一種多功能液體植物燈的研究與設(shè)計

劉增輝，葛雪，許婷婷，陳希志，霍魯鋒，王志坤

（德州學(xué)院機電工程學(xué)院，山東德州253023）

一種多功能液體植物燈的研究與設(shè)計

劉增輝，葛雪，許婷婷，陳希志，霍魯鋒，*王志坤

（德州學(xué)院機電工程學(xué)院，山東德州253023）

粗放型農(nóng)業(yè)會導(dǎo)致耕地資源減少、土壤品質(zhì)退化、農(nóng)作物產(chǎn)量降低。為了改善現(xiàn)狀，許多高科技植物工廠涌現(xiàn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時保護了環(huán)境，在這種生產(chǎn)模式之下，增強植物的光照條件是提高產(chǎn)量的重要途徑。利用碳納米顆粒水溶液在紫光激發(fā)下可以發(fā)出特定波長藍光的原理，結(jié)合軟管、LED紫光燈、太陽能電池、移動電源、支架和盆等器件組裝成簡易植物燈裝置，完全可以應(yīng)用于農(nóng)田驅(qū)蟲與促進植物生長，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和保護環(huán)境。

碳納米顆粒；驅(qū)蟲；農(nóng)作物產(chǎn)量；保護環(huán)境

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是支撐國民經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，但在發(fā)展過程中存在著許多問題，如耕地面積減少、土壤質(zhì)量退化、農(nóng)作物產(chǎn)量降低等。粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式又存在著過度消耗能源、化肥和農(nóng)藥的問題，不但導(dǎo)致食品安全問題越來越嚴(yán)重，而且導(dǎo)致環(huán)境越來越惡化。

1 產(chǎn)品介紹

1.1 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)

多功能液體植物燈見圖1。

用扁平狀盆盛滿高濃度鹽溶液，將LED紫光燈穿入透明軟管中，再注滿碳納米顆粒水溶液。同時，在頂端處固定1個太陽能電池和1個移動電源，用絕緣電線將電池與LED紫光燈連接實現(xiàn)供電。

1.2 工作原理

（1）太陽能電池在白天利用光電材料吸收光能后，發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)，產(chǎn)生裝置工作所需電能[1]，并將電能儲存在移動電源的鋰電池內(nèi)，用于為紫光燈供電，而且還可為移動通話設(shè)備供電。

圖1 多功能液體植物燈

（2）紫光燈發(fā)出的紫外光可有效激發(fā)碳納米顆粒，碳納米顆粒由于其特殊的光學(xué)性質(zhì)，在受到紫外光激發(fā)時發(fā)出明亮的藍光，藍光則應(yīng)用于滅蟲，可促進大棚農(nóng)作物生長。

（3）絕大多數(shù)昆蟲顯示了對藍光較強的趨性，如多種蚊類昆蟲、煙粉虱、白背飛虱、西花薊馬、米象等農(nóng)作物害蟲。因此，可將碳納米顆粒的發(fā)光波長調(diào)節(jié)至430～470 nm，使其在受到激發(fā)時發(fā)射此波長范圍內(nèi)的藍光，起到有效吸引昆蟲的作用。

（4）波長主要集中在450～470 nm的藍光有助于植物長莖生葉，同時對植物的分化與氣孔的調(diào)節(jié)十分重要，還對光合作用的效果有較大影響。因此，若將其裝置放于蔬菜大棚內(nèi)，既可誘捕害蟲，還可促進農(nóng)作物生長。

1.3 制作過程與方法

1.3.1 制備碳納米顆粒水溶液

以廢紙等廢舊物品作為原料，采用簡單的水熱法工藝，制備碳納米顆粒，具體制備過程如下：將廢紙剪碎，用純凈水洗滌；將2 g剪碎洗滌后的廢紙原料加上100 mL水，置于反應(yīng)釜內(nèi)，在200℃的高溫條件下保溫4 h；將制得水溶液中的沉淀物舍棄，將上層清液用純水在截留分子量為1 000 Da的纖維素酯透析薄膜透析24 h，用以除去小分子，最終可得到碳納米顆粒的發(fā)光水溶液[2]。

