用于在植物或鱼类所在的流体中生成纳米气泡的装置的制作方法

本发明涉及一种用于在植物或鱼类所在的流体中生成纳米气泡的装置，包括至少一个用于产生纳米气泡并增加气体溶解量的纳米气泡发生器；至少两个用于控制纳米气泡的产生并对纳米气泡发生器或其它组件进行自动定期清洁的气泵；以及一个用于显示溶解氧、ph值、导电率、水体温度和环境温度等测量参数的流体质量监测系统。当利用空气或氧气或臭氧生成纳米气泡时，本发明的装置具有用于促进植物生长、提高种子发芽率、提高淡水鱼或海水鱼的成活率和生长率的应用潜力，生成的臭氧纳米气泡更可以减少植物或鱼类养殖用的水介质中的细菌或藻类。

背景技术：

氧是生物体呼吸的必需元素。植物通过叶子和根部的气孔吸收氧气，而鱼类通过鳃部吸收氧气。植物在较高温度下耗氧更多，这是由于根组织的呼吸速率增加。温度每升高10摄氏度，高至30摄氏度，根部的呼吸速率可以加倍。如果水中的溶解氧不够，例如对于水培植物，则将抑制从呼吸过程释放的能量，以用于根系生长和养分吸收。同样，鱼类在高温下呼吸也需要更多氧气。当水中的溶解氧水平降至5.0mg/升以下时，鱼就会承受压力。植物和鱼类对氧气的消耗在较高温度下会更高。当氧气耗尽时，水培植物和鱼类的生长将受到抑制。

cn107413219a公开了一种在流体中产生小于500nm的氧化气泡的系统，包括一个流体入口管；一个文丘里管；一个小于50微米的具有微孔或微狭缝的组件，以将具有氧化特性的试剂输送到流体中；一个围绕具有微孔或微狭缝的组件的腔室，其可以产生旋流，以增加具有氧化特性的试剂与流体之间的接触时间并在流体中产生气泡；一个流体出口管，用于排出流体中的氧化气泡。

cn102657887a公开了一种无土栽培营养液的消毒方法，包括将微纳米臭氧气泡引入无土栽培溶液而对营养液进行灭菌。该方法将臭氧的灭菌效果与使用微纳米气泡发生装置结合起来，以将臭氧溶解到营养液中而杀灭细菌和其他有机物，并增加营养液中的溶解氧。

技术实现要素：

本发明公开了一种用于在植物或鱼类所在的流体中生成纳米气泡的装置，包括至少一个纳米气泡发生器，用以产生纳米气泡并增加气体溶解量；一个具有多个电子单元的控制系统；至少两个电磁控制阀；至少三个止回阀；至少两个气泵，用以控制纳米气泡的产生并对纳米气泡发生器或其它组件进行自动定期清洁；一个气体流量计；一个臭氧发生器；一个溶解臭氧测量装置；以及一个带有液晶显示面板的流体质量监测系统，用以显示溶解氧、ph值、导电率、水体温度和环境温度等测量参数。

当使用空气或氧气或臭氧来产生纳米气泡时，可以增加用于植物或鱼类的水介质中的溶解氧。当在种植系统的营养水箱内使用本发明的纳米气泡发生器时，相比之下，植物的生长率会更高。当种植系统的营养水槽内使用本发明的纳米气泡发生器时，可以获得更高的植物生长速率。当在鱼缸内使用本发明的纳米气泡发生器时，淡水鱼或海水鱼的成活率和生长率更高。使用空气纳米气泡可以提高植物的发芽率。当使用臭氧气体生成纳米气泡时，水中稳定的臭氧纳米气泡可以进行消毒，例如减少用于植物或鱼类的水介质中的细菌或藻类含量。因此，本发明的装置具有应用于农业和渔业的潜力。

本发明与现有技术分别在于：本发明通过将流体引入具有微孔或微狭缝的出气组件以减小该组件表面位于微孔或微狭缝附近的压力的手段，使微孔或微狭缝表面上的气泡受到强分离力，产生微气泡甚至纳米气泡，因此可使用相对较低的气压将气体引进所述纳米气泡发生器，例如只用常压；本发明进一步通过设置在所述流体出口处的粗糙组件将由流体入口处经过具有微孔或微狭缝的出气组件而产生的气泡分散，以产生更均匀的纳米气泡；本发明的气泵具有自动定期清洁的功能，可定期清除任何在各组件上，尤其是纳米气泡发生器和粗糙组件表面上的污垢，例如植物或鱼类的营养水介质中的任何未溶解的聚集粒子或附在其表面上的鱼类或植物的代谢废物。

