CN107748578A - 轻简化流水式pH控制系统及其使用方法 - Google Patents

轻简化流水式pH控制系统及其使用方法 Download PDF

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蒋增杰
塞缪尔·拉斯特里克
房景辉
杜美荣
高亚平
方建光
王晓芹
王军威
张义涛
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    • G05D21/02—Control of chemical or physico-chemical variables, e.g. pH value characterised by the use of electric means

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Abstract

本发明涉及一种轻简化流水式pH控制系统及其使用方法，属于生物学研究设备技术领域。本发明包括分流管、预混池、实验池等。预混池高于实验池，预混池内的海水依靠重力通过分流管连接至实验池；预混池包括pH控制器、潜水泵和溢水口，pH控制器一端连接CO2罐的进气管，另一端连接预混池的pH探头和预混池的气石，与气石相连的管材上设置有微调阀门；潜水泵位于预混池的池壁上，溢水口位于预混池顶部边缘处；实验池内置有控制水位的控制管，溢出海水经过中控管从实验池底部流出，保证海水的流动性。本发明所提供的系统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情况，使用方法简单快捷，适合用于研究海洋酸化的实验室场合。

Description

轻简化流水式pH控制系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种轻简化流水式pH控制系统及其使用方法，属于生物学研究设备技术领域。
背景技术
记录地球大气CO2浓度变化的著名的“基林曲线”表明，大气中CO2浓度在持续上升，并在近年来呈现加速上升的趋势，大气中CO2浓度从工业革命前的280ppm增加到2016年的超过400ppm，并且仍在以每年约0.5％的速度增加，自人类在大约250年前开始大量使用化石燃料时起，大气中的CO2水平已经增长了超过40％。地球表面积的2/3被海洋覆盖，通过海-气界面交换，每年都有大量的CO2从大气圈进入海洋，研究表明，海洋在过去的200年里，吸收了全球大约50％的CO2，海洋对调节大气CO2浓度起到了重要的作用。随着大气CO2浓度的不断升高，海洋吸收的CO2也持续增加，直接后果就是海水pH值降低，研究结果表明，工业革命以来，海洋大量吸收CO2，已导致上层海洋H+浓度增加了30％，pH下降了0.1个单位。政府间气候变化专门委员会(IPCC)预测，至2100年，表层海水pH将继续下降0.3～0.4个单位，表层海水酸度平均上升100-150％，如果CO2的排放量未受到控制，到2300年时，pH可能将继续下降0.7-0.8个单位。
2003年，Caldeira等学者在英国著名杂志《Nature》上发表文章，首次提出海洋酸化(Ocean acidification，OA)一词，随后，“海洋酸化”问题引起了世界各国学者的广泛关注。目前海洋酸化的观点已经被科学界广泛接受，海洋研究科学委员会(SCOR)、政府间海洋学委员会(IOC)和国际原子能机构(IAEA)海洋环境实验室等国际组织已将海洋酸化问题研究列为国际合作的重点领域，并相继启动了欧盟海洋酸化计划(EPOCA)、海洋生物地球化学和生态系统综合研究(IMBER)、海洋酸化的生物学影响(BIOACID)等多项海洋酸化研究计划，研究结果证实了海洋酸化问题已经不再是一种推测，而是不争的事实。CO2浓度升高引起的海洋酸化，使得海水碳酸盐系统发生变化，引起pCO2、H+和HCO3-浓度增加，CO3 2-浓度下降，这使得海水中不同类型无机碳(CO2、HCO3-和CO3 2-)浓度的比例及总溶解无机碳浓度发生变化，使依赖于化学环境稳定性的多种海洋生物乃至海洋生态系统的平衡面临巨大威胁。
