摩擦管制备氢纳米泡水技术

本文主要参考文献是预印本，尚未经过同行评议。

纳米气泡制造的经典方法包括，高压溶解析出、机械混合、膜法扩散、湍流管混合、高压射流技术、超声破碎技术，具体使用可以把这些方法结合起来。

本文核心内容就是介绍了一种纳米气泡制造方法，采用泵进行初步气液混合，结合纳米气泡管，就是把管变成非常多细管路，配合不同的布线，获得更好的混合效果。技术不够高端，但可作为技术参考。

一、研究背景

氢气是最轻的气体，溶解度低，扩散性强。从理论上讲，氢气的溶解度为 1 个大气压，0°C 时为 1.9 ppm，10°C 时为 1.75 ppm，20°C 时为 1.6 ppm。 含有大量溶解氢分子在这种分子状态下被称为富氢水。

在农业、医药、工业等领域广泛开展了利用氢气和富氢水的研究。特别是在日本和韩国，已经发表的研究论文和产品表明，饮用富氢水可以减少活性氧化剂，抑制细胞衰老，并减少氧化应激引起的炎症反应。

根据一项研究，当向实验小鼠施用富氢水时，证明可以抑制血管老化和缓解心血管疾病，并抑制氧化应激和肾纤维化。此外，临床试验结果表明，富氢水可减少健康成年人的炎症反应并防止外周血细胞死亡。此外，美国食品和药物管理局（FDA）最近承认，在水或饮料中使用氢气作为食品添加剂通常是安全的。

上述论文声称，饮用富氢水对去除活性氧化剂以及治疗特应性皮炎等皮肤病具有预防衰老和滋润皮肤的有益作用。然而，韩国食品药品安全部表示，富氢水的功效临床和学术证据不足，已发现对疾病没有抗氧化作用或治疗益处。他们检查了在韩国分销和销售的富氢水产品袋中的溶解氢量，发现“没有达到1.6 ppm的标示量，其中大多数低于1 ppm。尽管如此，在医学和生活方式健康领域对氢和富氢水的研究仍在继续，论文在海外不断发表。

众所周知，在清洗过程中使用超纯水和氢气混合产生的富氢水（2ppm）去除半导体领域晶圆表面的化学和物理残留物，在单个旋转处理器清洗设备中产生出色的清洗效果，逐个处理晶圆。据观察，富氢水发生器在保持压力时产生 2.0 ppm 的浓度，但当压力被移除时，发现它的平均半衰期为 20 分钟。

富氢水的生产一般涉及电解法、棒式、注气法等技术的使用。电解过程涉及通过电分解将水分离成氢气和氧气。在这种情况下，生成的氢气溶解在水中以产生富氢水。棒状法涉及将镁 （Mg） 棒浸入水中，使镁溶解并释放氢气，从而产生富氢水。气体注入法，也称为鼓气法，涉及通过空气扩散器以特定压力和流速将氢气引入水中，以生成富氢水。

通常用于工业用途的富氢水，主要通过电解过程生产。这些研究使用不倒翁式装置少量生产的富氢水对实验室小鼠进行实验和临床试验，或从富氢水工厂以袋装形式出售和分发给公众。

使用电解方法时，由于电极使用引起的腐蚀问题，至少需要 5 到 10 分钟才能产生浓度超过 1 ppm 的富氢水。棒状方法与使用镁棒引起的污染问题有关，并且溶解度比较低（0.3-0.5 ppm）。此外，富氢水生产的持续时间在 2 小时后最多可减少 10%。由于主设备的配置和空气扩散器的定期清洁，气体注入方法可能会产生成本。每种方法都有其需要改进的领域，无论采用哪种方法，生产少量富氢水都需要时间。此外，无法实时大量生产高浓度富氢水。

研究目的：本研究探讨了用氢气浓度超过理论溶解度极限1.9ppm，由纳米鼓泡低溶解度氢气组成。我们还研究了提高溶解氢浓度的方法。此外，还观察了氢纳米泡水的浓度、pH值和溶解氧（DO）随时间的变化。

二、研究方法与研究结果

1. 利用纳米气泡生成富氢水

1.1 实验准备

在这项研究中，纳米气泡的产生是通过利用先前论文“基于摩擦管的高浓度纳米气泡的产生”中描述的纳米管来实现的 - https://arxiv.org/abs/2310.16151.

