打氣與溶氧關係

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中華民國第 53 屆中小學科學展覽會 作品說明書 高中組 物理科 040110 水中溶氧度的探討 學校名稱：國立苑裡高級中學 作者： 指導老師： 高二 莊栩然 高二 吳祐全 高二 邱韻庭 李宗儒 關鍵詞：白努力定律、流體力學 1 高壓溶氧機 摘要 我們利用影響水中溶氧量的主要原因有：溫度、壓力及液體的亂度。因而自製一台增加壓力 、減少水亂度的『高溶氧機』。 高溶氧機的製造方式，是利用抽水馬達在抽水的過程中，我們在馬達前方的水管上加裝了一支 氣體流量計，利用氣體流量計的進氣口吸入少量氣體經壓力瓶的加壓及減壓閥的釋壓使氣體擴散之 後，即可得直徑小於0.5 mm之細微氣泡，其氣泡相當細膩的在水中均勻擴散後使得水變成牛奶般 的雪白。而加裝氣體流量計的用意除此之外，還可調整進入的氣體量，以達到最高的溶氧效果。 此高溶氧機由於摒棄傳統以空壓機打入空氣之方法，不但減少設備的佔地面積，在管理及維護 上也相當的方便，且其所產生出來的微小氣泡更能均勻的分布在水中，也就因為它的氣泡非常的微 小且均勻，因此使得它在水中的停滯時間長達十多分鐘以上。 2 壹、研究動機 前年暑假，我回爺爺奶奶家。看到他們歷經千辛萬苦養的吳郭魚，卻一一以他的白肚子跟我打 招呼，一問之下才知道是因為氧氣不夠而失去了小命，爺爺只好又去添購了許多台「打水機」。我 就說：「如果爺爺養少一點魚，就不會缺氧了。」但是爺爺又說：「產量減少，收入就會跟著減少， 這也是沒辦法的事啊！」當時我就異想天開的說：「那你就把氧氣和水溶在一起就好了嘛！」 開學後，上生物課時，老師提到關於養殖漁塭的問題。下課時，我去問老師，有沒有可能把水 和氧氣溶在一起，老師說有可能，但是需要高壓以及低溫才有辦法。我仔細想了想，發現如果以高 壓把氧氣打進水裡，養殖量可以更多，成本也會比起一堆「打水機」所需的電費低，而且用「打水 機」的效果也不佳。於是找了幾個同學一起討論，我把我的問題提出來，發現有幾位同學也對這方 面的研究感興趣，我們組成了一個小組，並探討高溶氧機的製作，希望可以改善爺爺的問題，也幫 助各個社會中辛苦努力的人民。 貳、研究目的 一、探討低溫時水中空氣含量是否較高 二、自製一台可控制壓力大小的機器，調控其內部壓力來探討壓力與溶氣量的關係 三、將自製的調控壓力溶氧機與一般市售的打氣機比較它們的水中氣體含量高低和體停留時間 3 參、實驗器材與儀器 壓 力 桶 一 組 減 壓 閥 一 組 0.5P 馬 力 馬 達 一 組 碼 錶 一 個 1.5in 水 管 兩 條 壓 力 計 一 個 氣 體 流 量 器 一 個 鋸 子 一 個 硬 質 膠 合 劑 一 罐 刷 子 一 隻 直 角 彎 管 兩 隻 活 動 板 手 一 個 4 連 接 管 一 個 止 水 帶 一 個 水 桶 一 個 轉 接 頭 四 個 5 肆、研究過程 一、探討低溫時水中空氣含量與溫度間的關係 【實驗水的前處理】 先將 20 公升的水，放入鍋中以瓦斯爐煮沸約 2 分鐘，以驅趕其內部所含的氣體及漂 白水，以求實驗的精準度。 【實驗流程】 在水箱中注入煮沸的純水 2 公升，控制不同溫度，以幫浦打氣，並測量其溶氣量。 我們做了下列實驗： 1、測量不同溫度下水的溶氣量 (1)將實驗水分別冷卻至 80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃食皆各取 2 公升 裝於燒杯中。 (2)分別於各燒杯中以市售的打氣幫普通入氣體各一分鐘。 (3)取各燒杯的水測其內部溶氧量，並紀錄之。(如下表) (4)取實驗水 6 公升置入冰箱冷凍庫中 (5)等實驗水的溫度分別下降至 20℃、10℃、0℃時各取兩公升裝於燒杯中。 (6)分別於各燒杯中以市售的打氣幫普通入氣體各一分鐘。 (7)取各燒杯的水測其內部溶氧量(使用溶氧度計測量)，並紀錄之。(如下表) 溫 度 水中溶氧度的測量數值及水中氣泡停留情況的觀察 溶氧(（mg/L） 水中氣泡停留情形及時間 0℃ 12.621 氣泡很大顆，約一分鐘氣泡消失 10℃ 9.288 氣泡很大顆，約 24 秒氣泡消失 20℃ 7.092 氣泡很大顆，約 5 秒氣泡消失 30℃ 5.559 沒有氣泡 40℃ 4.412 沒有氣泡 50℃ 3.477 沒有氣泡 60℃ 2.392 沒有氣泡 70℃ 1.251 沒有氣泡 80℃ 0.512 沒有氣泡 6 二、自製一台可控制壓力大小的機器，調控其內部壓力來探討壓力與溶氣量的關係 【實驗水的前處理】 先將 100 公升的水，放入鍋中以瓦斯爐煮沸約 2 分鐘，以驅趕其內部所含的氣體及漂 白水，以求實驗的精準度。 [實驗前器具準備] 設計一壓力桶，寬 20 公分，高 36 公分，璧厚 0.3 公分的壓力瓶，如下圖一說明。 