微孔玻璃在魚塘養殖中的應用研究

向鵬　顏雪娟　柴亦奇　禹暢　陳聰

摘要：本實驗以DM308玻璃粉作為原料制備微孔玻璃片，研究采用加入添加劑、改變玻璃粉目數以及改變熱處理工藝來獲取強度、孔徑、孔隙率等綜合性能較好的微孔玻璃片，然后將玻璃片運用到魚塘中利用微孔來為養殖輸送氧氣。本實驗主要分成兩大部分：一是用燒結法制備硬度較好、孔隙率高、導氣性優良的微孔玻璃片，二是設計并制作一個小型魚缸，模擬微孔玻璃片為魚塘增氧的過程。

關鍵詞：微孔玻璃；燒結法；增氧性能；應用研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）08-0237-03

一、課題背景

隨著全球經濟迅猛地增長，環境保護和資源緊缺是人類遇到的兩個較大的難題，這就使得人類對環境保護和資源節約關注度逐步增強。而微孔材料正是適應著這個風潮應運而生的新型材料，他不僅僅提高了資源的使用效率，而且節約了能源，保護了環境，并且對我們的科學研究、工業生產具有較為重要的意義。微孔材料在各行各業的應用越來越廣泛。在池塘養殖業，傳統的機器增氧設備主要為葉輪式增氧機、水車式增氧機、射流式增氧機和噴水式增氧機這幾種，都是通過機械動力激起水躍和浪花或產生回流，這樣加快水的循環，使水與空氣更加充分地接觸，溶解更多的氧氣，同時將有害氣體排出。這幾年興起了微孔增氧機，它將微孔材料與增氧設備相結合，通過羅茨鼓風機與微孔管組成池底曝氣增氧設施，直接把空氣中的氧輸送到水層底部，此技術增氧效果好、節約能源、安裝管理簡單、使用快捷安全，被認為是水產增氧技術的創新。我們受此啟發，用微孔玻璃作材料進行試驗，探究微孔玻璃在水中的增氧效果。但制作微孔玻璃管難度高，于是我們先用微孔玻璃片代替微孔玻璃管實驗進行定性的測試，并且用魚缸模擬魚塘，驗證微孔玻璃片的增氧透氣性能。

二、微孔玻璃片的制備

1.實驗原理。實驗采用單一的燒結法制備微孔玻璃，使玻璃粉末在不添加造孔劑或事后不再進行酸浸析處理的情況下制備微孔玻璃。①控制熱處理工藝，控制溫度和保溫時間，在熱處理過程中，需先從室溫經一段時間t1（升溫時間）升溫到溫度A（燒結最高溫度），經過一段保溫時間t2（成核時間）再降至溫度B（成核溫度），繼續保溫一段時間t3，最后冷卻至室溫。②選擇玻璃粉的目數（有50目、100目、150目等）以及加入不同的添加劑（Al粉、Cu粉、聚乙烯等）。

2.實驗設備。天平、坩堝、膠頭滴管、勺子、模具、50目篩子、100目篩子、150目篩子、壓力機、真空干燥箱、SXL型程控箱式電爐、顯微鏡。

3.實驗材料。DM308玻璃粉（50目、100目）、A1粉（50目、100目）、Cu粉（50目、100目）、Fe粉（50目、100目）、聚乙烯醇、硬脂酸。DM308玻璃粉的主要成分是高硼硅酸鹽，具有含量較低的Na2O和K2O，電絕緣性、熱穩定性、化學穩定性高。另外可在玻璃片中添加各種添加劑來改善玻璃片的性能，加入金屬元素可以提高產品的機械性能；硬脂酸可以作為造孔劑使用，增加孔隙率；聚乙烯醇作粘合劑，控制其硬度。

4.實驗流程。①將5g混合粉末放入內徑為30mm的制備模具中。②使用壓力機施加8000N的軸向壓力進行壓制，得到壓坯。③將壓好的玻璃片放入裝好氧化鋁粉末的坩堝中。④將坩堝放入SXL型程控箱式電爐按實驗方案設定包括最高溫度、成核溫度、升溫時間、保溫時間在內的各項參數，進行熱處理燒結。⑤待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，即得到微孔玻璃片。標記分類，洗凈，在顯微鏡下觀察微孔大小并記錄。過程可見流程圖（圖1）。

5.加熱工藝的選擇。工藝一：第一，從常溫勻速加熱到450℃，耗時215分鐘，保溫1分鐘；第二，勻速加熱到630℃，耗時36分鐘，保溫60分鐘；第三，勻速加熱到650℃，耗時90分鐘，保溫8分鐘；最后隨爐冷卻至常溫。工藝二：第一，從常溫勻速加熱到100℃，耗時60分鐘，保溫5分鐘；第二，勻速加熱到200℃，耗時60分鐘，保溫10分鐘；第三，勻速加熱到400℃，耗時90分鐘，保溫10分鐘；第四，勻速加熱到650℃，耗時60分鐘，保溫30分鐘；最后隨爐冷卻至常溫。工藝三（工藝二改進）：第一，從常溫勻速加熱到100℃，耗時60分鐘，保溫5分鐘；第二，勻速加熱到200℃，耗時60分鐘，保溫10分鐘；第三，勻速加熱到400℃，耗時90分鐘，保溫10分鐘；第四，勻速加熱到650℃，耗時60分鐘，保溫10分鐘；第五，勻速加熱到670℃，耗時20分鐘，保溫50分鐘；最后隨爐冷卻至常溫。

