用于增强水质和减缓波动的低成本微生物生境的制作方法

专利名称：用于增强水质和减缓波动的低成本微生物生境的制作方法
技术领域：
本发明涉及可用于水中的低成本人造结构体。具体而言，本发明涉及表面区域集中、防倾覆并且使波减缓的漂浮岛和负浮力结构体。
背景技术：
背景技术的漂浮平台用于大量的各种应用。人类游泳者利用漂浮船坞来休息和跳水。漂浮野生生物筏被用来给鸟类、哺乳动物、爬行动物和两栖动物提供筑巢和休息的生境。漂浮水处理平台被用于生长可摄取并转化诸如过量营养素和溶解的金属等水中污染物的植物和微生物。所有上述结构体具有至少3个可被本发明所克服的主要缺陷。第一，背景技术的漂浮平台在负载被放置在其外周附近时本质上对于倾覆是不稳定的(例如，爬上漂浮船坞的人类游泳者会使他试图上船之处的平台边缘倾斜并浸没)。第二，现有技术的漂浮平台在有波浪时会过度地振动摇摆。现有设计通常必须“具有超大尺寸”以对抗这些运动，这增加了制造和使用的成本。第三，现有设计没有整合大量的廉价废弃聚合物来为会将引起污染的营养素转化为生物质和氮气的有益微生物的定殖提供高水平的表面区域。
背景技术：
在美国专利5，201，136 号、5，224，292 号、5，528，856 号、5，588，396 号、 5，766，474 号、5，980，738 号、6，086，755 号、6，089，191 号和 6，555，219 号以及美国专利申请2003/0051398号、2003/02089 号、2005/0183331号中描述过；所述专利和专利申请的公开内容通过引用并入，就如同其在本文中已完全阐述。

发明内容
本发明的目的是提供用于漂浮岛和浸没结构体的具有防倾覆、波减缓的高容量微生物生境。
背景技术：
的漂浮平台依靠具有大浮力质量来抵御由边缘负载引起的倾覆。在优选实施方式中，本发明利用所截留的水和/或精心放置的负浮力材料的重量以及水产生的阻力来对抗倾覆力。因而，本发明的优选实施方式通过显著少于背景技术设计的材料质量 (因而材料成本更低)提供了增强的稳定性。波动力在水体表面具有最大能量，能量水平随深度而降低。漂浮平台的背景技术设计通常利用深度浸没的漂浮物和/或大质量来提供对抗波动的稳定性。本发明的优选的实施方式利用所截留的水的重量和水产生的阻力来对抗波浪引发的运动。因而，与具有可比的抗波浪引发运动的稳定性的现有设计相比，本发明的优选实施方式可以制造得更小、 成本更低。此外，通过具有比背景技术设计更低的干重，本发明的优选实施方式比背景技术设计更易于构建、储存、运输和使用。所述岛还可以被用作平台来支持水充气机或水循环机。充气机可被加入本发明中以用于增加水体中溶解氧浓度，这有益于保持鱼类和水生昆虫的高生长率。还可以利用充气来增加岛体的浸没部分中的溶解氧浓度，这可以有益于保持定殖于岛体内部的微生物清除营养素的高速率。水循环机可以被加入本发明中来常年改善水质。例如，在寒冷气候的冬季，可以将水由水体的底部循环到表面。相对温暖的底部水可用于保持水体的表面不结冰，从而促进氧和阳光天然地转移到水体中。氧和阳光是维持鱼类和水下植物所需要的。在温暖气候的夏季，希望的是水循环通过将自由漂浮藻类从表面层除去并将它们循环到更冷且阳光更少的更深区域从而减缓这些藻类的生长。在优选实施方式中，本发明可以制成自由形式的形状，这比背景技术设计在外观上更为自然。这些自然的形式在重点考虑美学的地点(例如在野生生物公园)是有利的。在优选实施方式中，为了向微生物生物膜提供较大的表面区域，可将岛基质设计为具有相对较高的内表面积与表观体积之比。例如，设想一个具有各边为1英尺的外部尺寸的非织造聚合物基质的立方体，具有1立方英尺的相应表观体积。假设该立方体中单独的聚合物线的总表面积为约294平方英尺。因而内表面积与表观体积之比为094平方英尺Λ立方英尺)，或294平方英尺表面积每立方英尺表观体积。出于本公开的目的，术语 “生物调节商”(biomediation quotient)或“BMQ”定义为表面积与表观体积之比，其中所述表观体积具有1英尺X 1英尺X 1英寸的尺寸，或为1/12立方英尺。在优选实施方式中，本发明利用多孔渗水性(water-porous)且水透过性材料作为所述平台的主体的主要成分。优选将这些材料组装为本文所述的特定优化的形状。这些材料的组合和漂浮岛成分的形状在所述结构体经受一时的边缘负荷或波动时可以发挥使倾覆和摆动最小化的作用。在背景技术的漂浮岛的实施方式中，已经利用注入或嵌入的聚合物泡沫来为漂浮结构体提供足够的浮力。该泡沫基本上不透水和气，占据了结构体内部空间的一部分，否则这部分空间会包含具有用于有益微生物定殖的大表面积的可渗透性体积。通过将浮力聚合物废料片用作本发明的主要成分，可减少或消除对为了浮力而包含聚合物泡沫的需要。