目前关于海洋酸化对海洋生物影响的研究多以实验室内小水体静水培养和现场封闭围隔实验为主，采用的方法一般用HCL，NaCO3进行酸碱调节和进行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，随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：实验室和围隔实验所用的水体是静水，一方面在于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水体的pH通常会有非常大的变动，后期实验结果分析中仅仅利用培养前后的pH平均值来探讨不同pH梯度下得到的实验数据所反映的科学问题是非常不严谨的，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
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种新的轻简化流水式pH控制系统及其使用方法，系统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情况，使用方法简单快捷。
本发明是采用以下的技术方案实现的：本发明所述的轻简化流水式pH控制系统，包括预混池和实验池，其中预混池包括空气泵和CO2罐，空气泵和CO2罐通过管材向预混池充入气体，还包括分流管，预混池高于实验池，预混池内的海水依靠重力通过分流管连接至实验池；预混池包括pH控制器、潜水泵和溢水口，pH控制器一端连接CO2罐的进气管，另一端连接预混池的pH探头和预混池的气石，与气石相连的管材上设置有微调阀门；潜水泵位于预混池的池壁上，溢水口位于预混池顶部边缘处；实验池内置有控制水位的水位控制管。
优选地，所述预混池内设置有一根pH探头、两块气石和一台潜水泵，其中pH探头、气石分别通过支架进行固定在预混池中央且三者间隔设置，潜水泵位于预混池中部池壁；其中一块气石通过管材连接至空气泵，另一块气石通过管材连接至pH控制器。
优选地，所述预混池和实验池均采用上下一体式结构，上部采用圆筒体而下部采用圆锥体，进水口位于圆筒体的上部，出水口位于圆锥体的底部。
优选地，所述预混池总高度1.5m，上部圆筒体直径1m，总容水体积1000L；实验池总高度75cm，上部圆筒体直径40cm，总容水体积85L。
优选地，所述预混池和实验池的底部均安装有支撑底座，支撑底座包括与圆锥体配合的圆环架，以及固定于圆环架下方四根支撑杆。
优选地，所述分流管的进水口端连接至预混池的圆锥体底部，出水口端连接至若干实验池圆筒体的顶部，其中进水口端的管材上设置有主阀门，若干出水口端均设置有分阀门。
优选地，所述水位控制管位于实验池内部，溢出的海水经中空的水位控制管后从底部流出，保证海水的流动性。
本发明所述的轻简化流水式pH控制系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：pH值的调配：预混池内通过CO2罐充入纯净的CO2，通过空气泵充入空气，以充入纯净CO2和空气的混合酸性气体为点源，利用pH控制器的pH探头的反馈信号控制充入CO2气体阀门的开启与关闭；
步骤二：混合均匀：预混池外接活水水源，预混池顶端下方池壁设有圆形溢水口一个，预混池的进水流量大小以溢水口有极少量海水溢出为标准，池内利用潜水泵进行内循环保证海水混合均匀；
步骤三：重力分流：调配好的海水依靠重力经预混池底部出水口与分流管连接，分流管上设有多个出水口，根据实验需要连接多个实验池；
步骤四：水位控制：实验池的水位利用水位控制管来控制，以海水溢出的方式实现海水的流动性。
本发明的有益效果是：采用本发明所述的轻简化流水式pH控制系统，系统组装简单、试验场地需求低、能够有效实现流水状态下稳定pH的长期运行，可以为研究海洋酸化的生物学效应提供可靠的硬件保障；本发明所述的轻简化流水式pH控制系统的使用方法，调控过程可控，步骤简单易学，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情况，适合用于研究海洋酸化的实验室场合。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：1、预混池；2、空气泵；3、pH控制器；4、CO2罐；5、溢水口；6、潜水泵；7、pH探头；8、气石；9、支撑底座；10、分流管；11、实验池；12、水位控制管。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
