CN201168545Y - 空间植物栽培乙烯浓度控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空间植物栽培乙烯浓度控制装置，包括外壳(1)、催化剂载体(2)、催化剂(3)和光源(4)；催化剂载体(2)、催化剂(3)和光源(4)位于外壳(1)内，外壳(1)两侧分别开有乙烯入口(6)和乙烯出口(5)；催化剂载体(2)为中空的圆柱体结构，催化剂(3)附着在催化剂载体(2)的内壁；催化剂(3)和光源(4)之间的空间为乙烯的催化反应区(7)。本实用新型采用半导体粒子ZnO、WO₃、Fe₂O₃、TiO₂作催化剂，可以连续不断地使用，克服了吸附剂不可再生的缺点；将多个空间植物栽培乙烯浓度控制装置连续串联，使乙烯处理较为彻底。同时，体积小、光源功率较低，适合在空间条件下使用。

Description

空间植物栽培乙烯浓度控制装置

技术领域

本实用新型涉及受控生态生保的植物栽培技术领域，特别是一种空间植物栽培中乙烯浓度的控制装置。

背景技术

在未来长期载人航天和深空探测活动中，需要建立相应的受控生态生保系统为航天员提供食物、氧气和水等基本的生保物资。栽培植物是实现该系统功能的一个极为重要的途径。在国内外多年的研究中，人们发现，植物在其生长过程中会不断释放各种有机物，这些有机物在植物周围空间达到一定浓度时，就会对植物的生长发育产生抑制作用，阻碍植物的正常生长发育。受控生态生保系统中的植物舱更是如此，由于其空间的密闭性，使植物周围空间中的有机物浓度很容易达到对其有害的程度。在这些有机物中，最为突出的是乙烯。因此，必须对该密闭环境中的乙烯浓度进行控制，使其处于对植物生长发育无害的浓度水平，从而使植物的生理活动能维持在正常的代谢水平上。如何去除这些乙烯，成为受控生态生保技术研究中密闭环境大气组分控制研究的重点之一。另外，乙烯去除技术的实现还必须符合受控生态生保系统空间和能源有限的条件。

目前的乙烯去除技术主要采用脱除剂来控制环境中乙烯的含量。比如采用沸石作吸附剂或活性炭从气体混合物中吸附脱除乙烯。这种方法主要应用于物化再生式生保系统和用于从水果催熟房中脱除乙烯气体。但是这种方法只是一个简单的物理过程，存在以下缺点：1、只能适用于高浓度乙烯的去除(mg/kg)，对于低浓度乙烯的去除(μg/kg)效果非常不明显，去除率小于50％。2、只能对乙烯进行吸附，这样使得系统内的碳和氢不能重复利用。3、所使用的吸附剂不可再生，导致相应的装置存在着体积和重量大等缺点，不适合时间较长的载人飞行和深空探测。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、能耗低、乙烯去除率高、催化剂化学性质稳定、成本低的空间植物栽培中乙烯浓度的控制装置。

本实用新型的技术解决方案是：空间植物栽培乙烯浓度控制装置，包括外壳、催化剂载体、催化剂和光源；催化剂载体、催化剂和光源位于外壳内，外壳两侧分别开有乙烯入口和乙烯出口；催化剂载体是中空的圆柱体结构，催化剂附着在催化剂载体的内壁；催化剂和光源之间的空间为乙烯的催化反应区。

所述催化剂为半导体粒子态的ZnO、或WO₃、或Fe₂O₃、或TiO₂。

所述催化剂厚度为8.0～15.0μm。

所述光源的波长为325～3850nm。

所述光源为紫外光管。

将数量大于1个的所述空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯入口和乙烯出口相互串联，以提高乙烯浓度的处理效果，串联数量为2-16个。

本实用新型的工作原理是：在光催化反应中，使用的催化剂是半导体粒子。当光源照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生电子e^-和空穴h⁺。光生空穴具有强氧化性，可直接把有机物氧化；或者光生空穴先氧化催化剂表面的水分子生成羟基自由基，它也是强氧化剂并可氧化分解有机物。同时氧气可与光发生电子反应生成超氧离子并经过一系列的转变后亦可参与有机物降解反应过程。在光生空穴、羟基自由基和超氧离子三者的作用下，乙烯被氧化分解，生成CO₂和H₂O，光能转变为化学能。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

1、本实用新型采用半导体粒子态的ZnO、WO₃、Fe₂O₃、TiO₂作催化剂，可以连续不断地使用，克服了吸附剂不可再生的缺点，降低了空间飞行过程中的物资供应重量和植物舱构建成本。

