CN104898725A - 模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统 - Google Patents

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林荣澄
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Abstract

模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，涉及海水酸化控制设备。包括pH控制反馈系统和CO2通路，CO2通路受pH控制反馈系统调控；pH控制反馈系统设有pH监视器、继电器、电磁阀和指示灯，pH监视器外接交流电源，pH监视器与浸没在实验水体的pH监测探头相连；电磁阀与继电器、指示灯和直流电源连接；CO2通路设有CO2气瓶、减压阀和气体流量调节阀，CO2气瓶、减压阀和气体流量调节阀通过气管相连，气体流量调节阀的输出端接电磁阀的输入端口，电磁阀的输出端口接细化器，细化器浸入实验系统的海水中。可通过监控实验水体pH的变化，调控调节电磁阀的开关控制气瓶中CO2气体的输入。结构简单，设计巧妙。

Description

模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统
技术领域
本发明涉及海水酸化控制设备，尤其是涉及一种模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统。
背景技术
大气CO2分压的持续升高，导致海洋吸收CO2的量不断增加，海水pH值下降，这种由大气CO2分压升高导致的海水酸度增加的过程称为海洋酸化。在过去的200年，大量化石燃料燃烧产生的CO2中，50％被海洋吸收。根据目前已测量的结果，海洋吸收的CO2已经使得海洋的pH值下降了0.12个单位，这相当于海水中H+浓度增加了30％。按照目前人类活动释放的CO2的速率算，到2100年，海水的平均pH值会从现在的8.2降至7.8，海水中的H+浓度将是目前的3倍。由于酸化对海洋生态系统潜在的威胁，关于它对海洋生物，尤其是钙化生物(如石珊瑚、钙化藻、软体动物等)的生理生态，分子水平以及群落水平上的影响是目前国际研究的热点。在过去10年，国际上启动了一系列与海洋酸化有关的研究活动，例如2008年欧盟委员会启动的EPOCA计划(2008～2012)，英国海洋酸化研究计划(2009～2014)，德国联邦教育和科学部启动“的海洋酸化的生物学影响”(BIOACID)(2009～2012)计划等。
在海洋生物的酸化生理研究当中，最核心的要素就是模拟未来气候变化的海水酸化控制系统。从已发表的研究报道来看，目前最常用的酸化控制系统是将一定比例无CO2空气和CO2混合气体输入实验水体，无CO2空气和CO2混合气体的比例利用CO2分析仪(例如Qubit的CO2analyzer)去监测和实施反馈，控制CO2气体的输入(Dufault A M,Ninokawa A,Bramanti L,et al.The role of light in mediating the effects of ocean acidification on coralcalcification.The Journal of Experimental Biology,2013,216:1570-1577；Comeau,Edmunds,Spindel et al.The responses of eight coral reef calcifiers to increasingpartial pressure of CO2 do not exhibit a tipping point,Limnology and Oceanography,2013,58:388-398；Edmunds.Zooplanktivory ameliorates the effects of oceanacidification on the reef coral Porites spp[J].Limnology and Oceanography,2011,56:2402-2410)。但是，这套系统包括各种设备，例如CO2分析测定仪，CO2反馈系统，空气和CO2混合箱，压力泵，电磁阀、制造空气的空压机、油水分离器等一系列设备，结构复杂且价格昂贵。根据测算，一套Qubit的酸化控制系统组装起来价格大约在12万，高昂的价格限制了酸化研究的开展。
中国专利CN 203333366U公开一个实验室模拟海水酸化系统，该系统将CO2气体进入酸化海水制备箱，利用CO2溶度检测器测定海水的理化指标。但是，由于该专利没有建立反馈控制系统，因此系统无法调控CO2气体的输入，而持续通入CO2气体可能会导致酸化海水制备箱的pH值出现低于设定预期值的情况。而且，即使制备箱海水的pH达到预期值，但当海水经过各个实验系统后循环回到酸化海水制备箱，实验系统内生物的代谢过程会使得海水的pH发生改变。例如，当实验系统培养的是鱼、珊瑚或软体动物等海洋动物时，它们呼吸作用产生的CO2会使得这种循环水体的pH下降；如果实验系统培养的是浮游植物、大型海藻或海草等植物时，他们在有光条件下的光合作用会利用系统的CO2或HCO3 -，使系统的pH升高，而夜晚植物的呼吸作用则降低系统的pH。该酸化系统无法对体系这种pH的变化做出反馈，进而调节CO2的输入与否。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，设计巧妙，操作方便、可靠的模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统。