除了减少材料和降低制造成本，浮力泡沫从所述结构体中的减少或消除还可增加清除营养素的微生物定殖可用的内部体积，从而提高所述结构体的增强水质的性质。在优选实施方式中，本发明是一种结构体(例如浮力岛或非浮力岛)，该结构体包含主体，所述主体具有中心和外周并且包含正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料，所述基质材料包含聚合物纤维或聚合物碎片，所述聚合物纤维或聚合物碎片相互缠结从而形成具有内部和外部的无规取向的包层，所述聚合物纤维或聚合物碎片的至少一部分 (例如在使用中暴露至紫外线辐照的部分)优选涂覆有水基胶乳粘合剂或聚脲，所述主体在所述外周具有加厚部。优选的是，所述主体还具有邻近所述中心的加厚部。优选所述无规取向的包层具有能够支持微生物在所述内部之中并沿着所述外部定殖的表面区域，所述微生物包括摄取和/或转化诸如过量营养素和/或溶解的金属等水中污染物的有益微生物。在另一优选实施方式中，本发明是一种在具有水面的水体中使用的浮力岛，所述浮力岛包含具有形状、中心和外周并且包含正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料的平台，所述平台在所述外周具有加厚部；其中，在使用中，所述平台含有流过它的第一部分水和当所述加厚部被提高到所述水面之上时而被截留在所述加厚部之中的第二部分水。优选的是，所述平台具有邻近所述中心的加厚部。优选的是，所述平台具有能够支持有益微生物定殖的表面区域。优选的是，所述平台具有定倾中心并且在倾覆负载施加到所述平台上时所述形状可将所述定倾中心的位移减到最小。出于本公开的目的，术语“定倾中心”是穿过漂浮体的浮力中心的第一垂线与在所述主体被移动时穿过新的浮力中心的第二垂线的交叉点。在另一优选实施方式中，本发明是一种浮力岛，该浮力岛包含具有外周并且包含正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料的主体，所述基质材料包含聚酯纤维，所述聚酯纤维相互缠结从而形成无规取向的包层，所述聚酯纤维涂覆有水基胶乳粘合剂、聚脲或聚氨酯，所述主体具有位于所述外周的减薄部和外伸的下凸缘部。在又一优选实施方式中，本发明是一种浮力岛，该浮力岛包含第一部分和第二部分，所述第一部分具有外周并且包含正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料，所述基质材料包含聚合物纤维或聚合物碎片，所述聚合物纤维或聚合物碎片相互缠结从而形成无规取向的包层，所述聚合物纤维或聚合物碎片涂覆有水基胶乳粘合剂、聚脲或聚氨酯，所述第一部分具有位于所述外周的加厚部和中心部；所述第二部分连接于所述第一部分的所述中心部，并且所述第二部分是负浮力性的。优选的是，所述第二部分包含混凝土或石材。 优选的是，所述正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料具有能够支持有益微生物定殖的表面。在另一优选实施方式中，本发明是一种组装体，该组装体包含多个本文所公开的浮力结构体或浮力岛；和多个连接装置，所述连接装置将各个所述浮力结构体或浮力岛在至少两个位置与另一个所述浮力结构体或浮力岛连接。优选的是，各个所述连接装置包括绳、缆或金属带、链或索。优选的是，所述多孔渗水性且水透过性的基质材料具有可支持有益微生物定殖的表面。在另一优选实施方式中，本发明是一种浮力结构体，该浮力结构体包含含有正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料的主体，所述基质材料包含聚合物纤维或聚合物碎片，所述聚合物纤维或聚合物碎片相互缠结从而形成无规取向的包层，所述主体具有外伸的上凸缘部、缩回的中心部和外伸的下凸缘部。在另一优选实施方式中，本发明是一种用于安装在具有水面的水体中的结构体， 所述结构体包含多个废弃非织造基质片，所述多个废弃非织造基质片以粘合剂粘合在一起或者包埋在非织造基质包层中从而产生具有可有效提供微生物定殖用表面的元件的组合体。在又一优选实施方式中，本发明是一种用于安装在具有水面的水体中的结构体，所述结构体包含多个非织造基质片，所述非织造基质由聚酯或黄麻组成，所述多个非织造基质片包埋在一个或多个由聚酯或黄麻组成的非织造基质的包层中。在又一个优选实施方式中，本发明是多个无规形状的再粉碎(regroimd)聚合物片，所述多个无规形状的再粉碎聚合物片粘合在一起或包埋在可有效提供微生物定殖用表面的非织造基质包层中。优选的是，所述组合体具有正浮力。还优选的是，所述组合体具有负浮力。