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分子氢与健康 神奇的氢聊
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氢气的使用方法

氢气使用的具体方法对实现氢气理想改善效果以及开发相关氢健康产品非常重要。氢气的使用方法主要包括呼吸(氢气吸入)、饮用(电解水、氢水)、注射(氢水、氢气的静脉、腹腔给药)、沐浴(氢水泡浴和淋浴)和诱导肠道菌群产氢等。
 

氢气的使用方法
 

氢气吸入具有剂量范围广、摄取量大以及潜在可改善疾病种类多等诸多优势,是优先考虑使用的方法。氢气吸入设备在日本和中国氢健康产业领域受到极大关注,中日两国医疗器械管理机构已经将其列入医疗设备目录。在中国,氢气吸入已成为最早进入临床应用的氢气医学方法。
 

作为功能水新概念,氢水在日本、韩国、东南亚等国家和地区发展迅速。电解水在日本已应用近百年,是官方认可的保健食品,但在我国,电解水因缺乏学术支持、无法进行内涵品质优化和机制研究曾饱受诟病。目前发现氢气才是电解水发挥各类改善作用的主要原因。作为学术研究中最常用的给氢手段,氢注射液具有剂量可控等优点,是中国学者在氢气医学领域的突出贡献之一。但是成为临床改善手段尚需要更多基础和临床研究。氢沐浴、药物食品诱导肠道菌群产氢等方法分别有各自的优点和应用价值,都值得重视。
 

不同给氢方式产生的作用有差异,例如氢水饮用对胃肠道疾病效果显著,氢水沐浴对皮肤病效果更好,氢气吸入对呼吸道相关疾病有应用优势等。联合多种方法应用能够获得最理想的疾病改善效果,可联合使用也是氢气医学转化的特色和优势。
 

氢气的使用方法
 

一、氢气吸入

大量潜水医学领域的人体试验是最早的系统性氢气吸入研究,这些研究成果一方面证明氢气的巨大人体安全性,另一方面给氢气改善疾病积累了关键技术经验。

包括氢气在内的许多气体(一氧化二氮、氧气、氦气、二氧化碳等)都是主要通过呼吸方式摄取,氢气具有可燃性,燃爆范围是4%~74%(空气环境)和4%~94%(纯氧环境),吸入氢气必须克服氢氧气混合发生燃烧和爆炸的风险。2007年太田教授的实验研究证明,动物吸入2%浓度的氢气可以有效改善脑缺血再灌注损伤。这个浓度没有燃烧爆炸风险,目前多个研究证实安全范围浓度(低于4%)的氢气吸入对多种疾病的改善效果,这些研究给安全地使用氢气吸入方法改善疾病奠定了非常重要的理论基础。

氢气吸入的最大优点是高摄取剂量。吸氢时氢气不断通过气体交换进入机体血液循环系统,到达全身各处组织器官发挥作用。通过提高吸入浓度或者延长吸入时间,可以显著增加机体的氢气摄取量。只从剂量摄取角度考虑,氢气吸入是较好的氢气医学使用方法。但是目前氢气的剂量效应关系研究不够深入和完善,不能简单从剂量角度判断氢气使用方法的优劣。需要提醒使用者的是,氢气吸入目前界定为医疗行为,个人使用尽量选择规范的氢气吸入方法和设备,不鼓励个人自制氢气吸入设备改善疾病,更不可自行购买氢气瓶吸氢。

安全使用氢气吸入方法是氢气应用领域的重要问题,安全操作是使用氢气吸入设备的重要规范,也是应用氢气吸入方法改善疾病最重要的前提。吸入低浓度氢气(低于4%)相对安全,但也绝对不可掉以轻心。使用燃爆范围内(4%~74%)的氢气吸入设备需要小心谨慎,氢气燃点比较低,一般静电火花就能达到燃点,因此避免静电是这一类设备安全操作的关键。氢氧混合的比例和体积是影响氢气爆炸破坏性程度的两个因素。当氢氧混合比例为2:1时氢气燃烧反应最充分、爆炸破坏力最强,越远离这一比例破坏性越小。气体体积是影响破坏力的另一个因素,如果混合气体积足够小,在不扩散蔓延的前提下,发生燃烧和爆炸时不会产生明显的破坏力。