並請外面鐵工廠幫我們製作。 圖一 [實驗流程] (1) 將所準備的壓力瓶組裝如圖二 圖二 (2)取一水桶(120 公升裝)，於水桶內置入實驗水 100 公升。 (3)於壓力瓶水管接口處加裝一台 0.5 匹馬力的馬達，抽取水桶中的水。 (4)於馬達進水口處加裝一支氣體流量計，將空氣中氣體由此孔導入水管中。經馬達抽取 的水氣體混合液倒入壓力瓶的水管接口處。 (5)在壓力桶上裝上一個壓力計，測量桶內之壓力。 (6)在壓力桶出水處裝上一台減壓閥，利用減壓閥來調整壓力瓶中壓力。 (7)調整氣體流量計，將其固定在 7 (8)調整減壓閥控制壓力瓶內的壓力分別為 1、2、3、4、5、6atm，約兩分鐘後，各取由 壓力瓶中流出的樣本各兩公升，測其內部溶氧量(使用溶氧度計測量)， 並觀察水中氣泡情形。紀錄如下表。 氣體流量 壓力瓶內壓力 水中溶氧量 水中氣泡停留情況 10 L/min 1Atm 15.547 mg/L 水中有少許微小氣泡，2 分鐘後完全消失 10 L/min 2Atm 17.138 mg/L 水中有大量微小氣泡，5 分鐘後完全消失 10 L/min 3Atm 20.545 mg/L 水色變淡乳白色，6 分鐘後完全消失 10 L/min 4Atm 26.473 mg/L 水色變微乳白色，7.5 分鐘後完全消失 10 L/min 5Atm 38.542 mg/L 水色變牛奶般顏色，12 分鐘後完全消失 10 L/min 6Atm 34.447mg/L 水色變成乳白色，11.5 分鐘後完全消失 三、將自製的調控壓力溶氧機與一般市售的打氣機比較它們的水中氣體含量高低和氣體停留時間 [實驗前準備] 分別將自製的壓力溶氧機和市售養魚的打氣幫浦安裝好 [含氧量高低實驗] (1)各取實驗水作為實驗水種 (2)分別啟動高溶氧機(壓力調為 5Atm，氣體流量為 10 L/min)和打氣幫浦。 (3)啟動後 1 分鐘、2 分鐘、3 分鐘、4 分鐘、5 分鐘後分別收集高溶氧機減壓閥出口 及打氣幫浦瓶內各 2 公升水樣。 (4)將取得水樣測其溶氧量(使用溶氧度計測量)及水中氣泡散佈情形並紀錄之(如下表)。 時 間 高 溶 氧 機 打 氣 幫 浦 水中溶氧量 水中氣泡情形 水中溶氧量 水中氣泡情形 1 分鐘 38.995mg/L 水色乳白，12 分鐘消失 5.563 mg/L 大氣泡，瞬間消失 2 分鐘 39.214 mg/L 水色乳白，12 分鐘消失 5.732 mg/L 大氣泡，瞬間消失 3 分鐘 39.845 mg/L 水色乳白，13 分鐘消失 5.598 mg/L 大氣泡，瞬間消失 4 分鐘 40.121 mg/L 水色乳白，13 分鐘消失 5.781 mg/L 大氣泡，瞬間消失 5 分鐘 40.356 mg/L 水色乳白，13 分鐘消失 5.586 mg/L 大氣泡，瞬間消失 原來清澈的水 高溶氧機 3Atm 時的水 8 魚塭中水車的打氣方式 水車靜止時的構造方式 伍、數據整理與分析 1、在探討 1Atm 下水中空氣含量與溫度間的關係實驗中我們發現數據的關係曲線圖如下： 其實當我們在做這個實驗時，非常害怕會不真實，因為會影響水中溶氧度的因素太多了，所以 我們盡量利用短時間內(使其外在因素盡可能一樣)完成此實驗，且又害怕取水的位置不一樣時 ，測水中溶氧量也會有影響，所以我們再取水時儘可能在同一個位置取水樣。 2、在自製可控制壓力大小的高溶氧機實驗當中，我們發現了當時我們操作的溫度為室溫，但因為 壓力的改變，即將氣體及水的混合體控制在密閉內時，其水中溶氧度瞬間變化很大。以下是壓 力大小與水中溶氧度的關係圖形。 溫度與水中溶氧量的關係 0 2 4 6 8 10 12 14 0℃ 10℃ 20℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 溫度 溶氧量(mg/L) 數列1 自製高溶氧機壓力與水中溶氧曲線圖 0 10 20 30 40 50 1Atm 2Atm 3Atm 4Atm 5Atm 6Atm 壓力大小(Atm) 水中溶氧度(mg/L) 數列1 9 3、在自製可調控壓力高溶氧機與一般市售的打氣幫浦比較實驗中，我們發現：自製高溶氧機它的 水中溶氧度會隨著運轉時間的加長，而使得水中溶氧度會有些微的提升，但是市售的打氣幫浦 卻沒有這個現象，且當它們的操作條件都一樣時，彼此間的溶氧度差很多，其關係圖如下。 紅色數列 1 是市售打氣幫浦的曲線，藍色數列 2 為高溶氧機的曲線。 陸、討論 1、溫度對水質監測來說是非常重要的。因為由實驗中我們得知溫度的變化將影響水中溶氧量，如 此的話當水生植物行光合作用時或者水中微生物對於毒性廢棄物、寄生蟲、病害等的敏感性， 都需要水中溶氧度高一點才能完成。而熱污染，一般都是指工廠排放的高溫廢水所造成，不但 造成水體溫度的改變並將對水生系統的平衡造成威脅。 飽和溶氧值是水質的重要測量指標。