本发明包括pH控制反馈系统和CO2通路，CO2通路受pH控制反馈系统调控；
所述pH控制反馈系统设有pH监视器、继电器、电磁阀和指示灯，pH监视器外接交流电源，pH监视器与浸没在实验水体的pH监测探头相连；所述电磁阀与继电器、指示灯和直流电源连接；
所述CO2通路设有CO2气瓶、减压阀和气体流量调节阀，CO2气瓶、减压阀和气体流量调节阀通过气管相连，气体流量调节阀的输出端接电磁阀的输入端口，电磁阀的输出端口接细化器，细化器浸入实验系统的海水中。
在实验系统的海水中最好设有造浪泵。
本发明可用于海洋生物的酸化生理研究，考虑到铜离子对海洋生物的毒性作用，因此所述电磁阀、减压阀以及气体流量调节阀等元件最好使用不锈钢等非铜材料制作。
所述继电器可采用自动开关，自动开关受pH监视器的控制，根据设定的pH值开启或关闭。
所述电磁阀可采用二通电磁阀，可以是常开型或常闭型。以常开型电磁阀为例，正常状态下，pH控制反馈系统的继电器处于关闭状态，而电磁阀则处于开启状态，CO2通路处于连通状态，气管不断通过CO2气体进入实验系统的海水中。当pH低于设定值时，继电器开启，电磁阀处于通电关闭状态，气瓶的CO2停止输入实验系统的海水中。
所述指示灯可采用LED灯珠，它体积小，用于指示继电器和电磁阀之间的电流通路所处的状态，若继电器开启，则LED灯亮；若继电器关闭，则LED灯灭。
所述CO2通路的气体流量调节阀可采用微流量调节阀，调节阀的气体流量可以控制在20ml/h，用于微调CO2气体的输入流量。
所述CO2通路的CO2气瓶最好是纯度99.99％的CO2。如果纯度低，可在输出端接载一个油水分离器或通过一个吸水装置，保证输入继电器以及实验系统的海水的CO2气体保持干燥状态。吸水装置可以是灌满CaCl2颗粒或吸水硅胶球。
所述细化器接在CO2通路的气管末端，直接浸没在实验系统的海水中，其目的是为了使输入的CO2气体在实验系统的海水中更快溶解和扩散。材质可以是陶瓷、玻璃，也可以是316不锈钢，海水环境优选玻璃材质，玻璃材质不会生锈且可以观察到CO2在细化器以及海水中的扩散情况。
为保证CO2气体在海水中的均匀混合，除CO2输入末端的细化器以外，在实验水体最好加载一个造浪泵，以保证溶解在实验水体的CO2气体更均匀混合。
本发明的结构简单，设计巧妙，布局合理。实验系统的pH通过反馈控制系统得到的控制。实验表明，利用本发明模拟未来100年海水酸化场景时(pH≈7.8)，其波动幅度在0.1个单位(pH介于7.7～7.9之间)。必须说明的是，为保证实验系统真实反映海水pH，所述pH监测探头必须经常校正，建议每周校正1次。
本发明可以通过监控实验水体pH的变化，调控调节电磁阀的开关控制气瓶中CO2气体的输入。结构简单，设计巧妙，实验系统的pH通过反馈控制系统调节。而且，本发明所采用各项器件在国内均可采购，方便且成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的实验水体pH值的变化。
具体实施方式
下面将结合附图进一步说明本发明。
如图1所示。本发明包括pH控制反馈系统和CO2通路，CO2通路受pH控制反馈系统调控；
所述pH控制反馈系统设有pH监视器2、继电器3、电磁阀4和指示灯5，pH监视器2外接交流电源1(220V)，pH监视器2与浸没在实验水体6的pH监测探头7相连；所述电磁阀4与继电器3、指示灯5和直流电源8(24V)连接；
所述CO2通路设有CO2气瓶9、减压阀10和气体流量调节阀11，CO2气瓶9、减压阀10和气体流量调节阀11通过气管12相连，气体流量调节阀11的输出端接电磁阀4的输入端口13，电磁阀4的输出端口14接细化器16，细化器16浸入实验系统15的海水6中。
在实验系统15的海水6中最好设有造浪泵17。
指示灯为红色LED灯珠，电磁阀为常开型二通电磁阀，额定电压为24V。CO2气瓶9灌满纯度为99.99％的CO2。
工作流程如下：根据图1将系统连接起来，pH监视器接上交流电源，电磁阀接上电源。实验缸体大约100L，注满海水6，测定实验海水的pH值(约8.1)。将pH监测探头7以及装有细化器16的气管12浸没在实验系统的海水6中。设定pH监视器的阈值为7.7。打开CO2气瓶，调节微流量调节阀11，保持2～3s一个CO2气泡的流量。此时，由于实验海水的pH大于设定的阈值(7.8)，pH控制反馈系统的继电器处于关闭状态，而电磁阀处于开启状态，CO2通路处于连通状态，气管不断通过CO2气体进入实验海水中。当pH低于7.8时，继电器开启，电磁阀处于通电关闭状态，气瓶的CO2停止输入实验海水中。
本发明结构简单，设计巧妙，布局合理。实验系统的pH通过反馈控制系统得到的控制。
必须说明的是，为保证实验系统真实反映海水pH，所述pH监测探头必须定期校正，建议每周校正1次。根据校正的结果，调节校正周期，如果校正pH探头时，没有发现测定pH值有明显的偏离，可以适当延长校正周期，具体视所使用pH探头的精确度以及敏感度而定。
应用实例1：
在某珊瑚保育馆，建立了1套酸化模拟控制系统，实验水体为50L左右。实验从5月16日开始至6月10日截止，实验持续25天，5月21日开始记录测定的实验海水的pH值，结果如图2所示。监测结果显示，利用本发明模拟未来100年海水酸化场景时(pH≈7.8)，其实验水体pH的波动幅度在0.1～0.2个单位(pH介于7.7～7.9之间)。实验系统的pH通过本发明的反馈控制系统得到很好的控制。

