專利名稱：富氧水的制法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣液混合方法，具體涉及一種氧氣與水的混合方法，亦即一種制備富氧水的方法，還涉及該方法所用的裝置。
背景技術(shù)：
通常的氣液混合裝置是氣體吸收塔。在吸收塔中，液體經(jīng)分布板自上而下經(jīng)塔中填料表面均勻流下，而氣體由下而上吹入塔中，借助塔內(nèi)填料，為氣液接觸提供巨大的表面積。吸收塔的運(yùn)行，對氣、液比有嚴(yán)格的要求，液量小會形成液泛，氣量小液體會形成溝流，二者均會使操作惡化。在實(shí)際應(yīng)用中，大量液體吸收少量氣體或少量液體吸收大量氣體的過程，因氣液比相差懸殊，在吸收塔中進(jìn)行是難以實(shí)現(xiàn)的。
近年，美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)一種“富氧水”，現(xiàn)已傳至中國。這是一種在純凈水或礦泉水中注入高純度氧氣的健康飲用水。富氧水中氧的含量一般較天然水高2-3倍，為20mg/L左右。假定原水含氧量為6mg/L，充入氧量為14mg/L，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積后，氣液比為1∶100，如此低的氣量，在吸收塔中液體將形成溝流，氣液接觸狀況惡化，氣體吸收效率低下，因此制備富氧水無法使用吸收塔?，F(xiàn)在制備富氧水一般采用鼓泡法、噴淋法、機(jī)械攪拌混合法……，其主要缺點(diǎn)是氣液接觸面積小，氧氣利用率低，富氧水含氧量低。
因?yàn)闅怏w的溶解度與水溫成反比，為制得含氧量較高的富氧水(例如30mg/L)，現(xiàn)行方法需給水降溫，低溫水的獲得需冷凍系統(tǒng)，不僅加大能耗，也增加了設(shè)備投資并給操作帶來許多不便。此外，為增加氧的溶解度，有時需要給氣、液加壓，例如，增大至0.2-0.3MPa，加壓不僅同樣加大能耗和給操作帶來不便，而后，不能常壓灌裝，需等壓灌裝，等壓灌裝機(jī)設(shè)備造價高，能耗高，同樣給操作帶來許多不便。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種完全不同于上述現(xiàn)有技術(shù)的方法，為克服上述缺點(diǎn)，采用疏水性多孔膜作為氣液接觸介質(zhì)，將氣體與液體混合。具體言之，可將氧氣與水混合，以此來制備富氧水。該方法包括使用一種聚合物微孔膜，在微孔膜的一側(cè)通過低壓氧氣并且在另一側(cè)通過低壓水。氧氣透過膜孔，高度分散均勻快速地溶于水中，從而獲得高氧含量的富氧水。本發(fā)明還提供一種混合裝置，該裝置包括一個外殼，一種聚合物微孔膜，氧氣進(jìn)口，氧氣出口，水進(jìn)口和水出口。


圖1為中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，1為膠粘劑，2為中空纖維膜，3為外套管，4為進(jìn)水口，5為進(jìn)氣口。圖1的1-A和1-B中，相同的數(shù)字代表相同的部件。
圖2、圖3為本發(fā)明富氧水制備裝置示意圖，其中相同的數(shù)字代表相同的部件。
發(fā)明詳述現(xiàn)參照附圖結(jié)合實(shí)例詳述本發(fā)明，當(dāng)然，所述實(shí)施方案和實(shí)施例僅供說明絕非限制。
本發(fā)明的構(gòu)思主要是提供一種新的氣液接觸介質(zhì)，使氣體能夠高度分散于液體之中，盡可能大地增加氣液接觸面積，接觸面積越大，氣體在液體中的溶解速度越快，溶解量越大。鑒于膜的疏水性，只要膜孔徑足夠小，例如小于0.1μm，在1.0MPa以下的壓力下，液體，例如水，就不能透過膜孔從膜的一側(cè)遷移到另一側(cè)；但氣體則可進(jìn)入膜孔，從膜的一側(cè)遷移至另一側(cè)。這樣氣液兩相以膜為接觸介質(zhì)又被膜所隔離，可按各自給定的流速(或流量)和壓力運(yùn)行，通過膜氣體高度分散于液體之中，而充分混合，從而得到高氣體溶解量的液體，具體言之，可制得高氧含量的富氧水。
目前的富氧水制備法主要問題是氣液接觸面積小，如果噴淋法的液滴或鼓泡法的氣泡直徑可小于1mm，每cm3的液(或氣)體可分散為1.9×103個小液滴(或小氣泡)，表面積僅為60cm2。如此小的接觸面積，用以制備富氧水其效能低下便不足為怪了。由于沒有更好的氣液混合方法，為制得較高含氧量的富氧水，不得不采用加壓、給水降溫的強(qiáng)化手段，不但增大了設(shè)備投資和能耗，給操作也帶來了許多不便。既使這樣，所獲得的富氧水含氧量也不超過30mg/L。
