CN108002346B - 一种基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，具体涉及茶包的结构设计和材料组成。本发明提出的“氢素水”保健茶包原理是使用颗粒状的制氢材料，与水汽分子接触后能够劈裂水分子的氢键和氧键，从而分解出氢气，达到获得“氢素水”的目的。本发明提出的制氢材料颗粒为Al‑Ga系合金颗粒，其尺度范围为20微米～500微米；材料本身和反应产物均绿色环保，安全无毒；茶包中的制氢微颗粒封装材料使用疏水透气膜。使用本发明“氢素水”茶包获得的氢素水中半小时内氢含量可达1.0ppm以上，并可以按要求控制，效果优异。本发明“氢素水”茶包克服了市场上电解式“氢素杯”的诸多不便，非常适合市场的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种保健饮品技术领域，具体涉及一种用于生成氢素水的基于铝镓基制氢微颗粒的茶包设计和材料组成、工艺技术。
背景技术
随着经济发展和人们生活水平的不断提高，社会各界对于养身保健及相关产品的关注、研发和投入也不断的提高。1998年，日本首次报道，饮用含有丰富氢气的水具有治疗许多疾病的作用。近年来，我国也开展了氢分子保健方面的医学研究，2016年，央视科学纪录片详解氢气对人体的重要作用。与此相关的健康产品也不断问世，日本和美国相继推出了氢素水(富氢水)及“氢素杯”。国内引进的日本氢素水(富氢水)售价极高，达300元/瓶，“氢素杯”的售价则达到3000元以上。
目前市场上的“氢素杯”是一种能快速生产氢的微电解水杯，一般工作2-5分钟可以产生氢含量为0.8ppb以上的氢素水(富氢水)。氢气本身是一种最佳的抗氧化剂，并且具有最强的细胞复原能力，氢素水利用这一优势，通过电解环电解产生富含氢气的水，养生和治疗价值极高。
本质上讲，氢素水杯内部浓缩了一个氢素水(富氢水)生成器，即是一种有效的电解氢气的电气装置。该产品存在几个方面的问题：1)作为一个电器，在差旅过程中携带不够方便；2)需要使用电源，特殊场合比如露营度假时存在使用不便问题；3)结构较为复杂，存在一定的故障率；4)目前该产品在国内外均有很多的仿制品，质量良莠不齐，甚至存在一定的安全隐患。该产品的以上几点缺陷在一定程度上抑制了其在崇尚简约便捷生活方式的年轻人群中的推广。
采用镁化学还原法是目前方便快速制取富氢水常用的一个方法。但是常温下，镁与水反应较缓慢，并且存在溶解氢损耗的问题。CN200510068852.5公开了一种富氢水的生成方法及富氢水生成器，具体来讲就是多孔性陶瓷盒中填充镁颗粒或者银颗粒，不难发现，该方法在水中引入了新的杂质，对健康是极为不利的；反应生成的氢氧化镁会阻止制氢剂与水的进一步反应，制氢持久性差，水中吸附了一定氢气后便不再吸附了，多余的氢气直接排向大气中，在使用一段时间后必须用酸加以清洗除去，给使用带来不便；再者多孔性陶瓷盒存在携带不便利及制作成本较高的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的技术缺陷，本发明的目的在于通过设计茶包结构和制氢材料，获得一种绿色环保、制氢过程可控、转化利用效率高、安全无毒的便携式“氢素水”茶包。
技术方案：本发明所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，包括最外层的包覆材料1，中层为包裹在包覆材料1里面的一组或多组疏水透气封装层2，所述疏水透气封装层2的内部含有制氢微颗粒3。