一般說來，低溫的水比高溫的水有較高的溶氧量，舉例來 說：若水中溫度為 30℃時，水中所測得的溶氧值為 5.559mg/L；但是當水溫為 10℃時，所測得 的溶氧值約為 9.288mg/L。 2、其實很多人都認為打氣是可以增加”水中溶氧量”，這想法不僅普遍存在於一般民眾，連一些 老師都是這麼認為的。沒錯！在水的容氧量低於該水的飽和溶解度之前，打氣確實是可以增加 水中溶氧量，可是當水達到飽和溶氧量的時候，並不會因為打氣的關係而再繼續增加溶氧量。 經我們尋找了一些資料後我們得知影響水中溶氧量的重點有以下幾點，那就是：溫度、壓力及 液體的亂度，當水的溫度越低而氣壓越高的時候，氣體對水的溶解度則越能提升。而液體的亂 度越大溶解在液體中的氣體蒸散到空氣中的速度則越快因而降低水中溶氧量，也就是說當我們 打氣的時候，水中的溶氧會蒸散到空氣中因而使的水中溶氧量變小。 基於此，我們就設計了一台減少水的亂度(在密閉系統內)又可增加水中壓力的高溶氧機。在機 器上的設計，我們利用了一般市面上的減壓閥來控制壓力瓶內的壓力，為了讓水的亂度變小， 我們又利用了氣體流量計作為氣體進入的唯一入口。如此一來，氣體及水都在管內即在高壓平 內，當入水量增加，出水量減少時，壓力瓶內的水壓就會升高，再加上壓力瓶內是水與空氣的 均勻攪拌混合，其情況又與深海中有很大的壓力卻沒有增加水中溶氧度是不同的。 3、我們在實驗中看到的油高溶氧機出來的水，它是深乳白色的水。主要是因為在機器設計上我們 將氣體流入管內是在經過馬達之前就利用水流速來拖動氣體進入管內，此時氣體與水在經過馬 達的攪拌及高壓平內壓力的壓縮後，氣體分子就變為及小顆的氣泡(比可樂內的氣泡還小)，因 而提升了它在水中的滯留度，使得水中溶氧量比當時氣溫下飽和溶氧量還高出數倍，這是我們 當初設計此機器時所沒有想到的，如今意外發現更使我們組員興奮。 高溶氧機與一般幫浦的溶氧量比較 0 10 20 30 40 50 1分鐘 2分鐘 3分鐘 4分鐘 5分鐘 時間 水中溶氧量(mg/L) 數列1 數列2 10 柒、結論 高溶氧機的製造方式，係利用抽水馬達在抽水的過程中，我們在馬達前方的水管上加裝了一支 氣體流量計，利用氣體流量計的進氣口吸入少量氣體經加壓及減壓擴散之後，即可得直徑小於0.5 mm之細微氣泡，其氣泡相當細膩的在水中均勻擴散後使得水變成牛奶般的雪白。而加裝氣體流量 計的用意除此之外，還可調整進入的氣體量，以達到最高的溶氧效果。 此高溶氧機由於摒棄傳統以空壓機打入空氣之方法，不但減少設備的佔地面積，在管理及維護 上也相當的方便，且其所產生出來的微小氣泡更能均勻的分布在水中，也就因為它的氣泡非常的微 小且均勻，因此使得它在水中的停滯時間長達十多分鐘以上。 總而言之，高溶氧機的優點有： 一、省電省金錢：傳統打水車三分地需就用到四台打水車，而高溶氧機只要一台就搞定它。 二、水中溶氧大大提高：養殖池溶氧量增加一倍，與打水車相較溶氧量增加約 100%~200%。 三、節省能源：超級微小氣泡，在池底多停留 20min，可增長溶氧時間，節省大量電費。 四、安全可靠：以水的流速吸入空氣，所以壓力不會超過最大出水壓力，沒有爆裂的危險。 五、增加漁獲量：適合魚蝦養殖的底棲息性，避免害菌滋生、活化水資源、減少魚蝦得病率 、大大降低魚蝦之死亡率，因而提高漁民的漁獲量。 捌、參考資料及其他 一、圖解水處理技術，栗田工業株式會社，世茂，出版日期：2009-10-28 二、流體力學概論，蔡豐欽，新文京，出版日期：2006-12-31 三、物理(上)，王亞偉、楊雄生、邵醒凌/編著，五南，出版日期：2001-09-21 【評語】040110 自行建置儀器裝置來驗證水中溶氧度會隨氣壓升高而升高的 想法，並探索實際的應用價值。若能對其中的物理進行探索並據以 提升其應用的可行性，將會更好。



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中華民國 第 49 屆中小學科學展覽會 作品說明書 國中組 生活與應用科學科 第三名 030817 養殖新選~微泡泡水機 學校名稱：宜蘭縣立復興國民中學 作者： 指導老師： 國三 方雯儀 國三 李庭萱 國三 李侑承 國一 方琼儀 方琮民 吳欣怡 關鍵詞：微泡泡水機、白努利定律、溶氧量 養殖新選~微泡泡水機 摘要 水產養殖場以打水車攪動液面，目的為增加溶氧量，然而有下列缺失： 1 .打水車只在液面翻動，養殖池底部無法充分得到氧氣。 2 .空氣氣泡體積大，氧氣停留在水中的時間很短暫。 3 .打水車機械裝置易損壞，常常需要維修。 4 .水車要不停轉動才能維持高含氧，必須消耗大量電能。 為改善以上缺失，我們利用白努利原理，讓水流快速通過「微泡泡水機」中，在管內產 生負壓將空氣吸入，並經由漸擴的管子使空氣與水混合生成細微泡泡。