本发明涉及负电位水的生产制备领域，具体涉及一种自动生产和制备负电位水的装置及方法。
背景技术
近年来，世界范围的环境及饮水污染对人体健康所带来的影响，通过各种媒体宣传及人们的切身体验，已经逐渐被人们所认识，饮水的安全和健康已经成为一种社会问题而日益受到关注。人们希望饮用一种去毒除害、保留有益成分、恢复水的自然品质的健康的饮用水。
对于富氢水的研究始于2007年在《自然医学》杂志发表的一篇关于氢气生物学的论文。富氢水又称为水素水，水素水（hydrogenwater）来源于日语，因日语中“水素”的意思是“氢”。氢气并非不能溶解于水，而只是氢气在水中溶解度比较低，按照摩尔浓度计算，20℃时水溶解101.325kpa纯氢气的浓度为0.92mmol/l，因此如何提升并保持饱和氢水的浓度及储存稳定性是将氢应用于医学的难题。
众所周知，人体是由细胞组成的，而疾病最终都可以归结为细胞受损，人的衰老也是由于细胞老化或坏死所造成的。造成细胞病态或者老化的主要元凶就是体内产生的过剩氧自由基，人体无法通过正常的过程来代谢掉过剩氧自由基。而氧自由基的产生原因在于，氧气通过人的呼吸进入到体内，经血液中的红血球运输到各个细胞中，为了让其在各细胞内产生能量，糖分和脂肪就会燃烧、消耗，此时氧气也会发生燃烧，其中有2%会变成氧自由基。另外，因为食品添加剂、含氯气的饮水等原因，人体肠内微生物菌群失调引起肠胃内异常发酵，此时，自由基也会大量产生。其他产生自由基的因素还有，在激烈运动后，吸烟，饮酒，精神压力大时，接触到细菌、病毒、大气污染、放射线、紫外线、抗癌剂、染料、电磁辐射等等，上述原因都会造成人体内产生大量自由基。正常情况下，健康的人可以代谢掉部分自由基，而不至于对人体产生危害。
氢气本身是一种无色、无味、无毒和无嗅的气体。氢气作为一种抗氧化剂，在生物、物理和化学方面具有许多优点。首先，氢具有极强的生物安全性，至今未发现氢气存在任何毒性效应。其次，氢具有强大的扩散性，能快速进入体内，而且可以非常顺利地到达细胞的任何部位，任何生物学屏障结构都不会干扰氢气的自由扩散，同时氢也可以快速离开身体，不会在体内长时间停留，避免了可能存在的隐患，这是许多化学药物所不具备的。氢这种快速强大的扩散性使其能快速进入细胞核或线粒体中保护dna免受自由基破坏(ohsawa等人，2007)，甚至能进入各种生物大分子如dna、蛋白质、脂肪结构内部，以及细胞膜、染色体、细胞外结构等所有区域。而氢元素在生物体中能够呈现出的诸多特点，主要是其具有强大的穿透性，使其可以非常容易的进入细胞内如细胞核和线粒体等任何部位，这一点奠定氢可以用于治疗疾病的理论基础。氢的主要功效为还原，又称抗氧化，其选择性地中和羟基自由基、亚硝酸阴离子等，氢与氧自由基结合，可生成水。由此可见，富氢水或水素水即为一种氢还原水，即一种让水中含有强还原力的氢，可通过其还原的能力来清除体内过剩氧自由基的饮用水。由于氢气的独特性质，其在氢分子医学研究领域的发展具有广阔前景，而富氢水有益身体健康的原因在于氢分子的抗氧化、抗炎症、抗细胞凋亡的三抗原理，其核心量化指标就是水中的负电位值，因此富氢水也被称为负电位水。急性运动和力竭运动都可以导致内源性自由基增多，脂质过氧化反应增强，构成对细胞膜系统的损害。自由基和脂质过氧化损伤与运动性疲劳的发生密切相关。目前比较一致的观点认为氢气具有选择性抗氧化作用，对于对生物体有害的氧自由基，氢气能主动性选择与其结合生成水。富氢水对运动引起的脂质过氧化也有抑制作用，李爱春等的研究表明，氢水能降低骨骼肌onoo-、过氧化脂质类与oh-等的代谢水平，提高骨骼肌抗氧化酶活性，增强骨骼肌的总抗氧化能力，改善力竭运动大鼠骨骼肌蛋白质氧化损伤、脂质过氧化损伤及dna损伤，对骨骼肌运动性氧化应激损伤具有保护作用。
