一种高浓度高稳定性富氢水的制备装置和制备方法.pdf

本发明公开了一种高浓度高稳定性富氢水的制备方法，对储水罐中的饮用水脱气后，密闭条件下，通过氢源在储水罐中产生氢气气泡，同时利用超声波发生装置进行气水超声混合，使氢气充分溶解于水中，制得富氢水。本发明提供的富氢水的制备方法，在常温常压下得到的富氢水氢气浓度大于1.5ppm，用铝箔袋灌装，储存12个月氢含量在1ppm以上，氢浓度高且溶氢稳定性高；本发明所利用的制备装置简单，对设备要求低，方法简便，易于在行业内推广。

1.  一种高浓度高稳定性富氢水的制备装置，其特征在于：包括密闭的储水罐(1)、氢源、超声波发生装置；所述储水罐(1)侧壁设有出水口(5)和进水口(6)，上方设有抽真空接口(7)；所述出水口(5)、进水口(6)以及抽真空接口(7)均设有阀门；所述氢源用于在储水罐(1)中产生氢气气泡；所述超生波发生装置包括超声波振源以及与超声波振源相连接的超声波发生器；所述超声波振源安装于储水罐(1)上。

2.  根据权利要求1所述的高浓度高稳定性富氢水的制备装置，其特征在于：所述氢源为镁粉，添加比例按质量计占饮用水质量的0.01～0.3％。

3.  根据权利要求1所述的高浓度高稳定性富氢水的制备装置，其特征在于：所述氢源为主要由储氢罐、减压阀、流量阀、导气管以及曝气头(21＇)组成的结构，氢气依次经减压阀、流量阀由导气管输送至曝气头(21＇)，曝气头(21＇)置于储水罐(1)中。

4.  根据权利要求1所述的高浓度高稳定性富氢水的制备装置，其特征在于：所述超声波振源为超声振子和超声波振动棒中的一种或两种。

5.  一种利用权利要求1-4任一所述的制备装置制备高浓度高稳定性富氢水的制备方法，其特征在于：对储水罐(1)中的饮用水脱气后，密闭条件下，通过氢源在储水罐中产生氢气气泡，同时利用超声波发生装置进行气水超声混合，产生微纳米气泡，使氢气充分溶解于水中，制得富氢水。

6.  根据权利要求5所述的高浓度高稳定性富氢水的制备方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
步骤一，超声真空脱气：储水罐(1)中注满饮用水，开启超声波发生装置同时抽真空脱气，脱除溶解气体的饮用水存储在储水罐(1)中备用；
步骤二，气水超声混合：密闭条件下，氢源产生氢气气泡，同时开启超声波发生装置进行气水超声混合，以超声空化作用将氢气气泡变成氢气微纳米气泡；
步骤三，静置储水罐(1)：关闭超声波发生装置，密闭条件下静置储水罐(1)，使氢气充分溶解到水中，制得富氢水。

7.  根据权利要求6所述的高浓度高稳定性富氢水的制备方法，其特征在于：所述微纳米气泡直径为0.1μm～50μm。

8.  根据权利要求6所述的高浓度高稳定性富氢水的制备方法，其特征在于：所述富氢水含氢浓度为1.5ppm以上。

9.  根据权利要求6所述的高浓度高稳定性富氢水的制备方法，其特征在于：超生真空脱气过程中，脱气真空度大于-0.05MPa，脱气时间为0.1h～2h，超声波发生装置功率为10kw～20kw。