附图说明

通过参考附图，以下更详细地描述了本发明的实施例，其中：

图1所示为根据本发明的纳米气泡发生器的示意图；

图2所示为由根据本发明的纳米气泡发生器所产生的纳米气泡的浓度和气泡直径；

图3所示为根据本发明的装置的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于在植物或鱼类所在的流体中生成纳米气泡的装置，包括至少一个纳米气泡发生器，用以产生纳米气泡并增加气体溶解量；一个具有多个电子单元的控制系统；至少两个电磁控制阀；至少三个止回阀；至少两个气泵，用以控制纳米气泡的产生并对纳米气泡发生器或其它组件进行自动定期清洁；一个气体流量计；一个臭氧发生器；一个溶解臭氧测量装置；以及一个带有液晶显示面板的流体质量监测系统，用以显示溶解氧、ph值、导电率、水体温度和环境温度等测量参数。

通过参考以下通过举例说明的方式所提供的示例，可以更好地理解本实用新型的实施例。本发明不限于本文件给出的这些示例。

参考图1中根据本发明的纳米气泡发生器的示意图，本发明的纳米气泡发生器包括流体入口过滤器10、流体入口室11、具有微孔或微狭缝的组件22，用以在通过气体入口过滤器20后，将气体（如空气或氧气或臭氧）从进气管21输送而进入流体。储存在流体罐1内的流体可以是超纯水、蒸馏水、自来水、或用于植物或鱼类的营养水介质。当流体通过组件22和流体入口室11之间的间隙时，流体泵12产生高速的流体流动，并且流体的速度突然增大，以减小组件22表面位于微孔或微狭缝附近的压力，微孔或微狭缝表面上的气泡受到强分离力，并且产生微气泡甚至纳米气泡。产生的微气泡和纳米气泡被吸入流体泵12，并迫使其在粗糙组件14上分散，以在流体出口室13内产生更均匀更稳定的纳米气泡。通过控制气体流速、流体流速以及组件14的粗糙度，可以产生本发明的不同浓度和直径的纳米气泡。

参考图2，由本发明制备的优选纳米气泡具有以malvern^tmnanosight^tmns300为特征的约100nm至约500nm的平均气泡直径，更优选为约100nm至约400nm。由本发明产生的纳米气泡的优选浓度为每毫升流体有至少约1×10⁷个气泡，并且更优选为每毫升流体有至少约2×10⁷个气泡。

流体入口过滤器10用于防止植物或鱼类的营养水介质中的任何未溶解的聚集粒子以及鱼类的新陈代谢废物进入流体入口室11并防止其附着在组件22的微孔或微狭缝的表面上。狭缝的宽度优选为约0.5至约3mm，狭缝长度为约5至约15mm；狭缝的宽度更优选为约1至约2mm，狭缝长度为约5至约10mm。

气体入口过滤器20用于捕集来自气体源（如空气）的任何灰尘或颗粒，气体入口过滤器的优选孔径为约0.2µm至约1µm，更优选为约0.4µm至约0.6µm。将气体输送到组件22的流体入口室11中的优选微孔或微狭缝为约2µm至约70µm，更优选为约2µm至约45µm。流体泵12是潜水泵，以产生约2,500l/小时至约20,000l/小时的优选流速，其更优选为约3,000l/小时至12,000l/小时。流体出口室13中的粗糙组件14用于使由流体入口室11输送而产生的气泡分散，以产生更均匀的纳米气泡。粗糙组件14的表面算术平均粗糙度优选为约5µm至约50µm，更优选为约5µm至约30µm。

在一实施方式中，当气体源是臭氧时，臭氧气体可以被输送到本发明的纳米气泡发生器，所产生的臭氧纳米气泡用于减少植物或鱼类的营养水介质中的细菌或藻类。流体入口过滤器10、流体入口室11、气体入口过滤器20、进气管21、具有微孔或微狭缝以输送臭氧气体的组件22、流体泵12、用于使流体中气泡分散的组件14以及流体出口室13由具有抗氧化性或抗臭氧性的材料制成。

