氢气

氢气

常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的质量只有空气的1/14,即在0 ℃时,一个标准大气压下,氢气的密度为0.0899 g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性,安全性不高,飞艇现多用氦气填充)。氢气是相对分子质量最小的物质,主要用作还原剂

现在工业上一般从天然气或水煤气制氢气,而不采用高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业裂化反应和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中,造成“氢脆”现象,使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐尔合金),设计也更加复杂。

医学上用氢气来治疗部分疾病。

安全防护


重氢无毒,有窒息性。
氢气有易燃易爆性,容易发生爆炸,所以纯氢有一定危险性。
若燃烧时有较响爆鸣声,则说明氢气不纯;极易发生爆炸。
所以对此须引起足够的重视。其它参见氢

应用领域

氢气生物学效应
早在1975年就有人开展了氢气治疗肿瘤的研究,后来2001年才有法国学者将高压氢用于治疗肝脏寄生虫感染的研究。早期的研究只能简单地观察氢气被动物呼吸后的反应,显然观察结果证明氢气对动物没有产生显著的影响。关于氢气的生物学效应,最热闹地当然属于潜水医学,因为氢气作为人类潜水呼吸的气体被国际许多重要的潜水医学研究单位深入研究,作为呼吸气体的最重要前提是该气体的安全性,就是不能对人体产生明显的影响,包括在极端高压下呼吸这种气体。许多年的潜水医学研究证明呼吸氢气是非常安全的,但也同时给人们一种深刻印象,呼吸氢气对人体是没有明显生物学效应的。2007年日本学者报道,动物呼吸2%的氢可有效清除强毒性自由基,显著改善脑缺血再灌注损伤,采用化学反应、细胞学手段证明,氢溶解在液体中可选择性中和羟自由基和亚硝酸阴离子。而后两者是氧化损伤的最重要介质,体内缺乏他们的清除机制,是多种疾病发生的重要基础。随后他们又用肝缺血和心肌缺血动物模型,证明呼吸2%的氢可以治疗肝和心肌缺血再灌注损伤。采用饮用饱和氢水可治疗应激引起的神经损伤和基因缺陷氧化应激动物的慢性氧化损伤。美国匹兹堡大学器官移植中心学者Nakao等随后证明,呼吸2%的氢可以治疗小肠移植引起的炎症损伤,饮用饱和氢水可治疗心脏移植后心肌损伤、肾脏移植后慢性肾病。国内第四军医大学谢克亮等的研究证明,呼吸氢气能治疗动物系统炎症、多器官功能衰竭和急性颅脑损伤。孙学军等的研究也证明,呼吸2%的氢可以治疗新生儿脑缺血缺氧损伤。随后,孙学军等成功制备了饱和氢注射液,并与国内40多家实验室开展合作,先后发现该注射液对疼痛、关节炎、急性胰腺炎、老年性痴呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒迟发性脑病、肝硬化、脂肪肝、脊髓创伤、慢性低氧、腹膜炎、结肠炎、新生儿脑缺血缺氧损伤、心肌缺血再灌注损伤、肾缺血再灌注损伤和小肠缺血再灌注损伤等具有良好的治疗作用。这些研究说明,氢是一种理想的自由基、特别是毒性自由基的良好清除剂,具有潜在的临床应用前景。

工业用途

1.氢是主要的工业原料,也是最重要的工业气体和特种气体,在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时,氢也是一种理想的二次能源( 二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源)。在一般情况下,氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中,在氮气保护气中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中,需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性,航天工业使用液氢作为燃料。
2.用作合成氨、合成甲醇、合成盐酸的原料,冶金用还原剂,石油炼制中加氢脱硫剂等