优选的是，所述结构体包含具有内表面区域的内部和具有外表面区域的外表面， 所述外表面区域的一部分在水面之上，并且所述内表面区域为所述外表面区域的多倍。优面区域的内部和具有外表面区域的外表面，并且所述内表面区域大于所述外表面区域。优选的是，所述结构体进一步包含聚合物废料片，并且所述聚合物废料片包含聚合物纤维和聚合物泡沫的组合。优选的是，所述结构体进一步包含两层非织造聚合物基质，所述聚合物废料片排列为层，并且所述聚合物废料片的层夹在所述两层非织造聚合物基质之间。优选的是，所述结构体进一步包含多个交替的聚合物废料片层和非织造聚合物基质层。优选的是，所述聚合物废料片包含未经分选的材料。优选的是， 所述聚合物废料片包含比重小于1.0的材料。优选的是，所述聚合物废料片形成组合的混合物，并且所述聚合物废料片包含具有一定范围的比重的材料，以使所述聚合物废料片的组合的混合物具有净的正浮力。优选的是，所述聚合物废料片包含比重大于1. 0的材料。优选的是，所述聚合物废料片形成组合的混合物，并且所述聚合物片包含一定范围的比重的材料，以具有使所述聚合物废料片的组合的混合物具有净的负浮力。在又一实施方式中，本发明是一种用于安装在水环境中的结构体，所述结构体包含多孔集装袋(porous containment bag)；和包埋在所述多孔集装袋中的多个废弃聚合物片。优选的是，至少一些所述废弃聚合物片具有小于水的比重，并且所述结构体具有正浮力。优选的是，至少一些所述废弃聚合物片具有大于水的比重，并且所述结构体具有负浮力。在另一优选实施方式中，本发明是一种负浮力结构体，所述结构体包含多个聚合物片，所述多个聚合物片具有总表面积和表观体积，并且总表面积与表观体积之比至少为 200，所述聚合物片可共同有效提供咸水中天然珊瑚形成或淡水中石材形成的生物模拟复制体，该复制体具有水生动物生命体用于隐藏、栖息或进食的腔洞和裂隙。在另一优选实施方式中，本发明是一种用于在具有底部的水体中安装的渗透性且负浮力的结构体，所述结构体包含多个聚合物片，所述多个聚合物片具有总表面积和表观体积，并且总表面积与表观体积之比至少为200，使得所述聚合物片可共同有效锚定漂浮岛或将另一漂浮物体栓系在所述底部，从而在所述水体的底部柔软或常规的锚不适合时使得能够锚定漂浮物体，在所述物体被拖拉经过水体时，所述结构体的渗透性可提供额外的阻力，从而增强所述结构体的锚定性。在另一优选实施方式中，本发明是一种浮力结构体，该浮力结构体包含主体和多个连接装置，所述主体选自由下述(1)、(2), (3)、(4), (5)和(6)组成的组(1)具有外周并且包含正浮力性的、多孔渗水性且水透过性基质材料的第一部分，和包含布置在所述第一部分的所述外周的浮筒构件的第二部分，(2)包含由正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料组成的具有外周和中心部的平台的第一部分，包含布置在所述第一部分的所述外周的浮筒构件的第二部分，和连接于所述中心部的第三部分，(3)具有外周并且包含由正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料组成的具有中心部的平台的第一部分，布置在所述第一部分的所述外周的第二部分，和连接于所述中心部的第三部分，所述第二部分的横截面比所述中心部更薄，(4)具有外周并且包含由正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料组成的具有中心部的平台的第一部分，包含布置在所述第一部分的所述外周的浮筒构件的第二部分，和连接于所述中心部的第三部分，所述第三部分具有负浮力，(5)包含正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料的第一离散部分，和包含所述正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料的第二离散部分，所述离散部分不相互接触，和(6)由正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料组成的中间部分，所述中间部分具有外周、由所述正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料组成的顶部(所述顶部沿径向延伸到所述外周以外)和由所述正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料组成的底部(所述底部沿径向延伸到所述外周以外)；所述连接装置将所述部分在至少2个位置相互连接；其中，在使用中，各个所述部分含有流过它的第一部分水和/或当它提高到所述水面之上时而被截留在其中的第二部分水。