根據(jù)本發(fā)明，使水溶液，例如純凈水，流經(jīng)膜的一側(cè)，在膜的另一側(cè)通入純氧。例如選用當(dāng)量孔徑為0.05μm的膜，如果透過膜孔進(jìn)入水流的氣泡大小與膜的當(dāng)量孔徑相當(dāng)，每cm3的氣體將分散為1.5×1016個小氣泡，較上述方法高13個數(shù)量級，其表面積達(dá)1.2×106cm2，如此大的接觸面積，為氣體的迅速吸收提供了有利條件，如此小的氣泡為瞬時完全吸收提供了有利條件，從而使氧的利用率大大提高，這就使得常溫常壓下高效率地制備高含氧量的富氧水成為可能，在相同操作條件下，用本發(fā)明的方法制得的富氧水含氧量比以往的方法高200-300％。
本發(fā)明所提供的氣液接觸裝置，由一只或多只接觸組件構(gòu)成，而氣液接觸組件內(nèi)的接觸材料是疏水性微孔膜，這是本發(fā)明裝置的基本特征。下面用聚乙烯和聚丙烯中空纖維微孔膜對本發(fā)明裝置附圖予以說明，但該說明絕非對本發(fā)明的限制。中空纖維膜形象地說是一根根薄壁塑料管，外徑一般為0.3-0.5mm，壁厚0.02-0.05mm，管壁均勻分布0.001-1.0μm的小孔，孔隙率30-80％。
圖1所示膠粘劑的作用是將纖維與纖維之間及纖維與外套管之間互相粘結(jié)，保證相互之間不滲水。圖1中僅示意性地用一根中空纖維膜表示，實(shí)際應(yīng)用中，一只內(nèi)徑為80mm的外套管內(nèi)，可封裝2-3萬根中空纖維膜，其巨大的比表面積是其它類型的膜組件難以比擬的。因此，在諸多的可選膜組件中，本發(fā)明特別推薦選用中空纖維膜組件。圖1-A中，外套管為多孔管。多孔管的作用一是膜組件的外形體，二是可令氣體自由通過。多孔管可以是任何符合食品衛(wèi)生要求的金屬管、工程塑料管，也可以是5-200μm孔徑的聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料的燒結(jié)管或融噴管。圖1-B中，外套管為無孔管。材質(zhì)可以是任何符合食品衛(wèi)生要求的金屬管、工程塑料管。1-A組件，限4為液體進(jìn)出口。1-B組件，4或5均可作為液體或氣體進(jìn)出口，以4為液體進(jìn)出口為宜。
在圖2中，外部構(gòu)件材質(zhì)為不銹鋼，3為圖1-A所示的組件，以“O”型圈密封，被插接于筒體內(nèi)，多只組件并聯(lián)。1為進(jìn)水閥，8為出水閥，9為水壓表，以閥1和8調(diào)節(jié)進(jìn)水量和水壓。2為給氧閥，7為放氣閥，二者用以調(diào)節(jié)給氧壓力。當(dāng)給氧壓力大于指定值時，調(diào)節(jié)閥7適當(dāng)泄壓。4為氧壓表，5、6為放水閥，10為不銹鋼筒體。在實(shí)際應(yīng)用中，將閥1與給水泵相聯(lián)，閥8可與灌裝機(jī)相聯(lián)，閥8排出的水為富氧水。將閥2經(jīng)氧氣緩沖罐與氧氣鋼瓶相聯(lián)。調(diào)整水量、水壓、氧壓至要求值，裝置便可進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。需停車時，只要關(guān)閉閥1，8和氧氣鋼瓶總閥即可。
在圖3中，所有管件均為符合食品衛(wèi)生要求的ABS管件，支架為不銹鋼型材，1為進(jìn)水閥，2為給氧閥，3為圖1-B所示的膜組件。在實(shí)際應(yīng)用中，可按處理量要求來安排并聯(lián)膜組件的數(shù)量。4為氧壓表，5、6為放水閥，7為放氣閥，8為出水閥，9為水壓表。
圖2所示的設(shè)備，處理量以≤3m3/h為宜。
圖3所示的設(shè)備，適宜于任何處理量的富氧水生產(chǎn)廠。
本發(fā)明提供一種制備富氧水的裝置，包括外殼、進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)液口、出液口、微孔膜，其特性在于微孔膜由疏水性材料制成，以膜為氣液接觸介質(zhì)。