如图1所示，本发明的整体结构分为三个主要部件，预混池1、分流管10和实验池11。预混池1的目的是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情况。分流管10目的是将预混池1的海水连接到实验需要连接多个实验池11。实验池11用于科研实验取样分析。
预混池1内的海水依靠重力通过分流管10连接至实验池11，因此预混池1高于实验池11。
预混池1能够长时间稳定控制水体pH原理在于：一方面，预混池1外置有pH控制器3，pH控制器3一端连接CO2罐4的进气管，另一端连接预混池1的pH探头7和预混池1的气石8，与气石8相连的管材上设置有微调阀门。预混池1内通过CO2罐4充入纯净的CO2，通过空气泵2充入空气，以充入纯净CO2和空气的混合酸性气体为点源，利用pH控制器3的pH探头7的反馈信号控制充入CO2气体阀门的开启与关闭。另一方面，专门设置有海水和混合酸性气体的潜水泵6，潜水泵6位于预混池1的池壁上，池内利用潜水泵6进行内循环保证海水混合均匀；预混池1外接活水水源，预混池1顶端下方池壁设有圆形溢水口5一个，预混池1的进水流量大小以溢水口5有极少量海水溢出为标准。
分流管10为一路分多路的多通结构，且每一路都可控。所述分流管10的进水口端连接至预混池1的圆锥体底部，出水口端连接至若干实验池11圆筒体的顶部，其中进水口端的管材上设置有主阀门，若干出水口端均设置有分阀门。调配好的海水依靠重力经预混池1底部出水口与分流管10连接，分流管10上设有多个出水口，根据实验需要连接多个实验池11；
实验池11体积小于预混池1。例如，所述预混池1总高度1.5m，上部圆筒体直径1m，总容水体积1000L；实验池11总高度75cm，上部圆筒体直径40cm，总容水体积85L。
水位控制管12为中空管，其插接于实验池11的圆锥体底部，海水从中空的水位控制管12的顶部进入，从底部流出，保证海水的流动性，实现海水的连续、不间断流动状态。
具体地，如图1所述，本发明所述的轻简化流水式pH控制系统，包括预混池1和实验池11，其中预混池1包括空气泵2和CO2罐4，空气泵2和CO2罐4通过管材向预混池1充入气体，还包括分流管10，预混池1高于实验池11，预混池1内的海水依靠重力通过分流管10连接至实验池11；预混池1包括pH控制器3、潜水泵6和溢水口5，pH控制器3一端连接CO2罐4的进气管，另一端连接预混池1的pH探头7和预混池1的气石8，与气石8相连的管材上设置有微调阀门；潜水泵6位于预混池1的池壁上，溢水口5位于预混池1顶部边缘处；实验池11内置有控制出水口开启或者关闭的水位控制管12。所述预混池1内设置有一根pH探头7、两块气石8和一台潜水泵6，其中pH探头7、气石8分别通过支架进行固定在预混池1中央且三者间隔设置，潜水泵6位于预混池1中部池壁；其中一块气石8通过管材连接至空气泵2，另一块气石8通过管材连接至pH控制器3。所述预混池1和实验池11均采用上下一体式结构，上部采用圆筒体而下部采用圆锥体，进水口位于圆筒体的上部，出水口位于圆锥体的底部。所述预混池1和实验池11的底部均安装有支撑底座9，支撑底座9包括与圆锥体配合的圆环架，以及固定于圆环架下方四根支撑杆。所述水位控制管12位于实验池11内部，溢出的海水经中空的水位控制管12后从底部流出，保证海水的流动性。
采用本发明所述的轻简化流水式pH控制系统，系统组装简单、试验场地需求低、能够有效实现流水状态下稳定pH的长期运行，可以为研究海洋酸化的生物学效应提供可靠的硬件保障。
实施例二：
本发明所述的轻简化流水式pH控制系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：pH值的调配：预混池1内通过CO2罐4充入纯净的CO2，通过空气泵2充入空气，以充入纯净CO2和空气的混合酸性气体为点源，利用pH控制器3的pH探头7的反馈信号控制充入CO2气体的阀门的开启与关闭；
步骤二：混合均匀：预混池1外接活水水源，预混池1顶端下方池壁设有圆形溢水口5一个，预混池1的进水流量大小以溢水口5有极少量海水溢出为标准，池内利用潜水泵6进行内循环保证海水混合均匀；