供人体吸入使用的氢气发生设备主要有三种类型,分别是预制混合气、纯氢和氢氧混合气设备。

预制混合气是指预先配制氢气和氧气的混合气(氧气浓度不小于25%,氢气浓度为1%~3%),是早期学术研究常用的方法,在日本多项临床研究中采用。为保证氢气使用的安全,日本临床试验采用氮氢混合气和氮氧混合气现场混合方法,这种方法操作复杂且成本高,限制氢气吸入的推广应用。日本国家安全操作强制规定,人体使用的氢气等可燃烧气体必须一直处于安全浓度范围内,在日本推广氢气吸入设备需要考虑这一规定。

纯氢设备是指利用纯水膜电解技术有效分离氢气和氧气的设备,纯氢设备提供流量为100~600毫升/分钟、浓度接近100%的氢气,人体吸气时可实现1%~3%的氢气吸入浓度。这个范围内的氢气吸入对氧浓度影响较小,一般不会造成低氧。有呼吸循环功能障碍的患者对氧浓度比较敏感,建议开始使用时尽量选择较小流量的纯氢设备,吸氢时进行血氧饱和度监测,不鼓励这类患者夜间使用流量超过300毫升/分钟的纯氢设备。

氢氧混合气设备采用不分离氢气和氧气的电解水技术,设备提供一定流量的氢氧混合气体(一般浓度分别是66%和33%)。前面已经介绍了氢气具有可燃性,因此在燃爆范围内应用氢氧混合气需要更加严格的使用条件和规范。纯氢在没有氧气的条件下并不会燃烧,从使用过程的可燃概率考虑,纯氢方式比氢氧混合气设备安全系数高。有少数企业采用氢气固态存储装置给患者供应氢气,这种固态氢气存储设备使用方法比较简单,广泛应用于氢燃料电池和实验室的氢气纯化供气,但是这种设备需要高压氢气供给和一定技术条件,设备准入门槛比较高。

除了可燃性外,氢气吸人方法的另一个缺点是剂量不够稳定。氢气进人体内需要依靠呼吸循环功能来实现,不同个体心肺循环功能的差异会导致氢气的实际摄取量存在明显个体差异。这种差异可能影响氢气的疾病改善效果。氢气吸入的剂量还受到外界刺激、环境温度、湿度及二氧化碳浓度的影响,例如运动和精神刺激会导致交感神经兴奋,可以造成呼吸循环功能亢进,影响氢气摄取。为减少个体差异,在开展氢气吸入研究和应用时以上因素都要考虑和控制。
 

氢气的使用方法
 

二、氢水饮用

氢水饮用是应用最广泛的氢气使用方法,氢水是氢气健康产品最常见的形式。商业化氢水的制备方式包括电解、氢气溶解、金属镁反应等类型。

氢水饮用经常用于人体试验和动物实验研究中,人体试验中使用这种方法容易进行剂量控制,例如可以规定饮用一定体积和一定浓度的氢水。在动物实验中建议采用给动物定时饮水的方法,就是固定时间段给动物饮用氢水,实际使用结果表明能取得剂量控制的效果。

1、电解水

电解水是最早应用于人体的氢水,以保健为目的的电解水饮用最早起源于日本。经过长达数十年的应用和严格的医疗器械申报,日本劳动厚生省批准电解水机为医疗设备,认可饮用碱性电解水的医疗效果。

现在学术界普遍认为,碱性电解水改善疾病的根本原因是水中含有一定浓度的氢气,而且氢气浓度足够达到氢气抗氧化的效果。中和弱碱性不影响其医疗效果,说明碱性电解水的作用与碱性无关。而氢气主动挥发后,电解水的负电位随着氢气释放而消失,电解水的功效也随之消失。水的负电位是体现水内所有物质氧化还原作用的总和,本质上是反映氢气浓度的指标,测定值受酸碱度影响很大,但与疾病改善没有必然的联系。

2015年后,氢水杯开始大量出现,这本质是一种新类型的电解水设备。主要解决了小型化和稳定性的问题。最初氢水杯没有进行正负极的分离,产生的电解水容易出现次氯酸和臭氧等,这些成分有一定毒性且影响口感和嗅觉。为解决这类缺陷,设计者在杯内加入活性炭或化学物质吸附或中和这些成分。后期利用半透膜制造出正负极分离的氢水杯,氢水杯安全性得到进一步提高。

2、金属镁反应制备氢水

金属镁与水发生化学反应会产生氢气和氢氧化镁,多年前就有人利用这种反应制备出方便使用的氢水。许多金属(如铁、铝和镁等)都可以与水反应产生氢气,但铁和铝与水反应速度过慢且存在一定毒性,生成物影响口感,不适合用于氢水的制备。金属镁是制备氢水的最佳材料,为达到使用方便和消毒等目的,有生产厂家在材料中添加电气石和纳米铂金等材料。

