一種利用文丘里效應的富氧活性水制造儀

摘要：一種利用文丘里效應，在壓力循環(huán)泵作用下負壓吸氣的增加溶解氧的儀器，使得水可以達到飽和溶解氧的效果，并形成過飽和態(tài)溶解氧的氣水乳化液，水的pH值有上升變化的現(xiàn)象，從弱酸性水到弱堿性小分子活性水，而停止儀器運作后，弱堿性仍能夠保持一段時間，之后恢復到原來的pH值狀態(tài)。該儀器可以自凈修復并提升水質。

關鍵詞：文丘里效應；氧溶解度；pH值；富氧活性水制造儀；壓力循環(huán)泵 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH753 文章編號：1009-2374（2016）28-0010-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.006

1 項目背景

1.1 現(xiàn)實意義

氧氣占空氣的21%，無疑在地球上有著重要的地位。初中生物課就學過幾乎所有的生物都需要呼吸且必須要利用氧氣才能存活。在現(xiàn)實生活中，受污染的小河和魚塘數(shù)不勝數(shù)，死去的魚尸堆積如山，這些魚致死的原因，除了因為水中各項營養(yǎng)物質指標有所下降、別的重金屬離子或是有毒垃圾指標上升了以外，氧濃度的減少導致魚類無法正常呼吸也是魚類死亡的重要因素之一。

自來水和自然水體的氧氣溶解度通常只有6～7mg·L-1，而一些環(huán)境較差的魚塘水的氧氣溶解度甚至還不到3mg·L-1，可是魚類生活的環(huán)境中氧氣至少需要4mg·L-1，而且氧氣的濃度對于生物的新陳代謝也具有促進效果。如此看來，增加水中的氧氣溶解度不僅可以讓養(yǎng)殖業(yè)魚塘養(yǎng)殖有更高的質量，而且對人們的養(yǎng)生健康方面有著一定的必要性。

1.2 理論依據(jù)

流速越快的地方壓強越小。例如風吹過一個阻擋物的時候，假設阻擋物上方是流線型的，那么上方的氣流速度會比下方的氣流速度快，從而上方的氣流對阻擋物產生的壓力不及下方的氣流，那么氣流中間就會出現(xiàn)一個真空區(qū)，在這個真空區(qū)放入小物件，可以將小物件吸附。通過上網查閱資料后發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的原理實際上是文丘里效應。

文丘里效應表現(xiàn)在受限流動在通過縮小的過流斷面時，流體出現(xiàn)流速或流量增大的現(xiàn)象，其流量與過流斷面成反比。而由伯努力定律知流速的增大伴隨流體壓力的降低，即常見的文丘里現(xiàn)象。

查閱有關的信息可以發(fā)現(xiàn)100kPa常溫下水中氧的溶解度是6～8mg/L，而如果我們通過加壓來增加氧氣，根據(jù)亨利定律，通過計算可知每增加1mg/L的溶解度，壓力就要相對應增加14kPa的壓強，而通過加壓來增加如此大的壓強，對于能耗與實際上來說并不適用，我們排除了這一種方法。另外一種方法，通過攪拌從而加大氧氣溶解度，這種方法因為在漁業(yè)生產等方面一直都有應用，比較實際，而且相比于加壓而言，單純地通過攪拌水氣使其充分混合乳化是一種物理方法，這一過程耗能較少，可以嘗試借鑒這一種攪拌加氧的方法。但是我們知道，在魚塘如此大面積的水域，只通過幾臺機器來加氧，而且只是單純地通過攪拌，很明顯是不夠的，這里就有必要通過改良這一個裝置，使其高效化，并且增大其用途不僅僅是用于漁業(yè)生產，更多的是作為一臺可以增加氧氣溶解水中量的機器。

通過查閱文丘里效應資料，找到一種常用配件，叫水射器，它完全是按文丘里管的原理設計生產的，它可以通過限流再擴流的方式來產生一個側端的負壓，可以使得在這個負壓管道產生吸力，應用它來添加所需的流體，并且能在擴容階段進行充分攪拌，即應用它改良所需裝置。

2 儀器研究過程

研究思路：魚塘人類飲用水氧氣溶解度不足引發(fā)問題，制造一臺可以增加水中溶解氧的機器，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)可以運用初中學過的文丘里效應來讓水與氣充分混合，查閱資料后發(fā)現(xiàn)有一種叫水射器的裝置是用文丘里效應制得的，把水射器加到儀器上面，再把儀器各部分組裝好，開機做實驗，檢測儀器工作效率。

研究這一臺儀器的核心理論在前面已經有提及，主要是利用了流速快的水體壓強小這一個文丘里效應。當水從下面的入口流到上面的出口時，在這兩個管的中間加細，根據(jù)文丘里效應可以得知流體突然流經橫截面積小的管時，在周圍會產生一個“真空區(qū)”，從而使得有一個負壓作用于支管，產生吸力，吸收支管中的流體，達到支管里的流體與入口中的流體充分結合。

裝置的核心部分就是運用一個有三個口的管，首先需要一個儲水箱，在水箱一定高度處加入一根水管，把這根管接到水泵的入水口。然后在儲水箱同等高度的地方接上入水管，但是在出水的口處，我們加入了一個類似花灑的裝置，這個裝置可以讓水在流入水箱時像花灑噴頭一樣把水散開，使得進入的水中帶著的空氣體積減小，從而增大水氣接觸面積。