1.3.2 產(chǎn)品組裝

產(chǎn)品的組裝設(shè)計是利用透明軟管裝入碳納米顆粒水溶液，然后將LED紫光燈浸入該碳納米顆粒水溶液中[3]，之后封住軟管端口留出LED紫光燈的正負接線端，連接在利用太陽能電池板產(chǎn)生電能的鋰電池上。太陽能電池板則固定在支架最頂層，以便白天進行充電。最后，將整個碳納米顆粒藍光光源器件放入裝有高濃度鹽水的昆蟲捕獲盆中，用以吸引并捕獲昆蟲。

2 可行性分析

碳納米顆粒目前受到廣泛關(guān)注，具有光致發(fā)光性能和優(yōu)良的水溶性、光穩(wěn)定性、低毒性[3]，并且可以使用多種常見的原材料通過許多簡單的方法制備，比如燃燒、微波加熱有機物質(zhì)、水熱法等，大多數(shù)天然的廢棄材料也可以加以利用，如廢紙、秸稈等。碳納米顆粒制備工藝十分簡單，廢紙是一種良好的碳源，加上易于獲得、低成本的化學(xué)試劑，高溫高壓反應(yīng)一段時間后，經(jīng)過透析，即可得到綠色無害的、經(jīng)紫外線照射后可發(fā)出藍光的碳納米顆粒水溶液。絕大多數(shù)昆蟲對波長范圍在430～470 nm藍光有較強的趨性，因此將碳納米顆粒藍光光源放置在裝有高濃度鹽水的昆蟲捕獲盆中，吸引上述原理中提及的農(nóng)作物害蟲，使其被藍光吸引后掉落在鹽水中，從而被捕獲。尤其是在夏季各種蟲害加劇的季節(jié)，綠色無害碳納米顆粒昆蟲誘捕光源在農(nóng)作物害蟲捕獲上能夠取得更加顯著的效果。

3 結(jié)論

通過調(diào)整軟管中LED紫光燈的位置使得溶液所發(fā)出的藍光可以照射到植物莖部和葉片，代替普通大棚植物燈的懸掛照射方式，同時可以吸引在植株間飛行的害蟲。對于葉片較小的作物，可以通過調(diào)整植物燈的規(guī)格同時增加植物燈的數(shù)量來提高空間利用率，達到促進生長同時捕獲蚊蟲的效果，這樣省去了在大棚內(nèi)大規(guī)模鋪設(shè)電線的時間和成本。

[1]朱志華.晶體二極管在太陽能利用方面的研究與應(yīng)用[J].科技信息，2009（18）：347-348.

[2]劉金華.功能化碳納米顆粒的制備、性質(zhì)及其分析應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[3]龍鵬.熒光碳納米顆粒的制備及其功能化[D].長沙：湖南科技大學(xué)，2014.◇

Research and Design of a Multifunctional Liquid Vegetable Lamp

LIU Zenghui，GE Xue，XU Tingting，CHEN Xizhi，HUO Lufeng，*WANG Zhikun
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Dezhou University，Dezhou，Shandong 253023，China）

Extensive agriculture will lead to decrease of cultivated land resources and degradation of quality，and decrease crop yield.In order to improve the current situation，many high-tech plants emerge，to improve the efficiency of agricultural production and protect the environment，under this mode of production，enhance the plant lighting conditions is an important way to improve the yield.The use of aqueous solution of carbon nanoparticles in violet excitation can emit blue light with a specific wavelength principle，LED hose，violet lamp，solar battery，mobile power supply，bracket and basin device assembled into a simple plant lamp device，can be applied to the growth and promotion of farmland insecticide plant，in order to improve the yield of crops and protect the environment.

carbon nanoparticles；insect removal；crop yield；environmental protection

F21

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.08.039

1671-9646（2017）08b-0028-02

2017-05-16

劉增輝（1996—），男，在讀本科，研究方向為機械制造及其自動化。

*通訊作者：王志坤（1979—），男，碩士，講師，研究方向為機械制造及其自動化。