本文解释了（1）摩擦积分（比例因子）和（2）有效摩擦常数的概念。

摩擦积分 =截面内周长/流道的横断面面积-------------------------  (1)

有效摩擦常数 = 摩擦积分 * 纳米管长度 （m）-------------- （2）

表1 符合纳米管横截面的摩擦积分

1.2 样品制备

利用自来水进行实验，生成氢纳米气泡水样。这项研究使用了自来水，因为它在供水系统中的净化方法、化学成分和过滤设施方面在世界范围内广泛标准化。此外，自来水经过消毒和灭菌，确保质量稳定和方便使用。

1.3 测量仪器（pH/DO/氢气计）及其使用方法

为了测量pH浓度，使用了pH计型号pH Testr30（OAKTON Instruments）。将测量仪器的入口浸入自来水中，以验证以数字方式显示的浓度值。为确保pH测量的可靠性，在未对仪器设置进行任何更改的情况下进行测量。

为了测量溶氧，使用了型号HI9147（HANNA Instruments）的溶氧仪。测量过程包括将通过仪器的样品收集到一个 2 升的玻璃瓶中，并将测量设备的入口放入自来水中以验证以数字方式显示的值。为了提高分析结果的可靠性，在未对仪器设置进行任何更改的情况下进行了测量。

此外，还采用了日本Miz株式会社的溶解氢浓度测定试剂来测量反应样品中溶解氢的浓度。

将通过仪器一次后收集的样品放入 1 L 烧杯中。一分钟后，在此期间，所有微气泡被完全去除，测量第一个氢气浓度。通过仪器的样品完全收集在20L塑料容器（W250mm * V 250mm * H340mm）中，并用盖子密封。容器保持密封，仅在测量过程中打开以收集样品，不施加任何压力。

将测量过程中收集的样品放入测量容器中，直至黄线（6ml）。将一滴（0.04ml）亚甲蓝溶液加入测量容器中并轻轻摇动。当溶液中存在氢气时，掉落的蓝色试剂会变成透明的。如果溶液在滴下 9 滴后变成蓝色，则表明直到之前还存在氢气，导致氢气浓度为 0.8 ppm。（一滴试剂 = 0.1 ppm）。

在测量过程中，自然自由落体掉落的测试溶液液滴的大小和测试容器的角度可能会有所不同。因此，为了提高分析结果的可靠性，对于四种不同浓度的富氢水，三个人中的每一个人都观察了导致样品中蓝色变化的试剂滴数，但没有提供确切的滴数。结果，获得了均匀数量的液滴。这证实了液滴的自然下落和试剂容器的角度不会影响最终的液滴数。

测试试剂的使用说明书指出，“由于氢气和亚甲蓝之间的反应中存在氧气干扰，因此应在最终液滴计数中再添加两滴以进行计算。（Miz company Limited-Japan）。然而，由于氢纳米气泡形成过程中的脱气作用，它没有包含在实验结果中，只是简单地表示了滴数。此外，没有进行任意添加试剂溶液或稀释样品。

在本实验中，由于测量氢纳米气泡水时值波动很大，并且即使在同一样品中测量也不一致，因此未使用数字氢气计和ORP计。

各种型号的纳米气泡管

（从文章介绍看，就是使用水泵进行初步气液混合，然后使用一种摩擦管进一步分散气泡，以实现气泡纳米化的技术。）

2. 氢纳米气泡水的产生 – A 型

2.1 系统配置

纳米气泡发生器的主要部件可分为样品罐、泵和纳米管，规格和详细配置如下所述。

图 1 显示将水填充到 SUS 304（不锈钢）制成的样品罐中。为了提高流量，准备了威乐泵业有限公司生产的PW-S354M型供水泵。该泵的额定功率为350W，流量为26L/min，额定电压为220V，频率为60Hz。泵的入口使用软管连接到样品罐的出口。泵出口与摩擦积分为1.4、有效摩擦常数为7.0、外径为Ø25、长度为5m的纳米管相连。纳米管的另一端连接到另一个由SUS 304材料制成的样品槽。注入0.5 LPM氢气时，纳米管前部的水压为2.0 bar。结果发现，该系统配置产生的富氢水耗电量为350Wh，生产率为33吨/天。

在检查自来水的pH值、温度和溶解氧后，在样品生成过程中，使用制备系统泵1入口处的炸弹确认氢气的压力和注入量。

2.2 实验结果与讨论

制备的100 L自来水的pH值、温度和溶解氧水平分别为7.23、10.6°C和10.7。当实验空间内温度为10.9 ± 0.4°C，注氢压力为3.0 bar，流速为0.5 LPM时，系统启动。

通过系统一次后，将收集的样品加入 10 滴试剂，使溶液转变为蓝色。一次通过后检测到 0.9ppm 的氢浓度。1小时后，测得浓度为0.5ppm。5小时后，降至0.4ppm。一天后，浓度保持在0.4ppm。2天后，进一步降至0.3ppm。最后，5天后，发现浓度为0.1ppm。

