一種利用文丘里效應(yīng)的富氧活性水制造儀

摘要：一種利用文丘里效應(yīng)，在壓力循環(huán)泵作用下負(fù)壓吸氣的增加溶解氧的儀器，使得水可以達(dá)到飽和溶解氧的效果，并形成過(guò)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(yùn)作后，弱堿性仍能夠保持一段時(shí)間，之后恢復(fù)到原來(lái)的pH值狀態(tài)。該儀器可以自凈修復(fù)并提升水質(zhì)。

關(guān)鍵詞：文丘里效應(yīng)；氧溶解度；pH值；富氧活性水制造儀；壓力循環(huán)泵 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 項(xiàng)目背景

1.1 現(xiàn)實(shí)意義

氧氣占空氣的21%，無(wú)疑在地球上有著重要的地位。初中生物課就學(xué)過(guò)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(shí)生活中，受污染的小河和魚(yú)塘數(shù)不勝數(shù)，死去的魚(yú)尸堆積如山，這些魚(yú)致死的原因，除了因?yàn)樗懈黜?xiàng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)有所下降、別的重金屬離子或是有毒垃圾指標(biāo)上升了以外，氧濃度的減少導(dǎo)致魚(yú)類無(wú)法正常呼吸也是魚(yú)類死亡的重要因素之一。

自來(lái)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(yú)塘水的氧氣溶解度甚至還不到3mg·L-1，可是魚(yú)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(duì)于生物的新陳代謝也具有促進(jìn)效果。如此看來(lái)，增加水中的氧氣溶解度不僅可以讓養(yǎng)殖業(yè)魚(yú)塘養(yǎng)殖有更高的質(zhì)量，而且對(duì)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(qiáng)越小。例如風(fēng)吹過(guò)一個(gè)阻擋物的時(shí)候，假設(shè)阻擋物上方是流線型的，那么上方的氣流速度會(huì)比下方的氣流速度快，從而上方的氣流對(duì)阻擋物產(chǎn)生的壓力不及下方的氣流，那么氣流中間就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)真空區(qū)，在這個(gè)真空區(qū)放入小物件，可以將小物件吸附。通過(guò)上網(wǎng)查閱資料后發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的原理實(shí)際上是文丘里效應(yīng)。

文丘里效應(yīng)表現(xiàn)在受限流動(dòng)在通過(guò)縮小的過(guò)流斷面時(shí)，流體出現(xiàn)流速或流量增大的現(xiàn)象，其流量與過(guò)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(jiàn)的文丘里現(xiàn)象。

查閱有關(guān)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(guò)加壓來(lái)增加氧氣，根據(jù)亨利定律，通過(guò)計(jì)算可知每增加1mg/L的溶解度，壓力就要相對(duì)應(yīng)增加14kPa的壓強(qiáng)，而通過(guò)加壓來(lái)增加如此大的壓強(qiáng)，對(duì)于能耗與實(shí)際上來(lái)說(shuō)并不適用，我們排除了這一種方法。另外一種方法，通過(guò)攪拌從而加大氧氣溶解度，這種方法因?yàn)樵跐O業(yè)生產(chǎn)等方面一直都有應(yīng)用，比較實(shí)際，而且相比于加壓而言，單純地通過(guò)攪拌水氣使其充分混合乳化是一種物理方法，這一過(guò)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(yú)塘如此大面積的水域，只通過(guò)幾臺(tái)機(jī)器來(lái)加氧，而且只是單純地通過(guò)攪拌，很明顯是不夠的，這里就有必要通過(guò)改良這一個(gè)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(chǎn)，更多的是作為一臺(tái)可以增加氧氣溶解水中量的機(jī)器。

通過(guò)查閱文丘里效應(yīng)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(shè)計(jì)生產(chǎn)的，它可以通過(guò)限流再擴(kuò)流的方式來(lái)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)端的負(fù)壓，可以使得在這個(gè)負(fù)壓管道產(chǎn)生吸力，應(yīng)用它來(lái)添加所需的流體，并且能在擴(kuò)容階段進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，即?yīng)用它改良所需裝置。

2 儀器研究過(guò)程

研究思路：魚(yú)塘人類飲用水氧氣溶解度不足引發(fā)問(wèn)題，制造一臺(tái)可以增加水中溶解氧的機(jī)器，通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)可以運(yùn)用初中學(xué)過(guò)的文丘里效應(yīng)來(lái)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(yīng)制得的，把水射器加到儀器上面，再把儀器各部分組裝好，開(kāi)機(jī)做實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)儀器工作效率。