医学用途

一、氢气治疗疾病的概况
2007年,Ohsawa的关于氢气选择性抗氧化和对大鼠脑缺血治疗作用的报道是该领域具有开创意义的工作。虽然早在1975年和2001年就有关于氢气抗氧化的报道,但2001年是研究呼吸800 kpa氢气14天的效应,而2007年报道是呼吸2kpa氢气不足1小时的效应,两者分压相差400倍,呼吸时间相差600倍,所以这绝对是完全不同性质的工作。该研究将大鼠中动脉临时阻断90分钟(将一根缝合线插到大脑中动脉起始段),然后再灌流,这是经典的脑中风动物模型,类似脑缺血后再恢复血流的情况。在恢复血液供应前5分钟开始给动物呼吸含氢气1、2、4%的混合气体35分钟,结果发现动物脑组织坏死体积非常显著地减少。日本学者将这种作用归因于氢气可以选择性中和羟基自由基(羟基自由基是生物体毒性最强的自由基),尽管氢气也可以中和亚硝酸阴离子,但作用比较弱。该文章发表后,迅速引起国际上的广泛关注,大批临床和基础医学学者迅速跟进,至2014年已经有63个疾病类型被证明可以被氢气有效治疗。每年氢气生物学文章数量,如2007年3篇、2008年15篇、2009年26篇、2010年50篇、2011年63篇、2012年95篇,呈现爆发式增长。氢气的分子效应可在多种组织和疾病存在,例如大脑、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、肾、胰腺、小肠、血管、肌肉、软骨、代谢系统、围产期疾病和炎症等。在上述这些器官、组织和疾病状态中,氢气对器官缺血再灌注损伤和炎症相关疾病的治疗效果最显著,有4篇文章涉及到恶性肿瘤。
二、氢气治疗疾病的病理生理学机制
关于氢气治疗疾病病理生理学机制主流观点仍是氢气的选择性抗氧化,在选择性抗氧化基础上,人们相继证明氢气对各类疾病过程中的氧化损伤,炎症反应、细胞凋亡和血管异常增生等具有治疗作用。活性氧在各类心脑血管疾病如中风和心肌梗死、代谢性疾病如糖尿病动脉硬化等人类重要急性和慢性疾病的病理生理进程中扮演了重要角色,它是分子氧在还原过程中的中间产物,包括以氧自由基形式存在和非氧自由基形式存在的两大类物质,其中氧自由基又包括羟自由基、超氧阴离子、一氧化氮、亚硝酸阴离子等物质。生理情况下,活性氧在体内不断产生,也不断被清除,处于动态平衡。但在缺血、炎症等病理状态下,机体将产生大量的活性氧。其中,羟自由基和过氧亚硝基阴离子毒性较强,是细胞氧化损伤的主要介质。而一氧化氮、超氧阴离子和过氧化氢等物质毒性较弱,具有重要的信号转导作用。既往在抗氧化损伤的治疗中,还原性过强的药物可能导致机体氧化- 还原状态出现新的失衡。2007 年Ohsawa等人研究证实,氢气能够选择性清除毒性较强的羟自由基和亚硝酸阴离子,而对其它具有重要生物学功能、毒性较低的活性氧影响不大,此即氢气的选择性抗氧化作用。该作用为抗氧化治疗提供了新的思路。早在2001 年,Gharib等人报道吸入8 个大气压的氢气对肝脏血吸虫感染引起的炎症反应具有治疗作用,他们认为氢气与羟自由基直接反应是氢气抗炎作用的基础。2009 年Kajiya等人报道氢气能明显抑制葡聚糖硫酸钠诱发的结肠炎症反应,减少受损结肠的炎症因子水平,减轻炎症的病理损伤,改善预后。氢气的抗炎作用与其抑制活性氧产生、中和羟自由基、抑制促炎因子释放有关。另外,巨噬细胞在炎症反应和免疫调节中起重要作用,氢气对巨噬细胞的调节为其抗炎作用奠定了基础。孙学军等2008 年的研究发现,氢气能减少大鼠缺血缺氧模型的组织损伤,呼吸低浓度的氢气可时间依赖性地减少凋亡酶Caspase-3和Caspase-12 的活性,减少凋亡阳性细胞数量,研究提示氢气的作用与减少Caspase 依赖性凋亡有关。Kubota等报道使用含氢气的水滴眼具有抗角膜血管增生的作用。
三、氢气对中枢神经系统疾病的治疗作用
氢气生物学效应发现以来,氢气对以脑血管疾病为代表和以老年性痴呆为代表的中枢神经系统疾功能紊乱都具有明显的保护作用。
氢气对脑血管病的治疗作用
Ohsawa等2007年报道的呼吸氢气对大鼠左大脑中动脉阻断模型的治疗作用后。孙学军等很快证明呼吸氢气对新生儿窒息引起的缺血缺氧性脑损伤具有理想的治疗作用,发现氢气对缺血缺氧性脑损伤后神经细胞凋亡酶活性有抑制作用,凋亡酶活性下降导致神经细胞凋亡减少,使神经细胞坏死减少。从而减轻了脑损伤,保护了成年后的脑功能。氢气对心脏停跳引起的脑损伤具有保护作用,这进一步肯定了氢气对缺血缺氧性脑损伤的保护作用。衣达拉奉是唯一被批准用于中风治疗的抗氧化药物,和单纯使用衣达拉奉相比,氢气联合使用衣达拉奉上述核磁共振检测指标均获得更好的改善。美国Loma Linda神经外科研究所和南京医科大学、浙江大学附属医院神经外科等三家实验室先后报道氢气呼吸和注射氢气生理盐水对脑出血和珠网膜下腔出血引起的早期脑损伤、神经细胞坏死、脑水肿和血管痉挛等具有理想的保护作用。
