一种小分子簇水制备装置论文和设计-李晖

全文摘要

本实用新型提供一种小分子簇水制备装置，包括气源、反应罐，氢气循环管路和压滤机，反应罐由密闭的罐体、设置在罐体内的搅拌桨以及驱动搅拌桨运动的电机组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀；气源通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。该制备装置解决了现有技术需要在较高的压力下工作、未考虑制备过程析出的不溶性杂质对小分子簇水水质的不利影响的问题，可在降低制备压力的同时实现氢气的循环利用，同时提高小分子簇水的品质，安全高效和低成本地制备小分子簇水。

主设计要求

1.一种小分子簇水制备装置，包括气源(1)、反应罐(2)，其特征在于，还包括氢气循环管路和压滤机(3)，反应罐(2)由密闭的罐体(2-1)、设置在罐体内的搅拌桨(4)以及驱动搅拌桨(4)运动的电机(5)组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀(6)；气源(1)通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机(3)连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。

设计方案

2.根据权利要求1所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，进气口和循环气进口位于罐体下部，在该小分子簇水制备装置工作时，进气口和循环气进口位于液面以下；循环气出口和安全阀位于罐体顶部，在该小分子簇水制备装置工作时，循环气出口和安全阀位于液面以上。

3.根据权利要求1所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，在进气管路、氢气循环管路以及出水管路上设有止回阀(7)。

4.根据权利要求1所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，搅拌桨(4)通过搅拌轴与设置在罐体顶部的电机(5)连接。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，搅拌桨(4)为涡轮式搅拌浆。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，在氢气循环管路和进气管路上分别设有气体流量计(8)。

7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，罐体(2-1)由下端封闭、上端开口的筒体以及筒体开口端设置的集气罩组成。

8.根据权利要求7所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，集气罩呈圆锥形。

9.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，罐体(2-1)内设有曝气件，曝气件由导气管(10)和曝气头(11)组成，导气管(10)与进气口连通，或者导气管与进气口和循环气进口连通。

10.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的小分子簇水制备装置，其特征在于，罐体(2-1)由玻璃制作，或者罐体(2-1)设有玻璃或陶瓷内衬。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及农业及医疗保健等行业的小分子簇水生产设备，具体涉及一种小分子簇水制备装置。

背景技术

在自然条件下，水是以分子簇的形式存在，在4～200℃范围内，水分子的配位数在4～4.9之间变化，表明大多数水是以五环水和六环水的形式存在的。水分子簇的尺寸大小与其物理性质有着直接的关系，分子簇小的水具有活性大、渗透力强、溶解度高、能量大、与细胞亲和性好等特性，改变水分子簇的大小可使水在生物体中的作用发生改变。水分子团簇结构由氢键相连，氢键为极性键，通过外加能量使氢键断裂可影响团簇结构的重排机理，实现团簇结构的改变，例如，通过外加磁场、电场、超声波和远红外等可改变水分子簇的大小。

氢气是自然界分子量最小、结构最简单的分子，其穿透性极强，容易穿透皮肤和黏膜进入细胞、细胞核和线粒体，极易被人体吸收利用。氢气具有抗氧化作用，可高效清除恶性自由基，维持细胞内外体液的内环境平衡，使其保持有效的免疫力和自我修复能力；而且可改善病症，改善过敏体质，起到良好的减肥效果；还可降低血黏度和血压，缓解糖尿病。

小分子簇水即富氢水，在医疗保健、农业以及工业中都有着重要的应用价值。在医疗保健领域，小分子簇水可用于脑干缺血帕金森病、乙肝、褥疮、皮肤病、血透以及腹透、肿瘤放疗副作用、糖尿病和代谢综合征、间质性膀胱炎以及类风湿关节炎等的辅助治疗。在农业领域，小分子簇水可缓解镉胁迫对水稻的抑制，采用小分子簇水处理可增强采后番茄果实的灰霉病抗性，采用小分子簇水浸种可增强黄瓜幼苗的耐冷性，小分子簇水还可缓解植物的抗盐胁迫、重金属胁迫、百草枯胁迫作用，同时对植物激素具有调节作用，可提高植物对环境胁迫的响应能力。本课题组的前期研究发现，采用小分子簇水处理烟叶后，可明显提升其抽吸品质。