而且水的流速越 快，「微泡泡水機」內的壓力越小，形成的氣泡就越細緻，除了溶氧量增大之外，氧氣存 留在養殖池水中的時間也越長，就越能節省電能。 2 3 養殖新選~微泡泡水機 壹、研究動機： 濱海公路旁，打水車持續轉動揚起水花，增添了一些鄉間景致。魚塭養殖場以「打水車」 攪動液面，目的就是為了增加溶氧量；經由討論，我們認為打水車存在著下列缺失： 1 .打水車只在液面翻動，養殖池底部無法充分得到氧氣。 2 .空氣氣泡體積大，氧氣停留在水中的時間很短暫。 3 .葉片經常損壞，常常需要維修。 4 .水車要不停轉動，必須消耗大量電能。 為了解決以上問題，於是，我們展開了製造微泡泡水之旅。期望能製造一個供氣裝置， 將空氣變成小分子溶入水中，除了可以增加溶氧量，又能讓空氣在水中停留的時間增長。 如此，水質因為高含氧而活化清澈，養殖成本也因為電費減少而大幅降低。 貳、研究目的： 一、利用壓克力製造「微泡泡水機」，製造高含氧裝置以取代打水車。 二、了解喉管截面積對喉部空氣流速、壓力與空氣吸入量的影響。 三、了解入水角度、出水角度對喉部空氣流速、壓力與空氣吸入量的影響。 四、了解水流流量對喉部水流流速、壓力差的影響。 五、了解微泡泡水機可產生微小體積的空氣，增加溶氧量。 六、了解微泡泡水機可增長溶氧時間，減少電能浪費。 參、研究設備及器材 抽水馬達(110V、1/2Hp)、水量控制閥、溶氧計、溫度計、水槽、水銀、點滴導管、尺。 各式規格的微泡泡水機(空氣入口孔徑 1mm) 喉部管徑 入水口角度 出水口角度 2mm 30° 30° 4mm 15°、30°、45° 15°、30°、45° 5mm 15°、30°、45° 15°、30°、45° 10mm 30° 30° 肆、實驗步驟： 一、現況調查 1 .以「打水車」攪動水面，氣泡體積大易消失，池底水流流動循環情形不佳，為增加溶氧 量必須不停的消耗電能。(養殖池大小：10m×10m×0.8m) 2 .使用「鼓風機」，雖然溶氧較多，但是大量的消耗電能，讓每個月的電費高達數十萬元， 除了增添養殖成本與風險，更形成能源的浪費。(養殖池大小：5m×2.5m×0.7m) 二、原理討論： 1 . 如圖一，依白努利方程式 2 ρρ gyVP =++ 常數 2 1 (圖一) (圖二) 2 2 21 2 2 1 1 2 1 2 1 ρρ ++=++ ρρ gyvPgyvP ……(1) 同一水平高度 2 1 2 21 2 2 1 2 1 −=− ρρ VVPP ……(2) 4 2 .將裝置改成圖二， 開口端空氣流速 0 V1 = ∴ 2 2 1 =Δ ρVP ….. (3) 空氣吸入口半徑 R 則空氣流量 )( …..(4) 2 == πRVAVQ 因此只要知道空氣吸入口面積並測量大氣與空氣入口的壓力差，即可算出空氣吸入速度 V 及空氣流量 Q。 3 .如圖三 (圖三) (圖四) 設水不可壓縮、無能量耗損，單位時間內入水量＝出水量 (Q3＝Q4) 由白努利連續方程式可得 = AVAV 4433 ∴ 4 3 4 3 )( V A A V = ……(5) 依能量守恆 3 4 2 3 2 4 2 1 2 1 mV −=− mghmghmV ∴ )(2 ….…(6) 43 2 3 2 4 −=− hhgVV 將(5)代入(6)得到 ( ) ( ) 2 34 43 4 /1 2 AA hhg V − − = …(7) ( ) ( ) 2 34 43 444 /1 2 AA hhg AAVQ − − == …..(8) 4 .如圖四，因壓力差很大，水急速上升且高度差變化太大，因此將導管下方改裝水銀，則： 6 5 )( V a A V = ( ) ( )2 2 5 2 aA hg aV − Δ− = ∗ ρ ρρ ……（9） ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − Δ− = ∗ 2 5 6 6 1 2 A A hg V ρ ρρ …..（10） ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − Δ− == ∗ 2 5 6 666 1 2 A A hg AAVQ ρ ρρ …(11) ∴不論式(8)或式(11)，若管徑大小固定 2Δ== hKVKQ 即 2 61 2 αα Δ hVQ 2 2 即固定喉部管徑，流量與速度成正比，流量平方與壓力差成正比 5 三、微泡泡水機設計與操作： 1 .設計與製作：產品設計包含入水口、出水口、喉部、以及空氣入口四部份，另外在出、 入水口製造螺紋以利組裝。 ▲設計圖(單位 mm) ▲完成圖 2.操作方法：將「微泡泡水機」裝設於抽水馬達(110V、1/2Hp)的出水口，開啟電源讓水流 在管徑內形成「高速低壓」的噴射水柱，若喉部壓力小於 1 大氣壓將產生負壓現象，讓 空氣由「微泡泡水機」側邊小孔進入管徑中與噴射水柱混合，形成高含氧的微泡泡水。 