镁反应制备氢水存在的主要问题是氢气产生量不稳定,开始使用阶段效果可能会比较理想,使用一段时间后氢气产生速度会逐渐减慢,导致氢气浓度下降。因此在开展临床和动物效应研究中,最好定期更换新的产品。镁离子与钙离子一样属于人体需要的金属元素,一般情况下不会导致机体危害。需要提醒的是,如果患者患有某些对镁摄取有限制的疾病(如肾脏功能衰竭等),必须在医生指导下饮用这类氢水。

3、物理混合饱和氢水

物理混合饱和氢水是目前公认最安全的氢水,也是最常用的氢健康产品类型。这主要是由于饱和氢水在各类氢气摄取方式中实验依据最多,2008年以来,学术界已经有超过300篇相关研究论文,因此,物理混合饱和氢水的生物学效应基本确定无疑。

物理混合饱和氢水的制备方法主要包括四类,分别是曝气、高压、膜分离和电解水技术。在包装氢水的生产和储存过程中,至关重要的不是氢气溶解技术,而是如何避免氢气从容器中泄露。这是因为氢气分子体积非常小且穿透力强,许多包装方法无法避免氢气的逃逸和释放。常用包装瓶材料如聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET聚酯)完全不能用于氢水包装,氢气可以非常容易地从瓶口泄露甚至穿透瓶壁材料。因此,氢水包装是氢水产业的重要技术,也是包装氢水产品开发过程中最难解决的技术问题。日本大部分包装氢水供应商(如蓝水星公司)采用金属铝作为包装材料,方式包括软包装铝袋或铝瓶罐,声称可使氢水稳定保存半年以上。国内氢健康产业界开发包装氢水产品的步伐相对缓慢,主要限制就是包装材料和包装方法。2014年,有企业率先成功研发铝箔袋氢水包装技术,2015年又实现铝铁材料易拉罐包装技术。只有保证了高浓度且稳定性好的氢水产品供应,才能满足动物和人体临床试验需要。国内多家研究机构选择该公司的产品开展基础和临床研究,在抑郁症、血脂调节和糖尿病改善等方面取得较好研究结果。目前国内有10多家包装氢水生产企业,氢水工业化技术逐渐趋于成熟。近年来,国内多家企业开发了压力桶装氢水,利用高压有效保持氢气浓度,受到市场的欢迎。但是这种技术仍不够成熟,尚待进一步改进。

用简单通气法制作含氢溶液是气体溶液研究最经典的手段,这种方法类似水产品养殖过程的给气方法,但由于溶解效率比较低,氢气浓度也很难标准化,无法用于饱和氢水生产。纳米气泡是比较新的概念和气体溶解技术,是氢水制造最理想的选择,4.5节将专门介绍该技术。
 

氢气的使用方法
 

三、氢气生理盐水注射

从氢气制备方法和有效物质考虑,氢气生理盐水注射与饮用氢水没有根本区别,也是通过各种方法促使氢气在生理盐水中溶解来制备。将来正式应用于临床则要求更为严格,需要达到无菌无热源的注射液要求,以及通过规范的安全性有效性临床试验、向国家监管部门进行医疗注册申报等。

氢气生理盐水注射有特殊优点。这是一种有前景的临床应用技术,这种给氢方法不受患者自身因素影响,可比较准确地控制氢气摄取量。2009年,第二军医大学孙学军教授课题组在国际上率先建立氢气生理盐水注射液制备方法,给国内50多家单位提供这一技术方法和溶液成品,先后开展氢气对各类器官缺血再灌注损伤、脑出血、各类炎症性疾病、动脉硬化、高血压、肾结石、脑外伤、皮肤烧伤、肝脏损伤、糖尿病等疾病的改善效果的研究,总计发表国际国内论文百余篇,约占国际氢气医学研究论文的10%。

日本Miz公司开发出一种制备氢气生理盐水的技术,该技术可在不破坏包装的情况下,将普通生理盐水转化成氢气生理盐水。技术关键是把普通聚乙烯材料袋装生理盐水在氢气饱和溶液中持续浸泡48小时,氢气能透过聚乙烯材料进入生理盐水,日本学者利用这种方法制备的氢气生理盐水已经用于临床试验,初步结果证明这种方法安全可行,用这种氢气饱和生理盐水给患者静脉注射,发现对脑干缺血改善效果比依达拉奉更理想,对各种皮肤病如皮疹也有效果。
 

氢气的使用方法
 

四、其他氢气使用方法

国际上氢气医学研究和产业研发还有一些非经典技术应用。这些技术的相关研究和产品相对较少,但从理论上也直接或间接涉及氢气的作用,而且各有特色优势和潜力,故在这里一并列举。