现有小分子簇水的制备方法大体可分为两种。第一种是采用氢水棒(又称水素水棒)，基于镁和水反应产生小分子簇水。将氢水棒置于饮水机的装水容器中，在氢水棒的周围会产生氢气泡，进而得到小分子簇水，在密闭容器中的效果更好。该方法虽然方便，但成本高，不适合大规模生产应用，还会造成小分子簇水中镁离子超标的问题。第二种是通过电解水等方式获得纯净的氢气，将氢气泵入水中来制备小分子簇水。该方法操作简单，但氢气在水中的低溶解量和易散失性导致氢气利用率低，如需提高氢气利用率则需要加大压力，而增加操作压力又带来成本高和生产过程存在安全风险的问题。

CN109012352A公开了一种富氢水生产用一体化设备，利用增压的方式将氢气溶解在水中来制备富氢水。该设备的结构复杂，设置了多个增压泵和多级增压罐，采用加压的方式进行生产，对反应容器的耐压能力具有相对较高的要求，不利于设备成本和工艺控制成本的降低，同时，氢气易燃易爆，在大规模生产中采用该方法生产富氢水存在极大的安全隐患。此外，本课题组的前期研究发现，以自来水为水源制备富氢水，在制备过程中会析出不溶性杂质，不但影响富氢水的使用性能，而且长时间生产会造成反应器结垢，但现有技术均未关注到该问题并对其提出适当的解决办法。

基于上述技术现状，若能对现有小分子簇水的制备装置进行改进，在降低操作压力的条件下实现小分子簇水的生产，并实现生产过程中氢气的循环利用，提高氢气利用率，同时解决制备过程中析出的不溶性杂质影响小分子簇水使用性能的问题，对于降低小分子簇水的生产成本、提高生产过程的安全性和氢气利用率和提升小分子簇水的品质，促进小分子簇水在医疗、保健、农业以及工业中的推广应用具有重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种小分子簇水制备装置，以解决现有小分子簇水的制备装置需要在较高的压力下工作、未考虑制备过程析出的不溶性杂质对小分子簇水水质的不利影响的问题，以在降低制备压力的同时实现氢气的循环利用并提高小分子簇水的品质，安全高效、低成本地制备小分子簇水。

本申请的发明人通过研究发现，外加氢气对水分子簇的尺寸影响最大，制得的小分子簇水的水分子簇最小。在通过外加氢气制备小分子簇水的过程中，由于氢气在水中的低溶解量和易散失性，氢气的分散吸收率和利用率成为了这种制备方式的主要问题之一。本申请的发明人在研究过程中还发现，以自来水为水源制备小分子簇水时，存在着在制备过程中会析出不溶性杂质的问题，影响富氢水的使用性能。