四、了解喉部截面積對喉部壓力的影響： 1 .如圖二所示，在喉部接上裝有水銀的 U 形管，打開抽水馬達讓水流流經微泡泡水機，測 量左右兩端水銀的壓力差，計算喉部空氣流速及空氣吸入量。 2 .改變喉管直徑(2mm、4mm、5mm、10mm)，重覆上述實驗。 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝2mm 空氣吸入口直徑＝1mm (θ1＝θ2＝30°) 6 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝4mm 空氣吸入口直徑＝1mm (θ1＝θ2＝30°) 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝5mm 空氣吸入口直徑＝1mm (θ1＝θ2＝30°) 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝10mm 空氣吸入口直徑＝1mm (θ1＝θ2＝30°) 五、改變入水口、出水口的角度，測量喉部壓力 1 .如圖二，入水口角度固定(θ＝30°)、出水口角度分別為 θ＝15°、30°、45°，測量水銀高度 差，並求喉部空氣流速 V 及計算空氣吸入量 Q。 2 .承上，入水口角度分別為 θ＝15°、30°、45°，固定出水口 θ＝30°，測量水銀高度差，並 求喉部空氣流速 V 及計算空氣吸入量 Q。 3 .改變喉部管徑大小重覆上述 1、2 實驗。 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝4mm (θ1＝30° θ2＝15°) 7 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝4mm(θ1＝30° θ2＝30°) 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝4mm(θ1＝30° θ2＝45°) 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝5mm(θ1＝30° θ2＝15°) 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝5mm(θ1＝30° θ2＝30°) 入出口直徑＝18.3mm 喉管直徑＝5mm(θ1＝30° θ2＝45°) 8 六、改變水流流量，測量喉部壓力變化： 1 .將水打入水桶中，測量每分鐘出水流量（Ｌ/min）。 2 .如圖四裝置，將裝有水銀的一端接在喉部一端皆再開口端，測量壓力差。 3 .以控制閥改變入水流量，測量壓力差。 4 .比較水流量與壓力差的關係。 七、養殖場溶氧比較： 1 .淡水池：至八甲錦鯉養殖場(2m×2m×0.8m)實測打水車供氣，在供氣 10min 後停止供氣， 每分鐘測量溶氧大小一次；再以微泡泡水機重覆以上實驗做比較。 2 .海水池：至竹安九孔養殖池(5m×2.5m×0.6m)實際以打氣機供氣，在供氣 10min 後停止供 氣，每分鐘測量溶氧大小；再以微泡泡水機重複以上實驗做比較。 伍、實驗結果： 一、使用打水車、打氣機 10min 後溶氧值都由 3.2mg/L 上升約至 6.5mg/L。但是停止供電，大 約 6min 後，溶氧恢復原來 3.2mg/L。 (T＝24℃，距離 2m，測試深度 0.4m) 1 .溶氧量測試： 時間(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 打水車(mg/L) 3.3 3.7 4.1 4.6 4.9 5.3 5.6 5.9 6.3 6.4 6.3 供氣機(mg/L) 3.2 4.1 4.8 5.4 5.9 6.2 6.5 6.6 6.8 6.6 6.7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 時間(min) 含 氧 量 (mg/L) 打水車 供氣機 2 .停止供氣溶氧量： 時間(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 打水車(mg/L) 6.5 6.2 5.9 5.4 4.5 4.2 3.9 3.6 3.2 3.3 3.3 供氣機(mg/L) 6.8 6.1 5.3 4.6 4.3 3.9 3.6 3.5 3.3 3.2 3.3 9 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 時間(min) 含 氧 量 (mg/L) 打水車 供氣機 二、喉部截面積對壓力的影響：ρ=1Kg/m³ g=10m/s² R=0.5×10¯³m 1m³=1000L 2 