下，可以采用多种结构形式的制备装置来实现本发明的目的。
作为示例性说明，以下列举不同条件下，制备超饱和氢气溶液的示例。
示例1
将内径200μm、膜壁厚35μm、膜孔径5-7nm、孔隙率为40％的聚醚砜中空纤维膜管15000根，封装于外径32mm、长度264mm的聚碳酸酯壳体中，组成单组中空纤维膜组气液混合器，其中所形成的中空纤维膜组的最大直径约为37mm，总长度约为305mm。在进气口接入氢气发生器，出气口接安全阀，进液口通过管线接饮用桶装水，泵出水口接管线直接放水。进气端压力维持0.18MPa，水压为常压(约0.1MPa)，出水流速稳定在760ml/min，进水氢含量为0，出水氢含量5.9ppm，为20℃、1个标准大气压下氢气饱和浓度的3.69倍。所得氢水溶液中每毫升含有超过2*109个纳米气泡，氢气气泡95％在50nm以下，整机功耗小于20瓦。而当进气端压力小于水压时，出水的氢含量降低。
示例2
设备同示例1，进气端压力维持0.138MPa，水压为常压(约0.1MPa)，出水流速大于900ml/min。进水氢含量为0，出水氢含量3.6ppm，浓度为20℃、1个标准大气压下氢气饱和的2.25倍。
结论：相对于更大的进气端压力和更低的流速，较小的进气端压力和更高的流速制备得到的饱和溶液浓度明显降低。
示例3
设备同示例1，进气端压力维持0.10MPa，水压为常压，出水流速大于1200ml/min。进水氢含量为0，出水氢含量2.5ppm，浓度为20℃、1个标准大气压下氢气饱和的1.56倍。
结论：相对于更大的进气端压力和更低的出水流速，较小的进气端压力和更高的出水流速制备得到的饱和溶液浓度明显降低。
示例3’
设备同示例1，进气端压力维持0.10MPa，水压为常压，出水流速200ml/min。进水氢含量为0，出水氢含量4.3ppm，浓度为20℃、1个标准大气压下氢气饱和的2.69倍。
结论：更低的出水流速较高流速制备得到的饱和溶液浓度明显提高。
示例4
设备同示例1，进气端压力维持0.10MPa，水压为常压，出水流速大于1500ml/min。进水氢含量为0，出水氢含量2.1ppm，浓度为20℃、1个标准大气压下氢气饱和的1.31倍。
结论：相对于更大的进气端压力和更低的出水流速，较小的进气端压力和更高的出水流速制备得到的饱和溶液浓度明显降低。
示例5
设备同示例1，进气端压力维持0.08MPa，水压为常压，出水流速大于1200ml/min。进水氢含量为0，出水氢含量1.8ppm，浓度为20℃、1个标准大气压下氢气饱和的1.13倍。
结论：在设备相同且参数相同的情况下，进气端压力越高，氢含量越高；在设备相同且参数相同的情况下，出水流速越低，氢含量越高。
示例6
将内径300μm、膜壁厚45μm、膜孔径40nm的聚醚砜中空纤维膜管8000根，封装于外径75mm、长度280mm的聚碳酸酯壳体中，组成单组中空纤维膜组气液混合器。在进气口端接入氢气发生器，出气口端接安全阀，进液口端通过管线接饮用桶装水，排液口接管线直接放水。进气口端压力维持0.1MPa，水压为常压，出水流速稳定在2L/min，进水氢含量为0，出水氢含量0.9ppm。
结论：相对于小孔径(示例1中的5-7nm)中空纤维膜制备出5.9ppm，大孔径膜制备饱和溶液浓度明显降低。
示例7
设备同示例1，选用膜孔孔径为30nm的相同材料，其它参数与示例1相同，进气端压力维持0.18MPa，水压为常压，出水流速稳定在760ml/min，进水氢含量为0，出水氢含量2.2ppm。
结论：膜孔径越大，制备饱和氢水中氢浓度越低。
示例8
设备同示例1，选用孔隙率为30％的相同材料，其它参数与示例1相同，进气端压力维持0.18MPa，水压为常压，出水流速稳定在760ml/min，进水氢含量为0，出水氢含量2.9ppm。
结论：膜的孔隙率越低，制备饱和氢水中氢浓度越低。
示例8’
设备同示例1，选用孔隙率为70％的相同材料，其它参数与示例1相同，进气端压力维持0.18MPa，水压为常压，出水流速稳定在760ml/min，进水氢含量为0，出水氢含量6.9ppm。
结论：膜的孔隙率越高，制备饱和氢水中氢浓度越高。
示例9
将内径200μm、膜壁厚35μm、膜孔径5-7nm的聚醚砜中空纤维膜管(膜材料中未添加亲水材料)15000根，封装于外径37mm、长度305mm的聚碳酸酯壳体中，组成单组中空纤维膜组气液混合器。在进气口端接入氢气发生器，出气口端接安全阀，进液口端通过管线接饮用桶装水，排液口接管线直接放水。进气口端压力维持0.18MPa，水压为常压，出水流速稳定在760ml/min，进水氢含量为0，出水氢含量3.9ppm，为20℃、1个标准大气压下氢气饱和浓度的3.69倍。
结论：相对于亲疏水双性膜材的中空纤维膜制备出5.9ppm，纯疏水性膜制备饱和溶液浓度明显降低。
本文中，氢浓度的滴定方式采用日本MiZ公司的特许番号第4511361号的溶存氢浓度判定试剂进行滴定，在此不再详述。
本发明所述的超饱和纳米气泡氢气溶液的制备装置及制备方法具有如下优点：
a)无需制备等待时间，可实时制备超饱和纳米气泡氢气溶液；
b)该溶液氢气浓度范围1.2ppm～6ppm；
c)氢气气泡的纳米尺度分布95％在50nm以下；
d)每毫升溶液中含有超过2*109个纳米气泡；
e)溶气效率超高，氢气有效溶解率超过80％；
f)整机功耗低。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (35)
1.一种超饱和纳米气泡氢气溶液的制备装置(100)，其特征在于，所述制备装置(100)包括壳体(4)和中空纤维膜组(18)，其中所述壳体(4)设有与液体源连通的进液口(42)、用于与氢气源连通的进气口(44)以及排液口(43)，所述液体源为水箱，所述水箱中的水经流量传感器、泵或阀门直接流入所述壳体，所述中空纤维膜组(18)包括多根中空纤维膜管(19)并容纳于所述壳体(4)内，所述中空纤维膜组(18)的入口端(20)与所述进液口(42)连通从而液体能够在所述中空纤维膜管(19)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(19)的膜孔(191)流入所述中空纤维膜管(19)的内部并与液体混合，通过所述液体跟所述氢气之间的剪切力使所述氢气分散成尺寸较一致的纳米气泡，所述纳米气泡的尺寸等于小于所述中空纤维膜管(19)的膜孔，以及所述中空纤维膜组(19)的出口端(23)与所述排液口(43)连通，氢气以纳米级气泡形式存在于液体中，从而形成超饱和氢气溶液；
所述中空纤维膜组(18)的长度为5cm～100cm且直径为10mm～500mm，以及所述中空纤维膜管(19)的孔隙率为30％-70％；所述中空纤维膜管(19)的壁厚可为20-50μm；
所述中空纤维膜管(19)的膜孔(191)的直径为1nm～1μm；
所述中空纤维膜管的内径可为40μm～400μm；
所述中空纤维膜管(19)由疏水性材料或是掺杂有亲水性材料的疏水性材料制成；
氢气气泡的纳米尺度分布95％在50nm以下；
每毫升溶液中含有超过2*109个纳米气泡；
中空纤维膜的可选材料有聚砜、聚酰胺、聚丙烯晴、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚砜；
出水氢含量为2.9ppm-6ppm；以及
所述中空纤维膜管(19)具有波型结构，或中空纤维膜管(19)之间增加横向编织。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述液体为低粘度液体。
3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜管(19)的数量为8000至15000根。
