一种利用文丘里效应的富氧活性水制造仪

摘要：一种利用文丘里效应，在压力循环泵作用下负压吸气的增加溶解氧的仪器，使得水可以达到饱和溶解氧的效果，并形成过饱和态溶解氧的气水乳化液，水的pH值有上升变化的现象，从弱酸性水到弱碱性小分子活性水，而停止仪器运作后，弱碱性仍能够保持一段时间，之后恢复到原来的pH值状态。该仪器可以自净修复并提升水质。

关键词：文丘里效应；氧溶解度；pH值；富氧活性水制造仪；压力循环泵 文献标识码：A

中图分类号：TH753 文章编号：1009-2374（2016）28-0010-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.006

1 项目背景

1.1 现实意义

氧气占空气的21%，无疑在地球上有着重要的地位。初中生物课就学过几乎所有的生物都需要呼吸且必须要利用氧气才能存活。在现实生活中，受污染的小河和鱼塘数不胜数，死去的鱼尸堆积如山，这些鱼致死的原因，除了因为水中各项营养物质指标有所下降、别的重金属离子或是有毒垃圾指标上升了以外，氧浓度的减少导致鱼类无法正常呼吸也是鱼类死亡的重要因素之一。

自来水和自然水体的氧气溶解度通常只有6～7mg·L-1，而一些环境较差的鱼塘水的氧气溶解度甚至还不到3mg·L-1，可是鱼类生活的环境中氧气至少需要4mg·L-1，而且氧气的浓度对于生物的新陈代谢也具有促进效果。如此看来，增加水中的氧气溶解度不仅可以让养殖业鱼塘养殖有更高的质量，而且对人们的养生健康方面有着一定的必要性。

1.2 理论依据

流速越快的地方压强越小。例如风吹过一个阻挡物的时候，假设阻挡物上方是流线型的，那么上方的气流速度会比下方的气流速度快，从而上方的气流对阻挡物产生的压力不及下方的气流，那么气流中间就会出现一个真空区，在这个真空区放入小物件，可以将小物件吸附。通过上网查阅资料后发现，这种现象的原理实际上是文丘里效应。

文丘里效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速或流量增大的现象，其流量与过流断面成反比。而由伯努力定律知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。

查阅有关的信息可以发现100kPa常温下水中氧的溶解度是6～8mg/L，而如果我们通过加压来增加氧气，根据亨利定律，通过计算可知每增加1mg/L的溶解度，压力就要相对应增加14kPa的压强，而通过加压来增加如此大的压强，对于能耗与实际上来说并不适用，我们排除了这一种方法。另外一种方法，通过搅拌从而加大氧气溶解度，这种方法因为在渔业生产等方面一直都有应用，比较实际，而且相比于加压而言，单纯地通过搅拌水气使其充分混合乳化是一种物理方法，这一过程耗能较少，可以尝试借鉴这一种搅拌加氧的方法。但是我们知道，在鱼塘如此大面积的水域，只通过几台机器来加氧，而且只是单纯地通过搅拌，很明显是不够的，这里就有必要通过改良这一个装置，使其高效化，并且增大其用途不仅仅是用于渔业生产，更多的是作为一台可以增加氧气溶解水中量的机器。

通过查阅文丘里效应资料，找到一种常用配件，叫水射器，它完全是按文丘里管的原理设计生产的，它可以通过限流再扩流的方式来产生一个侧端的负压，可以使得在这个负压管道产生吸力，应用它来添加所需的流体，并且能在扩容阶段进行充分搅拌，即应用它改良所需装置。

2 仪器研究过程

研究思路：鱼塘人类饮用水氧气溶解度不足引发问题，制造一台可以增加水中溶解氧的机器，通过查阅资料发现可以运用初中学过的文丘里效应来让水与气充分混合，查阅资料后发现有一种叫水射器的装置是用文丘里效应制得的，把水射器加到仪器上面，再把仪器各部分组装好，开机做实验，检测仪器工作效率。

研究这一台仪器的核心理论在前面已经有提及，主要是利用了流速快的水体压强小这一个文丘里效应。当水从下面的入口流到上面的出口时，在这两个管的中间加细，根据文丘里效应可以得知流体突然流经横截面积小的管时，在周围会产生一个“真空区”，从而使得有一个负压作用于支管，产生吸力，吸收支管中的流体，达到支管里的流体与入口中的流体充分结合。

装置的核心部分就是运用一个有三个口的管，首先需要一个储水箱，在水箱一定高度处加入一根水管，把这根管接到水泵的入水口。然后在储水箱同等高度的地方接上入水管，但是在出水的口处，我们加入了一个类似花洒的装置，这个装置可以让水在流入水箱时像花洒喷头一样把水散开，使得进入的水中带着的空气体积减小，从而增大水气接触面积。