一种高浓度高稳定性富氢水的制备装置和制备方法
技术领域
本发明属于功能性饮用水领域，具体涉及一种高浓度高稳定性富氢水的制备装置和制备方法。
背景技术
2007年日本医科大学太田成男教授在《Nature Medicine》上首次发表了氢分子可清除人体自由基的论文，奠定了氢分子生物医学的研究基础。随后，国际生物医学领域掀起了氢气生物医学研究的热潮。大量动物实验和临床研究证明，氢气对治疗脑缺血、代谢综合征、糖尿病、动脉硬化、老年痴呆、脂肪肝、肝硬化、类风湿关节炎、哮喘、尿毒症、噪声性耳聋、急性胰腺炎、肿瘤放化疗副作用等68种人类重要疾病具有明确或潜在的治疗效果。
大量的基础研究结果表明，氢气可以通过抗氧化、减少细胞凋亡、抑制炎症反应、调节基因表达间接提高机体抗氧化能力，发挥对各类疾病和损伤的治疗作用。氢气作为一种治疗性气体，目前最有效的方式是饮用氢气饱和水。
近年来，国内对富氢水进行了大量的研究和开发。从氢气的来源看，通常有三种方法：(1)镁化学还原产氢溶氢法。如发明专利《富氢水生成方法及富氢水生成器》CN 1840487A、《一种高效富氢水生成方法》CN 102259939A及实用新型《一种富氢水发生器》CN 202131144U等，均采用制氢剂(主要是单质镁)与水反应产生氢气，通过延长在密闭的容器中制备时间使得氢气尽量溶解于水中制得富氢水。这种方法制备的富氢水氢浓度不稳定，且浓度通常低于0.6ppm。(2)医用氢气曝气溶氢法。如发明专利《一种富氢水及其制备方法》CN 102408147A、《制造饮料用含氢水的方法》CN 102438954B等，直接将氢气通入脱气水中进行溶解制备富氢水，由于是通过增大氢气气氛分压(制水密闭容器内的压力通常为几个至几十个标准大气压)，从而增大氢气在水中的溶解度，但存在常压下氢浓度稳定性不高、对制水密闭容器耐压性要求高等不足。(3)水电解产氢溶氢法。如专利《高效多功能富氢水机》CN 202379792U、《便携式富氢水制造装置》CN 103038176A、《富氢水反应装置》CN 203878220U等，均采用电解产生氢气，由于电解会使水温升高，氢气的溶解度下降，一般氢浓度也低于0.8ppm。以上方法均存在富氢水的氢浓度稳定性不高、氢气含量达不到较高浓度等缺点。
综上，在常规富氢水制备方法的基础上，考虑是否有一种更加简便易用的制备装置和制备方法，同时又能增加氢气的溶解度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高浓度高稳定性富氢水的制备装置，通过该装置，在常温常压下所制得的富氢水氢气浓度大于1.5ppm。
本发明的目的进一步提供了一种高浓度高稳定性富氢水的制备方法，通过该制备方法，在常温常压下所制得的富氢水氢气浓度大于1.5ppm，用铝箔袋灌装，储存12个月氢含量在1ppm以上，具有高氢浓度和高溶氢稳定性。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案是：一种高浓度高稳定性富氢水的制备装置，包括密闭的储水罐、氢源、超声波发生装置；所述储水罐侧壁设有出水口和进水口，上方设有抽真空接口；所述出水口、进水口以及抽真空接口均设有阀门；所述氢源用于在储水罐中产生氢气气泡；所述超生波发生装置包括超声波振源以及与超声波振源相连接的超声波发生器；所述超声波振源安装于储水罐上。
上述氢源为镁粉，添加比例按质量计占饮用水质量的0.01～0.3％。
上述氢源为储氢罐，包括罐体、减压阀、流量阀、导气管以及曝气头，氢气依次经减压阀、流量阀由导气管输送至曝气头，曝气头置于储水罐中。
上述超声波振源为超声振子和超声波振动棒中的一种或两种。
一种利用上述制备装置制备高浓度高稳定性富氢水的制备方法：对储水罐中的饮用水脱气后，密闭条件下，通过氢源在储水罐中产生氢气气泡，同时利用超声波发生装置进行气水超声混合，产生微纳米气泡，使氢气充分溶解于水中，制得富氢水。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，超声真空脱气：储水罐中注满饮用水，开启超声波发生装置同时抽真空脱气，脱除溶解气体的饮用水存储在储水罐中备用；
步骤二，气水超声混合：密闭条件下，氢源产生氢气气泡，同时开启超声波发生装置进行气水超声混合，以超声空化作用将氢气气泡变成氢气微纳米气泡；
步骤三，静置储水罐：关闭超声波发生装置，密闭条件下静置储水罐，使氢气充分溶解到水中，制得富氢水。
上述微纳米气泡直径为0.1μm～50μm。
上述富氢水含氢浓度为1.5ppm以上。
上述超生真空脱气过程中，脱气真空度大于-0.05MPa，脱气时间为0.1h～2h，超声波发生装置功率为10kw～20kw。