5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，液体源是水箱。
6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，液体源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。
7.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，氢气源为氢气罐。
8.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，氢气源为氢气发生器。
9.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，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。
10.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述进气口设置于所述壳体的侧壁上部。
11.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，在所述进气口处设有压力传感器。
12.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，在所述壳体的进液口处设有流量传感器。
13.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，在所述壳体(4)内流动的氢气的压力大于在所述中空纤维膜管(19)的内部流动的液体的压力。
14.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，该氢气的压力为液体的压力的1.5～1.7倍。
15.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，液体的压力为常压。
16.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，氢气在所述进气口处的进气压力为0.05MPa～0.6MPa。
17.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述壳体的排液口的液体流速为0.200～2L/分钟。
18.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜管(19)的亲水性材料选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
19.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜管(19)的横截面为圆形或椭圆形。
20.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜管(19)可透气也可透水。
21.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜管(19)可透气不可透水。
22.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜管(19)由有机高分子聚合物制成。
23.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述壳体(4)的侧壁(46)上还设有泄压口(45)，所述泄压口安装有泄压装置。
24.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述中空纤维膜组(18)的入口端(20)与所述壳体的第一端(41)固定连接且各中空纤维膜管(19)在所述入口端(20)处相互之间无间隙，所述中空纤维膜组的出口端(23)与所述壳体的第二端(47)固定连接且各中空纤维膜管(19)在所述出口端(23)处相互之间无间隙，以及各中空纤维膜管(19)在所述入口端(20)与所述出口端(23)之间的部分相互间隔开而形成间隙(21)，从而氢气能够在该间隙(21)中流动。
25.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述氢气源为氢气发生器(10)，所述氢气发生器(10)的出气口(10a)与所述壳体(4)的进气口(44)连通。
26.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述制备装置(100)进一步包括水箱(1)，所述水箱(1)设有水箱进水口(16)和水箱出水口(15)，其中所述水箱出水口(15)与所述壳体(4)的进液口(42)连通，所述水箱进水口(16)与液体源连通，或者所述水箱进水口(16)经由第一支路(11)与液体源连接并经由第二支路(12)与所述壳体(4)的排液口(43)连通，且所述第一支路(11)和所述第二支路(12)上均设有阀门(9、5)。
27.根据权利要求26所述的制备装置，其特征在于，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。
28.根据权利要求26所述的制备装置，其特征在于，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。
29.一种超饱和氢气溶液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
A、提供如权利要求1-28中任一项所述的制备装置，其中所述中空纤维膜组(18)为膜组件；以及
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；
所述中空纤维膜组(18)包括多根中空纤维膜管(19)，液体在所述中空纤维膜管(19)的内部流动，同时使得氢气经由所述中空纤维膜管(19)的膜孔(191)进入所述中空纤维膜管(19)的内部并与液体混合；
所述中空纤维膜组(18)的长度为5cm～100cm且直径为10mm～500mm，所述中空纤维膜管(19)的膜孔(191)的直径为1nm～1μm，以及所述中空纤维膜管(19)的孔隙率为30％-70％。
30.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，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。
31.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，氢气的压力大于液体的压力。
32.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，氢气的压力为0.05MPa～0.6MPa。
33.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，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。
34.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，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。
35.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，所述壳体的排液口的液体流速为0.200～2L/分钟。
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