读本文先阅读：

1. 科学网—氢气多功能医学效应 2024年英学位论文第一章 

2. 科学网—英国氢生物医学博士论文 第二章 材料方法 

3. 科学网—氢化酶及其在人类蛋白质组中的同源物

4. 科学网—氢气生物活性的理论评估(博士之4) 

第五章 HydroVitality™电解水制氢技术（英国博士论文5）

英国在氢气医学工具方面的产品比较少，氢气医学研究的规模也比较小，但对一种普通的产品进行分析，可以说比较科学客观，也可以说是多此一举。这些内容在中国都是器械厂家自己进行分析，当然分析可能不全面不认真。如果申请医疗器械，则需要比较全面的数据，特别是生物安全性方面的数据。英国博士研究生学位论文的这种研究内容，看起来没有档次，但也可以说成是认真全面。

5.1 引言

1789年，荷兰商人阿德里安·帕茨·范特罗斯特韦克和简·鲁道夫·德伊曼首次展示了水电解可以产生化学计量比的氢气和氧气（奇斯霍姆和克罗宁，2016）。然而，这一技术在工业上的发展归功于伦敦开发商安东尼·卡莱尔爵士和威廉·尼科尔森（1800年）（里奇和兰姆，2022），以及后来的俄罗斯工程师德米特里·拉琴诺夫（1888年）（奇斯霍姆和克罗宁，2016）。

在1970年代，尤尔·布朗教授（拉奥、巴布和拉杰什，2018）为焊接作业中使用的氧氢发生器申请了专利（美国专利——#4014777，1977年3月29日）（第1章，第1.4节）。后来，布朗教授的技术被商业企业进一步发展，以提供持续的氧氢气体供吸入使用。例如，在中国（潓美医疗）已经测试了产生3升/分钟氧氢混合气的设备（关等人，2020），而其他仅产生氢气和氧氢气体的设备，各种流量可变（450毫升至3升/分钟），在市场上有大量销售。

大多数商用水电解器采用两种制氢方式之一，包括碱性水电解（AE）产生氧氢气（图5.1），或质子交换膜（PEM）（图5.2），通常产生纯氢气气体，氧气作为副产品被排放（王、曹和焦，2022）。

5.2 碱性水电解制氢气技术

碱性水电解（图5.1）是一种通过向含有催化剂如氢氧化钠（NaOH）或氢氧化钾（KOH）的水溶液中通电，引发水的氢-氧化学键分解的过程。这种电化学反应产生了反应1和2。

反应1：2 H2O (a) + 4 e- → 2 OH- (a) + H2 (g)

反应2：4 OH- → 2 H2O (a) + O2 (g)

由碱性水电解产生的气体通过一个多孔隔膜分离，并被吸引到负电极（H+）或正电极（OH-），在那里它们重新组合，分别形成H2和O2 + H2O，并从溶液中释放出来。这些气体随后可用于多种用途，包括作为燃烧引擎的燃料添加剂或吸入用途。

图5.1：碱性电解。碱性水电解过程中发生的分解反应的图解说明。

5.3 质子交换膜

相比之下，PEM技术（图5.2），由通用电气公司于1966年开发，利用涂有催化剂（如铱）的固体聚合物电解质膜（例如，Nafion），以及施加的电流，将带正电的质子（H+）从氧中分离出来（库玛和希玛宾杜，2019）（反应3）。

反应3：2 H2O → 4H+ + O2 + 4 e- → 2 H2 + O2

带负电的电子（e-）通过电路从阳极传输到阴极，在那里质子和电子重新结合，形成氢气。这种技术通常会将氧气释放到周围大气中，并用于许多商业氢气吸入器和设备中。

迄今为止，由于没有氢气任何毒性的迹象（Johnsen, Hiorth和Klaveness于2023年回顾），因此对氢气的剂量没有上限，而氧气是一种双基、强反应性分子，对于能量代谢等基本细胞过程是必需的，并且在治疗剂量下（< 2L/min）被身体良好耐受（O’Driscoll等人，2017）。人类对氧气的需求如此巨大；几分钟内缺乏它可能会致命（Parkes, 2012）。因此，假设氧氢吸入更适用于作为治疗剂而不是仅产生氢气的设备是合乎逻辑的，因为仅用氢气机器可以充分减少吸入空气中的氧气含量，增加了窒息、头晕和失去意识的可能性。（这危言耸听，注意这老兄不是医学专业，当吸入氢气流量比较小，即使纯氢气吸入一般不会导致这些问题。）