在研發(fā)的過程中，主要遇到了幾個問題，由于沒有對文丘里管和水泵壓力功率等有一個科學的計算來選擇，所以導致功率不太大，最終儀器成型時不能達到很大的效率。另外還有一些別的問題在研發(fā)過程中選擇時由于條件限制，沒有解決，如儀器工作時會產生較大的噪音，對于文丘里管的流量不能控制得很好，還有關于電源的交直流電和做儀器時的材料選用等。

在用此儀器做實驗的過程中，儀器的安裝也十分難把握。由于必須保證有一個良好的氣密性，在連接管的時候必須要接好，各部件之間不能有小縫隙，否則在開機時由于內部壓力大，會使儀器管內的水從縫隙射出。另外管的選擇也是十分必要，在內部壓強十分大的時候，必須選用一根抗壓性能比較好的管，這里選用的是網紋管，但是在實驗的過程中，開機時水溫會不斷上升，導致網紋管受熱軟化最終不能承受過大壓力。

3 儀器說明

3.1 儀器名稱

富氧活性水制造儀。

3.2 儀器平面圖

儀器平面圖如圖1所示：

3.3 該儀器的啟動和運行狀態(tài)描述

給循環(huán)水箱裝水，水沒至進出水管，接上電源，開機。高壓溶氣水泵開始運作并發(fā)出嗡嗡的響聲。水從出水管流經水泵再泵回入循環(huán)水箱，在文丘里裝置（水射器）處發(fā)現(xiàn)，中間的管不斷有空氣被吸入，上方的小管已經可以看到水跟空氣相混合攪拌。在水箱中發(fā)現(xiàn)入水管處有水流流出并帶有大量小氣泡，并逐漸形成乳白色的液體。水面上有不少小液滴飛濺，停機后發(fā)現(xiàn)水箱的壁上黏附有類似于碳酸飲料的氣泡（或燒開水是壺內壁也見有），同時發(fā)現(xiàn)循環(huán)水箱溫度有逐步升溫的現(xiàn)象。

3.4 儀器特點

本儀器通過運用文丘里效應，從而使得空氣與水可以充分接觸，由于在途中沒有添加任何的化學試劑，所以運用該儀器加工水具有綠色環(huán)保的特點。

該儀器在循環(huán)泵的作用下，可以通過將水流不斷地流經文丘里管使得氣水交融，具有比普通水池加氧裝置更高效率的特點。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 主要實驗儀器設備

YSI incorporated 550A；pH計（pH校準液）；富氧活性水制造儀器；自來水樣，魚塘水，農夫山泉（2015.5.24產）。

4.2 實驗步驟

（1）自制一臺高壓泵動力，配套文丘里裝置的溶解氧氣水混合裝置；（2）在實驗室水龍頭接約20L水，在小區(qū)旁邊的魚塘接約20L水；（3）校準pH計；（4）測定該氣水混合裝置作用時間不同時的溶解氧濃度。在裝置里倒入大約25cm高的水，開機，先用pH計測定pH值，記錄讀數(shù)后，每隔5min，用YSI incorporated 550A測定水箱里的水的氧溶解度和溫度，用pH計測定溶液pH值，記錄數(shù)據(jù)，實驗30min，關機，關機后再每隔5min測定液體pH值，氧溶解度的變化，列出表格并畫折線圖；（5）通過列表跟上述圖標分析該裝置的溶解氧效應對比，得出相應規(guī)律；（6）檢索高溶解氧的應用文件，列出不同的使用效應。

4.3 實驗表格

5 實驗結論

結論：該裝置可以增加氧氣溶解度，同時也可以增加水的溫度，并且能在提升氧溶解度的同時，提高（改變）水的pH值。

猜測：氧氣溶解于水中時，會使水的pH值上升。

局限性：該裝置用的水泵，由于沒有運用定量的分析裝置的選定，從而導致了水泵可能沒有達到最高效率，從而使實驗中氧氣的溶解度的變化不夠明顯。

6 展望與思考

（1）從很臟的水中可以浮除污泥，通過查閱網上資料，許多污水處理工藝可以用于改善溶解氧的作用效果、改善微生物及生物的環(huán)境、浮除污染物質；（2）從裝置可以升溫的現(xiàn)象能得到富溶解氧溫水，可以在沒有加熱裝置的情況下得到更大的應用，在養(yǎng)生、溫泉產業(yè)可以有所應用；（3）從可以提升水體的pH值并形成氣水乳化液，也許是變成了更細小的水分子團及富氧活性的弱堿性水，由于人體的血液也是弱堿性的，也許對提升生活應用品質有幫助；（4）若能進一步改善裝置的匹配參數(shù)功能，也許能得到更好乳化效果的目的，從而增加更多的氧氣，效率達到最大化。

參考文獻

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[4] 戴恒鑫.河蟹池塘生態(tài)養(yǎng)殖水質凈化及溶解氧變化規(guī)律的研究[D].上海海洋大學，2012.

作者簡介：樊澤弘（1999-），男，廣東佛山人，廣東廣雅中學高中學生，研究方向：生態(tài)養(yǎng)殖節(jié)能環(huán)保。

（責任編輯：黃銀芳）