CN106483994A - 一种野外pH流水控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种野外pH流水控制系统及其方法。所述系统包括平面台、分流管和多个围网，所述平面台包括CO2罐、空气罐、自动控流计、缓冲瓶、计量泵、pH变送器，其中CO2罐和空气罐分别通过自动控流计连通缓冲瓶，每个围网内均设置有三个双层实验池，其上层和下层分别设置有实验生物和气石，所述缓冲瓶依次经计量泵和分流管与气石连通，所述围网中间设置有pH传感器，其通过pH变送器与计量泵连接。本发明可以实现野外流水状态下pH的稳定长期运行，为研究长期海洋酸化条件下海洋生物的响应提供可靠的硬件保障，由此获得的实验结果更具有说服力。

Description

一种野外pH流水控制系统及其方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，具体涉及一种野外pH流水控制系统及其方法。
背景技术
气候变暖与海洋酸化是CO2过量排放带来的两个全球性生态问题，已有研究表明，气候变暖与海洋酸化的协同作用造成了海洋贝类的负面作用。在CO2持续高浓度排放的压力下，全球性气候变化可能引发的海洋生态效应已经引起国内外政府组织及研究者的高度重视，其中海洋酸化一直是国际性的研究热点。众多研究者已经表明，海洋吸收了30％人类排放的CO2，这不仅极大的缓解了大气中CO2浓度增加的趋势，同时也会引起一系列复杂的海水化学性质的改变，最终的结果是导致海水中H+和碳酸根离子浓度越来越低。海洋酸化改变了上层海洋化学结构，导致海洋生物矿化形成的CaCO3骨架在海水中的饱和度急剧下降，最终的结果是破坏了CaCO3为主要钙化形式的海洋生物的骨骼、贝壳等重要的生物结构。实验室受控的实验已经表明，海洋酸化降低了珊瑚虫的钙化速率，使成体珊瑚虫生长缓慢、数量减少，珊瑚虫的减少将导致依赖珊瑚生活或生存的生物群落的丰度降低，甚至整个群落消亡；海洋酸化也导致翼足目生物的骨架不稳而难以生存，部分有孔虫身体的外壳变薄，棘皮动物的生长受到严重影响。此外，海洋酸化还会影响海洋生物的其他关键生理过程，如光合作用、呼吸代谢、早期胚胎发育、生长率、钙化速率，免疫力及繁殖率等，部分生物因其独特的生理特征，可能对海洋酸化产生反应，甚至不适应，致使种群退化或灭绝。
目前关于海洋酸化对海洋生物影响的研究多以实验室条件下和现场封闭围隔实验为主，采用的方法一般用HCl，Na2CO3酸碱调节和CO2充气两种形式进行酸化胁迫的模拟，从而获得目标pH的调控，然后将实验生物放入不同pH梯度的酸化条件下持续一段时间(通常几个小时到几天)，通过实验前后的总碱度、溶解氧、盐度、温度等生理化学指标来揭示海洋酸化对实验生物的影响。但这类实验非常致命的缺点在于：实验室和封闭围隔实验所用的水体是静水，一方面实验生物自身的代谢活动会影响并改变水体的pH，这就导致封闭体系实验前后水体的pH通常会有非常大的变动，实验结果中利用培养前后的pH平均值来分析不同pH梯度下得到的实验数据所反映的科学问题不够严谨；另一方面，实验室和围隔实验并不能反映海洋生物真实的生存条件，忽略了外界条件因素(如大风、降雨、潮汐)对海洋理化环境的影响，因此，这类实验所得到的研究结果的可信度以及对海洋酸化研究的参考意义非常有限。在这种背景下，研发一种既能够长时间稳定控制水体pH又能反映真实海洋环境的酸化系统对于推进海洋酸化对海洋生物的研究就显得非常必要。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种野外pH流水控制系统及其方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种野外pH流水控制系统，包括平面台、分流管和多个围网，所述平面台包括CO2罐、空气罐、自动控流计、缓冲瓶、计量泵、pH变送器，其中CO2罐和空气罐分别通过自动控流计连通缓冲瓶，每个围网内均设置有三个双层实验池，其上层和下层分别设置有实验生物和气石，所述缓冲瓶依次经计量泵和分流管与气石连通，所述围网中间设置有pH传感器，其通过pH变送器与计量泵连接。
