CN114042391A - 一种水下气泡制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下气泡制造装置及方法，该装置包括直流水泵、异径直通接头、透明软管、T型管、进样垫、进样器、尼龙绳和固定支架；所述直流水泵的出水口与异径直通接头连接，所述异径直通接头和T型管水平方向的一个端口通过透明软管连接，T型管水平方向的另一个端口通过透明软管伸入水下；所述T型管的垂直方向的接口通过进样垫封堵；所述进样器用于抽取气体样本并将气体注射到T型管中形成气泡；所述尼龙绳用于悬挂固定支架，所述固定支架通过尼龙绳悬挂放置于水中。本发明可以控制产生气泡的体积以及气泡释放的深度，检测收集到的气体体积以及成分等，并可探究气泡在水体上升过程与水体间的气体交换过程。

Description

一种水下气泡制造装置及方法
技术领域
本发明属于生态环境技术领域，涉及到水环境，具体涉及一种水下气泡制造装置及方法。
背景技术
“冒泡”是自然水体中常见的现象，其原理是水体沉积物中积累的有机质、营养盐等在微生物的作用下，经过一系列生物化学过程产生气体，这些气体在沉积物中不断积累，当达到一定条件后，以气泡的形式从沉积物中冒出进入水体。气泡中的气体成分包含了甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)以及氮气(N2)等，其中CH4和N2O作为温室气体是各国学者研究的热点；气泡中N2的存在则反映了水体内部的脱氮过程，这揭示了水体内部的自净过程，是当今水环境领域的前沿课题，因此研究气泡对于深入认识水体的生态环境效应具有重要意义。
现有技术中存在的问题主要包括：
量化沉积物中产生的气泡体积是进行上述问题研究的基础，目前使用声学探测仪器可以有效的对水体中的气泡进行探测，通过建立气泡的声学目标强度与其体积的关系曲线即可对探测到的气泡体积进行量化。但由于在水下的特殊环境下缺少有效的直接观测手段以及气泡本身受水压力影响较大，在水下人工产生已知体积大小的单个气泡成为了一个难点问题。因此，一个可以在水下产生可控制体积的单个气泡的装置对于量化沉积物中产生的气泡体积，以及研究气泡在上升过程中与水体间的气体交换过程都具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种水下气泡制造装置及方法，该装置可以控制产生气泡的体积以及气泡释放的深度，检测收集到的气体体积以及成分等，并可探究气泡在水体上升过程与水体间的气体交换过程。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种水下气泡制造装置，包括直流水泵、异径直通接头、透明软管、T型管、进样垫、进样器、尼龙绳和固定支架；所述直流水泵的出水口与异径直通接头连接，所述异径直通接头和T型管水平方向的一个端口通过透明软管连接，T型管水平方向的另一个端口通过透明软管伸入水下；所述T型管的垂直方向的接口通过进样垫封堵；所述进样器用于抽取气体样本并将气体注射到T型管中形成气泡；所述尼龙绳用于悬挂固定支架，所述固定支架通过尼龙绳悬挂放置于水中。
优选地，所述直流水泵为小型变频直流水泵，功率为5-20W，流量为200-1000L/H，最大扬程5m，出水口内径16mm。
优选地，所述异径直通接头为PVC材质接头，尺寸为16mm内径转为8mm外径。
优选地，所述透明软管为PVC材质，外径12mm，内径8mm。
优选地，所述T型管为玻璃材质，接口外径为9mm。
优选地，所述进样垫为硅胶材质。
优选地，所述进样器为高精度气相进样针。
优选地，所述尼龙绳的直径为5mm。
优选地，所述固定支架采用钢筋打造，主要由一根1000mm长的钢筋下部焊接4个U型钢筋组成，所述U型钢筋的尺寸为300mm×200mm(全长×口宽)；所述透明软管沿U型钢筋布设，并用防水胶布固定。
一种水下气泡制造方法，采用上述的一种水下气泡制造装置制造水下气泡，操作过程中，首先打开直流水泵，使管路上透明软管中充满水后停止水泵；使用进样器抽取一定体积气体样本，穿透进样垫，将气体注射到T型管中形成气泡，然后拔出进样器；再次打开直流水泵，管路中的水流带动T型管中的气泡在透明软管中移动，气泡在固定支架处改变运动方向为竖直向上并排出管路；在近水面处收集这些气体，检测收集到的气体体积以及成分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)提供了一种可以在水下产生可控制体积的单个气泡的装置，为研究气泡在上升过程中与水体间的气体交换过程提供了参考。
(2)通过注射特定成分的气体，将气体输送至深度H处释放并在近水面处收集这些气体，检测收集到的气体体积以及成分等，即可探究气泡在水体上升过程中与水体间发生的气体交换过程。
(3)本发明结构简单，使用方便，能够控制产生气泡的体积以及气泡释放的深度。
附图说明
图1是本发明所提供的一种水下气泡制造装置的结构示意图。
图2是本发明所提供的一种水下气泡制造装置中气体进样部分的结构示意图。
图3是本发明所提供的一种水下气泡制造装置中固定支架部分的结构示意图。
图4是本发明实施例中10m水深处单个气泡体积与目标强度的关系图。
附图标记说明：1、直流水泵；2、异径直通接头；3、透明软管；4、T型管；5、进样垫；6、进样器；7、尼龙绳；8、固定支架。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1-图3所示，本发明公开了一种水下气泡制造装置，包括直流水泵1、异径直通接头2、透明软管3、T型管4、进样垫5、进样器6、尼龙绳7和固定支架8。
所述直流水泵1为一小型变频直流水泵，尺寸为11cm×8.3cm×12cm(长×宽×高)，功率为5-20w，流量为200-1000L/H，最大扬程5m，出水口内径16mm。
