富氢冰专利技术
如果能实现稳定包裹氢气，这种方法不仅可以制成小型设备，也可进行大型生产制造。
本文介绍了一种用于生产富氢冰(HRI)的系统和方法，该方法是将已与氢气和CO2混合的水引入管式制冰机的垂直管中。垂直管内温度和压力可通过在垂直管周围制冷来保持，以形成二氧化碳包合物水合物捕获氢分子。随后，当HRI管冰形成并从管冰机中释放出来时，它变暖，二氧化碳包合物水合物解离，氢气被释放和使用。例如，把管状冰小圆筒放在一杯水里
发明背景
氢分子是能穿过细胞膜并可在全身分布的最小气体分子。氢曾经被认为在人体内是惰性的，也是最安全的。氢与超氧阴离子(O_)和羟基自由基(OH-)的反应常数在10-7 M/s之间，而其他分子的反应常数在10-9 ~ 10-10 M/s之间。传统抗氧化剂治疗效应有限，因为它们中和了活性氧(“ROS”)的有害和保护作用，强活性ROS如OH-，它损害组织；有利的活性氧如超氧阴离子和过氧化氢，具有内源性信号转导作用，本身具有保护作用。作为一种典型的还原剂，氢气通过只与强氧化剂(如OH-)快速反应避免了这种矛盾，同时使其他有益的氧化剂保持活性。这就是氢气选择性抗氧化的精髓。
氢分子(氢气)曾经被认为是我们体内惰性和非功能分子。然而这一概念目前受到质疑，因为最近研究表明，氢气能与细胞中的强氧活性氧(如羟基自由基)发生反应，并发挥潜在的疾病预防和治疗价值。氢气具有许多优点，表现出广泛的效应。例如，氢气能迅速扩散进入组织和细胞。氢气足够温和，既不干扰代谢氧化还原反应，也不影响信号活性氧。因此，摄入氢气应该没有不良健康影响。
有关氢气的生物医学益处的出版物表明，氢气不仅通过与强氧化剂的直接反应，而且还通过调节各种基因表达间接地降低氧化应激。通过这种方式，氢气发挥了抗炎和抗凋亡的作用，并刺激能量代谢。除了通过疾病模型动物实验获得越来越多的证据外，目前正在大量进行临床试验验证其人类疾病治疗效果。大多数临床药物都只针对特定目标作用，氢气似乎与传统药物不同，表现出作用广泛普适的特点。由于氢气的疗效好且无不良反应，因此在临床上具有广阔应用前景。例如，对慢性氧化应激和炎症导致中枢神经系统功能恶化，各种导致生活质量低下的疾病和状况(“QOL”)。
氢气具有抗氧化活性，预防炎症，并可能有助于改善生活质量。一项研究旨在调查饮用富氢水(富氢水)对成年志愿者生活质量的影响，采用心理生理测试，包括问卷调查、自主神经功能和认知功能测试[2]。持续氧化应激和炎症是大多数生活方式相关疾病、某些癌症和衰老过程的主要原因之一。氢气可控制炎症和氧化应激，对这些疾病和问题产生潜在效应。
急性氧化应激可损伤生物组织。尽管氧化损伤具有很强的临床重要性，由于缺乏选择性，抗氧化剂一直难以获得治疗的成功。因此，氢气具有作为一种新型抗氧化剂在预防和治疗方面应用的潜力。氢作为一种潜在的抗氧化剂有许多优点：氢可以迅速扩散到组织和细胞中；它足够温和，既不会干扰代谢氧化还原反应，也不会影响在细胞信号中起作用的活性氧(ROS)。因此，人体摄入氢气没有副作用[3]。
目前已知多种摄入或消耗氢气的方法，包括但不限于吸入氢气、饮用氢气溶解水(富氢水，富氢水)、进行氢浴、注射氢气溶解盐水(氢盐水)、将氢盐水滴到眼睛[1]。自2007年在《自然医学》上发表第一篇氢气医学研究论文以来，在国际著名生物医学期刊上发表了超过38种疾病、生理状态和临床试验，证实了氢气的生物学医学效应，有几个小组正在进行临床试验。此外，氢气还表现出抗炎和抗过敏作用。例如，氢气调节各种基因表达和蛋白质磷酸化乙酰化过程，尽管分子机制表明非常少量氢气具有显著效果仍然难以让人理解。