5 2 1 2 1 1036.1 2 1 ρ hVP ××=××Δ==Δ V ∴V 521 5. Δ×= h /(R sec) 2 Q π ××= LV 入出口直徑＝18.6mm 空氣入口直徑＝1mm 入口角度(θ1)＝出口角度(θ2)＝30° 喉部直 徑(cm) 外管直 徑(cm) h1 (cmHg) h2 (cmHg) △ h (cmHg) P (cmHg) V (m/s) 空氣吸入量 Q(L/s) 0.2 1.86 40.1 40.2 -0.1 76.1 0 0×10¯³ 0.4 1.86 59.3 16.7 42.6 33.4 340.4 267.4×10¯³ 0.5 1.86 72.0 32.5 39.5 36.5 327.8 257.3×10¯³ 1.0 1.86 47.2 35.8 11.4 60.6 176.1 138.3×10¯³ 0 20 40 60 80 0 0.5 1 1.5 喉部直徑(cm) 喉 部 壓 力 (cmHg) 0 100 200 300 400 500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 喉部直徑(cm) 空 氣 流 速 (m/s) 1 .喉部面積越小、壓力越小、出水速度越快，吸入空氣的量越多。但是，當管徑過小(2mm) 水流堆積壓力大增雖然經過喉部減壓，但壓力比 1 大氣壓力大，水由喉部空氣入口流 出，無法造成負壓，以致於無法將空氣吸入。 2 .喉部面積太大、水的流速變化不大時，吸入的空氣量變少。 3 .本實驗喉部直徑 4mm 與入水管直徑 18.3mm 產生最高的空氣吸入量。 10 三、改變入水角度、出水角度測流速與流量 入出口直徑＝18.6mm 空氣入口直徑＝1mm 喉管直徑＝4mm 入口 θ1 出口 θ2 h1 (cmHg) h2 (cmHg) △h (cmHg) P (cmHg) V (m/s) 空氣吸入量 Q(L/s) 1 30° 15° 60.5 17.0 43.5 32.5 344.0 270.2×10¯³ 2 30° 30° 59.3 16.7 42.6 33.4 340.4 267.4×10¯³ 3 30° 45° 57.7 23.2 34.5 41.5 306.3 240.6×10¯³ 4 15° 30° 59.0 20.8 38.2 37.8 322.3 253.1×10¯³ 5 30° 30° 59.3 16.7 42.6 33.4 340.4 267.4×10¯³ 6 45° 30° 69.8 19.3 50.5 25.5 370.6 291.1×10¯³ 11 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 出口角度 (度) 壓 力 (cmHg) 0 100 200 300 400 0 20 40 60 出口角度 (度) 空 氣 流 速 (m/s) ▲入口角度固定(θ＝30°) 出口角度越小，則流速越快、壓力越小 0 10 20 30 40 50 0 20 40 入口角度 (度) 壓 力 (cmHg) 60 0 100 200 300 400 0 10 20 30 40 50 入口角度 (度) 空 氣 流 速 (m/s) ▲ 出口角度固定(θ＝30°) 入口角度越大，則流速越快、壓力越小 入出口直徑＝18.6mm 空氣入口直徑＝1mm 喉管直徑＝5mm 入口 θ1 出口 θ2 h1 (cmHg) h2 (cmHg) △ h (cmHg) P (cmHg) 空氣 V (m/s) 空氣吸入量 Q(L/s) 1 30° 15° 66.8 26.8 40.0 36.0 329.8 259.0×10¯³ 2 30° 30° 72.0 32.5 39.5 36.5 327.8 257.5×10¯³ 3 30° 45° 58.4 25.2 33.2 42.8 300.5 236.0×10¯³ 4 15° 30° 49.6 33.3 16.3 39.7 210.5 165.3×10¯³ 5 30° 30° 72.0 32.5 39.5 36.5 327.8 257.5×10¯³ 6 45° 30° 77.0 20.4 56.6 19.4 392.3 308.1×10¯³ 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 出口角度 (度) 壓 力 (cmHg) 0 100 200 300 400 0 20 40 出口角度 (度) 空 氣 流 速 (m/s) 60 ▲入口角度固定(θ＝30°)出口角度越小，則流速越快、壓力越小 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 入口角度 (度) 壓 力 (cmHg) 0 100 200 300 400 0 10 20 30 40 5 入口角度 (度) 空 氣 流 速 (m/s) 0 ▲出口角度固定(θ＝30°) 入口角度越大，則流速越快、壓力越小 1 .