CN220485440U - 适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统。该系统包括：风力发电装置，光伏发电装置，蓄电装置，电解槽，富氢水制备装置，气体分离装置和生物厌氧发酵制氢装置。该系统中，电解水得到的氢气和生物厌氧发酵得到的氢气通过管道输送到富氢水制备装置中的纳米气泡发生器，在纳米气泡发生器的作用下，氢气以纳米气泡的形式溶解在水中，纳米化后的氢气泡带的负电荷比较高，富氢水用于滴灌植株时，氢气纳米气泡的带负电特性使其可有效地吸附根系、供植株吸收利用，同时带负电的氢气纳米气泡还可以与土壤中带正电的有害离子镉离子、铅离子、汞离子等发生电荷中和作用，并调整土壤中益生菌的环境。
Description
技术领域
本实用新型属于农业工程技术领域，具体涉及一种适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统。
背景技术
氢气是一种无色无味、无毒无害的可燃性气体，是目前自然界中已知的、密度最小的双原子分子，其密度仅为空气的1/14，而且其性质稳定，不易与其他物质发生反应。氢气以分子的形式溶解到水中所形成的水称为富氢水，也称为活氢水，目前富氢水应用到绿色生态农业产品中，用于减化肥、减农药种植，从而起到提高农产品品质的作用。有研究表明，富氢水可以提高小麦、香石竹、紫花苜蓿、当归等植株的抗逆性，改善猕猴桃等植物的生长发育和营养品质。因此，富氢水用于设施种植过程，以调控植物的生长，符合绿色生态农业的需求。
目前，富氢水的制备原料氢气主要来自于电解水制氢，其存在氢气来源单一、成本高等问题。此外，大棚种植过程会产生大量的农业废弃物(残留杆体、坏掉果蔬等)，大量的残留物若得不到有效的处理，不仅会对作物生长产生危害，也会造成资源浪费。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是富氢水制备存在氢气来源单一、成本高等问题和大棚种植过程产生的大量的农业废弃物得不到有效的处理不仅对作物生长产生危害、也造成资源浪费的问题，为此，本实用新型提供一种适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统。
本实用新型是通过以下技术方案来实现的：
本实用新型提供一种适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，所述系统包括：风力发电装置，光伏发电装置，蓄电装置，电解槽，富氢水制备装置，气体分离装置和生物厌氧发酵制氢装置，
其中，风力发电装置和光伏发电装置分别与蓄电装置电连接，蓄电装置与电解槽电连接，电解槽的氢气出口与富氢水制备装置的一个氢气入口通过管道连接，
生物厌氧发酵制氢装置的气体出口通过管道与气体分离装置的入口连接，气体分离装置的氢气出口通过管道与富氢水制备装置的另一个氢气入口连接，富氢水制备装置的出口通过管道与大棚灌溉装置(或系统)连接，用于滴灌植株。
进一步地，上述富氢水制备系统中，气体分离装置的二氧化碳出口通过管道与大棚连接(与大棚内部空间连通)。
进一步地，上述富氢水制备系统中，生物厌氧发酵制氢装置的入口通过输送装置(例如管道)与大棚的农业废弃物出口连接。
进一步地，上述富氢水制备系统中，生物厌氧发酵制氢装置的厌氧发酵尾液、尾渣出口通过管道连接到大棚的施肥装置或肥料接收装置如肥料储存器。
进一步地，上述富氢水制备系统中，富氢水制备装置为设有进水泵和进气泵的纳米气泡发生器，所述进水泵的入口与富氢水制备装置的进水管连接，所述进水泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进水口连接，所述进气泵的入口通过管道与富氢水制备装置的氢气入口连接，所述进气泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进气口连接。首先水在进水泵的作用下按照一定的流量进入纳米气泡发生器，然后氢气在进气泵的作用下按照一定的流量进入纳米气泡发生器，当富氢水中氢气的浓度达到1.2ppm时，富氢水通过管道流出富氢水制备装置。富氢水制备装置例如可采用上海众净环保科技有限公司制造的ZJC-NM系列微纳米气泡发生器。
进一步地，上述富氢水制备系统中，光伏发电装置的内部设置有太阳能电池板。
进一步地，上述富氢水制备系统中，蓄电装置的内部设置有石墨烯超级电容器和锂电池组成的蓄电池组。
进一步地，上述富氢水制备系统中，电解槽选用质子交换膜电解水装置，优选为全氟磺酸质子交换膜电解水装置，阴极的催化剂为RuO4，阳极的催化剂为IrO2，电解液为纯水。
