CN113998768A - 一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及农业灌溉技术领域，具体为一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其包括氢气供气系统、氢气纳米气泡水发生系统和输送系统。本装置通过低压气液混合过程促进灌溉水中自由气体分子向氢气气泡内扩散，再通过高压气液混合过程增加水分子簇间氢分子浓度，最终经过减压装置使得灌溉水中留存大量簇间氢分子和氢气纳米气泡，有效提高了灌溉水中氢分子总浓度；同时，利用氢气纳米气泡可透过细胞膜等特性，进一步提升氢水灌溉效果，有助于提高农作物或经济作物产量和品质，减少农药、化肥使用，促进智慧农业和科技农业的发展。

Description

一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，具体为一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法。
背景技术
早发现氢分子的植物学效应的，是1964年伦威克等人，研究发现，氢分子处理冬黑麦种子后萌发速率更快。近年来，氢分子植物学效应成为研究热点，大量研究结果证实，氢分子对植物生理具有重要调节效应：如氢分子对多种农作物的种子萌发具有重要影响、可有效降低农作物的盐胁迫抗性、影响植物开花时间、诱导抗氧化酶基因以及血红素加氧酶1基因表达、提高酶活性以及提高水稻以及拟南芥的耐盐性等。
现有技术中，多采用常压下氢气曝气等技术制备富氢水进行农业灌溉，但由于灌溉水中存在大量自由气体分子，如氮气分子和氧气分子，在曝气过程中向氢气气泡扩散，导致氢气分子进入水分子间形成簇间自由分子的几率降低，并导致氢气气泡内氢气浓度下降、曝气效果下降、氢气利用率低；同时，氢气以大气泡形成存在，水中停留时间短，导致后续灌溉管路氢分子浓度低。
鉴于此，本发明提供了一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，通过低压气液混合过程促进灌溉水中自由气体分子向氢气气泡内扩散，再通过高压气液混合过程增加水分子簇间氢分子浓度，最终经过减压装置使得灌溉水中留存大量簇间氢分子和氢气纳米气泡，有效提高了灌溉水中氢分子总浓度；同时，利用氢气纳米气泡可透过细胞膜等特性，进一步提升氢水灌溉效果，有助于提高农作物或经济作物产量和品质，减少农药、化肥使用，促进智慧农业和科技农业的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：其包括氢气供气系统、氢气纳米气泡水发生系统和输送系统，氢气供气系统包括氢气发生源和供气管路，其作用是将氢气发生源产生的氢气供应至氢气纳米气泡水发生系统，输送系统是指将氢气纳米气泡水发生系统出水输送至灌溉用水点的管道或装置；
其中，氢气纳米气泡水发生系统包括进水接口、出水接口、氢气接口、排气接口、低压混合装置、高压混合装置和减压装置；灌溉水通过进水接口进入氢气纳米气泡水发生系统，依次通过低压混合装置、高压混合装置、减压装置，再由出水接口进入输送系统；氢气接口和排气接口分别用于连接供气管路和废气排气管路；低压混合装置和高压混合装置均为文丘里管、射流器、静态混合器、气泡柱、气液混合泵、脱气膜等通过增加气液接触面积以强化气液传质过程的结构或装置，低压混合装置内进行气液混合时的气体压力P1≦P0(大气压)；高压混合装置内进行气液混合时的气体压力P2≥P0(大气压)；减压装置是截流孔板、阀门等可以增加管道局部阻力的结构或装置的一种或几种的组合，其作用是将高压混合装置出水压力降至输送系统所需压力；
进一步地，氢气发生源可以是电解水制氢装置、化学法制氢装置、氢气钢瓶、液氢储罐中的一种或几种的组合；
进一步地，低压混合装置的气体压力P1可通过真空泵或射流器产生；
进一步地，高压混合装置的压力P2可通过增氧水泵、氢气源自有压力产生；
进一步地，高压混合装置和减压装置均设有自动排气阀等排气装置，用于排出多余气体；
进一步地，低压混合装置设有氢气接口，氢气供气系统供应至低压混合装置的标准状况氢气流量与灌溉水流量的体积比在0.5％-5％之间；
进一步地，高压混合装置设有氢气接口，氢气供气系统供应至高压混合装置的标准状况氢气流量与灌溉水流量的体积比在10％-50％之间。
附图说明
图1为本发明的装置流程图。
图中序号：1为氢气供气系统，包括2为低压混合装置，3为高压混合装置，4为减压装置，5为输送系统，6为废气排气管路，7为进水接口，8为氢气纳米气泡水发生系统，9为出水接口，11a和11b为氢气接口，12a和12b为排气接口。
氢气供气系统1包括氢气钢瓶101、减压阀102、质量流量控制器103a和103b、单向阀104a和104b、供气管路105；
低压混合装置2包括射流器21、压力传感器22、真空泵23、气体管道24、过水管道25、脱气膜26；
高压混合装置3包括水泵31、压力传感器32、自动排气阀33、气体管道34、过水管道35、脱气膜36；
减压装置4包括截流孔板41、自动排气阀42、延长管43。
输送系统5包括输送管51，喷嘴52。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1所示，本发明提供的一种技术方案：