在研发的过程中，主要遇到了几个问题，由于没有对文丘里管和水泵压力功率等有一个科学的计算来选择，所以导致功率不太大，最终仪器成型时不能达到很大的效率。另外还有一些别的问题在研发过程中选择时由于条件限制，没有解决，如仪器工作时会产生较大的噪音，对于文丘里管的流量不能控制得很好，还有关于电源的交直流电和做仪器时的材料选用等。

在用此仪器做实验的过程中，仪器的安装也十分难把握。由于必须保证有一个良好的气密性，在连接管的时候必须要接好，各部件之间不能有小缝隙，否则在开机时由于内部压力大，会使仪器管内的水从缝隙射出。另外管的选择也是十分必要，在内部压强十分大的时候，必须选用一根抗压性能比较好的管，这里选用的是网纹管，但是在实验的过程中，开机时水温会不断上升，导致网纹管受热软化最终不能承受过大压力。

3 仪器说明

3.1 仪器名称

富氧活性水制造仪。

3.2 仪器平面图

仪器平面图如图1所示：

3.3 該仪器的启动和运行状态描述

给循环水箱装水，水没至进出水管，接上电源，开机。高压溶气水泵开始运作并发出嗡嗡的响声。水从出水管流经水泵再泵回入循环水箱，在文丘里装置（水射器）处发现，中间的管不断有空气被吸入，上方的小管已经可以看到水跟空气相混合搅拌。在水箱中发现入水管处有水流流出并带有大量小气泡，并逐渐形成乳白色的液体。水面上有不少小液滴飞溅，停机后发现水箱的壁上黏附有类似于碳酸饮料的气泡（或烧开水是壶内壁也见有），同时发现循环水箱温度有逐步升温的现象。

3.4 仪器特点

本仪器通过运用文丘里效应，从而使得空气与水可以充分接触，由于在途中没有添加任何的化学试剂，所以运用该仪器加工水具有绿色环保的特点。

该仪器在循环泵的作用下，可以通过将水流不断地流经文丘里管使得气水交融，具有比普通水池加氧装置更高效率的特点。

4 实验数据及分析

4.1 主要实验仪器设备

YSI incorporated 550A；pH计（pH校准液）；富氧活性水制造仪器；自来水样，鱼塘水，农夫山泉（2015.5.24产）。

4.2 实验步骤

（1）自制一台高压泵动力，配套文丘里装置的溶解氧气水混合装置；（2）在实验室水龙头接约20L水，在小区旁边的鱼塘接约20L水；（3）校准pH计；（4）测定該气水混合装置作用时间不同时的溶解氧浓度。在装置里倒入大约25cm高的水，开机，先用pH计测定pH值，记录读数后，每隔5min，用YSI incorporated 550A测定水箱里的水的氧溶解度和温度，用pH计测定溶液pH值，记录数据，实验30min，关机，关机后再每隔5min测定液体pH值，氧溶解度的变化，列出表格并画折线图；（5）通过列表跟上述图标分析该装置的溶解氧效应对比，得出相应规律；（6）检索高溶解氧的应用文件，列出不同的使用效应。

4.3 实验表格

5 实验结论

结论：该装置可以增加氧气溶解度，同时也可以增加水的温度，并且能在提升氧溶解度的同时，提高（改变）水的pH值。

猜测：氧气溶解于水中时，会使水的pH值上升。

局限性：该装置用的水泵，由于没有运用定量的分析装置的选定，从而导致了水泵可能没有达到最高效率，从而使实验中氧气的溶解度的变化不够明显。

6 展望与思考

（1）从很脏的水中可以浮除污泥，通过查阅网上资料，许多污水处理工艺可以用于改善溶解氧的作用效果、改善微生物及生物的环境、浮除污染物质；（2）从装置可以升温的现象能得到富溶解氧温水，可以在没有加热装置的情况下得到更大的应用，在养生、温泉产业可以有所应用；（3）从可以提升水体的pH值并形成气水乳化液，也许是变成了更细小的水分子团及富氧活性的弱碱性水，由于人体的血液也是弱碱性的，也许对提升生活应用品质有帮助；（4）若能进一步改善装置的匹配参数功能，也许能得到更好乳化效果的目的，从而增加更多的氧气，效率达到最大化。

参考文献

[1] 黄菊花.影响水中溶解氧测定的几个重要因素[J].资源节约与环保，2014，（4）.

[2] 崔峰.池塘水中溶解氧变化规律的分析[J].安徽农业技术师范学院学报，1999，13（3）.

[3] 臧淑梅.水中溶解氧的变化规律及其影响[J].黑龙江水产，2012，（1）.

[4] 戴恒鑫.河蟹池塘生态养殖水质净化及溶解氧变化规律的研究[D].上海海洋大学，2012.

作者简介：樊泽弘（1999-），男，广东佛山人，广东广雅中学高中学生，研究方向：生态养殖节能环保。

（责任编辑：黄银芳）