氢气在普通水(如自来水和纯水)中的含量约为8.65x10-7 mg/L（原文这个数值大概是正常水中氢气的含量）。换句话说，一升水可以容纳不到800万分之一毫克的氢，这已经是一个治疗价值（这怎么可能有效？）。使用溶解在水中的氢气的研究范围从0.5 mg/L到1.6mg/L，大多数研究使用在1.6 mg/L (0.8 mM)附近的浓度。根据目前技术水平，在环境条件下(293°K和0.1 MPa)水中“饱和”的氢气浓度为1.6 mg/L (1.6 ppm或0.8 mM)。
如前所述，在室温常压下，氢气可溶解在水中，饱和溶解度大约1.6 ppm。出乎意料的是，饮用富氢水的效果堪比吸入氢气。
富氢水的制备方法有几种，包括在高压下溶解水中的氢气和镁与水反应。电解水产生氢气，将氢气溶解于水中，产生高浓度富氢水[6]。
补充氢的液体代表了一种氢气输送的理想方法，可以很容易地转化为临床实践后期可转化为有益的效果。有研究发现氢水对动脉粥样硬化，2型糖尿病，代谢综合征，衰老过程中的认知障碍和帕金森病等具有治疗效果。目前还没有明确的治疗方法来有效提高癌症放疗患者的生活质量。每日消耗可溶性氢可能是治疗有益的，可以使用已知的给药方法来减少其对患者生活方式的影响。不幸的是，在接受放疗的患者中，摄入通过镁棒产生的富氢水，可减少不良事件。富氢水消耗6周可降低血液中的活性氧代谢物，维持血液氧化电位。放疗期间生活质量评分明显改善。
摄入富含氢的水会使人体获得数万亿个氢分子。例如，氢是一种有效抗氧化分子，可以清除或中和体内有毒的羟基自由基，从而减少氧化损伤。氢水疗法是安全的，因为氢气没有使用上限。氢气疗效随着氢气剂量增加而增加。例如，氢疗法理论上可以改善晚期癌症患者的病情。
氢气没有毒性，因为中和自由基反应的产物是水。每个氢气分子可中和2个羟基自由基成2个水分子，在这个过程中使细胞水合。浓度为1.6 mg/L的富氢水比100mg维生素C含有更多“抗氧化剂”分子，因为1.6 mg氢比100mg维生素C含有更多分子数量。
气体在水中的溶解度受压力和温度影响。例如，增加压力会增加氢气在水中的溶解度，降低温度也会增加氢气在水中的溶解度。由于氢气是非极性分子，它不能与水分子形成氢键，因此在水中具有良好的溶解性。例如，氢在水中的溶解度与氮气或氧气的溶解度相当，它们都是非极性的。另一方面，极性气体，如二氧化碳，表现出比氢气大100倍的溶解度值。
另一方面，氢和二氧化碳有相互兼容的共价键，在一定条件下，会发生以下反应:
H2+ 4CO2 = CH4 + 2 H2O
当然，这个CO2的甲烷化反应在普通环境条件下可以忽略不计的，但是这个反应的理论概率帮助我们估计氢气和二氧化碳混合物的最佳气体比例（什么逻辑？）。在这里，二氧化碳甲烷化是通过首先结合吸附一个氢原子并在氢化前形成氧中间体或在被氢化[9]前分解并形成羰基来进行的。因此，CO2甲烷化需要使用80%体积的氢气和20 %的CO2气体混合物。
自降低温度升高气体溶解在水里。氢和二氧化碳气体混合物应该溶解在水中最低可接受的水温度冻结条件下(即小于273°K)。实际上，低于273°K时氢气在水中的溶解度大约是2.0 mg / L(2.0 ppm)，但在293°K以下只有1.6 mg/L (1.6 ppm)，在298°K以下是1.5 mg/L (1.5 ppm)[10]。因此，在水中溶解和保存最大量的氢气要求溶液温度应降到最低。（也有研究发现氢气在水中的溶解度和温度不是简单线性关系。）