   图5.2：PEM电解。在PEM水电解过程中发生的分解反应的图解说明。中央的浅绿色块代表质子交换膜。氧气从系统中排出到外部大气中。

尽管各自的技术在离子交换电势、材料和反应细节上有所不同，但每种技术（AE/PEM电解）都共享相同基础的核心组件：负责离子导电的电解质、用于氧气演化反应的氧电极（阳极）和负责氢气演化反应的氢电极（阴极）。

两种形式的水电解（AE/PEM）本质上执行相同的任务，利用电化学反应将水分子（H2O）分解为组成氢气和氧气气体。然而，由于PEM装置的聚合物膜分离了产生的气体，这些装置更典型地用于纯氢吸入，产生的氧气作为废物排放到周围大气中（PEM也可以收集氧气混合氢气的混合气）。为了总结AE和PEM电解方法之间的差异，表5.1突出了可能与这些吸入设备商业化相关的主要内容差异。

表5.1. AE和PEM电解装置之间的比较。

5.4 HydroVitality™

作为医疗治疗领域的一项新兴技术，重要的是不仅要理解氧氢吸入的好处，还要认真评估用于生成消耗气体的装置的质量和安全性。由于HydroVitality™是一种商业产品，因此对设备输出（流速）、释放气体的纯度以及溶解在饮用水中的气体含量进行了评估（第5.4.1至5.4.5节）。制造商（Water Fuel Engineering, Wakefield, UK英国韦克菲尔德的水燃料工程）此前已确定了诸如操作温度（< 60°C）、功率消耗（< 79 W）、压力（< 0.2巴）和电催化剂的最佳浓度（20% KOH）等安全参数。

在本论文的实验部分（第6章和第7章）用于产生氧氢的HydroVitality™发生器，采用了AE技术。HydroVitality™是一个紧凑型（300 x 300 x 250mm）、轻便（8kg）且自调节的水电解装置，具有集成的电子控制单元（ECU）。ECU通过不锈钢电解板调节电压和电流，监控压力、温度和电解质水平等操作参数。如果发生电涌或操作参数超标，ECU将确保停止电解功能。

尽管KOH或NaCHO3都可以用作AE的电解质催化剂，但HydroVitality™系统采用KOH。如果使用碳酸氢钠，则会产生66%的氢气、30%的CO和4%的CO2（Mishra, Khatri and Kumar Jain, 2018），这将对健康有害。此外，由于O2和H2都能与大气中丰富的碳反应，并易于溶解在水溶液中，形成CH4、CO2和CO等有毒气体。因此，对这些设备排放的气体进行评估是必要的（第5.4.2节）。（甲烷和二氧化碳毒性都非常低！）

除了产生用于吸入的氧氢外，HydroVitality™发生器还可以在使用附带的不锈钢扩散石（0.5微米）时产生富氢水（HRW）（第5.4.3和5.4.4节）。当扩散石浸没在水溶液中时，它通过压力促进气体注入，使溶液吸收氢气。使用此方法产生的HRW随后可用于人类和动物饮用或沐浴，或作为种子、植物、真菌和果实的局部处理。

为了评估流速、气体纯度以及向饮用水中注入氧氢的效果，本章关注HydroVitality™设备的运行输出和可注入性因素。

5.4.1 氧氢发生器HydroVitality™的流量分析

为了评估HydroVitality™的流量，利用了水置换法（第2章，第2.2.1.1节）。图5.3显示的结果确定该设备以425（±26.36）mL/min的速率产生气体。（真不多）

图5.3。条形图描述了水置换测试的平均结果（n = 5）。误差线表示±SEM。

5.4.2 气体分析

为了确保HydroVitality™产生的气体没有被潜在有害或有毒化合物污染，将气相色谱分析外包给了SGS气体分析服务（第2章，第2.2.1.2节）（图5.4（A-D））。

已知硫会与铁和贱金属（Schrama等人，2017年）内在结合，且吸入含硫化合物可能严重刺激呼吸道（Orellano等人，2021年），为确保不锈钢电极（由铁和碳组成）的颗粒物不污染气体，还分析了含硫化合物甲硫醇、乙硫醇、二甲基硫和二乙基硫以及总硫含量。由于检测到的硫含量可以忽略不计，因此可以相当肯定地认为HydroVitality™系统不会产生潜在的有害气体硫化氢（H2S）或二氧化硫（SO2）（图5.4（D））。