本發(fā)明提供的裝置中所述微孔膜是膜組件，該膜組件可以選自中空纖維膜組件，板框式膜堆，卷式(或稱纏繞式)組件，折疊式組件，管式或毛細(xì)管式組件。另外，可以按照所要求處理的氣體和/或液體量由一只或多只膜組件連接而構(gòu)成本發(fā)明裝置。
本發(fā)明所用多孔膜，對材料本身沒有嚴(yán)格限制，只要具有疏水性，在用于食用水時無毒無味，有良好的成膜特性即可，例如，可以選自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚芳醚砜、聚酯、有機(jī)硅橡膠、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或兩種以上聚合物共混材料。本發(fā)明優(yōu)先選用食品級的聚乙烯或聚丙烯，與其它材料相比，不但價格便宜，強(qiáng)度好，無須任何添加劑即可制成高孔隙率的適合于本發(fā)明使用的微孔膜。
膜的孔徑范圍可在0.001-2.0μm之間，以0.01-1.0μm為宜。膜孔徑太大，膜的強(qiáng)度差，透過膜進(jìn)入溶液的氣泡增大，氣液接觸面積變小，較大的氣泡在溶液流過的瞬間難以完全溶解，氣體的利用率會降低。膜的孔徑太小時，很難制得高孔隙率的膜，孔隙率是膜孔的總面積占膜總面積的百分比，孔隙率降低同樣會使氣液接觸面積減少，于氣液混合不利。
膜的孔隙率可在10-80％之間，以30-50％為宜。如上所述，孔隙率低時對氣液混合不利；孔隙率越高，膜的強(qiáng)度越差，孔隙率太高時，需加支撐材料，這便給制膜增加了麻煩。
膜的厚度可在20-1000μm之間，但以低些為宜。只要能有可用的強(qiáng)度。例如，聚乙烯膜、聚丙烯膜厚度可在20-50μm之間，膜的厚度增大，強(qiáng)度提高，但氣體透過膜的路徑增大，阻力增大。
膜的幾何形狀可以選自中空纖維式、板式、毛細(xì)管式、或管式，有無支撐材料均可。其中，以中空纖維膜填充密度最大，單位體積的設(shè)備可為氣液接觸提供最大的接觸面積。板式膜可加工成卷式(又稱纏繞式)組件，也由較大的填充密度，但膜與膜之間必須有隔離網(wǎng)，加工難度較大。毛細(xì)管式、管式膜填充密度小，雖然在本發(fā)明的方法中應(yīng)用也會取得比現(xiàn)在所用方法較好的效果，但較中空纖維膜差。
制備微孔膜的方法多種多樣，例如，熔融紡或吹塑成基膜后拉伸致孔，熱致相分離法，高能射線擊穿法，由膜材料、膜溶劑、制孔劑和其它添加劑混溶紡絲或刮膜后于凝固浴中相分離法等等，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
本發(fā)明方法完全符合氣體溶解的基本規(guī)律。
在低壓下，符合亨利定律，氣體的溶解度與氣體的壓力成正比。壓力增大，氣體在溶液中的溶解度增大。本發(fā)明對氣體壓力沒有什么限制，欲制得高氣體含量的液體，例如，含二氧化碳飲料，可將氣壓提高到0.3-0.6MPa。用于制備富氧水，將氧氣壓力提高到0.2MPa，含氧量可高達(dá)100mg/L以上。而現(xiàn)行方法，例如使用飲料混合機(jī)進(jìn)行氣液混合，即使將壓力同樣增至0.2MPa，還需將水溫降至10℃，所得富氧水的含氧量不過30mg/L，值得指出的是，本發(fā)明方法要求膜兩側(cè)水壓和氣壓基本平衡，水壓可略大于氣壓，但氣壓不可大于水壓，否則，高壓氣體進(jìn)入低壓液體后，氣泡體積會膨脹，氣體密度會降低，不利于液體對氣體的吸收，在液體出口處仍會有未被溶解的氣泡，會降低溶液中被溶解氣體的濃度和氣體的有效利用率。
隨著溫度的增高，氣體在液體中的溶解度會降低，這是現(xiàn)在采用的一些方法中，有時為制得含氧量接近30mg/L的富氧水，需要冷凍設(shè)備給水降溫的原因。本發(fā)明方法對液體溫度無嚴(yán)格限制，雖說也遵循溫度越低溶解度越高的基本規(guī)律，但由于本法解決了氣液充分混合的關(guān)鍵問題，因此，在自然溫度下也可獲得滿意的結(jié)果，例如，用于制備富氧水，在氧壓、水壓均為0.1MPa的條件下，為34.5℃的凈化水充氧，所得富氧水含氧量為34.0mg/L，如果想獲得更高含氧量的水，只須適當(dāng)增壓即可。同理，如果自然水的溫度更高，也可采用增壓的方法來提高溶氧量。