进一步地，上述富氢水制备系统中，气体分离装置为膜分离器，所述膜分离器的分离膜优选为类石墨烯碳氮分离膜，更优选为0.51nm的类石墨烯碳氮分离膜。
进一步地，上述富氢水制备系统中，生物厌氧发酵制氢装置采用折流板式生物发酵制氢反应器(参考文献：路朝阳.连续流暗/光生物制氢过程强化与装置研究[D].河南农业大学,2019.DOI:10.27117/d.cnki.ghenu.2019.000305.)，也可以采用市售的生物厌氧发酵制氢装置。
本实用新型适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统按照如下过程制备富氢水：风力发电装置产生的电能和光伏发电装置产生的电能通过电线输送到蓄电装置内(蓄电装置内部设置有石墨烯超级电容器和锂电池组成的蓄电池组)，然后电能通过电线输送到电解槽，两者的一种或二者同时为电解槽的电解制氢提供电能；电解槽内电解水(电极温度维持在35-40℃)产生的氢气通过管道输送到富氢水制备装置中；同时，大棚种植过程中产生的大量的农业废弃物(残留杆体、坏掉果蔬等)的纤维素被生物厌氧发酵制氢装置中的产氢微生物(例如紫色非硫菌)降解(发酵温度30-35℃，发酵时间4-5天)生成主要成分为氢气和二氧化碳的混合气体(其中，氢气为45-55％，二氧化碳为55-45％)，混合气体通过管道输送到气体分离装置中进行分离，分离后产生的氢气进入富氢水制备装置中，水和氢气分别在的富氢水制备装置的进水泵和进气泵的作用下按照一定的流量进入纳米气泡发生器，在超声波的作用下氢气泡被粉碎成纳米级氢气泡，当富氢水中氢气的浓度达到1.2ppm时，富氢水通过管道流出富氢水制备装置，富氢水制备装置制备得到的富氢水通过管道输送给大棚用到设施种植过程，调控植物的生长。
此外，气体分离装置分离后产生的二氧化碳通过管道输送到大棚中，为作物的生长提供气态碳肥；生物厌氧发酵制氢装置制氢结束后产生的尾渣、尾液通过管道输送到大棚。
本实用新型的技术方案具有如下优点：
(1)本实用新型的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，电解水得到的氢气和生物厌氧发酵得到的氢气通过管道输送到富氢水制备装置中的纳米气泡发生器，在纳米气泡发生器的作用下，氢气以纳米气泡的形式溶解在水中，纳米化后的氢气泡带负电性、且所带的负电荷比较高，富氢水用于滴灌植株时，氢气纳米气泡的带负电特性使其可有效地吸附于根系、供植株吸收利用，同时带负电的氢气纳米气泡还可以与土壤中带正电的有害离子镉离子、铅离子、汞离子等发生电荷中和作用，并调整土壤中益生菌的环境；
(2)本实用新型的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，在大棚集中区建立风力发电装置，风力产生的电能直接储存到大棚附近的蓄电装置内的蓄电池组内，实现了风电的短输送利用，同时在大棚的支撑梁架或大棚周边布置太阳能电池板进行光伏发电，得到的电能储存到蓄电装置内的蓄电池组，风力发电和光伏发电相辅相成，当无光照时，风力发电起着主要的作用，在一些无风或风小的时段，光伏发电起主要作用，二者有效保证了大棚对电力的需求；
(3)本实用新型的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，将大棚种植过程中产生的大量的农业废弃物生物厌氧发酵制氢装置制氢，不仅解决了农业废弃物的处置问题，而且为富氢水的原料氢气提供了一个重要来源，降低了富氢水的原料成本；
(4)本实用新型的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，将气体分离装置分离后产生的二氧化碳通过管道输送到大棚中，为作物的生长提供气态碳肥，而生物厌氧发酵制氢产生的尾渣、尾液富含丰富的氮、磷、钾元素，尾渣用来培育种苗，尾液作为液体肥，从而降低了植株种植过程中化肥的施用量。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：
图1是实施例1的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统的结构示意图；
其中，1—风力发电装置，2—光伏发电装置，3—蓄电装置，4—电解槽，5—富氢水制备装置，6—气体分离装置，7—生物厌氧发酵制氢装置，8—大棚。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
以下实施例中，气泡发生器为ZJC-NM系列微纳米气泡发生器，上海众净环保科技有限公司；
