利用在土壤中的水凝胶从大气中汲水以进行灌溉的方法与流程

利用在土壤中的水凝胶从大气中汲水以进行灌溉的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求于2019年5月15日提交的题为method to irrigate using hydrogels in the soil to draw water from the atmosphere的美国临时申请序列第62/848,467号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明一般地涉及用于利用在土壤中的水凝胶以从环境空气汲水到土壤中以提供给植被的用于灌溉的方法和系统。


背景技术：

4.可以使用灌溉系统的滴灌管线(dripline)或灌溉管线向植物、作物、植被、树木和/或其他叶子输送水。此外，可以将水凝胶放置于植物、作物、植被、树木和/或其他叶子的根系附近(例如，可以放置在土壤中)以改善水向根系的输送。
5.水凝胶是亲水性聚合物链的网络，意味着聚合物链倾向于与其附近的水混合，溶解在其附近的水中，或被其附近的水润湿。这样的聚合物链的网络可以形成为其中水为分散介质的胶体凝胶。
6.可以由通过交联保持在一起的亲水性聚合物链形成三维固体。由于亲水性聚合物的亲水性质，亲水性聚合物的三维网络在浸入水中时可以溶胀。即，由于各聚合物链的化学或物理交联，三维网络可以在保持结构的同时容纳相对大量的水。
7.由于水凝胶的聚合物链之间的固有交联，即使吸收高浓度的水，一些水凝胶的水凝胶网络的结构完整性可能也不容易解除。例如，水凝胶可以是高吸收性的天然或合成聚合物网络(例如，饱和时可以有超过90％的水)。