提高水中溶解氢气的最佳方法是冷冻富氢水。根据文献，氢气是镁与温水(如298°K)发生化学反应，然后将水溶液冻结，生成饱和氢冰。这种方法的缺点是在氢饱和制冰过程中增加了一个复杂步骤。在这里，温水被用来提高镁的化学反应速度，而镁的化学反应是用来生产氢气的。而且，后续接触冰水并不能增加冰氢的浓度，根据参考资料，氢最初是在高温下被吸收的。
根据研究，成核是冰晶形成的起始因素。成核是一个过程，在这个过程中，液体中的分子开始聚集成微小团簇，以一种固体晶体结构方式排列。有两种类型的成核过程。冰在自然界中无处不在，非均质冰成核是最常见的冰形成途径。当冰开始在成核点周围形成时，如液体中的物理扰动、杂质(如盐)或容纳溶液的容器中的不规则性，就会发生非均相形核。例如，生物样品不包含纯水，样品总是经历非均相成核。
水合物是一种包合化合物，氢键水网络中形成“笼”，“客体”分子被囚禁在水笼中。固体气体水合物通常在接近或高于冰点的高压和低温下形成。天然气水合物就是著名的可燃冰，水合物的独特特性是，一个体积水合物可以捕获70到300倍气体体积。氢气水合物是在水晶格中以速率含有氢气的包合物。在4°K左右的低温和700MPa[20]左右的高压下纯氢也能独立形成水合物。这种物质很有趣，因为它可以在氢气工业中储存氢。环境条件下笼型水合物中氢气储存有许多潜在应用，如氢能源、环境和生态保护。水合物的稳定性取决于水合物的粒径、初始质量分数和保存温度。
CO2包合物水合物是使用CO2/氢气混合形成，氢气被“捕获”在CO2包合物水合物中。在较低温度下，观察到更大颗粒尺寸的CO2水合物晶体样品具有更好的稳定性。据报道，颗粒尺寸为1.0 mm和5.6-8.0 mm的样品可在243.2°K和253.2°K 常压下储存三周。
在0.1 MPa左右和274-283°K左右温度下，二氧化碳包合物水合物解离[16]并释放出俘获的氢气。分解产物是水和俘获“客”二氧化碳和氢气分子。但在温度低于水凝固点(冷冻条件)的情况下，二氧化碳包合物水合物可储存三周以上。
管冰是一种有内孔的圆柱形冰。管冰是用管冰机制造的，管冰机有一个制冰器，制冰器是一个垂直管壳式容器，周围装有冷却剂(或制冷剂)。管冰是在垂直管的内表面形成冰柱，并以小型空心圆柱体的形式产生。管冰机的布置与管壳式热交换器的设计类似，管壳式热交换器的内部有水和冷却剂，或制冷剂，填充垂直管之间的空间。该机器通常按一个时间周期自动运行，在垂直管道内表面形成的冰柱通过热气体解冻过程释放出来。当冰柱从管子上落下时，一个切割器将冰切割成合适的长度。
在运行中，低温制冷剂液体被填入垂直管之间的空间。水从水箱中抽出，送到垂直管的入口，然后沿着垂直管的内壁向下流动。垂直管内部的水与垂直管周围的低温制冷剂交换热量，于是水在垂直管的内表面结冰形成冰膜。当水在冻结循环过程中通过垂直管道循环时，冰膜的大小不断增加，直到冰膜达到一定的厚度，这时热制冷剂气体取代了低温温度的制冷剂气体，并融化了冰膜的表面。在重力作用下，冰柱从垂直冰管中释放出来，落入一个冰切割机，然后它们被切成冰管碎片。
Boris, A., & Alexander, A. (2021). Apparatus for generating hydrogen-rich ice.