1、氢水沐浴和局部涂抹

氢水沐浴和局部涂抹都属于局部给氢方法,这种方法可让皮肤组织获得高浓度氢气,是氢气改善皮肤病的最理想手段。韩国学者研究发现,氢水沐浴具有对抗皮肤皱纹形成、预防皮肤衰老的作用。结合饮用和局部涂抹氢水方法改善皮肤炎症损伤,大部分在1~2周内获得显著改善效果。华山医院皮肤科专家研究发现,氢水沐浴能有效缓解牛皮癣患者皮肤症状,对特应性皮炎的改善效果也比较理想。皮肤局部给氢在美容领域广泛使用,典型的方法是敷氢水面膜,或者也可以直接使用氢水,也有用产氢材料如氢化镁与水反应释放氢气。一些国际著名化妆品公司正在研发氢概念的化妆品。

氢水沐浴可作为经皮肤摄取氢气的手段,但与氢气吸入或氢水饮用相比,皮肤摄取氢气的效率相对比较低,不宜作为全身疾病的改善方法。

气态氢气也很容易被皮肤吸收,局部摄取气体方法曾经用于皮肤的二氧化碳吸收。将全身或局部密闭在一定浓度氢气环境中,氢气强大的穿透性和扩散能力使其可以进入皮肤,实现对皮肤及全身的氢气改善,这种方式与氢水沐浴类似。有公司开发出这种氢气舱产品,通过初步观察发现,氢气不仅对皮肤疾病有改善价值,对皮肤毛细血管也有显著舒张作用,可能会对全身代谢产生影响。

用氢气滴眼液滴眼也是局部利用氢气的方法。该技术产品用于角膜化学烧伤和视网膜缺血的动物实验研究,研究发现反复用氢水滴眼对角膜烧伤和视网膜缺血再灌注损伤具有明显改善作用,提示氢气滴眼液对眼科疾病具有潜在而广泛的应用前景。

2、氢气注射

在人体组织内注射气体并不新鲜,在血管内注射微气泡已经是一种超声造影技术,在眼球内注射气体可改善视网膜脱离,在脑室注射气体造影用于中枢神经系统疾病诊断,在腹腔镜手术时注射气体用于改善手术视野,这都是气体注射的临床应用方法。

中山医科大学黄国庆博士等对比腹腔注射氢气和氢气盐水对全脑缺血的改善效果,发现直接注射氢气可获得比同样体积液体60倍以上的氢气摄取量,从理论上证明气体注射方法可以显著提高氢气利用率。2017年,温州医科大学王方岩教授等给糖尿病动物皮下注射氢气,发现氢气对血糖、血脂和氧化应激等都有一定的改善作用,并能预防肾脏组织损伤、保护肾脏功能。皮下注射氢气的方法理论上与腹腔注射氢气一样,可以被身体吸收并发挥作用。2018年,黑龙江兽医学院省重点实验室学者给狗皮下注射氢气,发现能改善狗的洋葱中毒。也有学者采用肛门注射氢气研究疾病改善效果,理论上使用这样的方法氢气也能被人体吸收。

由于氢气的扩散能力强,通过各种途径注射的氢气被组织吸收没有困难,氢气注射改善作为简单可行的方法值得重视。但此方法的缺点是可能会引起注射部位气肿或感染,这种方法的安全性和有效性尚需要更多研究确定。

3、诱导肠道菌群产生氢气

口服人体小肠不吸收的药物和食物,这些成分不能被小肠吸收,会沿着消化道进入大肠,大肠内细菌能分解消化这些成分。利用这些物质,许多可合成氢气的细菌能大量制造氢气。有学者曾经证明,口服阿卡波糖、直链淀粉、姜黄素、乳果糖等可促进体内细菌产生氢气。另外,可能具有促进大肠细菌产生氢气的食物成分包括棉子糖、乳糖、山梨糖醇、甘露醇、寡糖、可溶性纤维素等。某些具有促进肠道蠕动功能的通便类中药或许也含有能促进肠道菌群产氢的成分,两种因素(肠道菌群生长活跃和氢气对肠道蠕动产生的刺激作用)共同产生通便效果。

肠道菌群被诱导产生的氢气数量很大,其中很大一部分氢气被另外一些细菌如产甲烷菌消耗掉,但仍有许多氢气可被大肠黏膜吸收进入血液循环,并被运输到全身器官发挥改善疾病的作用。