（感觉这浓度不怎么样！）

3. 提高氢溶解度的方法 – B 型

3.1 系统配置

在前人研究“基于摩擦管的高浓度纳米气泡的产生-https://arxiv.org/abs/2310.16151”的基础上，按照“提高纳米气泡粒子浓度的方法”一节所述的方式构建了装置，并进行了实验。样品罐由泵和纳米管组成，具体规格和详细部件描述如下。

构建了一套共使用2台泵提高有效摩擦常数值和流量的系统，并进行了实验。图 3 显示将水填充到 SUS 304 材料制成的样品罐中。为了提高流量，制备了威乐泵业有限公司生产的PW-S354M（1号）型供水泵，额定功率为350W，流量为26L/min，额定电压为220V，频率为60Hz。泵的入口通过软管连接到样品罐的出口端。之后，使用软管将与泵1相同规格的PW-S354M水泵（2号）的入口连接到泵1的出口。

进一步地，将摩擦积分为1.4、有效摩擦常数为14、外径为Ø25、长度为10m的纳米管连接到泵2的出口。当注入 0.6 LPM 氢气时，连接到泵 2 的 10m 纳米管前部的水压为 4.0 bar。结果发现，该系统配置以700Wh的功耗和40吨/天的速度产生富氢水。

在检查自来水的pH值、温度和溶解氧后，在样品生成过程中，在制备系统的泵入口处使用炸弹确认氢气的压力和注入量。

3.2 实验结果与讨论

制备的自来水体积为100 L，pH值为7.23，温度为10.6°C，溶氧水平为10.7。实验空间内的温度测量为10.9±0.4°C。在运行系统之前，确认了在 3.0 bar 的压力和 0.6 LPM 的流速下注入氢气。

通过系统一次后，将收集的样品加入 12 滴试剂，使溶液转变为蓝色。一次通过系统后发现氢浓度为 1.1 ppm。1小时后，测得浓度为0.6 ppm。5 小时后，它保持在 0.6 ppm。1 天后，它仍然是 0.6 ppm。2天后，降至0.4ppm。最后，5 天后，它下降到 0.2 ppm。

在该实验中，与A型系统相比，B型系统在纳米管前部的水压增加了两倍，有效摩擦常数也增加了一倍，如图所示。1.然而，与传统系统相比，溶解氢浓度没有显著差异。

（和A型不同的是，增加了一个泵，摩擦管从5米变成10米，效果似乎应该有所提高。从检测结果看，不过如此）

4. 提高氢溶解度的方法 – C 型

4.1 系统配置

无花果。由SUS 304（不锈钢）制成的样品罐装满了自来水，如图所示。5、为提高流量，制备了威乐泵业有限公司生产的额定功率为600W、流量为40l/min、额定电源为220V、频率为60Hz的PW-S600SMA型供水泵。泵的入口和样品罐的出口使用软管连接。泵出口与纳米管并联，摩擦积分为1.4，有效摩擦常数为19.6，外径为Ø25，长度为14m。纳米管的另一端连接到另一个由SUS 304材料制成的样品罐。注入 1.0 LPM 氢气时，纳米管前部的水压为 3.6 bar。

该系统每天生产35吨富氢水，耗电量为600Wh。

4.2 实验结果与讨论

制备的100 L自来水的pH值、温度和溶解氧分别为7.24、10.3°C和10.7。实验室内的温度测量为 10.9 ± 0.4°C，并在系统启动前确认了 1.5 bar 和 1.0 LPM 的氢气注入。

通过系统一次后，将收集的样品加入 13 滴试剂，使溶液变为蓝色。单次通过后发现氢浓度为1.2ppm。1小时后，测得浓度为0.8 ppm。5 小时后，它保持在 0.8 ppm。1 天后，它仍然是 0.8 ppm。2 天后，浓度降至 0.5 ppm。最后，5 天后，它下降到 0.2 ppm。

系统启动后，自来水的pH值在系统误差范围内变化最小，范围从最低pH值7.21到最高pH值7.33，初始pH值为7.24。

在该实验中，与图中的A型系统相比，C型系统在纳米管前部的水压增加了1.8倍，有效摩擦常数增加了2.8倍。1.但是，与以前的系统相比，溶解氢浓度增加了33%，一天后的氢溶解率也提高了2倍。