本实用新型提供的小分子簇水制备装置，包括气源、反应罐、氢气循环管路和压滤机，反应罐由密闭的罐体、设置在罐体内的搅拌桨以及驱动搅拌桨运动的电机组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀；气源通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，进气口和循环气进口位于罐体下部，在该小分子簇水制备装置工作时，进气口和循环气进口位于液面以下；循环气出口和安全阀位于罐体顶部，在该小分子簇水制备装置工作时，循环气出口和安全阀位于液面以上。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，为了防止进气管路和氢气循环管路中的气体回流，以及防止出水管路中的液体回流，在进气管路、氢气循环管路以及出水管路上设有止回阀。止回阀最好设置在靠近罐体的相应管路上。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，搅拌桨通过搅拌轴与设置在罐体顶部的电机连接。本申请的发明人通过研究发现，不同类型搅拌器的选用对于氢气的分散吸收效率有很大影响，涡轮式搅拌浆能更有效地提升氢气在水中的分散吸收效率，提高氢气的利用率，因而搅拌桨优选为涡轮式搅拌浆。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，为了实现氢气流量的实时监控，在氢气循环管路和进气管路上分别设有气体流量计，对于氢气循环管路而言，气体流量计设置在氢气循环管路上的止回阀与罐体的循环气进口之间，对于进气管路而言，气体流量计设置在进气管路上的止回阀与罐体的进气口之间。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，罐体由下端封闭、上端开口的筒体以及筒体开口端设置的集气罩组成，集气罩的设计是为了更有效和方便地收集未溶解分散在水中的氢气，有利于氢气的循环利用，优选地，集气罩呈圆锥形。所述循环气出口设置在靠近集气罩顶部的位置，搅拌桨通过搅拌轴与设置在集气罩顶部的电机相连。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，为了提升氢气在水中的分散、提高氢气利用率，在罐体内设有曝气件，曝气件由导气管和曝气头组成，导气管与罐体的进气口连通，或者导气管与罐体的进气口和循环气进口连通。选用合适的曝气头，例如微孔曝气头，可将氢气以微米级的气泡形式分散在水中，这能有效促进氢气在水中的分散，提高氢气利用率。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，由于在小分子簇水的制备过程中会产生腐蚀性的物质，反应罐的罐体不宜采用不锈钢等容易被该腐蚀性物质腐蚀的材质制作，反应罐的罐体最好由玻璃制作，或者反应罐的罐体设有玻璃或陶瓷内衬。

进一步地，上述小分子簇水制备装置的技术方案中，所述气源为氢气储罐，例如氢气钢瓶，所述气源也可以采取氢气发生器。

采用本实用新型所述小分子簇水制备装置制备小分子簇水的方法如下：

通过进水口向罐体中加入自来水，自来水的加入量为罐体体积的3\/5～3\/4，自来水加入完毕后，关闭进水口的阀门，打开气源向罐体内的自来水中通入氢气，控制气源的气体流量使得自来水中有连续的气泡产生，开启电机驱动搅拌桨搅拌，对于设置了曝气件的制备装置，在搅拌的同时可以曝气，反应4～6h，即得到小分子簇水，打开出水管路上的止回阀，将小分子簇水通入压滤机中过滤除去制备过程中生成的不溶性杂质，收集压滤机的出水口的出水，即得到不含不溶性杂质的成品小分子簇水。制备小分子簇水的过程中，不溶解的氢气会聚集在罐体的液面上方，当聚集量达到一定程度时，氢气循环管路上的止回阀会打开，实现氢气的循环利用。

^{17<\/sup>O-NMR检测表明，采用本实用新型提供的制备装置制备的小分子簇水的^{17<\/sup>O-NMR谱图半峰宽明显小于自来水，证实了制备得到的富氢水是小分子簇水。ICP检测结果表明，采用本实用新型提供的制备装置制备的小分子簇水中的钙离子含量明显降低。}}

与现有技术相比，本实用新型的技术方案产生了以下有益的技术效果：

1.本实用新型提供的小分子簇水制备装置，设计了氢气循环管路，配合搅拌桨及曝气组件的选用，有效提高了氢气的利用率，同时实现了低压操作制备小分子簇水，低压操作对反应罐的耐压能力要求低，也无需使用增加泵、增压罐等装置或部件，可有效降低小分子簇水的生产成本，同时也避免了压力操作带来的安全隐患。

2.本实用新型提供的小分子簇水制备装置，在设计时充分考虑到了小分子簇水生产过程中会产生不溶性杂质影响小分子簇水的使用性能的问题，设置了压滤机，采用压滤机过滤除去制备过程中产生的杂质沉淀，获得纯度和品质更高的小分子簇水，有利于小分子簇水在农业、医疗、保健及工业等领域更好地应用。