4、口服可释放氢气的药物

金属镁曾经作为改善胃炎的药物使用,在胃酸作用下,金属镁可以迅速产生氢气,关于这种方法是否可以达到利用氢气改善疾病的目的,目前实验证据还不够充分。

氢健康产业中有含氢负离子(也可以称为氢阴离子或者氢负离子)的保健食品。氢气作为氧化剂氧化某些金属或非金属产生的化合物(如氢化镁、氢化钙和氢化硅等)中,氢气作为负离子参与化合物构成。这些氢化物具有非常活泼的化学性质,与水接触会迅速发生反应并释放大量氢气。因此,氢负离子的本质作用应该是氢气。但口服氢化物对食物和肠道的作用可能比较复杂,应进行深入研究和探讨。

一些临床药物也影响肠道菌群产生氢气,例如他汀类药物能抑制甲烷菌,而甲烷菌可利用氢气产生甲烷,这类药物间接抑制细菌代谢氢气从而增加肠道内氢气含量,推测这可能是他汀类药物产生心脏保护作用的原因之一。

5、电针和直流电

电针的本质是直流电,在使用电针时,机体组织会被电极电解,在电针的正极,由于失去电子发生氧化反应,水被电解会产生氧气,而由于组织液的成分复杂,在电针的正极非常容易产生各种活性氧,因此在电针过程中,正极可能会发生一定氧化损伤。而在负极氢离子接受电子变成氢原子,氢原子结合成氢气被组织摄取。有研究证明,直流电或电针可使组织内氢气浓度升高。电针的负极被作为疾病改善的主针应该不是巧合。

电针是从中医理论出发而开发的改善方法,电针改善疾病的大量机制研究证实,电针可造成组织内氢气浓度增加,氢气被吸收进入血液循环并扩散到全身,不应忽视氢气对电针改善效应的贡献。许多研究发现,电针具有抗氧化和抗炎症作用,这与氢气的医学效应相匹配。证明氢气是电针改善疾病的主要作用机制,这不仅对氢气医学研究有价值,也给电针改善疾病的机制提供了非常充分的解释。

深圳大学医学院何前军教授课题组使用氨硼烷作为氢气药物前体,利用这种物质强大的氢气储存能力和在酸性环境下释放氢气的特性,在国际上率先实现了携氢介孔纳米硅颗粒的细胞定向输入。利用癌细胞内微酸环境进行长时高效细胞内氢气释放,证明大剂量氢气对癌细胞具有显著直接杀伤效应。2018年,何前军教授小组利用纳米钯作为氢气输送工具,结合光照热疗提出“氢热疗法”新概念,作为癌症改善的新方法,这一概念有非常广阔的应用前景。

台湾清华大学学者建立的全新给氢方法是利用人工光合作用系统在组织局部用光照产氢,并证明这种方法能缓解组织炎症。作为一种改善疾病的气体,氢气该如何使用是重要的科学和技术问题,也必然会受到学术和产业界的共同重视,这一领域将会不断出现更多新技术。
 

五、纳米气泡技术

气液混合技术通过两种形式实现,一是液体进入气体,另一种是气体向液体扩散。作为一种气体溶解新技术,纳米气泡是氢水制造的最有效、最理想的技术手段,这一技术能使氢气快速地进入水中,并且可以制造出较高浓度的氢水,解决氢气在水等溶剂内不溶或溶解度低等的困难,受到氢气医学研究和氢健康产业的广泛接受和认可。一些商业包装氢水的气液物理混合多采用纳米气泡技术,也有高端家用氢水机使用纳米气泡技术。纳米气泡技术与氢气医学几乎是珠联璧合,氢气医学让纳米气泡技术进入健康领域,纳米气泡技术让氢水成为平民饮品。纳米气泡技术是实现氢水沐浴、氢水养殖和农业灌溉等用途的规模化氢水制备最理想的方法和手段。

1、纳米气泡的定义

气泡根据大小可分为宏观气泡、微米气泡和纳米气泡三种(见图4-1)。宏观气泡在水中浮力较大,会迅速上升到液体表面而发生崩解。微米气泡也相对不稳定,很快在水中消失。但直径小于1微米的纳米气泡能在液体中较长时间稳定存在,目前机制还不明确。根据气泡所在环境状态,气泡分为界面气泡和体相气泡。界面气泡是指吸附在液体与固体两相界面的气泡;体相气泡是自由存在于液体内的气泡。