通過實驗，我們可以發現650℃以上，再升高溫度，增加保溫時間，可增加玻璃片硬度和機械強度，因此我們的實驗主要選擇工藝三。

6.玻璃粉目數的選擇。玻璃粉的目數我們選用了50目、100目、150目等不同情況。經過幾輪實驗經驗總結以及查詢資料，我們發現50目玻璃粉燒結出的玻璃片雖然孔隙較多但因其顆粒較大，粘結度不夠，燒結成的玻璃片硬度不滿足條件，而150目以上玻璃粉燒結出的玻璃片孔隙較小，不符合通氣方面的要求，也不滿足條件。只有100目玻璃粉末較為適合，既滿足硬度要求，也符合孔徑要求，因此我們主要選擇100目玻璃粉作材料。

7.添加劑的選擇。本次實驗為我們選擇了氧化鋁、硬脂酸、聚乙烯醇、Cu粉、Al粉、Fe粉等作為添加劑。實驗發現以Fe粉為添加劑的玻璃片經水洗后褪色，不合格。硬度方面，加入氧化鋁的玻璃片硬度較差，而且表面不平整。孔隙率方面，經顯微鏡觀察，相較其他玻璃片，加入10%Al的玻璃片微孔孔徑大小適中且微孔分布非常均勻；10%硬脂酸玻璃片微孔孔徑較大，不過分布也很均勻。因此，我們選定加入10%Al和10%硬脂酸的這兩種玻璃片為下一步模擬魚塘實驗測試所用的玻璃片，并且選用5%Cu、5%Al、10%Al、5%硬脂酸、10%硬脂酸、10%聚乙烯醇等性能較好的玻璃片進行對比試驗，驗證玻璃片的通氧透氣效果。endprint

三、魚缸模擬實驗

1.實驗目的。通過模擬池塘環境，對已制備好的玻璃片進行進一步測試，驗證微孔玻璃片在水中增氧的實際效果，選出各項性能較好的玻璃片以便將來進一步的研究。

2.小型魚缸結構。組成：鼓風機、儲氣罐、接口（單向閥、快接口）、管道（不銹鋼管道、軟管）、缸體（兩層結構，有機玻璃制品），見圖2。結構圖及原理見圖3。

3.魚缸實驗和結果分析。①通氣實驗：我們將不同的玻璃片裝在各個出氣口上，打開壓力機，調節壓力，然后觀察出氣口處的氣泡狀況，通過比較氣泡數量、氣泡大小等現象，定性地比較玻璃片孔徑、孔隙率等性能。②浸泡實驗：將玻璃片放入水中浸泡4天后，通過砂紙研磨測試觀察測驗玻璃片的硬度、耐磨度、表面狀況等各項性能，看其耐水性能是否合格。

實驗結果表明：硬度方面，10%聚乙烯醇經浸泡后硬度太低不合格；5%硬脂酸和5%Al經長時間浸泡后，經過砂紙磨研測試發現其硬度下降較多，說明其玻璃片耐水性不好，因此不合格；添加劑為10%Al和10%硬脂酸硬度較好，經浸泡后其硬度也未下降，而且其表面都較為平整。透氣性方面，各玻璃片透氣性都較為良好，特別是加入10%Al作為添加劑的玻璃片，氣泡最密而且均勻。其中添加劑為5%Cu的玻璃片硬度合格，透氣性也較好，但其在水中長時間浸泡后褪色，因此不合格。

綜上所述，添加劑為10%Al和10%硬脂酸的玻璃片較滿足條件。可以看出，魚缸實驗的結果與顯微鏡下觀察結果相符合。因此，我們選擇添加劑為10%Al和10%硬脂酸的玻璃片是目前最佳的實驗選擇，值得進一步研究。

四、實驗總結及后續研究方向

（一）實驗總結

經過幾十組玻璃片的制作、篩選和研究后，我們可以得出結論，即理想玻璃片的制作方案。

1.玻璃片成分采用：①5g10%Al+100目玻璃粉；②5g10%硬脂酸+100目玻璃粉。

2.加熱工藝采用：第一，從常溫勻速加熱到100℃，耗時60分鐘，保溫5分鐘；第二，勻速加熱到200℃，耗時60分鐘，保溫10分鐘；第三，勻速加熱到400℃，耗時90分鐘，保溫10分鐘；第四，勻速加熱到650℃，耗時60分鐘，保溫10分鐘；第五，勻速加熱到670℃，耗時20分鐘，保溫50分鐘；最后隨爐冷卻至常溫。

通過實驗可知，加熱到650℃以上，可以通過適當提高加熱的最高溫度，增加保溫時間，以達到增加玻璃片硬度的效果。

采取以上兩種工藝即可得到強度大、表面光滑、能長時間在水中浸泡、微孔孔徑較大且分布均勻的玻璃片，其各方面都符合我們模擬魚塘實驗所需玻璃片的條件。

（二）后續展望

在選出玻璃片后，我們將采用空氣壓縮機對模擬魚塘進行增氧，在了解各類魚蝦生長最合適的水中溶氧量后，通過壓力閥讀出準確增氧壓力值來模擬各類魚蝦最適宜的生長環境，記錄其生長狀況和傳統增氧工藝相比較得出的玻璃片微孔增氧的實用性與優越性，并且對整套模擬魚塘裝置進行改進，加入太陽能電池及PLC自動控制裝置以實現增氧、投料自動化，這將是我們小組后續還要繼續鉆研、改進和創新的問題。

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。”這次實驗成果與我們的最終目標——產業化還有著非常遙遠的距離，我們將不斷地改進創新我們的設備，直至更好的滿足市場的需求。

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