微孔玻璃在鱼塘养殖中的应用研究

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摘要：本实验以DM308玻璃粉作为原料制备微孔玻璃片，研究采用加入添加剂、改变玻璃粉目数以及改变热处理工艺来获取强度、孔径、孔隙率等综合性能较好的微孔玻璃片，然后将玻璃片运用到鱼塘中利用微孔来为养殖输送氧气。本实验主要分成两大部分：一是用烧结法制备硬度较好、孔隙率高、导气性优良的微孔玻璃片，二是设计并制作一个小型鱼缸，模拟微孔玻璃片为鱼塘增氧的过程。

关键词：微孔玻璃；烧结法；增氧性能；应用研究

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）08-0237-03

一、课题背景

随着全球经济迅猛地增长，环境保护和资源紧缺是人类遇到的两个较大的难题，这就使得人类对环境保护和资源节约关注度逐步增强。而微孔材料正是适应着这个风潮应运而生的新型材料，他不仅仅提高了资源的使用效率，而且节约了能源，保护了环境，并且对我们的科学研究、工业生产具有较为重要的意义。微孔材料在各行各业的应用越来越广泛。在池塘养殖业，传统的机器增氧设备主要为叶轮式增氧机、水车式增氧机、射流式增氧机和喷水式增氧机这几种，都是通过机械动力激起水跃和浪花或产生回流，这样加快水的循环，使水与空气更加充分地接触，溶解更多的氧气，同时将有害气体排出。这几年兴起了微孔增氧机，它将微孔材料与增氧设备相结合，通过罗茨鼓风机与微孔管组成池底曝气增氧设施，直接把空气中的氧输送到水层底部，此技术增氧效果好、节约能源、安装管理简单、使用快捷安全，被认为是水产增氧技术的创新。我们受此启发，用微孔玻璃作材料进行试验，探究微孔玻璃在水中的增氧效果。但制作微孔玻璃管难度高，于是我们先用微孔玻璃片代替微孔玻璃管实验进行定性的测试，并且用鱼缸模拟鱼塘，验证微孔玻璃片的增氧透气性能。

二、微孔玻璃片的制备

1.实验原理。实验采用单一的烧结法制备微孔玻璃，使玻璃粉末在不添加造孔剂或事后不再进行酸浸析处理的情况下制备微孔玻璃。①控制热处理工艺，控制温度和保温时间，在热处理过程中，需先从室温经一段时间t1（升温时间）升温到温度A（烧结最高温度），经过一段保温时间t2（成核时间）再降至温度B（成核温度），继续保温一段时间t3，最后冷却至室温。②选择玻璃粉的目数（有50目、100目、150目等）以及加入不同的添加剂（Al粉、Cu粉、聚乙烯等）。

2.实验设备。天平、坩埚、胶头滴管、勺子、模具、50目筛子、100目筛子、150目筛子、压力机、真空干燥箱、SXL型程控箱式电炉、显微镜。

3.实验材料。DM308玻璃粉（50目、100目）、A1粉（50目、100目）、Cu粉（50目、100目）、Fe粉（50目、100目）、聚乙烯醇、硬脂酸。DM308玻璃粉的主要成分是高硼硅酸盐，具有含量较低的Na2O和K2O，电绝缘性、热稳定性、化学稳定性高。另外可在玻璃片中添加各种添加剂来改善玻璃片的性能，加入金属元素可以提高产品的机械性能；硬脂酸可以作为造孔剂使用，增加孔隙率；聚乙烯醇作粘合剂，控制其硬度。

4.实验流程。①将5g混合粉末放入内径为30mm的制备模具中。②使用压力机施加8000N的轴向压力进行压制，得到压坯。③将压好的玻璃片放入装好氧化铝粉末的坩埚中。④将坩埚放入SXL型程控箱式电炉按实验方案设定包括最高温度、成核温度、升温时间、保温时间在内的各项参数，进行热处理烧结。⑤待炉温冷却至室温时，取出样品，即得到微孔玻璃片。标记分类，洗净，在显微镜下观察微孔大小并记录。过程可见流程图（图1）。

5.加热工艺的选择。工艺一：第一，从常温匀速加热到450℃，耗时215分钟，保温1分钟；第二，匀速加热到630℃，耗时36分钟，保温60分钟；第三，匀速加热到650℃，耗时90分钟，保温8分钟；最后随炉冷却至常温。工艺二：第一，从常温匀速加热到100℃，耗时60分钟，保温5分钟；第二，匀速加热到200℃，耗时60分钟，保温10分钟；第三，匀速加热到400℃，耗时90分钟，保温10分钟；第四，匀速加热到650℃，耗时60分钟，保温30分钟；最后随炉冷却至常温。工艺三（工艺二改进）：第一，从常温匀速加热到100℃，耗时60分钟，保温5分钟；第二，匀速加热到200℃，耗时60分钟，保温10分钟；第三，匀速加热到400℃，耗时90分钟，保温10分钟；第四，匀速加热到650℃，耗时60分钟，保温10分钟；第五，匀速加热到670℃，耗时20分钟，保温50分钟；最后随炉冷却至常温。

