一种微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法

本发明涉及加氢滴灌领域，特别涉及一种微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法。背景技术：1、盐胁迫是主要的非生物胁迫之一，严重影响农作物的生长发育。植物中的na+浓度过高会造成叶绿素的破坏，使植物体内光合作用的速率急剧下降，限制了植株对养分的获取。此外，盐渍化的土壤渗透压较高，造成植物根系吸收水分受阻，致使其枯萎甚至死亡。为了在盐胁迫中维持植物正常生长和发育，需通过改变自身的生理状态来应对各种干扰胁迫。氢气可以提高植物对盐胁迫等非生物胁迫的抗性能力，降低植物体内的活性氧和脂质过氧化伤害，促进植物细胞内渗透调节物质的合成，缓解植物根系吸水压力，排除细胞内过量的na+，为植物在盐胁迫下的生长发育提供保障。此外，在加氢灌溉中，氢气还可提高植物对重金属胁迫、高温胁迫和高光胁迫的抗性能力，缓解百草枯诱导的氧化应激反应，提高果实品质和植物光合速率，从而提高作物产量。2、目前，在加氢灌溉中，氢气加入的主要方式是将电解水产生的氢气泵入到水中生成富氢水后进行灌溉，但传统方法制备富氢水存在制备时间长，氢气溶解度低、在水中停留时间短等缺点。因此，目前加氢灌溉多用于理论试验研究，无法投放到实际农业生产中应用。近些年，微纳米气泡技术为解决上述问题提供了方法。微纳米气泡由于气泡尺寸小、比表面积大，因此具有上浮速度慢，持续时间长，自身增压溶解，以及气体溶解效率高等特点，是加氢灌溉中良好的氢气载体。但由于此前制备微纳米气泡设备繁杂且价格较高等原因，其多用于污水处理、石油化工等工业领域，与农业生产技术配合较少，目前仍缺少成熟的加氢灌溉系统设计及具体的控制方法。3、因此，选取合适的微纳米气泡发生装置与滴灌系统相配合，并将装置结构与系统运行压力、流量和进气量等系统关键参数合理匹配，实现快速制备一定浓度富氢水的效果，是满足农业加氢灌溉需求的关键。将富氢水通过滴灌高效地输送至作物根部，达到缓解土壤盐胁迫，解决氢气有效输送量低等问题的目的，促进加氢滴灌在农业生产领域的应用。技术实现思路1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法，该系统中装置结构简单，成本较低，能快速产生大量的粒径较小的微纳米氢气泡，溶氢效率快，且满足边加氢边灌溉的需求，适合推广到农业加氢灌溉生产实践中。2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。3、一种微纳米气泡加氢滴灌系统，包括曝气单元、水箱和滴灌单元；所述曝气单元用于将输入的氢气生成微纳米气泡，所述曝气单元输出端位于水箱内，用于产生氢气泡水；所述滴灌单元用于将氢气泡水输送至作物根部。4、进一步，所述曝气单元包括第一水泵、文丘里加气三通和氢气发生器；所述第一水泵进口与水箱连通，所述第一水泵出口依次通过文丘里加气三通、第一流量计与微纳米气泡发生装置连通；所述微纳米气泡发生装置位于水箱内；所述文丘里加气三通的进气口与氢气发生器连通，所述氢气发生器用于产生氢气；所述第一水泵出口与水箱之间设有回水管路。5、进一步，所述回水管路上设有第二截流阀，用于控制曝气单元运行的压力和流量；所述氢气发生器与文丘里加气三通的进气口之间安装气体流量控制计和球阀，所述气体流量控制计用于控制并测量进入文丘里加气三通的进气口的氢气流量。6、进一步，所述滴灌单元包括第二水泵、过滤装置和滴灌带；所述第二水泵进口与水箱连通，所述第二水泵出口依次通过过滤装置、第四截流阀、第三压力表、第二流量计与滴灌带连通；所述滴灌带上设有若干滴头，所述滴头位于作物根部附近。7、进一步，所述微纳米气泡发生装置为缝隙式微纳米气泡发生器，通过缝隙形成的湍流腔破碎气泡；所述缝隙式微纳米气泡发生器包括主体和压板，所述主体一个表面上设有进口，所述主体至少一个表面上安装压板，所述压板与主体之间设有缝隙，通过缝隙形成的湍流腔产生微纳米气泡；所述主体内设有主流道，所述主流道与缝隙之间设有从流道，所述从流道直径d1与缝隙l1的比值范围为5～16。8、进一步，所述第一水泵为额定流量不小于1.6m3/h，额定扬程不小于50m的旋涡泵；为确保所述曝气单元能够在短时间内制备高浓度富氢水(>1mg/l)，所述曝气单元运行压力为0.3～0.6mpa，流量大于1.5m3/h。9、进一步，所述第二水泵为额定流量不小于1m3/h，额定扬程不小于20m的离心泵；为满足不同灌溉面积的温室用水需求，所述滴灌单元运行压力为0.1～0.3mpa，流量为1～6m3/h。10、进一步，为控制整套微纳米气泡加氢滴灌系统的设备成本，并保证所述曝气单元能实现预期溶氢效果，当所述氢气发生器产生氢气量为0.2～1.0l/min，在所述氢气发生器与气体流量控制计之间并联储氢罐，用于储存氢气并调节气体管路中的氢气量。11、进一步，当单个所述微气泡发生装置出口流量大于1.5m3/h时，所述第一流量计出口并联若干微纳米气泡发生装置。12、一种微纳米气泡加氢滴灌系统的控制方法，包括如下步骤：13、通过所述第一水泵在水箱中抽水并加压输送到文丘里加气三通中产生负压，将氢气发生器产生的氢气吸入文丘里加气三通中形成气液混合流；所述气液混合流加压流入缝隙式微纳米气泡发生器，形成微纳米气泡并释放到水箱；14、待水箱中氢气溶解量达到设定浓度后，通过滴灌单元进行灌溉，同时在水箱中注入与滴灌单元出流量相同的水流量。15、本发明的有益效果在于：16、1.本发明所述的微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法，曝气单元可循环曝气，综合考虑了系统短期快速加氢和长效性之间的协调性，解决了传统富氢水中氢气溶解度低，在水中停留时间短的问题。17、2.