步骤三：重力分流：调配好的海水依靠重力经预混池1底部出水口与分流管10连接，分流管10上设有多个出水口，根据实验需要连接多个实验池11；
步骤四：水位控制：实验池11的水位利用水位控制管12来控制，以海水溢出的方式实现海水的流动性。
本发明所述的轻简化流水式pH控制系统的使用方法，调控过程可控，步骤简单易学，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情况，适合用于研究海洋酸化的实验室场合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种轻简化流水式pH控制系统，包括预混池(1)和实验池(11)，其中预混池(1)包括空气泵(2)和CO2罐(4)，空气泵(2)和CO2罐(4)通过管材向预混池(1)充入气体，其特征在于，还包括分流管(10)，预混池(1)高于实验池(11)，预混池(1)内的海水依靠重力通过分流管(10)连接至实验池(11)；预混池(1)包括pH控制器(3)、潜水泵(6)和溢水口(5)，pH控制器(3)一端连接CO2罐(4)的进气管，另一端连接预混池(1)的pH探头(7)和预混池(1)的气石(8)，与气石(8)相连的管材上设置有微调阀门；潜水泵(6)位于预混池(1)的池壁上，溢水口(5)位于预混池(1)顶部边缘处；实验池(11)内置有控制水位的水位控制管(12)。
2.根据权利要求1所述的轻简化流水式pH控制系统，其特征在于，所述预混池(1)内设置有一根pH探头(7)、两块气石(8)和一台潜水泵(6)，其中pH探头(7)、气石(8)分别通过支架进行固定在预混池(1)中央且三者间隔设置，潜水泵(6)位于预混池(1)中部池壁；其中一块气石(8)通过管材连接至空气泵(2)，另一块气石(8)通过管材连接至pH控制器(3)。
3.根据权利要求1或2所述的轻简化流水式pH控制系统，其特征在于，所述预混池(1)和实验池(11)均采用上下一体式结构，上部采用圆筒体而下部采用圆锥体，进水口位于圆筒体的上部，出水口位于圆锥体的底部。
4.根据权利要求3所述的轻简化流水式pH控制系统，其特征在于，所述预混池(1)总高度1.5m，上部圆筒体直径1m，总容水体积1000L；实验池(11)总高度75cm，上部圆筒体直径40cm，总容水体积85L。
5.根据权利要求3所述的轻简化流水式pH控制系统，其特征在于，所述预混池(1)和实验池(11)的底部均安装有支撑底座(9)，支撑底座(9)包括与圆锥体配合的圆环架，以及固定于圆环架下方四根支撑杆。
6.根据权利要求3所述的轻简化流水式pH控制系统，其特征在于，所述分流管(10)的进水口端连接至预混池(1)的圆锥体底部，出水口端连接至若干实验池(11)圆筒体的顶部，其中进水口端的管材上设置有主阀门，若干出水口端均设置有分阀门。
7.根据权利要求1所述的轻简化流水式pH控制系统，其特征在于，所述水位控制管(12)位于实验池(11)内部，溢出的海水经中空的水位控制管(12)后从底部流出，保证海水的流动性。
8.一种根据权利要求1～7任一所述的轻简化流水式pH控制系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：pH值的调配：预混池(1)内通过CO2罐(4)充入纯净的CO2，通过空气泵(2)充入空气，以充入纯净CO2和空气的混合酸性气体为点源，利用pH控制器(3)的pH探头(7)的反馈信号控制充入CO2气体阀门的开启与关闭；
步骤二：混合均匀：预混池(1)外接活水水源，预混池(1)顶端下方池壁设有圆形溢水口(5)一个，预混池(1)的进水流量大小以溢水口(5)有极少量海水溢出为标准，池内利用潜水泵(6)进行内循环保证海水混合均匀；
步骤三：重力分流：调配好的海水依靠重力经预混池(1)底部出水口与分流管(10)连接，分流管(10)上设有多个出水口，根据实验需要连接多个实验池(11)；
步骤四：水位控制：实验池(11)的水位利用水位控制管(12)来控制，以海水溢出的方式实现海水的流动性。
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