顯而易見，本發(fā)明制備富氧水的方法及裝置完全不同于現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡便，成本低廉，產(chǎn)品中氧氣含量高，可在常溫操作。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神和不超出本發(fā)明范圍情況下，可做許多改良和變化，例如微孔膜材質(zhì)的其他選擇，孔徑和厚度的其他選擇，壓力和溫度的其他改變，使用天然水或自來水和工業(yè)氧氣，以及其他種類的液體和氣體等等。
實(shí)施例實(shí)施例一將外徑為0.4mm，壁厚0.035mm，當(dāng)量孔徑0.08μm，孔隙率45％的聚乙烯中空纖維微孔膜7000根，封裝于圖1-A所示的外徑65mm，壁厚8mm，孔徑50μm的聚乙烯燒結(jié)管內(nèi)，制成膜組件。將上述膜組件四只并聯(lián)，以“O”型圈密封，插接于圖2所示的φ300×1200mm不銹鋼筒內(nèi)。水由泵輸入中空纖維膜內(nèi)腔，于膜的外側(cè)給氧，控制膜的兩側(cè)水壓和氧壓(表壓，以下同)均為0.1MPa，水溫32℃，水流量1m3/h，原水含氧量5.4mg/L，測定裝置出口處富氧水含氧量為52.4mg/L，為原水的9.7倍。
實(shí)施例二設(shè)備同實(shí)例一，原水含氧量5.7mg/L，水溫20℃，其余條件同例一，測定裝置出口水含氧量為64.5mg/L，較原水含氧量提高10.3倍。
實(shí)施例三將例一的膜組件所用膜改換為外徑0.48mm，壁厚0.05mm，當(dāng)量孔徑0.05μm，孔隙率38％的聚丙烯中空纖維微孔膜。其余條件同實(shí)例二，所制得的富氧水含氧量為60.5mg/L，較原水提高9.6倍。
實(shí)施例四設(shè)備同實(shí)例三，水溫17℃，水流量1.3m3/h，原水含氧量6.2mg/L，水壓0.1MPa，氧壓0.05MPa，出口水含氧量為43.0mg/L，為原水的6.9倍。
實(shí)施例五在φ90×1000mm的符合食品級衛(wèi)生要求的ABS管內(nèi)，封裝實(shí)例一所用的中空纖維膜25000根，制成膜組件，將四只該種組件并聯(lián)組裝成如圖3所示的富氧水制備裝置。將進(jìn)水閥1與供水泵相連，進(jìn)氧閥2與氧氣緩沖罐相連，將水溫17℃，含氧量6.2mg/L的凈化水泵入并聯(lián)的四只組件內(nèi)，水流經(jīng)中空纖維膜空腔內(nèi)，調(diào)節(jié)閥1和閥8，水流量為6.4m3/h，水壓為0.05MPa，調(diào)節(jié)氧壓至0.04MPa，由出水閥8取樣分析，出水口含氧量為29.8mg/L，為原水含氧量的4.8倍。
實(shí)施例六將外徑0.4mm，壁厚0.03mm，當(dāng)量孔徑0.03μm，孔隙率40％的聚丙烯中空纖維微孔膜25000根，封裝于與例五相同的ABS管內(nèi)，制成膜組件和相同的富氧水制備裝置。將19℃，含氧量6.0mg/L的原水在0.1MPa表壓下，以3m3/h的流量泵入中空纖維膜空腔內(nèi)，膜外側(cè)給氧，氧壓0.1MPa，測定出口水含氧量為59.4mg/L。
實(shí)施例七所用裝置及測試條件同例六，唯一的差別是將進(jìn)出水口和進(jìn)出氣口互換，即在中空纖維膜空腔內(nèi)通入氧氣，外層通水，測定出口水含氧量為42.1mg/L。
實(shí)施例八於與例五相同的ABS管內(nèi)封裝外徑0.48mm，壁厚0.05mm，當(dāng)量孔徑0.05μm，孔隙率38％的聚丙烯中空纖維微孔膜20000根，四只相同的膜組件組裝成圖3所示的富氧水制備裝置。將19℃，含氧量6.0mg/L的原水以2.06m3/h的流量泵入中空纖維膜內(nèi)側(cè)，水壓0.05MPa。於膜的外側(cè)給氧，氧壓為0.02MPa，測定出口水含氧量為37.0mg/L。
以本發(fā)明提出的方法和裝置制備富氧水，水的含氧量比現(xiàn)行方法高100-200％。本法操作簡單，以制備富氧水為例，只要於膜的一側(cè)給氧，水流經(jīng)膜的另一側(cè)便實(shí)現(xiàn)了水的富氧化。
使用本法充氧，氣相在液相中高度分散，氣液接觸面積大，吸收速度快，只要控制膜兩側(cè)水壓大于或等于氧壓，水中便無肉眼可見氣泡生成，氧氣的利用率接近100％；使用本法充氧，水溫隨季節(jié)升降時，只要適當(dāng)升降氧壓，即可保持水中含氧量恒定；現(xiàn)行的富氧水制備方法，為增大水的含氧量需給水降溫，能耗高。使用本法無需給水降溫即可達(dá)到相同或更高的富氧值。