0.51nm的类石墨烯碳氮分离膜，海宁市科洛膜过滤设备有限公司；
石墨烯超级电容器购自江苏尊道科技有限公司。
如图1所示，本实用新型的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，所述系统包括：风力发电装置1，光伏发电装置2，蓄电装置3，电解槽4，富氢水制备装置5，气体分离装置6和生物厌氧发酵制氢装置7，
其中，风力发电装置1和光伏发电装置2并联连接、且均与蓄电装置3电连接，蓄电装置3与电解槽4电连接，电解槽4的出口与富氢水制备装置5的一个氢气入口通过管道连接，生物厌氧发酵制氢装置7的气体出口通过管道与气体分离装置6的入口连接，气体分离装置6的氢气出口通过管道与富氢水制备装置5的另一个氢气入口连接，富氢水制备装置5的出口通过管道与大棚8灌溉装置连接。
在另一个优选实施方案中，富氢水制备装置5为设置有进水泵和进气泵的纳米气泡发生器，所述进水泵的入口与富氢水制备装置5的进水管连接，所述进水泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进水口连接，所述进气泵的入口通过管道与富氢水制备装置5的氢气入口连接，所述进气泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进气口连接。
在又一个优选实施方案中，所述纳米气泡发生器为微纳米气泡发生器。
在再一个优选实施方案中，气体分离装置6的二氧化碳出口通过管道与大棚8的内部空间连通。
在另一个优选实施方案中，生物厌氧发酵制氢装置7的入口通过管道与大棚8的农业废弃物出口连接，生物厌氧发酵制氢装置7的厌氧发酵尾液、尾渣出口通过管道与大棚8的施肥装置或肥料接收装置连接。
在又一个优选实施方案中，电解槽4选用质子交换膜电解水装置，优选为全氟磺酸质子交换膜电解水装置。
在再一个优选实施方案中，光伏发电装置2的内部设置有太阳能电池板。
在另一个优选实施方案中，蓄电装置3的内部设置有石墨烯超级电容器和锂电池组成的蓄电池组。
在又一个优选实施方案中，气体分离装置6为膜分离器，所述膜分离器的分离膜为类石墨烯碳氮分离膜。
在再一个优选实施方案中，生物厌氧发酵制氢装置7采用折流板式生物发酵制氢反应器。
实施例1
如图1所示，本实施例的适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，所述系统包括：风力发电装置1，光伏发电装置2，蓄电装置3，电解槽4，富氢水制备装置5，气体分离装置6和生物厌氧发酵制氢装置7，其中，风力发电装置1和光伏发电装置2并联连接、且均与蓄电装置3电连接，蓄电装置3与电解槽4电连接，电解槽4的氢气出口与富氢水制备装置5的一个氢气入口通过管道连接，生物厌氧发酵制氢装置7的入口通过管道与大棚8的农业废弃物出口连接，生物厌氧发酵制氢装置7的厌氧发酵尾液、尾渣出口通过管道与大棚8连接，生物厌氧发酵制氢装置7的气体出口通过管道与气体分离装置6的入口连接，气体分离装置6的氢气出口通过管道与富氢水制备装置5的另一个氢气入口连接，气体分离装置6的二氧化碳出口通过管道与大棚8连接，富氢水制备装置5的出口通过管道与大棚8灌溉装置连接。
其中，富氢水制备装置5为设置有进水泵和进气泵的纳米气泡发生器，所述纳米气泡发生器为微纳米气泡发生器，所述进水泵的入口与富氢水制备装置5的进水管连接，所述进水泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进水口连接，所述进气泵的入口通过管道与富氢水制备装置5的氢气入口连接，所述进气泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进气口连接。
其中，电解槽4选用全氟磺酸质子交换膜电解水装置，阴极的催化剂为RuO4，阳极的催化剂为IrO2，电解液为纯水。
其中，光伏发电装置2的内部设置有太阳能电池板。
其中，蓄电装置3的内部设置有石墨烯超级电容器和锂电池组成的蓄电池组。
其中，气体分离装置6为膜分离器，所述膜分离器的分离膜为0.51nm的类石墨烯碳氮分离膜。
本实施例按照如下过程制备富氢水：风力发电装置产生的电能和/或光伏发电装置产生的电能通过电线输送到蓄电装置内(内部设置有石墨烯超级电容器和锂电池组成的蓄电池组)，然后电能通过电线输送到电解槽，为电解槽的电解制氢提供电能；电解槽内电解水(电极温度维持在35-40℃)产生的氢气通过管道输送到富氢水制备装置中；同时，大棚种植过程中产生的大量的农业废弃物(残留杆体、坏掉果蔬等)的纤维素被生物厌氧发酵制氢装置中的产氢微生物(例如紫色非硫菌)降解(发酵温度30-35℃，发酵时间4-5天)生成主要成分为氢气和二氧化碳的混合气体(其中，氢气为45-55％，二氧化碳为55-45％)，混合气体通过管道输送到气体分离装置中进行分离，分离后产生的氢气进入富氢水制备装置中，水和氢气分别在的富氢水制备装置的进水泵和进气泵的作用下按照一定的流量进入纳米气泡发生器，在超声波的作用下氢气泡被粉碎成纳米级氢气泡，当富氢水中氢气的浓度达到1.2ppm时，富氢水通过管道流出富氢水制备装置，富氢水制备装置制备得到的富氢水通过管道输送给大棚用到设施种植过程，调控植物的生长。