参考图3中本发明的装置的示意图，用于在植物或鱼类所在的流体中生成纳米气泡的装置包括至少一个纳米气泡发生器601（如图1中所描述的纳米气泡发生器）以产生纳米气泡并增加气体溶解量，一个包括多个电子单元302、无油气泵304和306、臭氧发生器303、溶解臭氧测量装置307、电磁控制阀308、及止回阀309的控制系统301，以及一个包括用以显示溶解氧、ph值、导电率、水体温度和环境温度等测量参数的液晶显示面板502的流体质量监测系统501。

在该控制系统301内，电子单元302包括不同的电子元件，如24v电源、继电器、可编程逻辑控制器（plc），以控制纳米气泡发生器601、泵304、泵306、电晕放电臭氧发生器303以及电磁控制阀308的操作。止回阀309用于控制产生纳米气泡的气体的方向，纳米气泡通过使用空气/氧气或本发明中由电晕放电臭氧发生器303产生的臭氧气体而产生。当需要空气纳米气泡或氧纳米气泡来增加流体中的溶解氧时，将通过泵304泵入诸如空气或氧气的气体，并且由气体流量计305控制气体流速。泵304的气体流速优选为约100l/小时至约400l/小时，更优选为约200l/小时至约300l/小时。

纳米气泡的直径可进一步由气体流量计305控制。产生纳米气泡的气体流速优选为约15ml/分钟至约400ml/分钟，更优选为约34ml/分钟至约200ml/分钟。当需要臭氧纳米气泡进行水消毒（例如减少流体中的细菌或藻类）时，空气或氧气被输送到臭氧发生器303，并产生臭氧气体，并将其导向至气体流量计305。在本发明中使用电晕放电臭氧发生器。

产生臭氧纳米气泡的臭氧流速优选为约15ml/分钟至约400ml/分钟，更优选为约34ml/分钟至约100ml/分钟。臭氧纳米气泡的直径可进一步由气体流量计305控制。产生纳米气泡的气体流速优选为约15ml/分钟至约150ml/分钟，更优选为约34ml/分钟至约100ml/分钟。溶解臭氧测量装置307具有内部泵，以从纳米气泡流体中取得水样，从而测量和显示水介质中臭氧的浓度为约0ppm至约20ppm。

此外，电子单元302中的可编程逻辑控制器（plc）用于控制泵306和电磁控制阀308的操作频率，电磁控制阀308用于将优选为约2,000l/小时至约4,000l/小时的气体流速输送至组件22，以清除植物或鱼类的营养水介质中的任何未溶解的聚集粒子或附着在微孔或微狭缝表面上的鱼类的代谢废物，以稳定地产生纳米气泡。此外，电子单元302中的可编程逻辑控制器（plc）也用于控制泵306的操作频率，以将优选为约2,000l/小时至约4,000l/小时的气流速输送到粗糙组件14，以清除任何污垢，如植物或鱼类的营养水介质中的任何未溶解的聚集粒子或附着在粗糙组件14表面上的鱼类的代谢废物。这样，粗糙组件14选自多孔陶瓷管、多孔不锈钢管、多孔玻璃管、多孔高密度聚乙烯管、多孔聚碳酸酯管、多孔钛管，以便让气体从管子中间穿过至管子表面，以清除任何附着的污垢。剩余电流断路器（rccb）也包括在电子单元302内，用以防止接地故障。

水中溶解氧是植物或鱼类生存和生长的一个重要参数。水中溶解氧的量受水温和环境温度的影响。每种植物或鱼类的生长需要水中具备特定的ph值和导电率，本发明中的流体质量监测系统501用于监测溶解氧的量、ph值、导电率、水体温度和环境温度。在本发明中，具有液晶显示面板502的流体质量监测系统501用以显示溶解氧、ph值、导电率、水体温度和环境温度等测量参数。溶解氧探针504连接在流体质量监测系统501的电子板上，以测量流体中溶解氧的浓度，为约0mg/l至约100mg/l。ph探针505连接到流体质量监测系统501的电子板，以测量流体中的ph值，为约1至约14。导电率探针506连接到流体质量监测系统501的电子板以测量导电率，为约5µs/cm至约200,000µs/cm。温度探针507连接到流体质量监测系统501的电子板，以测量流体温度，为约-55℃至约125℃。环境温度传感器连接到流体质量监测系统501的电子板，以测量环境温度，为约-55℃至约125℃。由液晶显示面板502显示溶解氧、ph值、导电率、水体温度和环境温度等所有测量参数，液晶显示面板502连接到流体质量监测系统501的电子板。