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图4-1 气泡大小和特征
 

纳米气泡也有两种基本类型:一种是界面纳米气泡,指固定分布在液体与固体界面上的球冠状或吸附在凹陷处不规则形状的气泡;另一种是体相纳米气泡,指悬浮在液体中的球形纳米气泡。本书主要介绍体相纳米气泡。气泡研究领域一般把直径在1000纳米以下的气泡定义为纳米气泡,在工业上称为超细气泡(ultrafine bubbles)。微米气泡的直径为1~100微米,在工业上称为精细气泡(fine bubbles)。

根据经典理论,气泡越小,表面张力越大,因此纳米气泡表面张力非常大,造成内压非常高,所以纳米气泡不能稳定存在。但是大量研究证据表明,纳米气泡并不符合经典理论推测,不仅能稳定存在,其稳定存在的时间超乎想象,从几个小时甚至到几天,但对纳米气泡稳定存在的理论研究目前还不成熟。

2、纳米气泡的特征

纳米气泡比表面积大的特点符合一般纳米材料规律,也是纳米气泡作为气液技术的重要基础。氢水制造技术有两个关键问题,一个是气体在水中的溶解效率,另一个是氢水的稳定性。纳米气泡可以说完美地解决了这两个问题,不仅有效提高了气液接触面积,而且因为纳米气泡的长寿命提高了氢水的稳定性。

气泡表面积与气泡直径呈负相关关系,因此同样体积的气泡,100纳米直径气泡的表面积是10微米直径气泡的表面积的100倍。理论上气泡形成消耗的能量依赖于界面面积,界面面积取决于气泡表面张力。直径小于25微米的小气泡表面刚性强,类似于高压气球,不容易崩解。数毫米直径的大气泡表面比较柔软,很容易变形崩解。大气泡的浮力比较大,很容易上升到液面。

气泡上浮速度与气泡直径的平方成正比,这种关系只适用于小气泡。直径大于2毫米的大气泡外形会发生变化,上升速度不受直径影响。直径小于1微米的纳米气泡上升速度非常慢,远低于布朗运动的速度,整体上表现为不上升。

除浮力外,直径小于25微米的小气泡有自动收缩趋势。根据亨利定律,溶液中溶解气体的分压与气泡内气体分压一致时,气泡内气体溶解与溶液中气体向气泡内释放达到平衡。小气泡由于表面张力作用内压增加,造成气泡内气体分压超过气泡周围溶解气体分压,这会导致气泡进一步缩小,体积缩小后表面张力效应增强,这种正反馈效应会使气泡迅速崩解。相反,因为大气泡上升,周围静水压下降,内压降低,气泡体积增大后气泡内气体分压降低,溶液中气体向气泡内释放会导致气泡体积逐渐增大,表面张力效应降低,气泡内压进一步降低。所以,在某气体饱和溶液中,这种气体的气泡有大者增大,小者缩小的趋势。气泡的特性非常符合马太效应(见图4-2)。

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图4-2 经典气泡的马太效应
 

纳米气泡的较强静电场能避免气泡发生融合,并且能对抗浮力作用。气泡所带电荷大小一般用zeta电位来表示。因气泡在水中带负电,所以zeta电位一般是负值,大多数与气泡直径无关。zeta电位受水的pH值影响非常大,也受到离子强度影响。所有气泡都带负电荷,相互之间的静电排斥力能限制气泡融合。气泡越小,融合需要的能量越大。所以,小气泡可以增大或缩小,但不容易发生融合和崩解。

不可溶性气体可以形成超长寿命的纳米气泡。根据杨一拉普拉斯公式,气泡直径越小,内压越大。1微米气泡的内压约为1.4个大气压,100纳米气泡的内压约为14个大气压。纳米气泡内压会达到非常高的水平,足以让内部气体迅速溶解消失。这与纳米气泡具有长寿命的事实不符,说明经典理论本身存在缺陷。所以杨-拉普拉斯公式已经不适用于纳米气泡。有人提出可能是表面材料对表面张力产生的影响,也有人认为是过饱和溶液能降低纳米气泡表面张力,这也是纳米气泡长寿命的原因。若气泡的气-液界面包含表面活性剂如蛋白质或去垢剂,则表面活性剂能降低表面张力,降低气泡内压,增加气泡稳定性。

纳米气泡技术是有效的气液混合技术,过去20年,这一技术受到大量研究人员的关注,多数研究集中在微纳米气泡制备、测定和纳米气泡特性分类等方面。

3、纳米气泡制备方法

空化产生气泡是静态或准静态过程,主要在特定温度下使压强下降到某阈值,这类似于沸腾,区别是通过降低压强而不是增加温度。气泡形成后进入融合和崩解的动态过程。根据气泡内容不同,空化分为雾空化和气空化。气泡融合和气泡崩解是小气泡的两种相反状态,小气泡融合起来可变成大气泡,也能通过崩解变成更小的气泡。