由于氢气在通常情况下难溶于水，所以常规制备氢水或负电位水的方法主要是采用将氢加压、超声、高剪切分散等方法促进氢在水中溶解，然后罐装出品。随着储存期的延长，氢逐渐从水中逸出，从而到饮用时氢气含量较低，人从中获得的氢气也微乎其微。目前常用电解水机、富氢水机或富氢水杯来生产负电位水，制备过程基本没有压力，或者仅有较低的压力，氢的溶解度较小，远达不到氢的饱和浓度。另外，带包装的负电位功能水都是制备时充入常压氢气；随着储存时间的延长，氢气逐渐逸出导致水中氢气浓度、含量下降。若存储时加入过量的氢势必会在容器内积聚，由于氢气是高度易燃易爆的气体，所以这样做会带来严重的安全隐患。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、操作方便、运行效率高、制备方法简单可靠的生产负电位水的装置，以及一种利用上述生产负电位水的装置生产负电位水的方法，用于弥补现有技术中的缺陷。本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于生产负电位水的装置，该装置包括氢气发生及提纯设备、气液混溶设备；所述氢气发生及提纯设备与气液混溶设备通过管相连接。将所述氢气发生及提纯设备产生的氢气输入至气液混溶设备，由气液混溶设备通过气液混溶生产出负电位水。
所述氢气发生及提纯设备包括去离子水箱、质子交换膜电解槽单元、水分离器、压力装置、变压吸附装置；其中，变压吸附装置包括第一吸附柱、第二吸附柱；去离子水箱与质子交换膜电解槽单元、质子交换膜电解槽单元与水分离器、去离子水箱与水分离器、水分离器与压力装置、压力装置与变压吸附装置之间通过管相连接。
气液混溶设备为桶状体，其中包括反应釜、溶解度提升装置，所述桶状体的顶部设置有第一密闭阀门及第二密闭阀门，所述第一密闭阀门为进水口，所述第二密闭阀门为出水口，所述桶状体的底部设置有进气阀门，所述进气阀门内设置有气门芯，所述进气阀门为进气口，所述第一密闭阀门、所述第二密闭阀门及进气阀门皆设置有阀门开关，即第一密闭阀门开关、第二密闭阀门开关及进气阀门开关。
一种利用上述自动生产负电位水的装置生产负电位水的方法，其方法如下：
第一步，生产氢气，利用水电解制氢；
第二步，对生产出的氢气进行提纯处理，在质子交换膜处电解产生氢气之后，采用变压吸附技术进行氢气提纯；
第三步，利用高频高压进行物理的气液混溶；通过专用的溶解度提升装置提高氢气在水中的溶解度，制备负电位为-500以上的功能水；在装满水的反应釜中连续通入氢气并加压混溶，同时进行高频处理。
最后将含氢水采用铝质合金材料包装进行常温保存。
本发明中，通过电极电解水制备氢气，通过电解得到高纯度的氢气，接着将制得的高纯度氢气脱离电极后通过管道加压输送至气液混溶设备，氢气进入气液混溶设备的内腔即反应釜中与水混溶。
氢气在气液混溶设备的气液室内腔即反应釜内与水接触，气液混溶设备可控制在不同通气压强（如0.1、0.2、0.3、0.4mpa）下保持反应釜内的压力，并且气液混溶设备控制不同的通气时间（如0.5、1、2、4、8小时）和不同的抽真空时间（如0、5、10、30、60分钟），从而使得水和氢气充分接触而达到扩散溶解平衡，制备出不同浓度的负电位水。多余的氢气从反应釜顶端流出，将饱和溶解氢气的负电位饮用水的反应釜底流出并进行灌装，得到可饮用的负电位水。