氢气钢瓶1中的高压氢气通过减压阀102减压后，分别通过质量流量控制器103a和103b准确控制经供气管路105进入氢气接口11a和11b的氢气流量，供气管路105上还安装有单向阀104a和104b。
灌溉用水通过进水接口7进入低压混合装置2的射流器21，与由氢气接口11a排出的氢气混合进入脱气膜26内部的过水管道25；通过真空泵23和压力传感器22的反馈控制，实现脱气膜26外部的气体管道24内压力保持在负值(表压)；受气体管道24负压的作用，过水管道25内的自由气体透过脱气膜26进入气体管道24，随后被真空泵23抽出，。
低压混合装置2的出水通过水泵31增压后进入过水管道35，脱气膜36外部的气体管道34内的高压氢气(其压力通过压力传感器32和质量流量控制反馈控制)透过脱气膜36，在过水管道35内形成大量气泡，由于氢气分压高，根据亨利定律，簇间氢分子浓度进一步增加，过水管道35出水中的大气泡通过自动排气阀33、排气接口12a排入废气排气管路6；灌溉水进入减压装置4的截流孔板41时，由于流速增加，压力下降，部分簇间氢分子通过碰撞形成纳米级气泡、微米级气泡和大气泡，后两者在水流通过延长管43时由自动排气阀42、排气接口12b排入废气排气管路6；留存有大量簇间氢分子和纳米级气泡的灌溉水通过出水接口9进入输送管51，最终到达喷嘴52，实现氢水纳米气泡水灌溉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过低压气液混合过程促进灌溉水中自由气体分子向氢气气泡内扩散，再通过高压气液混合过程增加水分子簇间氢分子浓度，最终经过减压装置使得灌溉水中留存大量簇间氢分子和氢气纳米气泡，有效提高了灌溉水中氢分子总浓度；同时，利用氢气纳米气泡可透过细胞膜等特性，进一步提升氢水灌溉效果，有助于提高农作物或经济作物产量和品质，减少农药、化肥使用，促进智慧农业和科技农业的发展。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：其包括氢气供气系统、氢气纳米气泡水发生系统和输送系统，氢气供气系统包括氢气发生源和供气管路，其作用是将氢气发生源产生的氢气供应至氢气纳米气泡水发生系统，输送系统是指将氢气纳米气泡水发生系统出水输送至灌溉用水点的管道或装置；
其中，氢气纳米气泡水发生系统包括进水接口、出水接口、氢气接口、排气接口、低压混合装置、高压混合装置和减压装置；灌溉水通过进水接口进入氢气纳米气泡水发生系统，依次通过低压混合装置、高压混合装置、减压装置，再由出水接口进入输送系统；氢气接口和排气接口分别用于连接供气管路和废气排气管路；低压混合装置和高压混合装置均为文丘里管、射流器、静态混合器、气泡柱、气液混合泵、脱气膜等通过增加气液接触面积以强化气液传质过程的结构或装置，低压混合装置内进行气液混合时的气体压力P1≦P0(大气压)；高压混合装置内进行气液混合时的气体压力P2≥P0(大气压)；减压装置是截流孔板、阀门等可以增加管道局部阻力的结构或装置的一种或几种的组合，其作用是将高压混合装置出水压力降至输送系统所需压力。
2.根据权利要求1所述的氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：氢气发生源可以是电解水制氢装置、化学法制氢装置、氢气钢瓶、液氢储罐中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：低压混合装置的气体压力P1可通过真空泵或射流器产生。
4.根据权利要求1所述的氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：高压混合装置的压力P2可通过增氧水泵、氢气源自有压力产生。
5.根据权利要求1所述的氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：高压混合装置和减压装置均设有自动排气阀等排气装置，用于排出多余气体。
6.根据权利要求1所述的氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：低压混合装置设有氢气接口，氢气供气系统供应至低压混合装置的标准状况氢气流量与灌溉水流量的体积比在0.5％-5％之间。
7.根据权利要求1所述的氢气纳米气泡水灌溉装置和方法，其特征在于：高压混合装置设有氢气接口，氢气供气系统供应至高压混合装置的标准状况氢气流量与灌溉水流量的体积比在10％-50％之间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115138279A (zh) * 2022-07-28 2022-10-04 江南大学 一种高浓度高稳定的微纳米氢气泡水生成装置及方法
CN115138279B (zh) * 2022-07-28 2024-05-28 江南大学 一种高浓度高稳定的微纳米氢气泡水生成装置及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115138279A (zh) * 2022-07-28 2022-10-04 江南大学 一种高浓度高稳定的微纳米氢气泡水生成装置及方法
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