所述围网置于海水中且顶部设置有多个浮球。
所述自动控流计设定预定的气流值。
所述pH变送器预先设定pH值，pH传感器输入电信号给pH变送器，pH变送器识别后输出电信号给计量泵。
所述系统还包括管材、进气阀、出气阀、表盘等附属设备。
一种基于所述系统的野外pH流水控制方法，包括以下步骤：
(1)在缓冲瓶中提前充入1/3的纯净水，且瓶中进CO2的气管末端打结扎孔，进空气的气管末端装有枪头并剪掉枪头尖端1/3部分；
(2)纯净的CO2和空气分别经自动控流计流入缓冲瓶，在纯净水中充分混匀并达到高度饱和；
(3)溢出的饱和酸性气体经计量泵后分流到气石，再经惯性作用均匀的充满双层实验池；
(4)围网中的pH传感器检测到pH值后输入电信号给pH变送器，pH变送器根据预设的pH上下限阈值，输出电信号控制计量泵的开启，从而达到对水体pH的自动、精准控制。
所述自动控流计的设置便于控制纯净CO2和空气的流量，进而实现pH值的量化。当气流值低于自动控流计预设值时，气流就会自动增大；当气流高于预设值时，气流就会流向缓冲瓶进行混合。
所述缓冲瓶一方面可以实现瓶内气体充分的混匀，另一方面可以实现混合气体在水体中实现饱和度，避免不必要的浪费。
所述计量泵的作用是调控饱和酸性气体总的压强，与自动控流计之间双向调控预设的pH值。
所述围网的网孔大小为50目，目的是一方面可以减缓水流，另一方面可以阻隔水中漂浮的杂物以及其他大型游泳生物进入到双层实验池中。
与现有技术相比，本发明具有如下优异技术效果：
本发明所述系统以充入纯净CO2和空气的混合酸性气体为点源，利用计量泵和pH变送器之间电信号的相互识别及对接，在围网中实现目标pH值的调配；可以实现野外流水状态下pH的稳定长期运行，为研究长期海洋酸化条件下海洋生物的响应提供可靠的硬件保障，由此获得的实验结果更具有说服力。
附图说明
图1为本发明所述野外pH流水控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
如图1所示，一种野外pH流水控制系统，包括平面台、分流管和多个围网，所述平面台包括CO2罐、空气罐、自动控流计、缓冲瓶、计量泵、pH变送器，其中CO2罐和空气罐分别通过自动控流计连通缓冲瓶，每个围网内均设置有三个双层实验池，其上层和下层分别设置有实验生物和气石，所述缓冲瓶依次经计量泵和分流管与气石连通，所述围网中间设置有pH传感器，其通过pH变送器与计量泵连接。
所述围网置于海水中且顶部设置有多个浮球。
所述自动控流计设定预定的气流值。
所述pH变送器预先设定pH值，pH传感器输入电信号给pH变送器，pH变送器识别后输出电信号给计量泵。
一种基于所述系统的野外pH流水控制方法，包括以下步骤：
(1)在锥形缓冲瓶中提前充入1/3的纯净水，且瓶中进CO2的气管末端打结扎孔，进空气的气管末端装有100ul的枪头并剪掉枪头尖端1/3部分；
(2)纯净的CO2和空气分别经自动控流计流入锥形缓冲瓶，在纯净水中充分混匀并达到高度饱和；
(3)溢出的饱和酸性气体经计量泵后分流到气石，再经惯性作用均匀的充满双层实验池；
(4)围网中的pH传感器检测到pH值后输入电信号给pH变送器，pH变送器根据预设的pH上下限阈值，输出电信号控制计量泵的开启，从而达到对水体pH的自动、精准控制。
当气流值低于自动控流计预设值时，气流就会自动增大(当CO2罐和空气罐中的气流过低时就会报警)；当气流高于预设值时，气流就会流向缓冲瓶进行混合。