现在将参考实施例详细解释本发明，这些实施例根据本发明说明了装置的特征和效果，但并非旨在限制本发明于此。

实施例1

如图1所示，纳米气泡发生器用于在装有超纯水的80l水箱中产生纳米气泡。潜水泵12的流速为3,000l/小时，进入21的气流速为34ml/分钟。允许纳米气泡发生器在测量纳米气泡尺寸和纳米气泡浓度之前操作24小时，同时在操作期间记录溶解氧水平的数据。通过malvern^tmnanosight^tmns300测量纳米气泡直径和纳米气泡浓度，并由hanna多参数测量仪hi98196测量溶解氧水平。

由所述纳米气泡发生器产生的气泡的平均直径为156nm，sd为49.1nm，d10为99.7nm，d50为149.3nm，d90为218.1nm，纳米气泡的平均浓度为每毫升1.03×10⁸个气泡。溶解氧水平为91.3％。气泡直径和浓度的分布如图2所示。

实施例2

如图1所示，纳米气泡发生器用于在装有超纯水的80l水箱中产生纳米气泡。潜水泵12的流速为12,000l/小时，进入21的气流速为100ml/分钟。允许纳米气泡发生器在测量纳米气泡尺寸和纳米气泡浓度之前操作24小时，同时在操作期间记录溶解氧水平的数据。通过malvern^tmnanosight^tmns300测量纳米气泡直径和纳米气泡浓度，并由hanna多参数测量仪hi98196测量溶解氧水平。

由所述纳米气泡发生器产生的气泡的平均直径为177nm，sd为63.4nm，d10为128.6nm，d50为142.2nm，d90为247.3nm，纳米气泡的平均浓度为每毫升2.61×10⁷个气泡。溶解氧水平为88.2%。气泡直径和浓度的分布如图2所示。

实施例3

如图1所示，纳米气泡发生器用于去除含有淡水鱼代谢废物的50l水中的大肠杆菌和藻类。潜水泵12的流速为3,000l/小时，进入21的入口臭氧流速为34ml/分钟。通过膜过滤法和浮游植物分析仪（walz，phyto-pam-ii），分别测量大肠杆菌和藻类的初始含量和最终含量。

操作4小时后，去除90％以上的大肠杆菌（初始：5,267cfu/100ml）和26％的藻类（初始12.6ppb）。

实施例4

宝石鲈鱼

如图1所示，纳米气泡发生器用于饲养淡水鱼类宝石鲈鱼的90l水中产生纳米气泡。潜水泵12的流量为3,000l/小时，进入21的气流速为200ml/分钟。淡水的ph值为6-7，水温为22-25℃。所述纳米气泡发生器在宝石鲈鱼的整个生长期（即21天）内进行操作。使用市售曝气石代替所述纳米气泡发生器，在具有相同水分条件的独立鱼缸中对同样数量的鱼进行对照实验。在具有纳米气泡发生器和曝气石的鱼缸中，溶解氧分别为6ppm和5ppm。在生长期前后，分别对两个鱼缸中的鱼进行称重。利用所述纳米气泡发生器的宝石鲈鱼的生长率为44％，而在气泡石系统中的宝石鲈鱼的生长率仅为16％。利用本发明所述纳米气泡发生器，宝石鲈鱼的生长率大约是在曝气石系统中的两倍。

沙巴龙趸鱼

如图1所示，本发明的纳米气泡发生器用于饲养海水鱼类沙巴龙趸鱼的90l水中产生纳米气泡。潜水泵12的流速为3,000l/小时，进入21的气流速为100ml/分钟。海水的ph值为6.5-7.5，盐度为27-30ppt，水温为23-26℃。所述纳米气泡发生器在沙巴龙趸鱼的整个生长期（即31天）内进行操作。使用市售曝气石代替所述纳米气泡发生器，在具有相同水分条件的独立鱼缸中对同样数量的鱼进行对照实验。在具有纳米气泡发生器和曝气石的鱼缸中，溶解氧分别为7ppm和5ppm。在生长期前后，分别对两个鱼缸中的鱼进行称重。利用所述纳米气泡发生器的沙巴龙趸鱼的生长率为67％，而在曝气石系统中的沙巴龙趸鱼的生长率为61％。利用所述纳米气泡发生器，沙巴龙趸鱼的生长率比在曝气石系统中高约10%。