通过实验，我们可以发现650℃以上，再升高温度，增加保温时间，可增加玻璃片硬度和机械强度，因此我们的实验主要选择工艺三。

6.玻璃粉目数的选择。玻璃粉的目数我们选用了50目、100目、150目等不同情况。经过几轮实验经验总结以及查询资料，我们发现50目玻璃粉烧结出的玻璃片虽然孔隙较多但因其颗粒较大，粘结度不够，烧结成的玻璃片硬度不满足条件，而150目以上玻璃粉烧结出的玻璃片孔隙较小，不符合通气方面的要求，也不满足条件。只有100目玻璃粉末较为适合，既满足硬度要求，也符合孔径要求，因此我们主要选择100目玻璃粉作材料。

7.添加剂的选择。本次实验为我们选择了氧化铝、硬脂酸、聚乙烯醇、Cu粉、Al粉、Fe粉等作为添加剂。实验发现以Fe粉为添加剂的玻璃片经水洗后褪色，不合格。硬度方面，加入氧化铝的玻璃片硬度较差，而且表面不平整。孔隙率方面，经显微镜观察，相较其他玻璃片，加入10%Al的玻璃片微孔孔径大小适中且微孔分布非常均匀；10%硬脂酸玻璃片微孔孔径较大，不过分布也很均匀。因此，我们选定加入10%Al和10%硬脂酸的这两种玻璃片为下一步模拟鱼塘实验测试所用的玻璃片，并且选用5%Cu、5%Al、10%Al、5%硬脂酸、10%硬脂酸、10%聚乙烯醇等性能较好的玻璃片进行对比试验，验证玻璃片的通氧透气效果。

三、鱼缸模拟实验

1.实验目的。通过模拟池塘环境，对已制备好的玻璃片进行进一步测试，验证微孔玻璃片在水中增氧的实际效果，选出各项性能较好的玻璃片以便将来进一步的研究。

2.小型鱼缸结构。组成：鼓风机、储气罐、接口（单向阀、快接口）、管道（不锈钢管道、软管）、缸体（两层结构，有机玻璃制品），见图2。结构图及原理见图3。

3.鱼缸实验和结果分析。①通气实验：我们将不同的玻璃片装在各个出气口上，打开压力机，调节压力，然后观察出气口处的气泡状况，通过比较气泡数量、气泡大小等现象，定性地比较玻璃片孔径、孔隙率等性能。②浸泡实验：将玻璃片放入水中浸泡4天后，通过砂纸研磨测试观察测验玻璃片的硬度、耐磨度、表面状况等各项性能，看其耐水性能是否合格。

实验结果表明：硬度方面，10%聚乙烯醇经浸泡后硬度太低不合格；5%硬脂酸和5%Al经长时间浸泡后，经过砂纸磨研测试发现其硬度下降较多，说明其玻璃片耐水性不好，因此不合格；添加剂为10%Al和10%硬脂酸硬度较好，经浸泡后其硬度也未下降，而且其表面都较为平整。透气性方面，各玻璃片透气性都较为良好，特别是加入10%Al作为添加剂的玻璃片，气泡最密而且均匀。其中添加剂为5%Cu的玻璃片硬度合格，透气性也较好，但其在水中长时间浸泡后褪色，因此不合格。

综上所述，添加剂为10%Al和10%硬脂酸的玻璃片较满足条件。可以看出，鱼缸实验的结果与显微镜下观察结果相符合。因此，我们选择添加剂为10%Al和10%硬脂酸的玻璃片是目前最佳的实验选择，值得进一步研究。

四、实验总结及后续研究方向

（一）实验总结

经过几十组玻璃片的制作、筛选和研究后，我们可以得出结论，即理想玻璃片的制作方案。

1.玻璃片成分采用：①5g10%Al+100目玻璃粉；②5g10%硬脂酸+100目玻璃粉。

2.加热工艺采用：第一，从常温匀速加热到100℃，耗时60分钟，保温5分钟；第二，匀速加热到200℃，耗时60分钟，保温10分钟；第三，匀速加热到400℃，耗时90分钟，保温10分钟；第四，匀速加热到650℃，耗时60分钟，保温10分钟；第五，匀速加热到670℃，耗时20分钟，保温50分钟；最后随炉冷却至常温。

通过实验可知，加热到650℃以上，可以通过适当提高加热的最高温度，增加保温时间，以达到增加玻璃片硬度的效果。

采取以上两种工艺即可得到强度大、表面光滑、能长时间在水中浸泡、微孔孔径较大且分布均匀的玻璃片，其各方面都符合我们模拟鱼塘实验所需玻璃片的条件。

（二）后续展望

在选出玻璃片后，我们将采用空气压缩机对模拟鱼塘进行增氧，在了解各类鱼虾生长最合适的水中溶氧量后，通过压力阀读出准确增氧压力值来模拟各类鱼虾最适宜的生长环境，记录其生长状况和传统增氧工艺相比较得出的玻璃片微孔增氧的实用性与优越性，并且对整套模拟鱼塘装置进行改进，加入太阳能电池及PLC自动控制装置以实现增氧、投料自动化，这将是我们小组后续还要继续钻研、改进和创新的问题。

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”这次实验成果与我们的最终目标——产业化还有着非常遥远的距离，我们将不断地改进创新我们的设备，直至更好的满足市场的需求。

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