一种多功能液体植物灯的研究与设计

刘增辉，葛雪，许婷婷，陈希志，霍鲁锋，王志坤

（德州学院机电工程学院，山东德州253023）

一种多功能液体植物灯的研究与设计

刘增辉，葛雪，许婷婷，陈希志，霍鲁锋，*王志坤

（德州学院机电工程学院，山东德州253023）

粗放型农业会导致耕地资源减少、土壤品质退化、农作物产量降低。为了改善现状，许多高科技植物工厂涌现，提高农业生产效率的同时保护了环境，在这种生产模式之下，增强植物的光照条件是提高产量的重要途径。利用碳纳米颗粒水溶液在紫光激发下可以发出特定波长蓝光的原理，结合软管、LED紫光灯、太阳能电池、移动电源、支架和盆等器件组装成简易植物灯装置，完全可以应用于农田驱虫与促进植物生长，以提高农作物产量和保护环境。

碳纳米颗粒；驱虫；农作物产量；保护环境

中国作为一个农业大国，农业是支撑国民经济建设与发展的重要基础，但在发展过程中存在着许多问题，如耕地面积减少、土壤质量退化、农作物产量降低等。粗放型农业生产方式又存在着过度消耗能源、化肥和农药的问题，不但导致食品安全问题越来越严重，而且导致环境越来越恶化。

1 产品介绍

1.1 产品整体结构

多功能液体植物灯见图1。

用扁平状盆盛满高浓度盐溶液，将LED紫光灯穿入透明软管中，再注满碳纳米颗粒水溶液。同时，在顶端处固定1个太阳能电池和1个移动电源，用绝缘电线将电池与LED紫光灯连接实现供电。

1.2 工作原理

（1）太阳能电池在白天利用光电材料吸收光能后，发生光电转换反应，产生装置工作所需电能[1]，并将电能储存在移动电源的锂电池内，用于为紫光灯供电，而且还可为移动通话设备供电。

图1 多功能液体植物灯

（2）紫光灯发出的紫外光可有效激发碳纳米颗粒，碳纳米颗粒由于其特殊的光学性质，在受到紫外光激发时发出明亮的蓝光，蓝光则应用于灭虫，可促进大棚农作物生长。

（3）绝大多数昆虫显示了对蓝光较强的趋性，如多种蚊类昆虫、烟粉虱、白背飞虱、西花蓟马、米象等农作物害虫。因此，可将碳纳米颗粒的发光波长调节至430～470 nm，使其在受到激发时发射此波长范围内的蓝光，起到有效吸引昆虫的作用。

（4）波长主要集中在450～470 nm的蓝光有助于植物长茎生叶，同时对植物的分化与气孔的调节十分重要，还对光合作用的效果有较大影响。因此，若将其装置放于蔬菜大棚内，既可诱捕害虫，还可促进农作物生长。

1.3 制作过程与方法

1.3.1 制备碳纳米颗粒水溶液

以废纸等废旧物品作为原料，采用简单的水热法工艺，制备碳纳米颗粒，具体制备过程如下：将废纸剪碎，用纯净水洗涤；将2 g剪碎洗涤后的废纸原料加上100 mL水，置于反应釜内，在200℃的高温条件下保温4 h；将制得水溶液中的沉淀物舍弃，将上层清液用纯水在截留分子量为1 000 Da的纤维素酯透析薄膜透析24 h，用以除去小分子，最终可得到碳纳米颗粒的发光水溶液[2]。

1.3.2 产品组装

产品的组装设计是利用透明软管装入碳纳米颗粒水溶液，然后将LED紫光灯浸入该碳纳米颗粒水溶液中[3]，之后封住软管端口留出LED紫光灯的正负接线端，连接在利用太阳能电池板产生电能的锂电池上。太阳能电池板则固定在支架最顶层，以便白天进行充电。最后，将整个碳纳米颗粒蓝光光源器件放入装有高浓度盐水的昆虫捕获盆中，用以吸引并捕获昆虫。

2 可行性分析

碳纳米颗粒目前受到广泛关注，具有光致发光性能和优良的水溶性、光稳定性、低毒性[3]，并且可以使用多种常见的原材料通过许多简单的方法制备，比如燃烧、微波加热有机物质、水热法等，大多数天然的废弃材料也可以加以利用，如废纸、秸秆等。碳纳米颗粒制备工艺十分简单，废纸是一种良好的碳源，加上易于获得、低成本的化学试剂，高温高压反应一段时间后，经过透析，即可得到绿色无害的、经紫外线照射后可发出蓝光的碳纳米颗粒水溶液。绝大多数昆虫对波长范围在430～470 nm蓝光有较强的趋性，因此将碳纳米颗粒蓝光光源放置在装有高浓度盐水的昆虫捕获盆中，吸引上述原理中提及的农作物害虫，使其被蓝光吸引后掉落在盐水中，从而被捕获。尤其是在夏季各种虫害加剧的季节，绿色无害碳纳米颗粒昆虫诱捕光源在农作物害虫捕获上能够取得更加显著的效果。

3 结论

通过调整软管中LED紫光灯的位置使得溶液所发出的蓝光可以照射到植物茎部和叶片，代替普通大棚植物灯的悬挂照射方式，同时可以吸引在植株间飞行的害虫。对于叶片较小的作物，可以通过调整植物灯的规格同时增加植物灯的数量来提高空间利用率，达到促进生长同时捕获蚊虫的效果，这样省去了在大棚内大规模铺设电线的时间和成本。

[1]朱志华.晶体二极管在太阳能利用方面的研究与应用[J].科技信息，2009（18）：347-348.

[2]刘金华.功能化碳纳米颗粒的制备、性质及其分析应用研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[3]龙鹏.荧光碳纳米颗粒的制备及其功能化[D].长沙：湖南科技大学，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

刘增辉（1996—），男，在读本科，研究方向为机械制造及其自动化。

*通讯作者：王志坤（1979—），男，硕士，讲师，研究方向为机械制造及其自动化。