外层的包覆材料1的材质可以是食品级天然材料或人工合成高分子材料制备的纺织材料或无纺布。天然材料包括市售的纸质、棉质或丝质等材料，如采用传统茶包使用的纸质外层包覆材料，优选使用环保木浆滤纸；人工合成高分子材料则包括市面上常见的尼龙滤布、PET纱、聚乳酸可降解纤维等。实际饮水时，若茶包没有最外层的包覆材料1，仅具有中层疏水透气膜和包含在其中的内层制氢微颗粒3，由于制氢微颗粒使用质量(微克级别)比较少，所取用的质量和体积不易控制，投入水中后由于体积较小，对于直接饮用或制氢结束回收造成不便。故优先使用疏水透气封装层2对制氢微颗粒进行封装成一组或几组，然后由一个包覆材料1进行整体包装，解决饮用和回收不便的问题。
中层的疏水透气封装层2为疏水透气膜，该膜用于封装制氢微颗粒3，膜材料本身是疏水的，具体材料不做限定，环保的/食品级的疏水透气膜即可，比如PTFE膜、聚丙烯膜等，但是在膜上有许多微米级的小孔，孔径为0.1～0.3μm。这样水气分子可以自由进出膜，但是液态水滴由于体积比较大而且又有表面张力所以不会穿过膜进入。水以气态进入疏水透气膜内，与制氢微颗粒发生化学反应，生成氢气。氢气再从透气膜中逸出，进入饮用水中，形成“氢素水”。同时其它反应产物留在透气膜包装材料内，不会影响水质。
内层的制氢微颗粒3为铝镓基制氢微颗粒，由Al-Ga基合金材料制备而成的微颗粒。Al可以与水发生化学反应，劈裂水分子获得氢气，其化学式如下：
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑
但是铝表面会迅速形成氧化铝膜，阻碍反应的进一步进行。加入Ga合金元素后，氧化铝膜会不断的被Ga合金破坏，新鲜的单质Al暴露出来，继续与水反应生成氢气，同时Ga的存在，能够提高铝的电极电位，促进氢气的进一步生成。根据这一原理，本发明茶包中使用的铝镓基制氢微颗粒还掺杂了In、Sn中的一种或几种元素，制氢微颗粒材料组成为：Al-Ga,Al-Ga-In,Al-Ga-Sn,Al-Ga-In-Sn等合金颗粒。
本发明制氢材料铝镓基制氢微颗粒中含有质量分数为85.0％～98.0％的Al，In和Sn中的一种或两种，余量为Ga。在一些具体实施方案中，铝镓基制氢微颗粒具体的成分范围可见表1。
表1本发明使用的制氢材料成分范围
制氢微颗粒的制备方式为：按合金比例配料，真空熔炼后，再使用气雾化法等工艺制备微颗粒粉体；然后对粉体进行筛选，获得目标范围的微颗粒材料。在制氢材料成分确定的前提下，颗粒的比表面积和水温决定产氢量和产氢效率，控制合适的颗粒尺度范围，可以确保反应产氢的速率在一定的范围内进行，同时尽可能的使反应进行的更加彻底。
此外，由于氢在水中的溶解度又小，若制氢过程过快，容易造成局部溶解氢饱和聚集，产生氢气气泡析出，而其他部分水溶解氢不足，最终整个体系溶解氢分布不均匀。本发明疏水透气膜的使用及制氢微颗粒粒径的控制，二者共同作用，反应速率可调控，反应彻底，既能确保制氢反应过程均匀可控，还能避免水中溶解氢分布不均匀和聚集析出的问题，所产生的氢能够有效的为人体利用。
本发明使用制氢微颗粒的转换效率可达到15％左右，每生成1mg氢气，需要的制氢材料约为61～70mg。假设使用300mL的水杯制备“氢素水”，加入的含有20mg左右制氢颗粒的茶包，获得的“氢素水”中的氢含量可以达到1.0ppm以上。当水温在40℃～75℃之间时，氢反应速率较快，效果更佳。
在优选方案中，为了更好的保存和携带茶包，茶包还做了防潮设计。如将一个或一组茶包的外层再用一层防潮材料封装起来，如铝膜袋、PE袋等，还可以在茶包外侧放置与茶包不发生反应的干燥剂，如分子筛等，茶包的防潮设计不限
于上述手段，只要是本领域技术人员所熟知的用于食品防潮包装的手段均可。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明茶包使用颗粒状的制氢材料，与水汽分子接触后能够劈裂水分子的氢键和氧键，从而分解出氢气，达到获得“氢素水”的目的。制氢材料颗粒和氢气以外的反应产物都是固体，不溶于水，且均绿色环保，安全无毒。茶包中的制氢微颗粒封装材料使用疏水透气膜，确保水气、氢气的通过，但阻止液态水进出和固体反应材料的外泄，进一步确保氢素水的饮用安全可靠。