此外，气体分离装置分离后产生的二氧化碳通过管道输送到大棚中，为作物的生长提供气态碳肥；生物厌氧发酵制氢装置制氢结束后产生的尾渣、尾液通过管道输送到大棚作为大棚内作物的施肥肥料。
由以上可知，本实施例适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，电解水得到的氢气和生物厌氧发酵得到的氢气通过管道输送到富氢水制备装置中的纳米气泡发生器，在纳米气泡发生器的作用下，氢气以纳米气泡的形式溶解在水中，纳米化后的氢气泡带的负电荷比较高，富氢水用于滴灌植株时，氢气纳米气泡的带负电特性使其可有效地吸附根系、供植株吸收利用，同时带负电的氢气纳米气泡还可以与土壤中带正电的有害离子镉离子、铅离子、汞离子等发生电荷中和作用，并调整土壤中益生菌的环境；将大棚种植过程中产生的大量的农业废弃物生物厌氧发酵制氢装置制氢，不仅解决了农业废弃物的处置问题，而且为富氢水的原料氢气提供了一个重要来源，降低了富氢水的原料成本。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种适用于设施种植的风、光、生物质能互补的富氢水制备系统，其特征在于，所述系统包括：风力发电装置(1)，光伏发电装置(2)，蓄电装置(3)，电解槽(4)，富氢水制备装置(5)，气体分离装置(6)和生物厌氧发酵制氢装置(7)，
其中，风力发电装置(1)和光伏发电装置(2)分别与蓄电装置(3)电连接，蓄电装置(3)与电解槽(4)电连接，电解槽(4)的氢气出口与富氢水制备装置(5)的一个氢气入口通过管道连接，生物厌氧发酵制氢装置(7)的气体出口通过管道与气体分离装置(6)的入口连接，气体分离装置(6)的氢气出口通过管道与富氢水制备装置(5)的另一个氢气入口连接，富氢水制备装置(5)的出口通过管道与大棚(8)灌溉装置连接。
2.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，富氢水制备装置(5)为设置有进水泵和进气泵的纳米气泡发生器，所述进水泵的入口与富氢水制备装置(5)的进水管连接，所述进水泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进水口连接，所述进气泵的入口通过管道与富氢水制备装置(5)的氢气入口连接，所述进气泵的出口通过管道与所述纳米气泡发生器的进气口连接。
3.根据权利要求2所述的富氢水制备系统，其特征在于，所述纳米气泡发生器为微纳米气泡发生器。
4.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，气体分离装置(6)的二氧化碳出口通过管道与大棚(8)连接。
5.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，生物厌氧发酵制氢装置(7)的入口通过管道与大棚(8)的农业废弃物出口连接，生物厌氧发酵制氢装置(7)的厌氧发酵尾液、尾渣出口通过管道连接大棚(8)的施肥装置或肥料接收装置。
6.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，电解槽(4)为全氟磺酸质子交换膜电解水装置。
7.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，光伏发电装置(2)的内部设置有太阳能电池板。
8.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，蓄电装置(3)的内部设置有石墨烯超级电容器和锂电池组成的蓄电池组。
9.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，气体分离装置(6)为膜分离器，所述膜分离器的分离膜为类石墨烯碳氮分离膜。
10.根据权利要求1所述的富氢水制备系统，其特征在于，生物厌氧发酵制氢装置(7)采用折流板式生物发酵制氢反应器。
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