氢气对神经退行性疾病的治疗作用
巴金森病是脑干神经核黑质内多巴胺神经元死亡引起的疾病,经常是许多其他神经退行性疾病如老年性痴呆的继发表现。孙学军等在模型制备前1周开始给动物随意饮用氢气饱和水,结果发现该治疗可完全消除单侧巴金森病症状的发生。非治疗组动物注射侧多巴胺神经元数量比对照侧减少到40.2%,而治疗组仅减少到83%。即使在模型制备后3天开始给氢气水治疗,单侧巴金森病症状仍可以被抑制,但治疗效果低于预先治疗,神经元数量比对照侧减少到76.3%。预先治疗组动物在模型制备后48小时,纹状体内代表多巴胺神经元末梢的酪氨酸羟化酶活性在模型对照组和治疗组均显著下降。Fujita等用MPTP诱导的小鼠巴金森病模型证明氢气具有类似效应。研究结果表明,和其他如银杏叶比较,氢气具有更理想的治疗效果。
四、氢气对肝脏病的治疗作用
氢气在肝脏领域的应用研究十分突出,是早在2001年,法国潜水医学领域就有学者希望证明氢气的抗氧化作用,在马赛法国著名饱和潜水设备公司COMEX SA的设备、技术和人员帮助下,他们开展了这一研究。让感染了肝日本曼氏血吸虫病的小鼠连续14天呼吸氢氧混合气(氢气浓度为87.5%,分压为0.7 Mpa),观察对小鼠肝脏功能、肝组织氧化损伤、纤维化和血液炎症反应等方面的影响,研究结果证明,连续呼吸高压氢气对肝脏血吸虫病动物的肝组织损伤、炎症反应和后期的肝纤维化均有非常显著的保护作用。Fukuda 等在2007 年制作了大鼠肝脏缺血再灌注的模型,通过对组织标本的HE 染色加MDA 加肝功能酶学检测,发现氢气疗法对肝脏的缺血损伤有非常明显的治疗效果。2009 年时,哈佛大学口腔医院的学者Kajiya 等在实验中让大老鼠喝下能产生氢气的细菌,发现对伴刀豆球蛋白诱导的肝炎具有预防作用,如果用抗生素杀灭这些细菌,则抗肝炎的作用消失,这显示了氢气对肝炎的预防与治疗作用。他们还证明,饮用氢气饱和水对伴刀豆球蛋白诱导的肝炎具有类似的治疗效果。同年,Tsai 等发现饮用富氢电解水可以保护小鼠四氯化碳诱导的肝脏损伤。中国学者孙汉勇等采用GalN/LPS,CCl4 和DEN 3 种肝损伤动物模型,通过检测氢气、活性氧水平,评价氧化损伤、细胞凋亡和炎性反应程度,发现腹腔注射氢气生理盐水对急性肝脏损伤、肝纤维化和肝脏细胞增生均具有显著的抑制作用,同时细胞碉亡相关分子如JNK和caspase-3 活性下降,研究结果证明氢气不仅能治疗急性肝脏损伤,而且能治疗肝硬化。刘渠等研究认为,腹腔注射氢气生理盐水通过提高肝脏抗氧化能力,抑制肝脏炎性反应能治疗胆管阻塞后黄疸和肝损伤,这对临床上的指导意义很大。对非酒精性脂肪肝的研究证明,长时间饮用氢气水可以对抗高脂饮食引起的脂肪肝,不仅对肝脏功能、肝形态学如纤维化,而且对脂肪肝相关细胞内信号通路均有明显的阻断效应,该效果可以和传统的治疗脂肪肝的药物吡格列酮(促进胰岛素受体敏感性,降血脂)治疗效果相嫣美。长期饮用氢气水不仅可以对抗脂肪肝,而且可以显著减少这种脂肪肝晚期转化成肝癌的比例,也就是说可以减少脂肪肝发生肝癌的可能性。氢气可以通过促进一种重要的信号分子FGF 21发挥减肥和治疗脂肪肝的效果。氢气在肝脏疾病的临床研究十分缺乏,2012年韩国学者Kang 等对49例接受放射治疗的恶性肝癌病人,采用随机安慰剂对照方法,给病人在放射治疗期间饮用一定量的金属镁制备的氢气水,通过对生活质量进行评价,发现该氢气水可显著提高肝癌病人放射治疗后的生活量,同时可以降低血液中氧化应激指标。氢气作为一种选择性抗氧化物质,氢对肝脏缺血、药物性肝炎、胆管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多种类型的肝脏疾病具有有效和明显的治疗作用。
五、氢气的临床研究进展
到2013年四月为至,先后有7个疾病临床研究报道,分别是二型糖尿病、代谢综合症、血液透析、炎症/线粒体肌肉病、脑干缺血和放射治疗副作用和系统性红斑狼疮。从世界卫生组织注册的信息中可以发现,也有一些没有发表论文的临床研究。这些研究报告显示氢气在人体脂代谢和糖代谢中的关键的调节作用。

行业应用

核研究、氘核加速器的轰击粒子示踪剂、可以做气相色谱氢焰化验原料、密度小充探空气球、新型的高能燃料(驱动火箭)、冶炼金属钨、钼等,还有石油精炼、浮法玻璃、电子、食品、饮水、化工生产、航天、汽车业等行业。
驻马店市以勒气体有限公司

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