(2)本发明采用铝镓基制氢微颗粒，反应的制氢过程稳定可控、制氢效率和利用率较好。
(3)本发明茶包的结构设计便捷易携带、经济环保。
附图说明
图1为本发明铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包的结构示意图；
图2为本发明制氢微颗粒的SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明，具体实施例的描述本质上仅仅是范例，以下实施例基于本发明技术方案进行实施。
图2中制氢微颗粒的制备方法为：将95％Al和5％Ga按合金比例配料，使用真空感应熔炼技术进行熔炼获得块材，再使用气雾化法等工艺获得微颗粒粉体；然后对粉体进行筛选，获得目标范围的微颗粒材料，所制备的制氢微颗粒平均粒径分布值为85μm左右，具体形貌见图2。
实施例1
使用Al-Ga合金颗粒作为制氢材料，合金配比为：Al～95％,Ga～5％。按配比配料后，使用真空感应熔炼技术进行熔炼获得块材；然后使用气雾化方式，获得Al-Ga合金粉体材料；使用筛网分离，获得85微米左右的微颗粒材料；按5毫克每包，使用疏水透气膜对Al-Ga颗粒进行封装；封装后取4组再装入由环保木浆滤纸制成的包覆层，外形与普通茶包接近，茶包结构具体参见图1。将“氢素水”茶包放入300mL锥形瓶中，倒入60度左右的温水，进行效果测试。测试内容包括：1)连接质谱仪进行氢含量测试，测得结果见表2；2)使用ICP技术对“氢素水”中的杂质含量测试，测的结果见表3。
实施例2
使用Al-Ga合金颗粒作为制氢材料，合金配比为：Al～88％,Ga～12％。按配比配料后，同样使用真空感应熔炼技术进行熔炼获得块材；然后使用气雾化方式，获得Al-Ga合金粉体材料；使用筛网分离，获得50微米左右的微颗粒材料；按5毫克每包，使用疏水透气膜对Al-Ga颗粒进行封装；封装后取4组再装入由环保木浆滤纸制成的包覆层，制成“氢素水”茶包。将制得的“氢素水”茶包放入300mL锥形瓶中，倒入60度左右的温水，进行效果测试。测得结果分别见表2和表3。
实施例3
使用Al-Ga-In-Sn合金颗粒作为制氢材料，合金配比为：Al～92％,In～0.9％,Sn～1.0％,Ga～6.1％。按配比配料后，同样使用真空感应熔炼技术进行熔炼获得块材；然后使用气雾化方式，获得Al-Ga合金粉体材料；使用筛网分离，获得120微米左右的微颗粒材料；按5毫克每包，使用疏水透气膜对获得的颗粒进行封装；封装后取4组再装入由环保木浆滤纸制成的包覆层，制成“氢素水”茶包。将制得的“氢素水”茶包放入300mL锥形瓶中，倒入60度左右的温水，进行效果测试。测得结果分别见表2和表3。
实施例4
使用Al-Ga-In合金颗粒作为制氢材料，合金配比为：Al～93％,In～1.5％,Ga～5.5％。按配比配料后，使用真空感应熔炼技术进行熔炼获得块材；然后使用气雾化方式，获得Al-Ga-In合金粉体材料；使用筛网分离，获得120微米左右的微颗粒材料；按5毫克每包，使用疏水透气膜对颗粒进行封装；封装后取4组再装入由环保木浆滤纸制成的包覆层，制成“氢素水”茶包。将制得的“氢素水”茶包放入300mL锥形瓶中，倒入60度左右的温水，进行效果测试。测得结果分别见表2和表3。
实施例5
使用Al-Ga-Sn合金颗粒作为制氢材料，合金配比为：Al～89％,Sn～2.5％,Ga～8.5％。按配比配料后，同样使用真空感应熔炼技术进行熔炼获得块材；然后使用气雾化方式，获得Al-Ga-Sn合金粉体材料；使用筛网分离，获得80微米左右的微颗粒材料；按5毫克每包，使用疏水透气膜对Al-Ga-Sn颗粒进行封装；封装后取4组再装入由环保木浆滤纸制成的包覆层，制成“氢素水”茶包。将制得的“氢素水”茶包放入300mL锥形瓶中，倒入60度左右的温水，进行效果测试。测得结果分别见表2和表3。