本发明中氢气的生产及制备稳定性高，且属于可再生技术，装置无需高压或相关联的高电流，安全可靠，能够产生连续氢气流，不会产生压力波动或脉冲效应，对于设备的维护需求仅限于消电离器盒的更换，而无需更换干燥剂或危险的腐蚀剂。该方法与其他氢气提纯方法相比，能耗较低，运行成本较低。而本发明使用的变压吸附工艺无需在高温和高电解电流条件下工作，并且维护成本较低，变压吸附系统无需停机程序并且系统可在2-3小时内达到较高的纯度。
本发明具有如下的积极效果：本发明装置结构简单，操作方便，利用高压将氢气与水混合，产品负电位水中的氢气含量极高，设备运行效率高，实现自动化制备负电位水，解决了氢气与水难融合的技术难题，并且整体设备成本低，易于实现；同时，本发明所述的制备方法简单易行，运行可靠，全自动化生产负电位水，易于操作，可用于连续制备高浓度负电位水，具有很好的社会和经济效益。
本发明可以集制备、储存一体化技术来制备过程得到饱和氢的水，经罐装后可以至少维持12月后氢浓度不低于1ppm。在负电位水的制备过程中，采用高压氢来和纯水混溶，更快的提升氢水的浓度，提升产量和产率。本发明在常温、常压下得到的负电位水氢气的浓度可以达到1.6ppm，达到了工业化生产和商业化运作的要求。制得的负电位水可以进行分装，如采用罐装、瓶装、袋装等形式进行分装，在进行长期储存后，例如在经过12个月存储后，负电位水中氢气的浓度仍可保持在1ppm。本发明集氢气的生产和负电位水的生产为一体，减少了氢气的运输储存过程带来的高危风险。
附图说明
图1为本发明中用于生产负电位水的装置的示意图。
图2为本发明中氢气发生及提纯设备的结构示意图。
图3为本发明中反应釜的结构示意图。
具体实施方式
参见图1所示，一种用于生产负电位水的装置1，该装置包括氢气发生及提纯设备11、气液混溶设备12。所述氢气发生及提纯设备11与气液混溶设备12通过管相连接。将所述氢气发生及提纯设备11产生的氢气输入至气液混溶设备12，由气液混溶设备12通过气液混溶生产出负电位水。
所述连接所述氢气发生及提纯设备11与气液混溶设备12的管的管道材料可为不锈钢、塑料。
参见图2所示，所述氢气发生及提纯设备11包括去离子水箱21、质子交换膜电解槽单元22、水分离器23、压力装置24、变压吸附装置25；其中，变压吸附装置包括第一吸附柱251、第二吸附柱252。去离子水箱21与质子交换膜电解槽单元22之间、质子交换膜电解槽单元22与水分离器23之间、去离子水箱21与水分离器23之间、水分离器23与压力装置24之间、压力装置24与变压吸附装置25之间通过管相连接。
外部水源通过水管将水输送至去离子水箱21，去离子水箱21采用离子交换方法，把水中呈离子态的阳、阴离子去除，用于生产去离子水；生成的去离子水被输送至质子交换膜电解槽单元22。
所述质子交换膜(protonexchangemembrane，简称pem)电解槽单元22接入直流电源，利用水电解生成氢气；电解生成的氢气被输送至水分离器，生成的氢气中带有水分，为潮湿的氢气；质子交换膜电解槽单元22可以将其中的水返回输送至去离子水箱21中；所述直流电源的输出电流为40安培。而电解槽单元22的阳极侧产生的氧经管道输送至排空管，当氧达到指定量时，排气阀门打开对氧进行排放（图中未示出）。
水分离器23分离电解生成的潮湿氢气，可将潮湿氢气分离出的水返回输送至去离子水箱21中；经过水分离器23初步分离出的氢气通过管被输送至压力装置24；压力装置24用于将氢气增压输出至变压吸附设备25。
变压吸附设备25输出干燥程度极高的氢气作为生产和制备负电位水的气体源；变压吸附设备25输出的干燥氢气通过气液混溶设备12的进气阀门接入气液混溶设备12的进气口。
所述氢气发生及提纯设备11设置有进水阀门111及出气阀门112，所述进水阀门111为进水口，所述出气阀门112为出气口，所述出气阀门112内设置有气门芯；所述进水阀门111及出气阀门112皆设置有阀门开关，即分别为进水阀门开关、出气阀门开关（图中未示出）。