图5.4（A-D）气相色谱分析。（A）图表描绘了分析结果。从左到右圈出：氢、氧、氮、二氧化碳和甲烷。（B）显示了转换为百万分之一（ppm）的数据。（C）一氧化碳（CO）显示可忽略不计的水平<0.1 ppm，而二氧化碳（CO2）的含量为0.311 ppm。（D）总硫含量显示≤0.1 ppm。

大气中高含量的氮在测试气体物质时很难排除，这反映在分析中（图5.4（A和B））。同样，大气中的二氧化碳在水中易于溶解，储水器中使用的水很可能含有微量二氧化碳。给出的适度甲烷（CH4）结果（图5.4（A））很可能是由于储水器或冒泡水中的溶解CO2与大量通过水电解产生的H2反应所致。图5.4（A-C）的结果仅识别出微量（<0.01%）的碳基污染物，如CO、CO2和CH4。报告的与碳相关的产品浓度可忽略不计，可以有信心地假设HydroVitality™氧氢发生器作为一个封闭且纯净的系统运行。对可能因电极不稳定而形成的硫化物的评估也被确定为可忽略不计（图5.4（D））。

表5.2显示分析中存在10.32%的N2。考虑到i)大气空气含有78%的氮，ii)气体评估本质上有受到大气污染的风险，以及iii) HydroVitality™设备是一个密封单元。根据亨利定律，储水库中的溶解气体如N2、O2和CO2是可以预期的（流体中溶解的空气量与系统中的压力成正比）。因此，假设氮含量是收集或测试过程中环境污染的结果。

表5.2. HydroVitality™的气体产出及考虑大气N2污染的推断产出。

5.4.3 氧氢注入水中的H2浓度和保留

为了确定HydroVitality™注入水中的H2浓度，使用亚甲基蓝-铂胶体纳米颗粒滴定法（Zhu等人，2023年）（第2章，第2.2.1.3节）对蒸馏水中扩散的H2进行了定量。

图5.5 使用H2Blue测量的250mL水中H2的浓度和保留情况。蓝色实心点代表数据点。粉色虚线显示了观察值的线性趋势。黑色虚线表示原始浓度（H2）的一半。蓝色箭头指示了溶解H2减少50%的外推时间。误差线表示±SEM。H2的基线水平为0 mg/L。

图5.5确定HydroVitality™设备产生的水含有0.52mg/mL的H2。在实验条件下，H2浓度减少50%的速率估计约为12分钟。

5.4.4 氧氢注入水中的O2浓度和保留

尽管H2可能是氧氢气体中的活性抗氧化成分，但记录扩散O2水平的增加同样重要，因为O2也是一种生物活性物质。使用溶解O2检测计测定了注入水中的O2水平（第2章，第2.2.1.40节）。未注入水的O2基线浓度为8.69 mg/L，经过30分钟注入后，O2浓度上升超过了饱和水平（12.5 mg/L），达到14.05 mg/mL O2（250 mL）（图5.6）。溶解O2减少50%的时间确定为大约7小时（420分钟）。

    图5.6 使用Clark型电极测量的250mL水中O2的浓度和保留情况。蓝色实心点代表数据点。橙色点表示注入前的O2水平。粉色虚线显示了观察值的线性趋势。黑色虚线表示注入浓度（O2）的一半。蓝色箭头指示了溶解O2减少50%的外推时间。误差线表示±SEM。

5.4.5 氧氢注入水的pH分析

由于水溶液的pH直接影响化学反应，为了更好地理解溶解氧氢对饮用水pH的影响，记录了注入后10分钟和20分钟的数据（第2章，第2.1.1节）（图5.7）。

图5.7 使用Jenway 3510 pH计测量的氧氢注入水的pH。蓝色线表示对照组。橙色线表示HRW。误差线表示±SEM。（遗憾的是，水中氢气会影响pH计测定结果，作者可能不知道这个。）

5.5 研究结果总结

总之，商用HydroVitality™碱性水电解设备能够产生高达450mL/min的氧氢气体，能够在30分钟的注入后将250mL的H2O注入0.52 mg/L的H2和14.05 mg/L的O2。尽管饮用水的pH通过注入过程略有提高，但在实验条件下仍保持在UK政府安全参数内（《水务行业法》，1991年）。HydroVitality™设备产生的气体纯度被认为大于89%，然而，考虑到实验协议中大气N2的污染，可以推断HydroVitality™产生的气体纯度为99%（表5.2）。此外，由于HydroVitality™可用于吸入目的以及用H2和O2注入水溶液，提供了一种具有治疗价值的HRW的可行来源（0.52 mg/L H2）（inthlsa.org），它在商业领域具有很好的定位。