Claims (9)

1.模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于包括pH控制反馈系统和CO2通路，CO2通路受pH控制反馈系统调控；
所述pH控制反馈系统设有pH监视器、继电器、电磁阀和指示灯，pH监视器外接交流电源，pH监视器与浸没在实验水体的pH监测探头相连；所述电磁阀与继电器、指示灯和直流电源连接；
所述CO2通路设有CO2气瓶、减压阀和气体流量调节阀，CO2气瓶、减压阀和气体流量调节阀通过气管相连，气体流量调节阀的输出端接电磁阀的输入端口，电磁阀的输出端口接细化器，细化器浸入实验系统的海水中。
2.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于在实验系统的海水中设有造浪泵。
3.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述电磁阀、减压阀以及气体流量调节阀采用非铜材料制作，所述非铜材料优选不锈钢。
4.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述继电器采用自动开关。
5.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述电磁阀采用二通电磁阀。
6.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述指示灯采用LED灯珠。
7.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述CO2通路的气体流量调节阀采用微流量调节阀。
8.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述CO2通路的CO2气瓶采用纯度99.99％的CO2。
9.如权利要求1所述模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统，其特征在于所述细化器接在CO2通路的气管末端，直接浸没在实验系统的海水中，细化器的材质可以是陶瓷、玻璃或316不锈钢，优选玻璃。
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