气泡制备方法主要包括水力空化和颗粒空化、声学或声波降解法、电化学气蚀和机械搅拌等。所有技术背后的物理学基础都是利用表面张力和能量消耗降低压强。加压强空化有两种技术,一个是利用水流湍流造成压强改变的水力空化,另一个是使用声波空化作用。局部能量耗竭空化可用光源光子或其他基本粒子诱导。在水处理技术中,水力空化是常用的气泡制备技术,通过加压饱和、气泡剪切、分裂和机械搅拌等产生气泡。声波空化是利用声波在液体中产生的高负压超过周围静水压的空化作用产生气泡。超声波探头有的放在液体内,也有的放在液体外。声波空化有两种情况。第一种是均匀成核,是气泡崩解时声波引起的拉伸应力超过分子间作用力。实现这一目标所需的能量远远大于理论计算值,因为液体本身具有非均匀性,气泡出现具有不确定性。第二种是异相成核,空化在液体最薄弱区域出现,例如液体中本来存在不易扩散的气体。电化学方法是用表面产生电流形成气泡。机械空化是利用高速搅拌将有限体积气体与液体进行混合,其原理与水力空化类似。

实验室纳米气泡制备方法包括浸渍自发生成、溶液替换、温差、电解水、催化和加减压等。工业制备主要考虑能耗和效率,纳米气泡的基本工业制备方法有四类,分别是机械剪切、超声空化、加减压和湍流管法。机械剪切是高速搅拌溶液,让有限体积的气体和液体充分混合并空化成气泡。超声空化是利用声波使液体局部出现负压应力,负压使局部液体内气体过饱和而析出气泡。加压使气体溶解度增加,减压使气体出现过饱和而析出。湍流管法是利用湍流形成的局部水压的波动。这些方法制造气泡的基本原理非常接近,都是利用水压强的剧烈波动,使水中气体在溶解和析出的快速转换中产生气泡。为了获得更好的效果,实际应用中常将多种方法联合起来使用。生产包装氢水时,常用超声结合加减压,通过技术指标优化获得最佳气泡生成效果。小型纳米气泡氢水机常采用减压湍流管技术。

4、纳米气泡超长寿命原因分析

纳米气泡的稳定性一直存在争议,按照经典的杨一拉普拉斯公式,气泡体积越小,表面张力越大,内部压强越大,内部压强大会驱动气泡内气体向液体扩散溶解,表面张力和气体逸出的结果使气泡快速趋向缩小甚至崩解消失。例如,当气泡直径为159纳米时,可产生大约4.5个大气压的内压。这样高的内压已达到气泡快速崩解的条件。理论上纳米气泡不可能长时间存在,但许多研究发现纳米气泡寿命非常长,在液体中纳米气泡能长时间大量存在。

需要强调的是,纳米气泡长寿命的一个重要特点是有一个尺度范围,大约在150纳米,并且在50~500纳米(见图4-3),条件如温度、液体和气体成分不同,这个范围有一定变化。当气泡直径小于50纳米,如极小纳米气泡,仍然符合快速崩解的特点;当气泡直径超过500纳米,正好处于经典气泡具有收缩趋势的范围。

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图4-3 不同尺度气泡的特点
 

纳米气泡的浮力非常小,周围溶液分子运动影响相对很大,导致纳米气泡不能上浮到水面,可长时间悬浮在液体中。理论上5微米气泡就不会上升,这种气泡的浮力小于液体流动的干扰,气泡之间和气泡与液体分子之间的影响也相对比较大。关于纳米气泡内压,一些科学家不同意根据杨-拉普拉斯公式的理论计算值。杜尔曼计算了液滴的表面张力,并提出随着体积缩小,表面张力相对降低,纳米气泡内压强也可能低于杨-拉普拉斯公式的理论计算值。长山等进行的分子动力学模拟也发现,纳米气泡内压强远低于杨-拉普拉斯公式的理论计算值。吴承勋等进行的氢气汽油内纳米气泡的分析发现,氢气纳米气泡寿命可以稳定121天。

