CN109911474B - 水下激光致泡收集系统 - Google Patents

Abstract

水中塑料垃圾已成为当今海水污染重要来源，现常有被海洋生物吸入例证报道，危及海洋生物自身生存，且被捕捞食用后还危害人类安全。为找到一种适合大面积快速搜集海水中散布塑料垃圾的新方法，本发明利用激光‑水相互作用时发生的汽化效应，在水中造成大量且航迹可控的气泡群，通过气泡的生成与溃灭，造成对气泡群周边塑料悬浮物的吸引、裹挟或推动，达成将其收拢聚集到气泡群中之目的；利用改变水下平台拖曳激光传输光纤的长度，变换水下生成气泡群的位置；利用长度不等多路激光传输光纤组形成一定长度和宽度气泡群，实现大范围塑料垃圾收集；利用改变激光的输出能量、脉宽或重频等，生成不同尺度和密度的气泡，可适应不同尺寸塑料垃圾收集。

Description

水下激光致泡收集系统

技术领域

本发明属于激光技术水下应用领域，主要用于对海水中塑料微块的收集。

背景技术

随着中国制造技术的飞速发展，我国近海周边的海水污染也日渐严重，其中白色塑料已成为海水污染的一种主要来源。这类污染物不仅污染了海洋环境，而且还被诸多海洋生物吸入体内，然后又被人类食用，在对海洋生物的生存构成极大威胁的同时，也直接危及到了人类的健康。

众所周知，塑料袋和塑料泡沫等白色污染的清除，在陆地上就已经是一件很难的事情了。若在水下，由于该类污染垃圾的尺寸小、重量轻、容易随波扩展、且漂浮不定，所以收集的难度更是增加了许多。为解决目前小区域打捞式的水下垃圾收集方法覆盖范围小，操作效率低等问题，本发明提出一种基于激光与水介质汽化机制的高效海洋塑料垃圾的收集新方法。

发明内容

本发明是为收集海水中的塑料微块而提出的一种水下激光致泡收集系统。

本发明水下激光致泡收集系统是按下属方案实现的。它是利用激光与水介质相互作用时产生的汽化效应，在水中形成大量气泡群；通过水下气泡群对周围悬浮塑料微块的搅动作用，使气泡群与塑料微块混合起来；基于气泡在水下内外压差作用下发生溃灭时产生的负压效应，将气泡附近的塑料微块吸引裹挟到气泡群中；通过适当改变激光器参数，主动控制水下气泡群的生成位置、主流方向、形成时间与气泡密度，由此实现对气泡群周围水中悬浮塑料微块的引导、吸引或驱赶，最终将其收集到相应的收集网中。水下激光致泡收集系统由激光水下气泡发生器、多路光纤输出光缆、水下激光照明器、水下摄像机、水下塑料收集网组和水下平台组成(图1)。其中，激光水下气泡发生器为一在水中产生气泡的激光器，可采用高重频脉冲光纤激光器，激光波长1微米，功率大小可调，发散角10-20度，通过改变激光器的输出能量、脉宽或重频等技术参数，可在水下生成不同尺度或密度的气泡群，以适应对不同尺寸塑料垃圾的收集；多路光纤输出光缆为一组长度不等的多根光纤束，可将激光水下气泡发生器的激光束分别同时或分时传递到水下的不同位置或距离；水下激光照明器为一台LD绿激光照明器，水下摄像机为一台低照度CCD摄像机，水下激光照明器为水下摄像机观察水下气泡形成状态提供照明；水下塑料收集网由一组具有不同网眼尺度的小网组成。海水塑料微块的水下激光致泡收集系统的所有组成单元由水下平台承载或拖曳。多路光纤输出光缆与水下塑料收集网组在水下使用时一一对应，即每路光纤输出光缆与一个水下塑料收集小网相连，两者之间可绳系，留有一定距离；当光纤输出光缆出射的激光束遇水时，随即生成具有一定长度和宽度的气泡群，利用气泡群将其附近水中的塑料微块吸引或裹挟进来；通过逐渐收拢水下塑料收集小网，将气泡群中的塑料微块过滤留在网中。随着水下平台的移动，水中形成的气泡群的也随之移动，实现对一定水域范围内的塑料垃圾收集。水下塑料微块收集网由一组具有不同网眼直径的收集小网组成，可采用柔性微孔薄膜或其他轻质材料制做，弹性好；网口张口较大，便于收集物进网，网底尺寸较小，减少兜水；成本较低，或随收集的白色垃圾一并处理，也可多次重复使用。

本发明水下激光致泡收集系统的优点如下：

1、巧妙利用激光与水介质的汽化作用机制，以激光可重复发射之特点，实现一种低成本、持续重复、灵活多样的气泡群，然后再利用气泡的溃灭将其周围的轻飘塑料微块吸引到气泡流中，并裹挟协同、导向引流，实现气泡流对塑料微块的吸引。