所述气液混溶设备12为桶状体，所述桶状体的顶部设置有第一密闭阀门123及第二密闭阀门124，所述第一密闭阀门123为进水口，所述第二密闭阀门124为出水口，所述桶状体的底部设置有进气阀门125，所述进气阀门125内设置有气门芯，所述进气阀门125为进气口，所述第一密闭阀门123、所述第二密闭阀门124及进气阀门125皆设置有阀门开关，即分别为第一密闭阀门开关、第二密闭阀门开关及进气阀门开关（图中未示出）。
气液混溶设备12由外部输入水，在气液混溶设备中包括反应釜121、溶解度提升装置122，反应釜121用于装载水并在其中进行混溶处理，溶解度提升装置122采用中科院专用设备，用于提升氢气在水中的溶解度。所述反应釜121采用耐压外壳，所述耐压外壳的材料可以是塑料、金属。
参见图3所示的反应釜121，包括充气口31、充水及出水口32，所述反应釜121内部通过膜层分割为气室33和水室34，所述气室33包裹在水室34的外侧，即气包液方式；或者所述水室34包裹在所述气室33的外侧，即液包气方式。氢气透过膜层进入水的界面，扩散溶解。所述反应釜的充水及出水口32与所述气液混溶设备12的第一密闭阀门123及第二密闭阀门124连接；所述反应釜的充气口31与所述气液混溶设备12的进气阀门125连接。
反应釜121的外形为球形或圆柱形，内部采用气包液或者液包气以便于氢气和纯水的接触，通过所述气液混溶设备12调整混溶参数如混溶时间、氢气压力等来调整混溶状态，从而制得不同饱和浓度的负电位水。
所述反应釜121可为立式结构，即所述反应釜121的上下两侧分别设置进气口和充水口；所述反应釜121也可为卧式结构，即进气口和充水口分别设置在所述反应釜121的水平两侧。
氢气在气液混溶设备12的气液室内腔即反应釜121内与水接触，气液混溶设备12可控制、调节在不同通气压强下保持反应釜121内的压力，并且气液混溶设备12可控制、调节反应釜内的不同通气时间和不同的抽真空时间，从而使得水和氢气充分接触而达到扩散溶解平衡，制备出相应浓度的负电位水。所述通气压强可以设置为0.1、0.2、0.3、0.4mpa；所述通气时间可以设置为0.5、1、2、4、8小时；所述抽真空时间可以设置为0、5、10、30、60分钟。多余的氢气从反应釜顶端流出，饱和溶解氢气的负电位水由反应釜底流出并进行灌装，得到可饮用的负电位水。
一种利用上述生产负电位水的装置生产负电位水的方法，其方法如下：
第一步，生产氢气，而电解水制氢是目前世界范围内应用较广且比较成熟的方法之一。用水作为原料，制氢过程则是氢与氧燃烧生成水的逆过程,因此只要提供一定形式及一定能量,则可使水分解，提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75-85％，其工艺过程非常简单,并且全过程无污染。
用于氢气发生的质子交换膜(protonexchangemembrane，简称pem)像反向操作燃料电池一样高效工作。水在质子交换膜处电解，pem为促进h+离子运动的固体聚合物电解质，而o2-离子会被固定并形成o2分子。氢离子由pem晶格借助表面扩散、格罗图斯扩散和运载扩散三种机理沿离子通道传递。质子传递通过跨膜质子传递完成，该薄膜能够渗透阳离子，但不能渗透阴离子或电子并且只能传递水合氢离子。
第二步，对生产出的氢气进行提纯处理。从水中分离出氢气后，然后对氢气进行提纯。氢气提纯技术采用物理或化学的方法除去氢气中的杂质。在本发明中，在质子交换膜处电解产生氢气之后，采用变压吸附（pressureswingadsorption，简称psa）技术进行氢气提纯，或称为四塔二均工艺。
