一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法技术

本发明专利技术公开了一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法，其包括以下步骤：1)将微纳米气泡发生器与储水器相连，并储存足量水；2)向水中加入亚硫酸钠和氯化钴，至水中溶氧量降为0mg/L；3)启动微纳米气泡发生器并调节出口压力和进气量；4)持续记录水体中的水温及溶解氧变化情况，得到水体的饱和溶氧浓度Cs，mg/L；5)采用线性回归分析得到氧总转移系数KLa并将其换算成标准状况下的氧总转移系数KLa(20)；6)关闭微纳米气泡发生器，记录微纳米气泡水由乳白状变澄清的时间；根据Stokes定律，得出微纳米气泡水中微纳米气泡的粒径大小和浓度；采用纳米颗粒跟踪分析仪测试微纳米气泡粒径大小、分布和浓度；7)计算微纳米气泡发生器的动力效率，以评价其能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法
本专利技术属于农业滴灌
，具体涉及一种性能测试与评价方法，特别是一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法。
技术介绍
根系缺氧会影响农作物根系正常生长及植株有氧呼吸和生长发育，从而影响产量，因此改善农作物根区气体环境是提高农作物产量、提升品质的有效途径。微纳米气泡由于粒径小，在水中上升的速度慢，可不断补充灌溉水中的溶解氧，使得灌溉水中长期保持着较高的氧含量，实现根际通气，改变根区气体环境。可见将微纳米气泡发生器应用于加氧灌溉具有现实意义及广阔的发展前景。但目前与微纳米气泡发生器相关的专利文献均集中在农业灌溉、土壤或基质消毒，工业净水及生活等应用上，对其性能测试及评价方法未见报道，仅在论文文献中出现为数不多的关于微纳米气泡发生装置研发及相关性能评价的研究。其中，刘季霖在《微纳米气泡发生装置研究》一文中提出了一种潜水式节流孔释气微纳米气泡发生方法，并对其进行相关性能测试——微细气泡悬浮时间测量、有效气液混合比测量、微细气泡尺寸分布测量及功耗与效率等。张淦在其学位论文《微纳米气泡发生装置性能评价指标研究与设备开发》中借鉴传统的曝气设备性能评价指标评价体系，提出了一套新的针对微纳米气泡发生器的曝气性能评价体系，包括氧总转移系数、总充氧能力、动力效率等指标，同时开发出一套多点自动测量记录水体溶解氧变化曲线的装置。以上所述指标均可用于微纳米气泡发生器性能测试与评价，但并未涉及加氧滴灌领域，也未对能够直接反映作物根区加氧效果的指标进行探究。由于农作物根系对氧气的吸收途径主要为氧气分子的跨膜运输，且根系在吸收土壤水分的同时也可以吸收溶解在水中二氧化碳和氧气，因此加氧滴灌领域更侧重的应当是微纳米气泡发生器最直观有效的增氧效果及节能减排效果，即更关注与作物根系所利用氧气的存在形式相关的测试与评价方法。基于此，本专利技术综合考虑细胞生物学和植物学中作物根系吸收氧气的方式，在上述性能测试指标及评价方法的基础上，选择与作物根系吸收氧气的方式最为契合的的评价指标，提出一套更适用于加氧滴灌领域的微纳米气泡发生器性能测试与评价方法，并提出与该方法相配套的量测指标。
技术实现思路
本专利技术提出一套更适用于加氧滴灌领域的微纳米气泡发生器性能测试与评价方法。可以有效解决以下几方面的问题：(1)提出用于评价加氧滴灌领域微纳米气泡发生器的三个关键性能，综合考虑微纳米气泡发生器本身运行过程中的性能和加氧滴灌的实践需求，最终明确提出以曝气性能、充氧能力和能量转换效率这三个关键性能来评价加氧滴灌用微纳米气泡发生器的适用性。(2)提出与(1)中所确定的三个性能相配套的量测与评价指标。其中曝气性能采用加氧滴灌用微纳米气泡发生器所产生微纳米气泡的粒径大小、分布和浓度来量测和评价；充氧能力采用饱和溶解氧水平和氧总转移系数来量测和评价；能量转换效率采用动力效率来量测和评价。综合考虑作物对氧气的需求和吸收利用，以上指标对微纳米气泡发生器用于加氧滴灌具有一定指导意义。(3)提出与(2)中所确定的四个量测和评价指标相配套的量测设备和方法。其中微纳米气泡的粒径大小和浓度可采用微纳米气泡悬浮时间进行初步测量或采用纳米颗粒跟踪分析仪进行精细测量；微纳米气泡粒径的分布范围采用纳米颗粒跟踪分析仪进行测量；饱和溶解氧水平采用溶氧仪进行测量，即对增氧过程进行持续监测，当溶解氧基本稳定不再变化时，可得饱和溶解氧水平；氧总转移系数通过微纳米气泡水中溶解氧随时间的变化规律(C-t图)，采用线性回归分析求得；动力效率可采用单位有用功所传递到水中的氧量计算得出。(4)提出测试及评价加氧滴灌用微纳米气泡发生器的技术流程。本专利技术的具体技术方案如下。1.一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法，包括以下步骤：1)将微纳米气泡发生器与储水器相连，并储存足量水；2)向水中加入亚硫酸钠和氯化钴，至水中溶氧量降为0mg/L；3)启动微纳米气泡发生器并调节出口压力和进气量；4)持续记录水体中的水温及溶解氧变化情况，得到水体的饱和溶氧浓度Cs，mg/L；5)采用线性回归分析得到氧总转移系数KLa并将其换算成标准状况下的氧总转移系数KLa(20)；6)关闭微纳米气泡发生器，记录微纳米气泡水由乳白状变澄清的时间；根据Stokes定律，得出微纳米气泡水中微纳米气泡的粒径大小和浓度；采用纳米颗粒跟踪分析仪测试微纳米气泡粒径大小、分布和浓度；7)计算微纳米气泡发生器的动力效率，以评价其能量转换效率。