对饮用水的脱气，属于现有技术，在本发明中，优选超声真空脱气工艺，即在真空脱气的同时开启超声波发生装置，此阶段超声波发生装置用于形成微小气泡，以便更好的真空抽取饮用水中的溶解气体，超声真空脱气的目的是为了脱除饮用水中的溶解气体，可以 采取常规的脱气条件，本发明优选脱气真空度大于-0.05MPa，脱气时间为0.1小时～2小时，超声波发生装置功率为10kw～20kw。另外，气水超声混合的目的是为了产生足够多的氢气微纳米气泡，本发明优选气水超声混合时间为0.5小时～2小时，超声波发生装置功率为10kw～20kw。进一步的，静置储水罐的目的是为了使氢气在静置过程中充分溶解到水中，本发明优选静置时间为0.1小时～12小时。
以上方法制得的富氢水，通过直接灌装或过滤灌装，可制得富氢水成品，本发明优选铝箔袋灌装。在常温常压下本发明制得的富氢水氢气浓度大于1.5ppm，用铝箔袋灌装，储存12个月氢含量在1ppm以上。
在本发明中，所述镁粉、饮用水并没有特殊的要求，在市场上均可以直接购买。饮用水可选用符合国家标准的纯净水、矿物质水以及天然矿泉水中的一种或多种。
本发明的特点是：富氢水制备过程的关键工艺——氢溶解工序。具体的，氢源产生微细气泡的同时引入超声波在密闭条件下作气水混合，利用超声波技术将微细气泡变产生微纳米气泡，气泡直径在0.1μm～50μm，利用微纳米气泡的特性：存在时间长、传质效率高，使得氢气尽可能多的溶解在饮用水中，同时也提高了氢的稳定性。超声波技术利用超声空化作用使液体形成负压，使原来溶解的气泡以微纳米气泡形式析出，同时也可以对气泡破灭进行控制。通常将直径在0.1～50μm的微小气泡称为微纳米气泡。微纳米气泡有以下特性：(1)存在时间长，普通气泡由于尺寸较大在水中受到的浮力大于自身重力，因而会迅速上升到水面破裂。而微纳米气泡由于自身体积很小，在水中所受浮力相应也很小，从而表现出上升缓慢的特性；(2)传质效率高，当气泡直径较小时，微纳米气泡受到表面张力影响，使得气泡内部压力远大于外界液体压力，从而压缩气泡内部气体形成了自增压效应。当气泡内部发生自增压时，内部压力不断增大，从而促进了气泡内部气体穿过气液界面溶解到液相中，因此，微纳米气泡的这种自增压效应，可有效提高气液界面的传质效率。
本发明高浓度高稳定性富氢水的技术方案具有以下有益效果：
1、通过本发明提供的高浓度高稳定性富氢水的制备装置，采用超声波技术在氢气溶解阶段产生微纳米气泡，进而提高富氢水中的氢浓度，同时使得富氢水的氢稳定性增强。
2、通过本发明提供的制备方法，在常温常压下得到的富氢水氢气浓度大于1.5ppm，用铝箔袋灌装，储存12个月氢含量在1ppm以上，氢浓度高且溶氢稳定性高。
3、本发明所利用的制备装置简单，对设备要求低，方法简便，易于在行业内推广。
附图说明
图1是本发明镁粉包氢源的富氢水制备装置示意图；
图2是本发明储氢罐通氢的富氢水制备装置示意图；
图3是本发明溶氢稳定性曲线图。
附图标记说明：1、储水罐；21、镁粉包；22、入口一；21＇、曝气头；22＇、入口二；3、超声波发生装置一；4、超声波发生装置二；5、出水口；6、进水口；7、抽真空接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本实施提供的富氢水制备装置包括储水罐1、镁粉包21、入口一22、超声波发生装置一3以及超声波发生装置二4。
储水罐1是密闭的圆柱形罐体，侧壁设有出水口5和进水口6，上方设有抽真空接口7，出水口5、进水口6以及抽真空接口7均设有阀门。出水口5与过滤装置或者直接与包装袋相接。进水口6与符合国家标准的饮用水的供水装置相接。抽真空接口7通过管道与真空泵连接。
氢源为镁粉。镁粉通过入口一22进入储水罐1中，使用可透水膜包装形成镁粉包21，入口一22处设有可密封的开口，在需要投料的时候可打开此处开口进行投料，投料完毕再进行密封关闭，以免带入其它气体。上述镁粉优选为粒径均匀且不低于100目，添加比例按质量计占饮用水质量的0.01～0.3％。
超声波发生装置一3和超声波发生装置二4的超声波振源安装于储水罐1外侧，分别位于侧壁和底部，成90°夹角，用于气水超声混合，即以超声空化作用将氢气微细气泡变成微纳米气泡。
实施例2：
如图2所示，本实施提供的富氢水制备装置包括储水罐1、曝气头21＇、入口二22＇、超声波发生装置一3以及超声波发生装置二4。、
储水罐1是密闭的圆柱形罐体，侧壁设有出水口5和进水口6，上方设有抽真空接口7，出水口5、进水口6以及抽真空接口7均设有阀门。出水口5与过滤装置或者直接与包装袋相接。进水口6与符合国家标准的饮用水的供水装置相接。抽真空接口7通过管道与真空泵连接。
在本发明中氢源为主要由储氢罐、减压阀、流量阀、导气管以及曝气头21＇组成的结构，氢气依次经减压阀、流量阀以及导气管经入口二22＇输送至曝气头21＇，曝气头21＇置于储水罐1中，曝气头21＇的目的在于产生氢气气泡并维持有效的气水接触，在本发明中，优选微孔纯钛平板或圆盘状的曝气头21＇，曝气头21＇微孔孔径为0.1μm～100μm。