研究這一臺(tái)儀器的核心理論在前面已經(jīng)有提及，主要是利用了流速快的水體壓強(qiáng)小這一個(gè)文丘里效應(yīng)。當(dāng)水從下面的入口流到上面的出口時(shí)，在這兩個(gè)管的中間加細(xì)，根據(jù)文丘里效應(yīng)可以得知流體突然流經(jīng)橫截面積小的管時(shí)，在周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“真空區(qū)”，從而使得有一個(gè)負(fù)壓作用于支管，產(chǎn)生吸力，吸收支管中的流體，達(dá)到支管里的流體與入口中的流體充分結(jié)合。

裝置的核心部分就是運(yùn)用一個(gè)有三個(gè)口的管，首先需要一個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)類似花灑的裝置，這個(gè)裝置可以讓水在流入水箱時(shí)像花灑噴頭一樣把水散開(kāi)，使得進(jìn)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(guò)程中，主要遇到了幾個(gè)問(wèn)題，由于沒(méi)有對(duì)文丘里管和水泵壓力功率等有一個(gè)科學(xué)的計(jì)算來(lái)選擇，所以導(dǎo)致功率不太大，最終儀器成型時(shí)不能達(dá)到很大的效率。另外還有一些別的問(wèn)題在研發(fā)過(guò)程中選擇時(shí)由于條件限制，沒(méi)有解決，如儀器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，對(duì)于文丘里管的流量不能控制得很好，還有關(guān)于電源的交直流電和做儀器時(shí)的材料選用等。

在用此儀器做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，儀器的安裝也十分難把握。由于必須保證有一個(gè)良好的氣密性，在連接管的時(shí)候必須要接好，各部件之間不能有小縫隙，否則在開(kāi)機(jī)時(shí)由于內(nèi)部壓力大，會(huì)使儀器管內(nèi)的水從縫隙射出。另外管的選擇也是十分必要，在內(nèi)部壓強(qiáng)十分大的時(shí)候，必須選用一根抗壓性能比較好的管，這里選用的是網(wǎng)紋管，但是在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，開(kāi)機(jī)時(shí)水溫會(huì)不斷上升，導(dǎo)致網(wǎng)紋管受熱軟化最終不能承受過(guò)大壓力。

3 儀器說(shuō)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(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)描述

給循環(huán)水箱裝水，水沒(méi)至進(jìn)出水管，接上電源，開(kāi)機(jī)。高壓溶氣水泵開(kāi)始運(yùn)作并發(fā)出嗡嗡的響聲。水從出水管流經(jīng)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(jīng)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(jī)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(kāi)水是壺內(nèi)壁也見(jiàn)有），同時(shí)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(diǎn)

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

該儀器在循環(huán)泵的作用下，可以通過(guò)將水流不斷地流經(jīng)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(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

YSI incorporated 550A；pH計(jì)（pH校準(zhǔn)液）；富氧活性水制造儀器；自來(lái)水樣，魚(yú)塘水，農(nóng)夫山泉（2015.5.24產(chǎn)）。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）自制一臺(tái)高壓泵動(dòng)力，配套文丘里裝置的溶解氧氣水混合裝置；（2）在實(shí)驗(yàn)室水龍頭接約20L水，在小區(qū)旁邊的魚(yú)塘接約20L水；（3）校準(zhǔn)pH計(jì)；（4）測(cè)定該氣水混合裝置作用時(shí)間不同時(shí)的溶解氧濃度。在裝置里倒入大約25cm高的水，開(kāi)機(jī)，先用pH計(jì)測(cè)定pH值，記錄讀數(shù)后，每隔5min，用YSI incorporated 550A測(cè)定水箱里的水的氧溶解度和溫度，用pH計(jì)測(cè)定溶液pH值，記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)30min，關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)后再每隔5min測(cè)定液體pH值，氧溶解度的變化，列出表格并畫(huà)折線圖；（5）通過(guò)列表跟上述圖標(biāo)分析該裝置的溶解氧效應(yīng)對(duì)比，得出相應(yīng)規(guī)律；（6）檢索高溶解氧的應(yīng)用文件，列出不同的使用效應(yīng)。

4.3 實(shí)驗(yàn)表格

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

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

猜測(cè)：氧氣溶解于水中時(shí)，會(huì)使水的pH值上升。

局限性：該裝置用的水泵，由于沒(méi)有運(yùn)用定量的分析裝置的選定，從而導(dǎo)致了水泵可能沒(méi)有達(dá)到最高效率，從而使實(shí)驗(yàn)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(guò)查閱網(wǎng)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(zhì)；（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(méi)有加熱裝置的情況下得到更大的應(yīng)用，在養(yǎng)生、溫泉產(chǎn)業(yè)可以有所應(yīng)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(xì)小的水分子團(tuán)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(duì)提升生活應(yīng)用品質(zhì)有幫助；（4）若能進(jìn)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(dá)到最大化。

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

（責(zé)任編輯：黃銀芳）