（关键改进设计对摩擦管进行了双流道，最终效果有提高。这一变化说明摩擦管是有价值的，如果增加更多管，说不定更好一些。）

5. 提高氢溶解度的方法 – D 型

5.1 系统配置

为了提高纳米气泡的浓度，该系统总共配置了两个泵。图 7 显示将水填充到 SUS 304 材料制成的样品罐中。为了提高流量，制备了威乐泵业生产的额定功率输出为350W、流量为26l/min、额定电源为220V、频率为60Hz的PW-S354M型供水泵（1号）。泵的入口和样品罐的出口使用软管连接。之后，将SUS304材料制成的二通分配歧管连接到泵1的出口。将两根摩擦积分为2.7、有效摩擦常数为3.24、外径为Ø15、长度为1.2m的纳米管并联连接。然后，使用T形奶嘴连接另一台相同规格的PW-S354M水泵（2号）的进水口。

此外，将SUS 304材料制成的二通分配歧管再次连接到泵2的出口，并联了两根摩擦积分为2.7、有效摩擦常数为6.75、外径为Ø15、长度为2.5m的纳米管。最后，将2.5m的单个纳米管连接到T形上。然后，样品通过摩擦积分为2.7、有效摩擦常数为13.5、外径为Ø15、长度为5m的纳米管排出。当注入 0.8 LPM 氢气时，连接到泵 2 的 7.5m （2.5m + 5m） 纳米管前部的水压为 5.0 bar。（纳米管总长度为8.7米，有效摩擦常数为23.49）。经证实，该系统生产的富氢水耗为700Wh，产量为12吨/天。

在检查自来水的pH值、温度和溶解氧后，在样品生成过程中，使用制备系统泵1入口处的炸弹确认氢气的压力和注入量。

5.2 实验结果与讨论

制备的自来水体积为100 L，pH值为7.4，温度为11.2°C，溶氧水平为10.5。在运行系统之前，测量实验空间内的温度为10.9 ± 0.4°C，注氢压力和流量分别为3.0 bar和0.8 LPM。

通过系统一次后，用26滴试剂处理收集的样品，溶液变为蓝色。单次通过后发现氢浓度为2.5ppm。10 分钟后，测得浓度为 2.2 ppm。30 分钟后，它降至 2.1 ppm。一小时后，浓度进一步下降到1.4 ppm。5 小时后，它达到 1.1 ppm。1 天后，浓度降至 0.9 ppm。2天后，它下降到0.8ppm。最后，5天后，测得浓度为0.4 ppm。

系统激活后的自来水pH值变化是在系统的误差范围内测量的，最低pH值为7.33，最大pH值为7.48，初始pH值为7.4。

对水进行检测，发现溶解氧水平为10.5，通过系统一次后降至3.2。随后，溶氧水平在 1 小时后为 4.0,5 小时后为 4.5,1 天后为 4.7,5 天后为 5.3。该系统在单次通过中成功去除了 69.5% 的溶解氧。

在该实验中，与A型系统相比，D型系统在纳米管前部的水压高出2.5倍，有效摩擦常数高出3.35倍，如图所示。1.与常规系统相比，溶解氢的浓度显著增加。

样品（26滴：2.5ppm）通过系统一次以增加氢气的溶解度，然后在相同条件下再次通过系统两次。样品在第二次传代后变为蓝色，有 21 滴。换句话说，溶解氢的浓度与通过一次时相比有所降低。

综上所述，氢纳米泡水在D型体系中的溶解度最高可达2.5 ppm。

三、结语

本研究采用摩擦纳米管法，在11.2°C的温度和1个大气压下，实时、大量地生成了高浓度氢纳米泡水（2.5 ppm）。

本研究的结果可归纳如下。

通过改变泵和纳米管的结构进行实验，以生成高浓度富氢水。研究发现，摩擦积分、有效摩擦常数、纳米管前部的注氢量和压力是提高氢溶解度的重要因素。D型系统被配置为增加纳米管前的压力并加速流速，从而显着提高有效摩擦常数。在这种状态下，通过在3.0 bar的压力和0.8 LPM的流速下注入氢气，可以实时生成浓度为2.5 ppm的高浓度富氢水。结果发现，700Wh的功率可以产生12吨/天的富氢水。经证实，700Wh的功率可以产生12吨/天的富氢水。

生成2.5 ppm富氢水后3 h内，其浓度下降一半至1.2 ppm，1 d后进一步降至1 ppm以下。

关于pH值，pH值没有变化，即使在产生氢纳米泡水后，pH值仍保持在7.4±0.1的范围内。在溶氧的情况下，通过系统进行脱气，溶解氧从实验前的10.5下降到实验后的3.2。随着时间的推移，溶解氧逐渐增加，并在 5 天后达到最终值 5.3。

本文研究的高浓度氢纳米泡水有望有利于提高农业植物的生长和生产力，为个人健康、水处理、半导体清洗和医学研究做出贡献。