2、利用水下激光发射角度的灵活多样，或改变船载激光输出光纤的长度，则可形成多路具有不同长度、直径或形状特征的水下气泡群，以此实现对水中离散塑料微块的吸引、聚集、导流，并最终引导进入水下收集平台拖曳的水下塑料微块收集网中。这种时而有形而又时而无形的水下气泡流收集通道，较其他实体类收集手段更为优越。

3、只要简单改变激光器的发射参数，即可快捷、方便地实现对水下生成气泡尺度与密度的改变，较其他传统实体捕捞措施更适合处理不同尺度的水下塑料垃圾。

附图说明

图1水下激光致泡收集系统组成框图

具体实施方案

本发明的水下激光致泡收集系统的具体实施方案如下。水下激光致泡收集系统由激光水下气泡生器1、多路光纤输出光缆2、水下激光照明器3、水下摄像机4、水下塑料收集网组5和水下平台6组成。其中，激光水下气泡发生器1为一在水中产生气泡的激光器，可采用高重频脉冲光纤激光器，激光波长1微米，功率大小可调，发散角10-20度，通过改变激光器的输出能量、脉宽或重频等技术参数，可在水下生成不同尺度或密度的气泡群，以适应对不同尺寸塑料垃圾的收集；多路光纤输出光缆2为一组长度不等的多根光纤束，可将激光水下气泡发生器的激光束分别同时或分时传递到水下的不同位置或距离；水下激光照明器3为一台LD绿激光照明器，水下摄像机4为一台低照度CCD摄像机，水下激光照明器3为水下摄像机4观察水下气泡形成状态提供照明；水下塑料收集网5由一组具有不同网眼尺度的小网组成。水下激光致泡收集系统的所有组成单元由水下平台6承载或拖曳。多路光纤输出光缆2与水下塑料收集网组5在水下使用时一一对应，即每路光纤输出光缆与一个水下塑料收集小网相连，两者之间可绳系，留有一定距离；当光纤输出光缆出射的激光束遇水时，随即生成具有一定长度和宽度的气泡群，利用气泡群将其附近水中的塑料微块吸引或裹挟进来；通过逐渐收拢水下塑料收集小网，将气泡群中的塑料微块过滤留在网中。随着水下平台的移动，水中形成的气泡群的也随之移动，实现对一定水域范围内的塑料垃圾收集。水下塑料微块收集网5由一组具有不同网眼直径的收集小网组成，可采用柔性微孔薄膜或其他轻质材料制做，弹性好；网口张口较大，便于收集物进网，网底尺寸较小，减少兜水；成本较低，或随收集的白色垃圾一并处理，也可多次重复使用。

Claims (4)

1.一种海水塑料微块的水下激光致泡收集系统，其特征为：该系统由激光水下气泡发生器、多路光纤输出光缆、LD绿激光水下激光照明器、低照度CCD水下摄像机、水下塑料收集网组和水下平台组成；它基于激光与水介质相互作用时产生的汽化效应，在水中形成大量的气泡群；通过水下气泡群对周围悬浮塑料微块的搅动作用，使气泡群与塑料微块混合起来；基于气泡在水下内外压差作用下发生溃灭时产生的负压效应，将气泡附近的塑料微块吸引裹挟到气泡群中；通过适当改变激光器参数，主动控制水下气泡群的生成位置、主流方向、形成时间与气泡密度，由此实现对气泡群周围水中悬浮塑料微块的引导、吸引或驱赶，最终将其收集到相应的收集网中；水下激光照明器为水下摄像机观察水下气泡形成状态提供照明。

2.根据权利要求1中的一种海水塑料微块的水下激光致泡收集系统，其特征为：激光水下气泡发生器为一在水中产生气泡的激光器，采用高重频脉冲光纤激光器，激光波长1微米，功率大小可调，发散角10-20度，通过改变激光器的输出能量、脉宽或重频诸技术参数，在水下生成不同尺度或密度的气泡群，以适应对不同尺寸塑料垃圾的收集。

3.根据权利要求1中的一种海水塑料微块的水下激光致泡收集系统，其特征为：多路光纤输出光缆是一组长度不等的多根光纤束，可将激光水下气泡发生器的激光束分别同时或分时传递到水下的不同位置或距离；多路光纤输出光缆与水下塑料收集网组在水下使用时一一对应，即每路光纤输出光缆与一个水下塑料收集小网相连，两者之间采用绳系，留有一定距离；当光纤输出光缆出射的激光束遇水时，随即生成具有一定长度和宽度的气泡群，利用气泡群将其附近水中的塑料微块吸引或裹挟进来；通过逐渐收拢水下塑料收集小网，将气泡群中的塑料微块过滤留在网中；随着水下平台的移动，水中形成的气泡群的也随之移动，实现对一定水域范围内的塑料垃圾收集。

4.根据权利要求1中的一种海水塑料微块的水下激光致泡收集系统，其特征为：水下塑料微块收集网由一组具有不同网眼直径的收集小网组成，由水下平台承载或拖曳；它采用柔性微孔薄膜或其他轻质材料制做，弹性好；网口张口较大，便于收集物进网，网底尺寸较小，减少兜水；成本较低，或随收集的白色垃圾一并处理，或多次重复使用。

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