在这一实施方式中，“正浮力性的、多孔渗水性且水透过性的基质材料”可以由于非织造聚合物纤维或聚合物碎片的浮力而具有正浮力，和/ 或由于添加到所述基质中的浮力聚合物泡沫而具有正浮力。在另一优选实施方式中，本发明是一种用于安装在水体中的漂浮岛，所述漂浮岛包括三个第一层，各个第一层包含非织造聚合物基质；和两个第二层，各个第二层包含多个废弃聚合物片；其中，各个所述第二层被置于两个所述第一层之间。优选的是，漂浮岛进一步包括可延伸到水体中的入口管；可有效将水移入所述入口管中的水泵；可有效向所述水泵供应能量的太阳能收集器；和将所述水分配到最上面的所述第一层之上的排出管线。在另一优选实施方式中，本发明是一种仿生珊瑚礁，所述仿生珊瑚礁包含粘合在一起以产生非浮力体的多个废弃聚合物片；和将水和/或空气注入到所述非浮力体中的注入系统。优选的是，所述非浮力体具有腔洞。优选的是，所述仿生珊瑚礁进一步包含布置在一个所述腔洞之中的袋装干水泥。在另一优选实施方式中，本发明是一种聚合物废料结构体，所述结构体包括通过聚脲或聚乙烯粘合在一起从而形成具有腔洞的主体的多个废弃聚合物片；和由聚脲或聚乙烯组成的不透气顶部涂层。在另一优选的实施方式中，本发明是一种漂浮岛，该漂浮岛包含具有顶侧和底侧的非织造基质片材；连接于所述顶侧从而产生生长平台的第一组多个废弃聚合物片，所述生长平台包括外周凸缘并且具有填充有亲水材料的毛细管；连接于所述底侧的第二组多个废弃聚合物片；和配置在所述生长平台上的植物生长介质，所述植物生长介质与所述毛细管中的所述亲水材料连通。优选的是，该漂浮岛进一步包括配置在所述第二组多个废弃聚合物片中的基质废料片。在另一优选实施方式中，本发明是一种漂浮岛，该漂浮岛包含由非织造基质组成的单一底层；由废弃非织造基质或其它聚合物材料组成的中间部分；和顶部包层，所述顶部包层为草皮包层、内充草皮的黄麻包层或内充草皮的聚合物包层。优选的是，所述非织造基质由天然非织造材料组成。优选的是，所述天然非织造材料选自由椰纤维、黄麻、大麻和棉组成的组。在另一实施方式中，本发明是以“三明治”构造来制造的岛，使用了相对较薄的非织造基质层，所述非织造基质层被相对较厚的聚合物线、聚合物碎屑或聚合物碎片的层分隔。非织造基质可以由1英寸厚非织造聚酯、聚丙烯或聚乙烯纤维组成。作为选择，可以使用挤出的聚合物泡沫的片材来替代非织造基质。挤出的泡沫片材内的孔隙空间可以为闭室泡沫、开室泡沫或闭室泡沫与开室泡沫的组合。聚合物片可以由再循环的废弃材料组成。 适合的废弃材料的实例包括HDPE (高密度聚乙烯)牛奶壶和PETE (聚对苯二甲酸乙二醇酯)软饮料瓶。聚合物壶和瓶的再循环通常通过磨碎并使所得到的片通过1/2英寸的筛来进行，由此所得废料片的最大尺度是约1/2英寸宽、1/2英寸长和原聚合物容器壁的厚度。
7必要时可以通过将废料片切割为定制的形状和尺寸来针对所述应用优化废料片的形状，例如相对较长、较窄的带，所述带可以机械方式缠结和/或通过胶乳、聚脲或聚氨酯涂料来粘合，从而形成具有有益微生物定殖可用的较大内表面区域的包层。更优选的带的尺寸的一个实例是1/16英寸宽、3英寸长并具有用于生产废料的再循环聚合物容器的原始壁厚度的厚度。可选的是，可以利用能在带上产生锯齿边缘的切割刀片来有意地形成带。这些锯齿边缘可以在条带缠结成非织造包层时帮助它们锁在一起。所述锯齿边缘还可以使每条带上的用于微生物定殖的可用表面区域最大化。这些锯齿边缘的带生物模拟了某些天然漂浮岛所包含的根部和其它有机碎片。在任何上述的实施方式中，漂浮岛或其它结构体可以由非织造聚合物基质(或泡沫片材)和多片的聚合物带、碎屑或碎片以及仅施用于所述漂浮岛或其它结构体的外表面的涂料来制造。所述涂料可以包括聚脲、聚氨酯、胶乳、橡胶或在将聚合物材料粘合在一起时保护所述材料免于紫外(UV)光降解的其它任何相似的材料。在这些实施方式中，废料片的尺寸和非织造基质(或泡沫片材)中开口的尺寸被选择为相容，以便制造下述结构体，其中内部聚合物片不会经非织造基质(或泡沫片材)中的开口而从结构体漏出，而水和气体能够穿过该结构体。由天然或合成橡胶组成的汽车轮胎或其他物体的碎片可以作为聚合物碎片用于漂浮的实施方式和非漂浮的实施方式。虽然背景技术中已将废弃汽车轮胎捆扎在一起从而产生了在先发明中的人工礁，但本发明优选利用了碎片而不是整个轮胎。与整个轮胎相比， 碎片可以提供大得多的每单位质量的表面积，使得碎片更适于被有益微生物定殖。所述结构体在必要时可以用作增强水质用充气机或水循环机的支持基座。在另一实施方式中，整个结构体由可从再循环废料制成的聚合物碎片组成。在这一实施方式中，可以通过喷涂聚脲或聚氨酯来将聚合物片粘合在一起。作为选择，可将碎片装在由聚合物、尼龙或其他适宜的多孔材料组成的渗透性袋中。