固定入水角度(30°)，出水角度越小(15°)，壓力最低，此時喉部水流速度最快。 2 .固定出水角度(30°)，入水角度越大(45°)，壓力最低，此時喉部水流速度最快。 3 .以上實驗 d＝4mm 或 5mm 結果相同，不受喉部管徑大小影響。 4 .依白努利原理：水流速度越快，使得喉部壓力小，造成較大負壓，以利將空氣吸入。 四、改變入水流量，測量壓力變化： 喉部直徑＝4mm 水流量(L/min) 水量平方比 h1(cmHg) h2(cmHg) △h(cmHg) 12.0 144.0 23.6 19.6 4.0 16.0 256.0 25.3 18.0 7.3 19.2 368.6 27.4 15.9 11.5 21.2 449.4 28.0 15.3 12.7 22.0 484.0 28.3 14.8 13.5 0 3 6 9 12 15 0 5 10 15 20 25 水量 (L/min) 壓 力 差 (cmHg) 12 0 3 6 9 12 15 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 水量平方(L/min) ² 壓 力 差 (cmHg) 五、了解微泡泡水機的溶氧效果：(T＝21℃) 實驗前：水質清澈 約 10sec：微泡泡水產生 1min 後：高含氧微泡泡水 溶氧量：3.2mg/L 溶氧量：5.7mg/L 溶氧量：7.6mg/L 六、淡水養殖池溶氧下降比較：(T＝23℃ 養殖池水量 3200L 未打入空氣前含氧為 3.2mg/L) 溶氧量 0min 1min 2min 3min 4min 5min 6min 7min 8min 9min 空氣幫浦 6.9 5.2 4.6 4.4 4.0 3.9 3.6 3.4 3.3 3.2 馬達攪拌 6.4 5.2 4.7 4.1 4.0 4.0 3.8 3.7 3.5 3.3 微泡泡水機 7.6 7.2 6.8 6.3 6.0 5.8 5.5 5.3 5.2 5.1 空氣幫浦 馬達攪拌 微泡泡水機 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0min 1min 2min 3min 4min 5min 6min 7min 8min 9min 七、海水養殖場溶氧下降比較：(T＝22℃養殖池水量 7500L 未打入空氣前含氧為 3.2mg/L) 溶氧量 0min 1min 2min 3min 4min 5min 6min 7min 8min 9min 空氣幫浦 6.2 5.9 5.4 4.5 4.2 3.9 3.6 3.2 3.3 3.3 打水車攪拌 6.1 5.3 4.6 4.3 3.9 3.7 3.5 3.3 3.2 3.3 微泡泡水機 7.3 6.9 6.7 6.6 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 13 溶氧量 ( m g / L ) 0 1 2 8 空氣幫浦 打水車攪拌 微泡泡水機 3 4 5 6 7 溶氧量 m g / L 0min 1min 2min 3min 4min 5min 6min 7min 8min 9min 八、微泡泡水機溶氧下降實驗(T=22℃) 時間(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 溶氧量(mg/L) 7.4 6.8 6.4 6.1 6.0 5.9 5.8 5.8 5.7 5.7 時間(min) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 溶氧量(mg/L) 5.7 5.6 5.6 5.6 5.6 5.5 5.5 5.5 5.6 5.5 時間(min) 20 21 22 23 24 25 26 溶氧量(mg/L) 5.4 5.4 5.4 5.4 5.3 5.3 5.3 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 時間(min) 溶氧量(mg/L) 陸、討論 一、氣泡上升的速度與氣泡大小及浮力有關 Vdg(浮力)－mg(重力)＝ma 其中d為水的密度=1g/cm³ a=上升加速度 (m/D)1g－mg＝ma D為氣泡密度 ag g D + = 即氣泡上升(水壓減少、體積變大、密度變小)加速度變大 因此，氣泡體積大所受浮力大，上升的速度快，而停留在水中的時間短。 所以打水車產生的氣泡除了溶解在水中之外，停留時間無法太久。也因此，當停止裝置 作用時，儀器觀測的溶氧值迅速下降。 