吸附工艺是化工生产中对流体混合物进行分离的一种方式，是利用混合物中各组分在多孔性固体吸附剂中被吸附力的不同，使其中的一种或数种组分被吸附于吸附剂表面上，从而达到分离的目的。根据吸附剂表面和被吸附物质之间作用力的不同，可分为物理吸附和化学吸附两种类型。任何一种吸附对于同一被吸附气体吸附质来说，在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量越大。反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。因此，气体的吸附分离方法，通常采用变温吸附或变压吸附两种循环过程。
变压吸附（psa）是对气体混合物进行提纯的工艺过程，该工艺是以多孔性固体物质或称吸附剂的内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两种压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程，它是根据混合气体中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又具有较小的吸附能力，而理想的组分氢气则无论是高压或是低压都具有较小的吸附能力的原理实施的。在高压下，增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上，从而达到高的产品纯度。吸附剂的解吸或再生在低压下进行，尽量减少吸附剂上杂质的残余量，以便于在下一个周期循环中再次吸附杂质。
本发明的变压吸附工艺过程中，改变通过两个充满珠状吸附材料的柱251、252的氢气流量，其中的珠状吸附材料为分子筛，允许较小的氢分子通过，同时保留较大的水分子。氢气在通过第一吸附柱251时进行提纯，少量干燥气体沿第二吸附柱252进行传递，并排出借助吸附材料吸附保留的水分。第一吸附柱251达到最佳吸附时，过程反转，此时第二吸附柱252接替第一吸附柱251进行氢气提纯，第一吸附柱251进行再生。两个吸附柱251、252在氢气提纯和再生之间相互转换，使系统能够连续产生经过提纯的氢气，其压力波动和脉动效应可以忽略。当吸附剂丧失吸附能力时，吸附材料可以被强制地再生。该过程会在柱中再生相应的吸附材料，而无需更换吸附材料。少量的产品氢气冲走废物后，吸附柱接着为下一周期进行准备。每个周期完成后，系统会完全再生，因此无需更换材料。利用该方法生产的氢气干燥程度和纯度极高，水分含量仅为1ppm。
第三步，利用高频高压进行物理的气液混溶。通过中科院专用的溶解度提升装置提高氢气在水中的溶解度，制备负电位为-500以上的功能水。在装满水的反应釜中加氢气加压连续通入水中混溶，并进行高频处理，高频频率为13万赫兹，处理时间为24小时；最后将含氢水在铝质合金材料包装常温保存。
氢气在气液混溶设备12的气液室内腔即反应釜121内与水接触，气液混溶设备12可控制、调节在不同通气压强下保持反应釜121内的压力，并且气液混溶设备12控制、调节反应釜内不同通气时间和不同的抽真空时间，从而使得水和氢气充分接触而达到扩散溶解平衡，制备出相应浓度的负电位水。所述通气压强可以设置为0.1、0.2、0.3、0.4mpa；所述通气时间可以设置为0.5、1、2、4、8小时；所述抽真空时间可以设置为0、5、10、30、60分钟。多余的氢气从反应釜顶端流出，饱和溶解氢气的负电位水由反应釜底流出并进行灌装，得到可饮用的负电位水。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。