适宜的材料的一个实例是挤出聚乙烯网，所述挤出聚乙烯网具有的网目尺寸可防止由该网状材料制成的袋内所含的聚合物碎片漏出。一种这样的网状材料可获得自加里福利亚州洛杉矶的 McMaster-Carr (零件号码9314T29)。这一实施方式可被用作常规的浮力漂浮岛。作为选择，可以将所有实施方式制造为具有负浮力。在负浮力构造中，所述结构体类似于静置在水体底部的仿生珊瑚礁。可以将空气和/或水注入仿生珊瑚礁从而促进微生物对溶解营养素的清除并且向栖居在结构体周围和内部的鱼类和其它水生动物供氧。在为水产养殖而优化的类似实施方式中，可将营养素、有机碳和/或其他材料添加到注入用水中并注入到结构体内，从而促进浮游生物和微生物的生长，从而刺激食物链，并导致鱼类或其他商业水产品的增产。对于包含聚合物废料、碎屑或碎片的实施方式，通过利用可以以相对较低的成本从回收商处获得的各种聚合物废料的混合物，可以将聚合物材料的成本降到最小。这些未经分选的混合物可以由聚合物材料的任何组合来组成。未经分选的聚合物废料混合物通常可以以低于经分选废料的成本获得，这是因为与经分选的聚合物相比它们当前具有有限的市场潜力。当将废料混合物用于本发明的优选的正浮力实施方式时，可能有利的是利用仅由或主要由比重小于1. 0的材料组成的部分分选的混合物。这些废料混合物具有正净浮力，并且可以以低于经分选而包含单一聚合物材料的废料的成本获得。可以在再循环过程中改变聚合物废料碎屑的尺寸和形状从而提供有利性质的优选组合。有利性质可以包括用于微生物定殖的更大表面区域、用于植物根部支持的增大的孔隙度和刚度、水渗透性和易于装在基质“三明治”内而不漏出的能力。对于给定质量的聚合物废料，微生物定殖可用的表面积通常随个体碎屑尺寸减小而增加(即，随着碎屑尺寸变得更小，表面积与体积之比变得更大)。此外，由薄原料(例如废弃牛奶壶)制成的碎屑通常比由厚原料(例如汽车防撞垫)制成的碎屑具有更大的每单位质量的表面积。因而，在高内表面积较为重要的本发明的应用中，相对于大或厚的碎屑， 可以优选小或薄的碎屑。测定了混合废料的一个样品的单位表面积。该材料是经过具有1/2英寸筛网的粉碎机的聚乙烯和聚丙烯的低成本混合物。根据对代表性碎屑的测定，所估计的这些碎屑的表面积是32. 2平方英尺表面积/立方英尺碎屑，或1. 2平方英尺表面积/磅碎屑。这相当于对于1平方英尺X 1英寸厚度的体积为2. 7平方英尺，或者约基质的BMQ的1/10。如果将碎屑通过1/4英寸筛网，则这些碎屑的近似表面积对于1平方英尺Xl英寸厚度的体积将为5. 4平方英尺，或者约基质的BMQ的1/5。通过参考对附图和后续对本发明优选的实施方式的描述，将使本发明的其它方面变得更加清楚。本领域的技术人员将认识到，本发明的其它实施方式是可能的，并且可以在多个方面改变本发明的细节而完全不背离本发明的理念。因此，应将以下附图和描述看作本质上为示例而非限制。


下述附图阐释了本发明的优选实施方式，通过参照这些附图可以更好地理解本发明的特征。在所述图中图1是本发明的漂浮岛的优选实施方式的侧视(垂直投影)截面图。图2是图1的实施方式的另一侧视截面图。图3是具有加厚的中心部的本发明的另一优选实施方式的侧视截面图。图4是本发明的另一优选实施方式的示意性侧视垂直投影图。图5是本发明的另一优选实施方式的示意性侧视截面图。图6是本发明的又一优选实施方式的侧视截面图。图7是本发明的另一优选实施方式的俯视平面图。图8是本发明的又一优选实施方式的侧视截面图。图9是本发明的另一优选实施方式的夹心构造浮力岛的侧视截面图。图10是本发明的另一优选实施方式的仿生珊瑚礁结构体的侧视截面图。图11是本发明的另一优选实施方式的聚合物废料漂浮岛的侧视截面图。图12是本发明的另一优选实施方式的包含聚合物废料和生长介质的岛的侧视截面图。图13是具有突出顶部包层的三层岛的侧视截面图。以下的附图标记用于在图上标识本发明的部分和环境1漂浮岛、浮力岛、浮力结构体、结构体、平台
2 水体3多孔渗透性基质材料、非织造基质、基质4岛在水线之上的部分5岛在水线之下的部分6垂直负载7岛被垂直负载下压的部分、第一部分8方向向下的箭头、下箭头9岛被垂直负载升高的部分、第二部分、提高的部分10方向向上的箭头、上箭头11加厚的中心部、中心部12表示上下波动力的箭头、上下箭头13表示摆动波动力的箭头，摆动箭头14减薄的边缘区15负浮力区域16连接装置17外伸的顶部凸缘部18缩回的中心部19外伸的下凸缘部、外伸的凸缘特征20生境区域、生境特征21 鱼类22夹心构造岛、夹心岛23废弃聚合物片、废料片24太阳能电池板25 水泵26 入口管27排出管线28仿生珊瑚礁结构体29注入系统30 腔洞31聚合物废料岛、聚合物废料结构体32非渗透性顶部涂层33生长介质34毛细管35外周凸缘36废弃基质片40摄取箭头41 底层42中间部分43顶部包层