本发明所述的微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法，所述微纳米气泡发生装置，采用一正六面体结构、竖向进液和侧向四周出液的方式，简化了装置加工制造难度、装置结构精巧紧凑，除顶端外的五个面均可造出气泡，能够大幅提高气泡产生效率。18、3.本发明所述的微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法，通过控制曝气系统的压力、流量和运行时间，以及加气单元所需提供的氢气量，可制备高于1mg/l的高浓度富氢水。19、4.本发明所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，集成加氢曝气和滴灌系统于一体，并可满足氢气曝气与滴灌同时进行，缩短了灌溉时间，整套系统结构简单、便于操作，为氢气在农业生产的广泛应用提供了可能。技术特征：1.一种微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，包括曝气单元、水箱(19)和滴灌单元；所述曝气单元用于将输入的氢气生成微纳米气泡，所述曝气单元输出端位于水箱(19)内，用于产生氢气泡水；所述滴灌单元用于将氢气泡水输送至作物根部。2.根据权利要求1所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，所述曝气单元包括第一水泵(14)、文丘里加气三通(4)和氢气发生器(1)；所述第一水泵(14)进口与水箱(19)连通，所述第一水泵(14)出口依次通过文丘里加气三通(4)、第一流量计(8)与微纳米气泡发生装置(18)连通；所述微纳米气泡发生装置(18)位于水箱(19)内；所述文丘里加气三通(4)的进气口与氢气发生器(1)连通，所述氢气发生器(1)用于产生氢气；所述第一水泵(14)出口与水箱(19)之间设有回水管路。3.根据权利要求2所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，所述回水管路上设有第二截流阀(11)，用于控制曝气单元运行的压力和流量；所述氢气发生器(1)与文丘里加气三通(4)的进气口之间安装气体流量控制计(2)和球阀(3)，所述气体流量控制计(2)用于测量进入文丘里加气三通(4)的进气口的氢气流量。4.根据权利要求1所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，所述滴灌单元包括第二水泵(15)、过滤装置(20)和滴灌带(21)；所述第二水泵(15)进口与水箱(19)连通，所述第二水泵(15)出口依次通过过滤装置(20)、第四截流阀(13)、第三压力表(7)、第二流量计(9)与滴灌带(21)连通；所述滴灌带(21)上设有若干滴头，所述滴头位于作物根部附近。5.根据权利要求2所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，所述微纳米气泡发生装置(18)为缝隙式微纳米气泡发生器，通过缝隙形成的湍流腔破碎气泡；所述缝隙式微纳米气泡发生器包括主体(181)和压板(183)，所述主体(181)一个表面上设有进口，所述主体(181)至少一个表面上安装压板(183)，所述压板与主体(181)之间设有缝隙，通过缝隙形成的湍流腔产生微纳米气泡；所述主体(181)内设有主流道，所述主流道与缝隙之间设有从流道，所述从流道直径d1与缝隙l1的比值范围为5～16。6.根据权利要求2所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，所述第一水泵(14)为额定流量不小于1.6m3/h，额定扬程不小于50m的旋涡泵；所述曝气单元运行压力为0.3～0.6mpa，流量大于1.5m3/h。7.根据权利要求4所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，所述第二水泵(15)为额定流量不小于1m3/h，额定扬程不小于20m的离心泵；所述滴灌单元运行压力为0.1～0.3mpa，流量为1～6m3/h。8.根据权利要求3所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，当所述氢气发生器(1)产生氢气量为0.2～1.0l/min，在所述氢气发生器(1)与气体流量控制计(2)之间并联储氢罐，用于储存氢气并调节气体管路中的氢气量。9.根据权利要求2所述的微纳米气泡加氢滴灌系统，其特征在于，当单个所述微气泡发生装置(18)出口流量大于1m3/h时，所述第一流量计(8)出口并联若干微纳米气泡发生装置(18)。10.一种根据权利要求1-9任一项所述的微纳米气泡加氢滴灌系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：技术总结本发明提供了一种微纳米气泡加氢滴灌系统及控制方法，包括曝气单元、水箱和滴灌单元；所述曝气单元用于将输入的氢气生成微纳米气泡，所述曝气单元输出端位于水箱内，用于产生氢气泡水；所述滴灌单元用于将氢气泡水输送至作物根部。所述曝气单元包括第一水泵、文丘里加气三通和氢气发生器；所述第一水泵进口与水箱连通，所述第一水泵出口依次通过文丘里加气三通、第一流量计与微纳米气泡发生装置连通；所述微纳米气泡发生装置位于水箱内；所述文丘里加气三通的进气口与氢气发生器连通。本发明微纳米气泡加氢滴灌系统产生富氢水中含氢量高，溶氢效率快，系统结构简单、便于操作，能够满足滴灌与加氢同时进行，缩短加氢灌溉所需时间。技术研发人员：陈瑞,王夺,王剑,赵启航,刘正亮,娄涵晶,李雪纯受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12