2、采用实用新型空间植物栽培乙烯浓度控制装置处理乙烯的最终产物为CO₂和H₂O，都是空间植物舱中植物生长所需要的物质，可以重复利用。

3、本实用新型的光源功率较低，如采用波长为365nm的紫外灯管，其功率仅为6W，因此具有能耗低的优点，适合在空间条件下使用。

4、采取多个连续串联空间植物栽培乙烯浓度控制装置对乙烯进行逐步处理，使得乙烯的处理较为彻底，乙烯的去除率大于75％，可以处理浓度很低的乙烯气体(≯10ppm)。

5、本实用新型的外包装采用尺寸仅为Φ24mm×L240mm，具有体积小的特点，可以满足空间植物舱中对各部件的体积限制要求。

附图说明

图1本实用新型的空间植物栽培乙烯浓度控制装置示意图；

图2为8个空间植物栽培乙烯浓度控制装置串联组合使用的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，空间植物栽培乙烯浓度控制装置，包括外壳1、催化剂载体2、催化剂3和光源4；催化剂载体2、催化剂3和光源4位于外壳1内，外壳1两侧分别开有乙烯入口6和乙烯出口5。催化剂载体2为中空的圆柱体结构，催化剂3附着在催化剂载体2的内壁；催化剂3和光源4之间的空间为乙烯的催化反应区7。

壳体1为圆柱形不锈钢壳体；催化剂3选用半导体粒子态的TiO₂。光源4选用紫外灯管，功率6W，输出波长为365nm；催化剂3的厚度为10μm。

整个空间植物栽培乙烯浓度控制装置采用密封结构，用带螺纹不锈钢盖并用PTFE(聚四氟乙烯)垫片密封不锈钢壳体1上的乙烯入口6和乙烯出口5。

植物栽培装置中含有乙烯的气体由乙烯入口6进入乙烯的催化反应区7中，在光源4的照射下，乙烯气体与催化剂3接触发生反应，降解生成CO₂和H₂O，经处理后的气体从乙烯出口5处排出，返回到植物栽培装置中。

经测试，本实施例中空间植物栽培乙烯浓度控制装置乙烯的去除率为70～75％。

实施例2

如附图2所示，将8个空间植物栽培乙烯浓度控制装置通过管道10串联起来。第一个空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯出口连接第二个空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯入口，依次连接到第八个空间植物栽培乙烯浓度控制装置。

本实施例中壳体为圆柱形不锈钢；催化剂选用半导体粒子态的TiO₂；光源选用紫外灯管，功率6W，输出波长为365nm；催化剂的厚度为10μm。

整个空间植物栽培乙烯浓度控制装置采用密封结构，用带螺纹不锈钢盖11并用PTFE(聚四氟乙烯)垫片密封不锈钢壳体12上的乙烯入口和乙烯出口。

植物栽培装置中含有乙烯的气体由第一个空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯入口进入乙烯的催化反应区中，在紫外灯管的照射下，乙烯气体与催化剂接触发生反应；经处理后的气体从第一个空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯出口处进入第二个空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯入口，经处理后，依次通过依次连接的各个空间植物栽培乙烯浓度控制装置(a-h)，最后返回到植物栽培装置中。

整个装置的动态工作过程如下：首先将装置的气路入口8和出口9分别与植物栽培装置上相应的出口和入口连接，接通电源，植物栽培装置内含有乙烯的气体由入口8进入8个反应器a-h中，在各个空间植物栽培乙烯浓度控制装置内，乙烯气体与催化剂接触发生反应，降解生成CO₂和H₂O，最后处理后的气体从出口9处排出，返回到植物栽培装置中。

经实验测试，本实施例中空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯去除率为90～95％。

当然，对本实用新型的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1、空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：包括外壳(1)、催化剂载体(2)、催化剂(3)和光源(4)；催化剂载体(2)、催化剂(3)和光源(4)位于外壳(1)内，外壳(1)两侧分别开有乙烯入口(6)和乙烯出口(5)；催化剂载体(2)为中空的圆柱体结构，催化剂(3)附着在催化剂载体(2)的内壁；催化剂(3)和光源(4)之间的空间为乙烯的催化反应区(7)。

2、根据权利要求1的空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：所述催化剂(3)是半导体粒子态的ZnO、或WO₃、或Fe₂O₃、或TiO₂。

3、根据权利要求1或2的空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：所述催化剂(3)的厚度为8.0μm～15.0μm。

4、根据权利要求1的空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：所述光源(4)的波长为325nm～385nm。

5、根据权利要求1或4的空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：所述光源(4)为紫外灯管。

6、根据权利要求1的空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：将数量大于1个的所述空间植物栽培乙烯浓度控制装置的乙烯入口和乙烯出口相互串联。

7、根据权利要求6的空间植物栽培乙烯浓度控制装置，其特征在于：所述空间植物栽培乙烯浓度控制装置的串联数量为2-16个。

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