44聚氨酯泡沫
具体实施例方式参见图1，显示漂浮岛1的优选实施方式漂浮在水体2中的正常位置。在这一实施方式中，当自上方观察时结构体1在平面上基本为圆形。由于漂浮岛1的主体在其外周处的部位为加厚的浮筒样形状(在截面中)，这一实施方式在这里也被称为“浮筒设计”。图 2是显示当本发明经受一时的外周负载时同一实施方式的侧视截面图。如图1所示，漂浮岛1由多孔渗水性且水透过性的基质材料3组成。漂浮岛1的部分4在水线之上，部分5在水线之下。水线之上的部分4中的基质3的孔隙空间填充有空气，水线之下的部分5中的基质3的孔隙空间填充有水。在这一实施方式中，由于构成基质3的纤维具有的密度小于水的密度，所以结构体1可以漂浮。作为选择，可以通过提供注入的聚合物泡沫漂浮物(未显示)来提供补充性浮力。基质3可以由聚合物或天然材料组成。在优选实施方式中，基质3由优选具有标准厚度和宽度的聚酯纤维组成，所述聚酯纤维相互缠结从而形成无规取向的网状物或“包层”。虽然较小的岛可以由厚度单一的单片基质制成，但可通过并列和/或垂直连接多片基质3而设定出更大岛体的尺寸。在一个优选的实施方式中，基质3由200旦的聚酯纤维组成，所述聚酯纤维相互缠结从而形成约1 英寸 3/4英寸厚X56英寸宽的包层。优选的是，基质3被制成连续带，并被切割成长度约为90英尺的部分以便运输。包层的标称重量优选为41盎司每平方码。包层内的聚酯纤维的标称重量优选为沈盎司每平方码。优选将水基胶乳粘合剂烘烤到纤维上以增加包层的刚度和耐久性。可以通过改变构成材料和制造方法来调整基质3的特性。例如，可以使纤维的直径在约6旦 300旦变化。 粗纤维得到微生物定殖用表面积相对较小的相对较硬的基质，而细纤维得到微生物定殖用表面积相对较大的相对较软的基质。可相对较少地或相对较多地涂布胶乳粘合剂以改变基质的耐久性和重量，可将染料或者颜料添加到粘合剂中以产生具有特定颜色的基质。可使用常规的制造技术将包层的厚度调整为约1/4英寸 2英寸。可以预见的是， 在未来可生产出较厚的包层，并且在可以获得这些较厚的包层(例如，3英寸 12英寸)时这些较厚的包层将被用作岛体材料。整合有胶乳粘合剂的包层可以作为制造物品来购买。 适宜的基质材料的一个制造商是佐治亚州Acworth的Americo Manufacturing Company, Inc.。作为选择，基质3可以由诸如椰纤维、黄麻、大麻或棉等天然非织造材料组成。参见图2，图示了刚好在对结构体1的边缘施加显著的垂直负载6之后的漂浮岛1 的位置。负载6对岛1产生了倾覆力矩。倾覆力矩使得岛1的第一部分7沿向下箭头8的方向移动，更深入到水体2中。相应地，倾覆力矩使得岛1的第二部分9沿向上箭头10的方向移动，升高到水线之上。在优选的实施方式中，漂浮岛1包括了可对抗垂直负载6所产生的倾覆力矩的三个特征。第一，提高的部分9中加厚外周所带来的基质3的额外重量提供了比不具有加厚外周的结构体所会提供的更大的对抗性力矩臂力。第二，由于水和基质3纤维之间的表面张力所致，被截留在提高的部分9内的水要花费一些时间从渗透性基质3中流出。所截留的水为升高到水线之上的提高的部分9增加了额外重量，这一额外重量增大了对抗性力矩臂。第三，只要漂浮岛1移动经过水体2，基质3的多孔渗水性和水透过性就会使得水流过基质3。水经过基质纤维的运动产生对抗漂浮岛1在水体2中的运动的阻力。图2中，正沿向下箭头8的方向运动的岛1的第一部分7在其浸入水体2时遭遇到显著的阻力，从而对抗由倾覆力矩引起的旋转运动。被浸没的第一部分7的浮力也可对抗旋转运动。参见图3，呈现了具有加厚的中心部11的本发明的另一优选实施方式。这一实施方式具有与图ι和图2的实施方式所述相同的3个抗倾覆特征。此外，图3所示的实施方式的中心部11提供了额外的力矩臂和水阻力来对抗边缘负载引起的倾覆。本发明的优选实施方式也可对抗由波浪作用引起的运动。参见图4，波浪对漂浮岛 1同时产生上下的力(如箭头12所示)和摆动力(如摆动箭头13所示)。这两种力均可被漂浮岛1所抵抗。漂浮岛1的提高到水线以上的部分中所截留的水的重量可对抗这种向上运动，而水流过漂浮岛的处于移动中的浸没部分的基质3所产生的阻力可对抗波浪力引起的垂直运动和摇摆运动。此外，由于波浪的水强行进入并经过漂浮岛1的多孔且渗透性的基质3，波浪能量被消耗和反射，从而减少了波浪高度和能量的大小。参见图5，呈现了本发明的另一优选实施方式。这一实施方式模拟了申请人于 2004年在密歇根和威斯康星研究的一些天然岛屿的形状。在这一实施方式中，较大的水饱和中心部11提供了对抗垂直运动的重且低的重心，而薄边缘区14由于其可作为抗入射波浪的防波提的相对较大的表面积而提供了减缓波的作用。