3.本实用新型提供的小分子簇水制备装置的结构简单，利用其生产小分子簇水的操作方便、安全性高，并且成本低廉，这些特点都有利于该制备装置的推广应用。

附图说明

图1是本实用新型提供的小分子簇水制备装置的一种结构示意图。

图2是本实用新型提供的小分子簇水制备装置的另一种结构示意图。

图中，1—气源、2—反应罐、2-1—罐体、3—压滤机、4—搅拌桨、5—电机、6—安全阀、7—止回阀、8—气体流量计、9—控制阀、10—导气管、11—曝气头。

图3为采用实施例1的装置制备的小分子簇水和自来水^{17<\/sup>O-NMR结果的局部放大图(纵坐标经归一化处理)。}

具体实施方式

以下通过实施例对本实用新型提供的小分子簇水制备装置作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本实用新型作进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述实用新型内容，对本实用新型做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于实用新型保护的范围。

实施例1

本实施例中，小分子簇水制备装置的结构示意图如图1所示，小分子簇水制备装置由气源1、反应罐2、气循环管路和压滤机3组成，反应罐2由密闭的罐体2-1、设置在罐体内的搅拌桨4以及驱动搅拌桨转动的电机5组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀6；气源1通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机3连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。

所述反应罐由罐体和支撑罐体的支撑脚组成，罐体由下端封闭、上端开口的设有陶瓷内衬的筒体，以及筒体开口端设置的密封盖组成，密封盖与筒体之间密封连接。进气口和循环气进口位于筒体下部，在该小分子簇水制备装置工作时，进气口和循环气进口位于液面以下；循环气出口和安全阀设置在密封盖上，在该小分子簇水制备装置工作时，循环气出口和安全阀位于液面以上。搅拌桨为涡轮式搅拌浆，通过搅拌轴与设置在罐密封盖上(罐体外部)的电机连接。进气管路、氢气循环管路以及出水管路上设有止回阀7，止回阀设置在靠近罐体的位置，氢气循环管路和进气管路上分别设有气体流量计8，对于氢气循环管路而言，气体流量计设置在氢气循环管路上的止回阀与罐体的循环气进口之间，对于进气管路而言，气体流量计设置在进气管路上的止回阀与罐体的进气口之间。罐体的进水口上连接进水管，进水管上设有控制进水的控制阀9。

实施例2

本实施例中，小分子簇水制备装置由气源1、反应罐2、气循环管路和压滤机3组成，反应罐2由密闭的罐体2-1、设置在罐体内的搅拌桨4以及驱动搅拌桨转动的电机5组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀6；气源1通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机3连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。

所述反应罐由罐体和支撑罐体的支撑脚组成，罐体由下端封闭、上端开口的设有陶瓷内衬的筒体，以及筒体开口端设置的圆锥形集气罩组成，集气罩与筒体之间密封连接。进气口和循环气进口位于筒体下部，在该小分子簇水制备装置工作时，进气口和循环气进口位于液面以下；安全阀位于集气罩上，循环气出口设置在靠近集气罩顶部的位置，在该小分子簇水制备装置工作时，循环气出口和安全阀位于液面以上。搅拌桨为涡轮式搅拌浆，搅拌桨通过搅拌轴与设置在集气罩顶部(罐体外部)的电机连接。进气管路、氢气循环管路以及出水管路上设有止回阀7，止回阀设置在靠近罐体的位置，氢气循环管路和进气管路上分别设有气体流量计8，对于氢气循环管路而言，气体流量计设置在氢气循环管路上的止回阀与罐体的循环气进口之间，对于进气管路而言，气体流量计设置在进气管路上的止回阀与罐体的进气口之间。罐体的进水口上连接进水管，进水管上设有控制进水的控制阀9。