表2实施例1-5中“氢素水”茶包不同泡水时间的制氢量
表3实施例1-5中“氢素水”的杂质含量分析
| 实施例 | Al(wt％) | Ga(wt％) | In(wt％) | Sn(wt％) |
| 1 | 0.0002 | 0.0003 | - | - |
| 2 | 0.0001 | 0.0005 | - | - |
| 3 | 0.0002 | 0.0002 | <0.0001 | 0.0002 |
| 4 | 0.0001 | 0.0002 | 0.0001 | - |
| 5 | 0.0001 | 0.0003 | - | 0.0003 |
由实施例获得的数据来看，本发明获得的“氢素水”茶包具有优异且稳定的制氢效果，制氢效率良好，30分钟基本能够完成制氢反应。氢含量均能达到1.02ppm以上，其性能超过电解式“氢素杯”的效果；从本发明获得的“氢素水”杂质含量分析来看，如表3所示，水中的Al,Ga,Sn,In含量均不高于0.0005％，表明茶包中加入的制氢微颗粒中元素均保存在茶包内没有泄漏，证明茶包设计使用的疏水透气膜具有优异的封装效果，获得的“氢素水”安全可靠，可放心饮用。
以上实施例只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述茶包包括外层的包覆材料(1)，中层为包裹在包覆材料(1)内的一组或多组疏水透气封装层(2)，所述疏水透气封装层(2)的内层含有制氢微颗粒(3)；
所述疏水透气封装层(2)为疏水透气膜，所述疏水透气膜的表面具有0.1～0.3微米的小孔；
所述制氢微颗粒(3)为铝镓基制氢微颗粒；所述铝镓基制氢微颗粒掺杂有In和/或Sn元素，并且铝镓基制氢微颗中含有的Al元素及掺杂的In和/或Sn元素总质量分数为85.0％～98.0％，余量为Ga元素。
2.根据权利要求1所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述疏水透气封装层(2)选择性地允许透过水气和氢气，不透过液态水、制氢微颗粒(3)及水与制氢微颗粒(3)反应生成的固态产物。
3.根据权利要求1所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述包覆材料(1)选自由天然材料或人工合成高分子材料制备而成的纺织材料或无纺布。
4.根据权利要求1所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述包覆材料(1)为环保木浆滤纸。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述茶包最外侧还具有防潮设置。
6.根据权利要求1所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述制氢微颗粒(3)由真空熔炼得到的铝镓基合金经气雾法工艺制备成微米级铝镓基合金颗粒。
7.根据权利要求6所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述制氢微颗粒(3)的粒径为20-500微米。
8.根据权利要求7所述的基于铝镓基制氢微颗粒的便携式氢素水茶包，其特征在于：所述茶包中制氢微颗粒(3)的制氢转换效率达15％左右，即每生成1mg的氢气，需要使用61～70mg的制氢微颗粒(3)。
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