14 二、當水流過微泡泡水機，因為管徑變小、流速增快，造成低壓區而將空氣吸入。水流再經 過逐漸變大的管徑，流速變慢、壓力變大，此時空氣與水混合，變成粒徑很小的泡泡， 而使得溶氧增加。此點與白努利方程式 ( 2 ρρ gyVP =++ 常數 2 1 )所載吻合。 三、圖二 U 形管中裝水，因為壓力差很大，需要的管子很長，所以改用水銀(d=13.6g/cm³) 四、固定入出水管角度，喉部直徑越小，水流速度越快，壓力越小，吸入的空氣量也越多。 1 .但是若喉部太細，反而會阻止水流前進，此時入水口壓力很大，喉部壓力雖然因為流速 快而變小，但仍大於外界氣壓，因此水由空氣入口噴出。 2 .而喉部太大，且水流流速不足以產生負壓時，一樣無法吸入空氣。 3 .本實驗以喉部直徑 4mm 效果最好。 五、固定喉部管徑，流量與速度成正比，流量平方與壓力差成正比，此點與原理討論一致。 即管徑大小固定 2Δ== hKVKQ 即 2 61 2 αα Δ hVQ 2 2 六、出水角度固定，入水角度越大，截面積變化率越大，流速越快、水壓越小。但是若角度 太大，因反射定律將產生阻力而降低流速。所以本實驗入水角度在 45° (與水平夾角 θ＝ 22.5°)較適當。 七、入水角度固定，出水角度越小，此時空氣與水的混合物會沿著管壁噴出，形成高含氧水。 若出水的角度太大，水柱直接噴出。所以本實驗出水角度在 15°(與水平夾角 θ＝7.5°)較 適當。 八、由討論四、六、七可知，微泡泡水機在管徑 18.3mm 時，選擇喉部管徑=4mm，入水角度 45°，出水角度 15°，單位時間內空氣吸入量最多。 九、使用微泡泡水機讓養殖池溶氧增加一倍以上，與打水車相較溶氧增加約 20%。微泡泡水 機因為產生細微泡泡，比傳統打水車產生的氣泡小，氣泡總表面積大所以溶氧值高。因 為氣泡可壓縮，體積不固定，本實驗氣泡粒徑大約 1~50μm。在九孔養殖池養殖範圍(5m ×2.5m×0.6m＝7500L)約 10min 即達到高含氧值 7.4~7.6mg/L(T=22℃)。 十、產生的高含氧細緻泡泡水，可以在池底多存留 10min~20 min 以上，大量提供魚蝦養殖所 需的含氧量，增加存活率。因為微泡泡水體積很小，受到水的浮力小，因此上升至水面 的時間增長。 十一、「微泡泡水機」可定時開啟，減少「打水車 」所浪費的電能與養殖成本。微泡泡水機 產生的溶氧值高，降至原來溶氧值約有 25min，也就是說，啟動微泡泡水機 10min 即可 關閉電源 20min，若利用定時開關控制，就能省下 2/3 的電能。 十二、在常溫下，微泡泡水機皆能安全、節能，發揮高溶氧效能。微泡泡水採用負壓原理將 15 空氣吸入，因此不會有爆炸的危險，加上安裝方便、拆取容易，更無維修的困難，也能 使用不鏽鋼當材料，發揮其效能。 十三、微泡泡水可吸附在雜質表面、去除懸浮顆粒，藉由浮力作用去除細小懸浮固體物。 柒、結論： 微氣泡製造方式，係利用泵浦進氣閥之特性，吸入少量氣體經蓄壓釋壓擴散後，即可得 直徑很小的細微氣泡，其氣泡相當細膩在水中擴散後狀如牛奶般，由於摒棄傳統以空壓 機打入空氣之方法，不但減少設備佔地面積，管理維護容易，且氣泡擴散均勻，水中停 滯時間長達 10 分鐘以上。總之，微泡泡水機具有下列優點： 一、材料簡易：壓克力製品質，使用壽命長、裝設簡便容易、減少維修費用。 二、安全可靠：以壓力差吸入空氣，所以壓力不會超過最大出水壓力，沒有爆裂的危險。 三、效果顯著：養殖池溶氧量增加一倍，與打水車相較溶氧量增加約 10%~20%。 四、節省能源：高含氧泡泡水，在池底多存留 20min，可增長溶氧時間，節省大量電費。 五、環境維護：適合魚蝦養殖的底棲息性，避免害菌滋生、活化水資源、減少換水率、穩定 底層溶氧濃度，減少抽取地下水用量，有效減緩沿海地層下陷情形。 捌、檢討改進： 一、宜蘭地區車床工無法依照設計的尺寸鑽孔。外地精密加工又很貴，限於研究經費，雖然 製造出各種尺寸微泡泡水機 10 餘支，然而還需更多尺寸，讓實驗數據更精確。 二、現場實測設計如圖，希望能繼續研究微泡水機的效果。 16 17 玖、參考資料及其他 一、高雄海洋科技大學 白努利教學網站 http://www.shl.nkmu.edu.tw/shl/index.php 二、李秀峰 流體機械 新文京開發出版有限公司 92 年 3 月 三、葉有仁 水質環境對魚類之影響 養魚世界雜誌 2003 年 3 月號 四、行政院環保署水質淨化處理網 http://wqp.epa.gov.tw/ecological/ClassRoom.aspx?Num=01#01_05 五、郭育嘉 、蔡易縉 微氣泡形成粒徑大小之探討氣 資源與環境學術研討會, 2006, 花蓮 http://www.erm.dahan.edu.tw/re_and_en_paper/2006/09_2006_02.pdf 六、感謝宜蘭大學 何正義教授指導