超声波发生装置一3和超声波发生装置二4的超声波振源安装于储水罐1外侧，分别位于侧壁和底部，成90°夹角，用于气水超声混合，即以超声空化作用将氢气微细气泡变成微纳米气泡。
显然的，上述实施例1和实施例2中的超声波发生装置不限于一个或者是两个，完全可以根据储水罐的容积来设置多个，同样的每个超声波发生装置也不限于一个或者两个超声波振源，也可以根据储水罐的容积来设置多个。此外，超声波振源也不限于安装于储水罐1外侧，也可安装于储水罐1内侧，夹角也不限于90°，优选0～90°。
以下对本发明制备装置的工作过程作进一步的描述，以便进一步的展示本发明的工作原理和优点：
操作阀门打开进水口6，储水罐1中注满符合国家标准的饮用水，关闭进水口6。开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，同时通过抽真空接口7抽真空脱气，脱除溶解气体，脱气真空度大于-0.05MPa，脱气时间为0.1小时～2小时，超声波发生装置4功率为10kw～20kw。关闭超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，将镁粉包投入储水罐1中，或开启储氢罐，在储水罐中产生氢气微细气泡，同时开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，产生氢气微纳米气泡，超声气水混合时间为0.5小时～2小时，超声波发生装置功率为10kw～20kw，产生的氢气微纳米气泡直径为0.1μm～50μm。关闭超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，密闭条件下静置储氢罐1，使氢气充分溶解于水中，静置时间为0.1小时～12小时，制得富氢水，操作阀门打开出水口5，过滤灌装或者直接灌装至铝箔袋中，制得富氢水成品。
实施例3：
储水罐1中通过进水口6注入饮用纯净水1000g，开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，并通过抽真空接口7抽真空脱气2小时，真空度-0.05MPa。关闭超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，将1g镁粉，粒度为100目，作为镁化学还原产氢氢源，经入口一21投入镁粉至储水罐1中，用透水膜包装形成镁粉包22，产生氢气微细气泡，密闭储水罐1，同时开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，进行气水混合1小时，以超声空化作用将微细气泡变成微纳米气泡，微纳米气泡直径在0.1μm～50μm。开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，在密闭条件下静置储水罐1达12小时。从出水口5测定氢浓度为1.57ppm。将该富氢水用铝箔袋封装，于室温下保存8个月后测得氢浓度为1.35ppm。
实施例4：
储水罐1中通过进水口6注入饮用纯净水1000g，开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，并通过抽真空接口7抽真空脱气2小时，真空度-0.05MPa。开启超声波发生装 置3和/或超声波发生装置4，密闭储水罐1，由储氢罐直接供氢气作为氢源，经减压阀和流量阀控制，由入口二22＇进入储水罐1中，氢气通过浸没在储水罐1中的曝气头21＇产生氢气微细气泡，同时开启超声波发生装置3进行气水混合1小时，以超声空化作用将微细气泡变成微纳米气泡，气泡直径在0.1μm～50μm。开启超声波发生装置3和/或超声波发生装置4，在密闭条件下静置储水罐1达12小时。从出水口5测定氢浓度为1.52ppm。将该富氢水用铝箔袋封装，于室温下保存8个月后测得氢浓度为1.28ppm。
氢浓度稳定性实验
实施例3和实施例4制备的样品，已存放5个月；对比例为某市售日本产品，已存放6个月。将铝箔袋封装好的富氢水样品拆袋，盛装在250ml玻璃三角瓶中装满瓶子，然后在敞口条件下、间隔不同时间分别测定三角瓶中的氢浓度，测定间隔时间点为：间隔0min/10min/30min/1h/1.5h/2h。结果见下表。

由上表可看出，本发明制得的富氢水，氢浓度高且溶氢稳定性高。由此表作出溶氢稳定性曲线图，如图3所示，可以更直观的看出，相较于一般富氢水，本发明制得的富氢水所具有的优异的溶氢稳定性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。