纳米气泡稳定的关键因素是电动电位。纳米气泡表面负电位就是这种电动电位。纳米气泡与胶体颗粒的性质类似,在表面都会形成一层电位,这种电位在物理学上有专门的名称,称为电动电位。纳米气泡电动电位的特征就是气泡界面外侧呈负电,内侧呈正电。电荷排斥与表面张力作用方向相反,具有降低内压和表面张力的作用。任何能增加负电荷的物质都有利于气一液界面,如用氢氧根离子或防静电枪增加阴离子能缩小纳米气泡直径。普通纳米气泡直径约为150纳米,二氧化碳纳米气泡混合1小时后直径只有73纳米,是因为二氧化碳气泡界面有高浓度碳酸根离子。与表面电荷类似,纳米气泡之间缺乏分子间作用力(气泡内电子密度接近于零),也能避免气泡融合。分析发现,纳米气泡表面电荷能对抗表面张力,避免纳米气泡内形成过高压,能减少气体因高压向液体中溶解,避免气泡发生崩解。气泡达到平衡是稳定的基础,那么表面电荷密度对于气泡稳定性是重要的。当纳米气泡发生收缩时,电荷密度随之增加,在这个过程中,电荷起到使气泡扩张的作用。即使在平衡状态,气泡内气体仍然可以向未饱和的液体中溶解,除非这种液体表面也充满该气体。

盐离子浓度是影响纳米气泡稳定性的负面因素。纳米气泡稳定性也会受溶液酸碱度等性质的影响,溶液碱性越强,气泡体积越大。气泡与溶液之间气体双向扩散、速率下降也是一种关键因素,这也类似于当前比较热门的界面水效应的概念,纳米气泡大概算是一种最安全的界面水溶液制备方法。中国科学院上海高等研究院张立娟等曾经用同步辐射软X射线对纳米气泡表面这种水结构进行了研究,证明纳米气泡壳是一种非常特殊的水结构。

5、纳米气泡检测方法

尽管纳米气泡非常稳定,但是气泡大小分布、气泡数量和平均大小都会随着时间发生改变。界面纳米气泡检测常用原子力显微镜。体相纳米气泡常用光散射、冷冻电子显微镜和共振质量测量,共振质量测量是简单方便的区分固体颗粒的技术。纳米气泡溶液的特点会受到纳米气泡等效直径、数量和大小分布的影响。不同方法可能会有不同的测定结果。

纳米气泡受到布朗运动的影响大,表面有硬壳,其行为接近固体纳米颗粒,因此,纳米气泡可以用动态光散射方法进行测量,动态光散射是利用通过样品的反射波波形改变进行分析。波形受颗粒布朗运动影响,大气泡产生的散射作用强,但波动比较慢。用斯托克斯一爱因斯坦公式计算扩散常数确定颗粒半径。这种方法最多能测量每毫升10亿个纳米气泡。分析总体信号可以获得气泡数量和大小分布,但不能获得每个气泡的运动情况。纳米气泡运动需要用纳米颗粒跟踪分析方法。

纳米颗粒跟踪分析如NanoSight是相对分析方法,这种方法利用光散射跟踪小体积(80皮升)中的每个气泡,能确定特定时间纳米气泡在x或y轴上的运动。颗粒运动速度取决于颗粒大小,体积越大,速度越小。相对于动态光散射每毫升至少109个纳米气泡,纳米颗粒跟踪分析能分析更低浓度的纳米气泡,可达到每毫升至少105个纳米气泡。

共振质量测量是对流过一个共振跳板的纳米气泡进行的测量,这是一种比较新的技术,能清楚区分固体和气体纳米颗粒。1微升纳米气泡溶液每分钟通过共振器约12纳升,理想状况是每秒通过一个纳米气泡,改变有效质量并被转换为共振频率。

库尔特氏计数器是病毒和细菌等微生物的计数装置,主要由两个小室组成,中间以不导电的薄隔板隔开,隔板带有大小与待计数的颗粒类似的单一小孔,每个小室都有电极。当纳米气泡等颗粒进入微管时,因为管内液体被气泡代替,电阻发生改变,其变化与颗粒体积有关,利用这个特征可对通过微管的纳米气泡进行计数和体积计算。

直径超过500纳米的大纳米气泡能用高分辨光学显微镜进行图像分析,观察时需要用亚甲蓝进行染色。也有利用气泡内气体成分的性质进行检测的方法,例如用红外线探测二氧化碳纳米气泡。

电动电位也经常作为纳米气泡探测指标,研究显示,较大的电动电位是纳米气泡稳定性的原因,但是这种电位不能提供气泡数量和体积的信息。电动电位高峰是气泡直径在10~30微米时,分散粒子因表面带有电荷而吸引周围的离子,这些离子在两相界面呈扩散状态分布而形成扩散双电层。测量电动电位的方法主要有电泳法、电渗法、流动电位法和超声法,其中电泳法应用最广。测量纳米气泡电动电位可使用电动电位分析仪。

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