参见图6，呈现了本发明的又一优选实施方式。这一实施方式在漂浮岛1的主体之内加入了负浮力区域15。负浮力区域15可以由具有负浮力的渗透性多孔基质材料组成。 优选的负浮力基质材料的一个实例是非织造聚酯。作为选择，负浮力区域15可以由放置在构成漂浮岛1的主体的基质材料中的诸如混凝土或石材等负浮力材料组成。负浮力区域15 可作为龙骨来降低漂浮岛1的重心。这种龙骨效应与构成区域15的多孔渗透性基质结合进一步增强了岛的稳定性。参见图7，呈现了本发明的另一优选实施方式。在这一实施方式中，外凸的漂浮岛 1被用于提供抗倾覆特征。如图所示，在理想情况下为相同的多孔渗透性基质构造的分离的外凸的漂浮岛1以连接装置16相互连接。这种布置使得可以设计水所产生的阻力的水平。 在优选实施方式中，所述漂浮岛1在至少2个位置连接，优选在朝向较小的漂浮岛1的相对端的位置。当以这种方式连接尺寸相似的漂浮岛1时，优选的连接点也倾向于使各个漂浮岛1的相对端发生联系，从而利用连接装置16来提供岛倾覆物理屏障。连接装置16可以由任何适当坚固耐用的材料(如绳、缆或金属带)组成。参见图8，呈现了本发明的又一优选实施方式。在这一实施方式中，优选将外伸的凸缘特征19(优选由相同的多孔渗水性且水透过性的基质材料制成)加入到岛的最低部分中。除了增加可设计水平的抗倾覆阻力以外，这种水平溜溜球形的设计还提供了额外的水下生境特征20。如图8所示，这一实施方式包括外伸的上凸缘部17、缩回的中心部18和外伸的下凸缘部19。鱼类21和其他野生物种可以利用由缩回的中心部18所产生的生境区域 20。参见图9，图示了夹心构造岛22，岛22优选由三层非织造聚合物基质3和两层再循环废弃聚合物片23组成，不过也可以使用其他数量的层。还显示了由太阳能电池板24、 水泵25、入口管沈和排出管线27组成的可选水循环部件。在这一实施方式中，来自水体2的带有营养素的水通过泵25经入口管沈上抽(如摄取箭头40所示)，随后经由排出管线 27被喷洒在夹心岛22的整个表面上。水渗滤经过多孔基质3和废料片23的层，营养素在此处被定殖于基质3和废料片23的内表面的微生物清除。可以通过调整含有废料片23的层和含有基质3的层的厚度，并且通过调整交替的废料23和基质3的层的数目，来将岛制成任何所需的厚度。参见图10，图示了根据本发明的优选实施方式的仿生珊瑚礁结构体观。在这一实施方式中，仿生珊瑚礁结构体观具有负浮力并且静置在水体2的底部。结构体观可以用于消耗浅水中的波浪能量，还可以用作水质增强装置。结构体观主要由废弃聚合物片23 组成。可以通过使用喷涂的聚脲或胶乳粘合剂(未显示)来将废料片23粘合在一起。作为选择，可以通过加热使废料片23部分熔融而将废料片23粘合在一起。图10中还显示了可选的注入系统四。注入系统四用来将富含营养素的水和/或空气流注到结构体观的主体内，由此促进定殖微生物的生长和/或增加对栖居在结构体观之中和周围的鱼类和其它水生动物的供氧。由外部的泵(未显示)对注入系统四供应水和/或空气。还显示了可选的腔洞30。腔洞30可被用作鱼类和其它动物的栖息、进食或躲藏的区域。作为选择，可以将石材或其它重物插入腔洞30，从而增加结构体28的负浮力。结构体28必要时可以包含袋装干水泥(未显示)，所述水泥在结构体观被部署后可以原位吸水固化从而增强负浮力。结构体观必要时可以被用作漂浮岛或其他漂浮物体(未显示)的锚。参见图11，图示了根据本发明的另一优选实施方式的聚合物废料结构体31。这一实施方式由通过喷涂的聚脲或聚氨酯粘合在一起的废弃聚合物片23组成。如果所用的聚合物具有的密度小于水的密度，则废弃聚合物片23可以提供浮力。聚氨酯或热塑性泡沫 (未显示)可以供应可选的额外浮力。可以将可选的聚合物泡沫注入并原位固化，也可以通过在制造过程中将预先形成的泡沫片插入到聚合物废料结构体31的主体中，从而提供可选的聚合物泡沫。必要时，可以将聚合物泡沫废料片与聚合物碎屑废料片混合从而提供渗透性、集中的表面积和浮力等必需特性。另一可选的浮力来源是截留在结构体31的主体中的气体。可以通过充气将这些气体注入到岛中，或者作为选择，它们可以由定殖于岛体内部的微生物生成。可以在岛的外表面上安装可选的非渗透性顶部涂层32从而增强结构体31 截留气体的能力。不透气性顶部涂层32可以由聚脲或聚氨酯组成。结构体31还可以包含在水线之上和/或水线之下具有开口的腔洞30，并且可被用作水鸟、鱼类或其他水生动物的生境。参见图12，所图示的漂浮岛1的另一优选实施方式包含非织造基质3的片材、粘合到基质3的顶侧和底侧的废弃聚合物片23、生长介质33和毛细管34。废弃聚合物片23可以通过聚脲或聚氨酯粘合在一起。生长介质33可以由ΒΙ0ΜΙΧ (可获自蒙大拿州证印herd 的Floating Island International, he.)