本發(fā)明設(shè)備全封閉，被吸收氣體只能通過膜遷移，而膜孔徑又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)菌大小，因此對水無二次污染。
經(jīng)本法制備的富氧水，溶解氧穩(wěn)定性好。例如於600ml的聚酯瓶內(nèi)灌裝本法制備的富氧水，啟封時測定含氧量39mg/L，喝掉一半后，室溫(20℃)敞口放置3.5小時，測定瓶中水殘余氧含量為32mg/L。將含氧量27.3mg/L的富氧水灌入飲水機(jī)5加侖的大瓶中飲用，24小時后，測定瓶中剩余水氧含量為20.1mg/L，相當(dāng)于目前市售多數(shù)富氧水的氧含量。
權(quán)利要求
1.一種富氧水的制備方法，包括采用疏水性聚合物微孔膜，使氣體在壓力下通過膜的一側(cè)，膜的另一側(cè)流經(jīng)液體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的氣體是氧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的液體選自純凈水、蒸餾水、太空水、凈化水、礦泉水或各種飲水或飲料，氣體是氧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中疏水性膜材料選自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚芳醚砜、聚酯、硅橡膠、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯，兩種或兩種以上聚合物的共混膜材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法。其中多孔膜膜孔徑范圍為0.001-2.0μm，厚度范圍是在20-100μm之間，孔隙率范圍是10-80％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中膜的幾何構(gòu)形可以是中空纖維式、板式、毛細(xì)管式、或管式，有無支撐材料均可。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氣體和液體通過時的操作溫度是環(huán)境溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氣壓和水壓大于零。
9.一種權(quán)利要求1方法使用的裝置，包括外殼、進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)液口、出液口、微孔膜，其特性在于微孔膜由疏水性材料制成，以膜為氣液接觸介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述微孔膜是膜組件，所述膜組件可以選自中空纖維膜組件，板框式膜堆，卷式(或稱纏繞式)組件，折疊式組件，管式或毛細(xì)管式組件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中按照所要求處理的氣體和/或液體量由一只或多只膜組件連接而構(gòu)成。
12.一種權(quán)利要求1方法制備的富氧水，其中所述氧氣包括醫(yī)用純氧、無毒無味的工業(yè)氧氣或自制氧氣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種富氧水的制備方法,包括采用疏水性微孔聚合物膜,使氧氣在壓力下通過所述膜的一側(cè),水通過所述膜的另一側(cè)。本發(fā)明還提供了一種該方法使用的裝置,包括外殼,進(jìn)氣口,出氣口,進(jìn)水口,出水口,微孔膜,其特征在于微孔膜由疏水性聚合物制成。本發(fā)明方法完全不同于現(xiàn)有技術(shù)制備富氧水的方法,具有方法簡便,成本低廉,產(chǎn)品中氧氣含量高,可在常溫下操作等等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C02F1/68GK1200355SQ9712583
公開日1998年12月2日 申請日期1997年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月25日
發(fā)明者仉琦, 王冰, 任欽, 呂經(jīng)烈, 李雪梅, 胡康 申請人:仉琦