所述异径直通接头2为一PVC材质接头，尺寸为16mm(内径)转为8mm(外径)。
所述透明软管3为PVC材质透明软管，尺寸为12mm×8mm(外径×内径)，透明软管3连接异径直通接头2和T型管4。
所述T型管4为玻璃材质，接口外径为9mm，T型管水平方向两端口与透明软管3连接，垂直方向接口用硅胶进样垫5封堵。
所述进样垫5为硅胶材质，下段外径为6mm，用于封堵T型管4的垂向端口。
所述进样器6为高精度气相进样针，规格为1000uL。
所述尼龙绳7直径为5mm，用于悬挂固定支架8。
所述固定支架8由钢筋打造，钢筋直径12mm，由1根1000mm长的钢筋下部焊接4个U型钢筋组成，U型钢筋尺寸为300mm×200mm(全长×口宽)，固定支架8用尼龙绳7悬挂放置于水中，透明软管3沿U型钢筋布设，并用防水胶布固定。
实施例
一种水下气泡发生装置如图1所示。装置操作过程中，首先打开直流水泵1，使管路上透明软管3中充满水后停止水泵；使用进样器6抽取一定体积气体样本，穿透进样垫5，将气体注射到T型管4中形成气泡，然后拔出进样器6；再次打开直流水泵1，管路中的水流带动T型管4中的气泡在透明软管3中移动，气泡在固定支架8处改变运动方向为竖直向上并排出管路。
(1)产生单个气泡
在上述操作过程基础上，通过控制进样器6注射的气体体积Va以及固定支架8的悬挂深度H(即气泡产生时所处的深度)，根据理想气体方程PV＝nRT，即可换算出气泡在深度H释放时的体积Vb。
使用声学仪器EY60对本发明产生的单个气泡进行探测，在10m水深处产生气泡，控制注射Va的体积分别为0.2、0.4、0.6…2.0ml,则在10m水深处释放的单个气泡体积Vb为0.1、0.2、0.3…1.0ml，得到的气泡声学目标强度与体积关系如图4所示。
由图4可知，本发明产生的气泡体积在0.1-1.0ml时与其目标强度呈明显的线性关系，其中y＝6.503x-53.409，R2＝0.966。
(2)产生成簇气泡
本发明产生单个气泡的最大体积取决于透明软管3的内径，通过实际测试，当透明软管3的内径为8mm时，可以产生的最大单个气泡体积为1ml。因此，根据注射的气体体积Va以及气泡释放的深度H，通过PV＝nRT换算，当气泡释放时体积大于1ml时，气泡将以连续多个小气泡的方式释放，即在深度H处产生连续成簇气泡。同时使用图4所示的关系曲线即可对成簇气泡中不同气泡的大小和数量进行辨识。
(3)水体中的气体交换过程研究
通过注射特定成分的气体，使用本发明将气体输送至深度H处释放并在近水面处收集这些气体，检测收集到的气体体积以及成分等，即可探究气泡在水体上升过程中与水体间发生的气体交换过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下气泡制造装置，其特征在于：包括直流水泵(1)、异径直通接头(2)、透明软管(3)、T型管(4)、进样垫(5)、进样器(6)、尼龙绳(7)和固定支架(8)；所述直流水泵(1)的出水口与异径直通接头(2)连接，所述异径直通接头(2)和T型管(4)水平方向的一个端口通过透明软管(3)连接，T型管(4)水平方向的另一个端口通过透明软管(3)伸入水下；所述T型管(4)的垂直方向的接口通过进样垫(5)封堵；所述进样器(6)用于抽取气体样本并将气体注射到T型管(4)中形成气泡；所述尼龙绳(7)用于悬挂固定支架(8)，所述固定支架(8)通过尼龙绳(7)悬挂放置于水中。
2.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述直流水泵(1)为小型变频直流水泵，功率为5-20W，流量为200-1000L/H，最大扬程5m，出水口内径16mm。
3.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述异径直通接头(2)为PVC材质接头，尺寸为16mm内径转为8mm外径。
4.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述透明软管(3)为PVC材质，外径12mm，内径8mm。
5.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述T型管(4)为玻璃材质，接口外径为9mm。
6.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述进样垫(5)为硅胶材质。
7.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述进样器(6)为高精度气相进样针。
8.根据权利要求1所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述尼龙绳(7)的直径为5mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种水下气泡制造装置，其特征在于：所述固定支架(8)采用钢筋打造，主要由一根1000mm长的钢筋下部焊接4个U型钢筋组成，所述U型钢筋的尺寸为全长300mm×口宽200mm；所述透明软管(3)沿U型钢筋布设，并用防水胶布固定。
10.一种水下气泡制造方法，其特征在于：采用如权利要求1-9中任一项所述的一种水下气泡制造装置制造水下气泡，操作过程中，首先打开直流水泵(1)，使管路上透明软管(3)中充满水后停止水泵；使用进样器(6)抽取一定体积气体样本，穿透进样垫(5)，将气体注射到T型管(4)中形成气泡，然后拔出进样器(6)；再次打开直流水泵(1)，管路中的水流带动T型管(4)中的气泡在透明软管(3)中移动，气泡在固定支架(8)处改变运动方向为竖直向上并排出管路；在近水面处收集这些气体，检测收集到的气体体积以及成分。
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