技术实现要素：

8.本文描述的实施方案提供对农业和景观技术的改进。
9.根据本公开内容的实施方案，提供了向作物的根系输送水的方法，所述方法包括：使作物与含有水凝胶的土壤相邻或处于含有水凝胶的土壤的区域中；以及向水凝胶输送空气。
10.所述方法还可以包括将一定量的水凝胶与一定量的土壤混合以产生含有水凝胶的土壤，其中使作物与含有水凝胶的土壤相邻或处于含有水凝胶的土壤的区域中包括将作物或种子种植在含有水凝胶的土壤中或种植为与含有水凝胶的土壤相邻。
11.向水凝胶输送空气可以包括迫使空气通过土壤中的管路。
12.土壤中的管路可以位于含有水凝胶的土壤下方。
13.所述方法还可以包括通过迫使水凝胶通过土壤中的第一管路将水凝胶输送至所述土壤区域。
14.迫使水凝胶通过第一管路可以包括用泵泵送水凝胶。
15.泵可以包括被配置成泵送水凝胶的改良肥料泵。
16.向水凝胶输送空气可以包括迫使空气通过土壤中位于第一管路下方的第二管路。
17.所述方法还可以包括通过迫使水凝胶通过土壤中的管路将水凝胶输送至所述土壤区域，其中向水凝胶输送空气包括迫使空气通过管路。
18.土壤中的管路可以包括灌溉系统的滴灌管线。
19.所述方法还可以包括：将水与空气混合；以及将水和空气输送至水凝胶。
20.所述方法还可以包括将水、纳米粘土、农用化学品和/或植物养分中的任一者输送至与作物相邻的区域。
21.可以经由灌溉系统的共用滴灌管线将水、纳米粘土、农用化学品和植物养分中的任一者以及水凝胶、空气输送至与作物相邻的区域。
22.根据本公开内容的另一些实施方案，提供了进行作物灌溉的方法，所述方法包括：经由滴灌管线将水凝胶输送至土壤区域；以及经由滴灌管线将含有水分的空气输送至该土壤区域以使水凝胶能够吸收水分。
23.根据本公开内容的又一些实施方案，提供了利用包括一条或更多条滴灌管线的灌溉系统进行作物灌溉的方法，所述方法包括：通过一条或更多条滴灌管线将水凝胶输送至土壤区域；以及通过一条或更多条滴灌管线向水凝胶输送空气。
24.可以通过一条或更多条滴灌管线中的第一滴灌管线将水凝胶输送至土壤区域，以及可以通过一条或更多条滴灌管线中的第二滴灌管线向水凝胶输送空气。
25.第二滴灌管线可以位于第一滴灌管线下方。
26.通过一条或更多条滴灌管线将水凝胶输送至土壤区域可以包括用灌溉系统的泵泵送水凝胶。
27.所述方法还可以包括对灌溉系统的肥料泵进行改良，以及通过一条或更多条滴灌管线将水凝胶输送至土壤区域可以包括用肥料泵泵送水凝胶。
28.因此，本公开内容的实施方案能够利用稍微改良的地下滴灌系统经由灌溉系统的滴灌管线将水凝胶和空气二者输送至土壤，从而使水凝胶能够从空气中吸收水分，并且继而使滴灌管线附近的根结构能够吸收由水凝胶捕获的水分。
附图说明
29.参照以下附图描述了本实施方案的非限制性且非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则贯穿各图，相同的附图标记指代相同的部件。
30.图1描绘了根据本公开内容的一些实施方案的灌溉系统的平面图；
31.图2描绘了图1的灌溉系统的沿线ii
‑
ii’截取的部分的截面图；以及
32.图3描绘了图1的灌溉系统的沿线iii
‑
iii’截取的部分的截面图。
33.贯穿附图的几个视图，相同的附图标记指示相同的组件。技术人员将理解，图中的要素是为了简单和清楚而示出，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些要素、层和区域的尺寸可能相对于另一些要素、层和区域被放大以帮助提高各实施方案的清楚度和理解。此外，与实施方案的描述无关的常见但易于理解的要素和部分可能未示出，以便于这些各实施方案的无障碍视图并且使描述清楚。
具体实施方式
34.通过参照实施方案的详细描述和附图，可以更容易地理解发明构思和实现其的方法的特征。在下文中，将参照附图更详细地描述实施方案。然而，所描述的实施方案可以以多种不同形式体现，并且不应被解释为仅限于本文示出的实施方案。相反，提供这些实施方案作为实例使得本公开内容将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的方面和特征。因此，可以不描述对于本领域普通技术人员完全理解本发明构思的方面和特征而言不是必需的过程、要素和技术。
35.除非另有说明，否则贯穿附图和书面描述，相似的附图标记表示相似的要素，因此将不再重复其描述。此外，与实施方案的描述无关的部分可能未示出，以使描述清楚。在附图中，为了清楚起见，可能放大了要素、层和区域的相对尺寸。
36.在详细描述中，出于说明的目的，阐述了许多具体细节以提供对各实施方案的透彻理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节或具有一个或更多个等同布置的情况下实施各实施方案。在另一些情况下，以框图形式示出公知的结构和装置以避免不必要地混淆各实施方案。
37.应理解，虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用于描述多个要素、组件、区域、层和/或部分，但是这些要素、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语用于将一个要素、组件、区域、层或部分与另一要素、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，以下描述的第一要素、组件、区域、层或部分可以被称为第二要素、组件、区域、层或部分。