实施例3

本实施例中，小分子簇水制备装置的结构示意图如图2所示，小分子簇水制备装置由气源1、反应罐2、气循环管路、压滤机3和位于反应罐内部的曝气件组成，反应罐2由密闭的罐体2-1、设置在罐体内的搅拌桨4以及驱动搅拌桨转动的电机5组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀6；曝气件由导气管10和曝气头11组成，导气管10位于罐体内并与罐体的进气口连通，曝气头11安装在曝气管上；气源1通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机3连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。

所述反应罐由罐体和支撑罐体的支撑脚组成，罐体由玻璃制作，罐体由下端封闭、上端开口的筒体，以及筒体开口端设置的密封盖组成，密封盖与筒体之间密封连接。进气口和循环气进口位于筒体下部，在该小分子簇水制备装置工作时，进气口和循环气进口位于液面以下；循环气出口和安全阀设置在罐体密封盖上，在该小分子簇水制备装置工作时，循环气出口和安全阀位于液面以上。搅拌桨为涡轮式搅拌浆，通过搅拌轴与设置在密封盖上(罐体外部)的电机连接。进气管路、氢气循环管路以及出水管路上设有止回阀7，止回阀设置在靠近罐体的位置，氢气循环管路和进气管路上分别设有气体流量计8，对于氢气循环管路而言，气体流量计设置在氢气循环管路上的止回阀与罐体的循环气进口之间，对于进气管路而言，气体流量计设置在进气管路上的止回阀与罐体的进气口之间。罐体的进水口上连接进水管，进水管上设有控制进水的控制阀9。所述曝气头为微孔曝气头。

实施例4

本实施例中，小分子簇水制备装置由气源1、反应罐2、气循环管路、压滤机3和和位于反应罐内部的曝气件组成，反应罐2由密闭的罐体2-1、设置在罐体内的搅拌桨4以及驱动搅拌桨转动的电机5组成，罐体上设有进水口、出水口、进气口、循环气出口、循环气进口和安全阀6；曝气件由导气管10和曝气头11组成，导气管10位于罐体内并与罐体的进气口连通，曝气头11安装在曝气管上；气源1通过进气管路与进气口连通，出水口通过出水管路与压滤机3连通，循环气出口通过氢气循环管路与循环气进口连通用于实现氢气的循环利用。

应用例1

采用实施例1中的小分子簇水制备装置制备小分子簇水，方法如下：

通过进水口向罐体中加入自来水，自来水的加入量为罐体体积的3\/4，自来水加入完毕后，关闭进水口上的进水管的控制阀，打开气源向罐体内的自来水中通入氢气，控制气源的气体流量使得自来水中有连续的气泡产生，开启电机驱动搅拌桨搅拌，反应5h，即得到小分子簇水，将小分子簇水通入压滤机中过滤除去制备过程中生成的不溶性杂质，收集压滤机的出水口的出水，即得到不含不溶性杂质的成品小分子簇水。

对本应用例制备的成品小分子簇水和本应用例采用的自来水进行^{17<\/sup>O-NMR检测，结果如表1和图3所示。由表1和图3可知，采用本实用新型提供的制备装置制备的小分子簇水的^{17<\/sup>O-NMR谱图半峰宽明显小于自来水，证实了制备得到的是小分子簇水。}}

表1.^{17<\/sup>O-NMR结果对比}

对本应用例制备的成品小分子簇水和本应用例采用的自来水进行ICP检测，结果如表2所示。由表2可知，采用本实用新型提供的制备装置制备的小分子簇水中的钙离子含量明显降低，说明本实用新型装置可获得纯度和品质更高的小分子簇水，有利于小分子簇水在农业、医疗、保健及工业等领域实现更好地应用。

表2.六种金属元素ICP定量结果(mg\/L)对比

设计图

一种小分子簇水制备装置论文和设计

一种小分子簇水制备装置论文和设计-李晖

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