实施例5

如图1所示，本发明的纳米气泡发生器用于在50l萌发冰叶日中花的种子的营养水中产生纳米气泡。潜水泵12的流速为3,000l/小时，进入21的气流速为34ml/分钟。营养液的ph值为6.5-7，导电率为300-500µs/cm，营养温度为19-27℃。将用于种子萌发的海绵在营养液中浸24小时，然后将其转移到种子萌发托盘中。将含有纳米气泡的营养液倒入种子萌发托盘中直至海绵边缘。无需使用纳米气泡发生器，对照实验在具有相同营养液条件的环境中进行。纳米气泡系统和控制系统中的溶解氧分别超过7ppm和3-5ppm。使用含有纳米气泡的营养液，冰叶日中花的种子发芽率为30％，而营养对照组的种子发芽率为22％。利用纳米气泡发生器，冰叶日中花的种子发芽率提高超过大约30％。

实施例6

如图3所示，本发明的纳米气泡系统用于种植水菜的水培系统的营养液中产生纳米气泡。纳米气泡发生器601的流体流速为3,000l/小时，305控制的气流速为34ml/分钟。营养液的ph值为6-8，导电率为1,300-1,600µs/cm，营养温度为25-27℃。纳米气泡系统在水菜的整个生长期（即30天）内进行操作。无需使用纳米气泡系统，对照实验也在具有相同营养条件的环境中进行。在营养水箱中利用纳米气泡系统和控制系统的溶解氧分别超过7ppm和6ppm。生长在两个系统中的水菜在播种30天后收获。利用本发明的纳米气泡系统生长的水菜，所收获的重量比没有利用本发明的纳米气泡系统生长的水菜重约20％。

本说明书中对“一个实施例”、“示例实施例”等的引用表示所描述的实施例可以包括一个特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可能不一定包括该特定的特征、结构或特性。而且，该等短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合一个实施例来描述一个特定的特征、结构或特性时，则认为本领域技术人员知晓在与其他实施例结合时会影响到该等特征、结构或特性，无论是否明确描述。

以范围格式表示的值应以一种灵活的方式解释，不仅包括作为范围界限明确列出的数值，而且还包括包含在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确列出了每个数值和子范围。例如，“约0.1%至约5%”的浓度范围应解释为不仅包括明确列出的约0.1wt.%至约5wt.%的浓度，而且包括指定范围内的单个浓度（例如1%、2%、3%和4%）和子范围（例如0.1%至0.5%、1.1%至2.2%和3.3%至4.4%）。

如本文件所述，除非另有说明，术语“一个”用于包括一个或多于一个，而术语“或”用于指非排他性的“或”。另外，应该理解的是，在没有以其他方式限定的情况下，本文件使用的措辞或术语仅用于描述而不是限制的目的。此外，本文件中提及的所有出版物、专利和专利文件通过引用整体并入本文件，如同通过引用单独地并入本文件。如果本文件与通过引用并入的这些文件之间的用法不一致，则并入的参考文献中的用法应视为对本文件中的用法的补充；对于不可调和的不一致性，应以本文件中的用法为准。

在本文件描述的方法中，除非明确叙述了时间或操作顺序，否则在不偏离本发明的原则的情况下，可以按任何顺序执行步骤。对于在权利要求中首先执行一个步骤，然后执行数个其他步骤的叙述，应被认为是指第一步在任何其他步骤之前执行，但其他步骤可以按任何适当的顺序执行，除非在其他步骤中进一步叙述了顺序。例如，权利要求中对“步骤a、步骤b、步骤c、步骤d和步骤e”的叙述应解释为首先执行步骤a，最后执行步骤e，而步骤b、c和d可以在步骤a和e之间按任何顺序执行，并且该顺序仍在所要求保护的过程的文字范围内。给定的单个步骤或步骤子集也可以重复。

此外，除非权利要求中明确叙述应分开执行，否则可以同时执行特定的步骤。例如，所要求的执行x的步骤和所要求的执行y的步骤可以在单个操作中同时进行，并且所得到的过程将在所要求保护的过程的文字范围内。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。因此，这些实施例和示例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求而不是由前面的描述来指示，因此，在同等权利要求的含义和范围内进行的所有变化都包含在其中。