进一步，步骤1)中所述足量水为300L。进一步，步骤2)中使用溶氧仪监测水体溶氧量。进一步，步骤3)中所述出口压力为0.4-0.5MPa，进气量为2-3L/min。进一步，步骤4)中使用溶氧仪持续记录水体情况。进一步，步骤5)中所述的换算，公式为：KLa(20)＝KLa(T)·1.024(20-T)式中，KLa(20)为20℃时氧总转移系数，s-1；T为试验温度，℃。进一步，步骤6)中使用秒表记录所述的时间。进一步，步骤7)中所述动力效率是微纳米气泡发生器在标准状态测试条件下消耗1kW·h有用功所传递到水中的氧量，其计算公式为：式中，OC为总充氧能力，g/s或g/min；E为动力效率，g/(s·kW)或g/(min·kW)；N为曝气设备功率，kW。V为试验用水的体积，m3。具体来说，上述微纳米气泡发生器的三个关键性能，包括曝气性能、充氧能力和能量转换效率。所述曝气性能测试方法用于评价微纳米气泡发生器制备微纳米气泡的能力。包括微纳米气泡发生器所产生微纳米气泡水中微纳米气泡粒径大小、分布和浓度三个指标。①微纳米气泡悬浮时间测量。当微纳米气泡发生器停止工作后，由于乳白状微纳米气泡水中的气泡上浮，微纳米气泡水会逐渐变清澈，根据Stokes定律，气泡在水体中的上升速度与气泡直径的平方成正比，因此通过测量微纳米气泡发生器所产生的乳白状微纳米气泡水在静置情况下的澄清时间，可大致了解微纳米气泡水中微纳米气泡的粒径大小和浓度。测量过程如下：取定量刚制备好的微纳米气泡水静置于水平桌面，使用秒表记录其澄清的时间，以此表征微纳米气泡的悬浮时间，初步了解微纳米气泡水中微纳米气泡的粒径大小和浓度。②气泡粒径大小、分布、浓度的测量。气泡粒径大小、分布和浓度的测量可使用纳米颗粒跟踪分析仪进行测定。纳米颗粒跟踪分析仪利用激光光源照射纳米颗粒悬浮液，可以清晰观察到带有散射光的颗粒的布朗运动；对于宽分布体系，可以同时对每一个颗粒进行直接观测，进行自动跟踪和粒径计算，并且同时得到整个体系的粒径分布信息；结合颗粒的散射强度，可以绘制出粒径对应数量分布强度和散射强度的三维图谱；对于粒径相同但是材质不同的样品，可以做出清晰区分；可以保存颗粒运动的录像和图片信息，用于将来做进一步分析。由于根系吸收的氧气有部分是气泡中的氧气，因此气泡的粒径大小、分布和浓度对于加氧滴灌用微纳米气泡发生器而言是一个重要的性能测试及评价指标。使用微纳米气泡悬浮时间或粒径大小、分布和浓度，可快速或精确地表征微纳米气泡发生器的曝气性能。所述充氧能力测试及评价采用饱和溶解氧水平和氧总转移系数来量测和评价。所述能量转换效率采用动力效率来量测和评价。本专利技术的有益效果(1)创新性。综合考虑设备本身性能的测试与评价和加氧滴灌的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将微纳米气泡发生器与储水器相连，并储存足量水；2)向水中加入亚硫酸钠和氯化钴，至水中溶氧量降为0mg/L；3)启动微纳米气泡发生器并调节出口压力和进气量；4)持续记录水体中的水温及溶解氧变化情况，得到水体的饱和溶氧浓度Cs，mg/L；5)采用线性回归分析得到氧总转移系数KLa并将其换算成标准状况下的氧总转移系数KLa(20)；6)关闭微纳米气泡发生器，记录微纳米气泡水由乳白状变澄清的时间；根据Stokes定律，得出微纳米气泡水中微纳米气泡的粒径大小和浓度；采用纳米颗粒跟踪分析仪测试微纳米气泡粒径大小、分布和浓度；7)计算微纳米气泡发生器的动力效率，以评价其能量转换效率。

【技术特征摘要】
1.一种加氧滴灌用微纳米气泡发生器的性能测试与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将微纳米气泡发生器与储水器相连，并储存足量水；2)向水中加入亚硫酸钠和氯化钴，至水中溶氧量降为0mg/L；3)启动微纳米气泡发生器并调节出口压力和进气量；4)持续记录水体中的水温及溶解氧变化情况，得到水体的饱和溶氧浓度Cs，mg/L；5)采用线性回归分析得到氧总转移系数KLa并将其换算成标准状况下的氧总转移系数KLa(20)；6)关闭微纳米气泡发生器，记录微纳米气泡水由乳白状变澄清的时间；根据Stokes定律，得出微纳米气泡水中微纳米气泡的粒径大小和浓度；采用纳米颗粒跟踪分析仪测试微纳米气泡粒径大小、分布和浓度；7)计算微纳米气泡发生器的动力效率，以评价其能量转换效率。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中所述足量水为300L。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)中使用溶氧仪监测水体溶氧量。4.根据权利要求1所述方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云开，潘家翀，周云鹏，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11