或其它任何适合的亲水性植物生长材料组成。 毛细管34优选填充有亲水性生长介质，并且向优选覆盖漂浮岛1的顶部表面的生长介质33 供水。可以通过喷涂并原位固化来将生长介质33施用于浮力结构体1。外周凸缘35有助于防止生长介质33由于波浪和风的作用而损失。可以将可选的基质废料片36制造到漂浮岛1的主体中从而提供额外的用于微生物定殖的表面区域。在图13所示的另一实施方式中，本发明是包含由非织造基质组成的单一底层41、 由废弃非织造基质或其它聚合物材料组成的中间部分42和草皮包层、内充草皮的黄麻包层或内充草皮的聚合物包层等顶部包层43的漂浮岛。所述非织造基质或其它聚合物材料可以由聚酯和除聚酯之外的聚合物制成，所述非织造基质或其它聚合物材料的体积和相对浮力将决定提供初始浮力所需的(如果存在的)聚氨酯泡沫44的体积。这一实施方式的构成底层41的单层非织造基质可以是椰纤维、黄麻或任何聚合物，可以具有任何厚度。较薄的包层材料因其成本更低而为优选。由废弃基质或聚合物构成的漂浮岛的中间部分42可以具有任何厚度。由于废料不如其它材料昂贵，岛的这一部分很可能是最厚的部分。漂浮岛的顶部包层43优选突出于中间部分42之上并连接底层41， 提供了含有构成漂浮岛的中间部分42的废弃材料的夹心结构效果。如果需要，聚氨酯泡沫 44可以提供额外的浮力，以及将所有的三层41、42和43粘合在一起的额外手段。通过将废弃聚合物切割为长且薄的锯齿带并随后压缩这些带，可以优化微生物定殖可用的表面积。这些缠结的带是另一种廉价形式的基质包层。通过操控这些带的压缩程度，可以同时优化植物根部生长和经过这些带的气体通道。在优选实施方式中，这些带的密度可在生产过程中通过每平方英尺添加特定体积的带并在压缩台上提供特定的压力而受到控制。这一实施方式的中间部分实际上可以由另一种形式的基质包层制成。由Americo 制造的背景技术基质包层需要以胶乳或聚脲或者其它类型涂料来涂覆从而实现其整合，而这一优选实施方式不需要所述涂覆，而替代性地依赖长且窄的带和锯齿边缘来提供整合能力。本发明的多种变化方式将会被本领域的技术人员所想到。一些变化方式包括在结构体内的不同区域提供不同的截面厚度。其它变化方式需要在结构体内提供水平和/或垂直布置的连接部。所有这些变化方式均处于本发明的范围和实质之中。虽然显示的一些实施方式包括某些特征，但申请人明确地预计可以将本文所公开的任何特征一起使用或与本发明的任何实施方式的任何其它特征组合使用。申请人还预计可以将任何特征特定地排除在本发明的任何实施方式之外。
权利要求
1.一种用于安装在水环境中的结构体，所述结构体包含 多孔集装袋；和包埋在所述多孔集装袋中的多个废弃聚合物片。
2.一种负浮力结构体，所述结构体包含多个聚合物片，所述多个聚合物片具有总表面积和表观体积，并且总表面积与表观体积之比至少为200，所述聚合物片共同有效地提供咸水中的天然珊瑚形成或淡水中的石材形成的生物模拟复制体，所述生物模拟复制体具有供水生动物生命体隐藏、栖息或进食的腔洞和裂隙。
3.一种用于安装在具有底部的水体中的渗透性且负浮力性的结构体，所述结构体包含多个聚合物片，所述多个聚合物片具有总表面积和表观体积，并且总表面积与表观体积之比至少为200，所述聚合物片共同有效锚定漂浮岛或将另一漂浮物体栓系在所述底部， 从而当所述水体的底部松软或不适用常规的锚时，使漂浮物体锚定，在所述物体被拖拉经过所述水体时，所述结构体的渗透性提供额外的阻力，从而增强所述结构体的锚定性。
4.一种仿生珊瑚礁，所述仿生珊瑚礁包含 粘合在一起以产生非浮力体的多个废弃聚合物片；和将水和/或空气注入到所述非浮力体中的注入系统。
5.一种聚合物废料结构体，所述结构体包含多个废弃聚合物片，所述多个废弃聚合物片通过聚脲或聚乙烯而粘合在一起从而形成具有腔洞的主体；和由聚脲或聚乙烯组成的不透气性顶部涂层。
全文摘要
一种为增强水质和减缓波动而优化的低成本水栖结构体。所述结构体优选主要由再循环的聚合物废料或诸如黄麻等其它低成本、高表面积材料组成。所述结构体可以具有浮力，也可不具有浮力。所述结构体的浮力实施方式优选抗倾覆。所有的实施方式均优选可使波减缓。所述结构体优选为多孔渗透性并且具有用于使清除营养素的微生物定殖的较大内表面积。作为选择，所述结构体可以用来向水体添加营养素从而促进鱼类生长以便水产养殖应用。
文档编号A01G9/02GK102172180SQ20111000212
公开日2011年9月7日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年2月1日
发明者布鲁斯·G·卡尼亚, 弗兰克·M·斯图尔特 申请人:方太海德有限公司