为验证这套系统的实施效果，2016年5月19-6月6日在山东荣成楮岛海域(37°2'14.71"N，122°33'2.09"E)开展了连续26d的实验，实验设置两个pH梯度，pH值及其他理化环境参数的维持结果见表1。
表1所述实验中pH值及其他理化环境参数的维持结果
对照组pH 8.0 酸化组pH 7.7
温度(℃) 19.08±2.06 19.09±1.95
盐度 32.07±0.48 32.09±0.43
pHNBS 7.97±0.15 7.68±0.17
总碱度(μmol kg-1) 2211.53±92.72 2206.00±77.74
CT(μmol kg-1) 2081.88±34.39 2169.69±50.28
pCO2(μatm) 625.40±21 1432.94±27
HCO3 -(μmol kg-1) 1950.93±38.64 2060.67±48.29
CO3 2-(μmol kg-1) 106.79±12.90 58.77±12.30
其中，温度、盐度、pH每天早、中、晚各测定一次，总碱度每周测一次，其他的参数根据盐度、温度、pH、总碱度利用CO2系统计算程序软件(CO2SYS)计算得出，通过表格数据可以明显看出酸化组的海水二氧化碳分压pCO2显著性高于对照组，各实验组pH的控制达到了理想的效果，验证了该套酸化系统的稳定性。
本项发明的技术性范围并不局限于说明书上所陈述的内容，本说明书所述的内容仅仅是对专利构思的实现形式的列举，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明原理的前提下，进行改进、替换及变化。因此本专利的保护范围也及于本领域技术人员根据专利原理所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种野外pH流水控制系统，其特征在于，包括平面台、分流管和多个围网，所述平面台包括CO2罐、空气罐、自动控流计、缓冲瓶、计量泵、pH变送器，其中CO2罐和空气罐分别通过自动控流计连通缓冲瓶，每个围网内均设置有三个双层实验池，其上层和下层分别设置有实验生物和气石，所述缓冲瓶依次经计量泵和分流管与气石连通，所述围网中间设置有pH传感器，其通过pH变送器与计量泵连接。
2.根据权利要求1所述的一种野外pH流水控制系统，其特征在于，所述围网置于海水中且顶部设置有多个浮球。
3.根据权利要求1所述的一种野外pH流水控制系统，其特征在于，所述自动控流计设定预定的气流值。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种野外pH流水控制系统，其特征在于，所述pH变送器预先设定pH值，pH传感器输入电信号给pH变送器，pH变送器识别后输出电信号给计量泵。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述系统的野外pH流水控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在缓冲瓶中提前充入1/3的纯净水，且瓶中进CO2的气管末端打结扎孔，进空气的气管末端装有枪头并剪掉枪头尖端1/3部分；
(2)纯净的CO2和空气分别经自动控流计流入缓冲瓶，在纯净水中充分混匀并达到高度饱和；
(3)溢出的饱和酸性气体经计量泵后分流到气石，再经惯性作用均匀的充满双层实验池；
(4)围网中的pH传感器检测到pH值后输入电信号给pH变送器，pH变送器根据预设的pH上下限阈值，输出电信号控制计量泵的开启，从而达到对水体pH的自动、精准控制。
6.根据权利要求5所述系统的野外pH流水控制方法，其特征在于，当气流值低于自动控流计预设值时，气流就会自动增大；当气流高于预设值时，气流就会流向缓冲瓶进行混合。
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