38.本文所使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并不旨在限制本公开内容。如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个”和“一种”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有”及其变化形式指定存在所述特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其组。如本文所用，术语“和/或”包括相关列出项中的一者或更多者的任意和全部组合。
39.如本文所用，术语“基本上”、“约”、“大约”和类似术语用作近似术语而不是程度术语，并且旨在说明本领域普通技术人员将认可的测量或计算值的固有偏差。如本文所用，“约”或“大约”包括所述值，并且意指考虑到所讨论的测量和与测量特定量相关的误差(即测量系统的限制)，在特定值的如由本领域普通技术人员确定的可接受偏差范围内。例如，“约”可以意指在一个或更多个标准偏差内，或者在所述值的
±
30％、
±
20％、
±
10％、
±
5％内。此外，在描述本公开内容的实施方案时使用“可以”是指“本公开内容的一个或更多个实施方案”。
40.当某个实施方案可以不同地实施时，可以与所描述的顺序不同地进行具体步骤顺序。例如，两个连续描述的步骤可以基本上同时进行或以与所描述的顺序相反的顺序进行。
41.除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解，除非本文中明确如此定义，否则例如在常用字典中定义的那些术语应被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书的背景下的含义一致的含义，并且不应被解释为理想化或过度形式化的意义。
42.本公开内容的一些实施方案提供了通过用于地上或地下滴灌应用的共用滴灌管
线或灌溉管线(例如，通过用于为叶子提供养分和/或水的可以位于地下或地上的共用滴灌管线或灌溉管线)泵送空气、水、养分、石膏、纳米粘土、肥料和/或水凝胶的机制。
43.如上所述，水凝胶具有吸收和保持水分的能力。因此，一定量的水凝胶在浸入水中时可以溶胀。此外，一些水凝胶在暴露于具有湿气的空气时可以捕获一定量的水。即，一些水凝胶可以因暴露于湿空气而吸收水分。此外，当水凝胶放置于根结构附近时，根系能够从水凝胶中缓慢地提取水。
44.然而，简单地将水凝胶倒在地面上可能无法使水凝胶有效地渗透到土壤中。此外，水凝胶一旦放入土壤中，通常具有大约四至五年左右的预期寿命。此外，水凝胶通常是昂贵的。因此，水凝胶对于一年生作物可能更实用，因为在四至五年过去并且初始水凝胶已经失去了其一些有效性之后，在树木周围挖掘或将树木连根拔起以提供另外的水凝胶可能不可行。
45.因此，通常需要付出一定程度的努力和费用来使水凝胶有效地分布在土壤中以供预期作物有效使用，并随着时间在土壤中保持期望量的水凝胶。因此，其中可以通过地下滴灌系统将水凝胶添加到土壤中的本公开内容的一些实施方案可以提供一些益处。即，根据本公开内容的一些实施方案，可以以类似于将肥料注入滴灌管线中的方式注入一些水凝胶。通过利用地下滴灌系统将水凝胶添加到土壤中，原本可能随着时间而损失的消耗量的水凝胶可以被替换而无需另外的资金成本。
46.此外，由于可以使用水凝胶从穿过或接近水凝胶的空气中分离水分，因此本公开内容的一些实施方案提供了用于通过地下滴灌系统提供空气的方法和结构。即，可以使用用于将水凝胶注入附近土壤中的相同滴灌管线或者甚至不同滴灌管线来向含有水凝胶的土壤的区域输送空气。因此，可以用于最初输送一种或更多种水凝胶的单个共用滴灌管线之后可以用于输送空气。由于从滴灌管线的滴出器(drip emitter)流出的空气可以被输送以经过、越过或穿过经由同一滴灌管线添加到土壤中的水凝胶，因此水凝胶可以吸收以水蒸气/湿气的形式存在于空气中的水。因此，水凝胶可以从由滴灌系统提供的空气中吸收水分，使得附近的植被可以利用由水凝胶吸收和保持的水分。
47.图1描绘了根据本公开内容的一些实施方案的灌溉系统的平面图。图2描绘了图1的灌溉系统的沿线ii
‑
ii’截取的部分的截面图。图3描绘了图1的灌溉系统的沿线iii
‑
iii’截取的部分的截面图。
48.参照图1、2和3，根据本公开内容的一些实施方案的灌溉系统100包括用于将水、养分、石膏、纳米粘土、农用化学品、水凝胶和/或空气输送至对应作物或植被140的相应根系130的复数条滴灌管线110，每个滴灌管线具有一个或更多个滴出器120。如本文所用，术语“作物”可以指植物界中的一切(植物、花、树木、植被叶等)。灌溉系统100可以具有连接至水源(例如，水泵)150的第一入口170，该第一入口170继而连接至用于经由滴灌管线110向植被140输送水的出口175。
49.灌溉系统100还可以具有连接至用于经由滴灌管线110向植被140输送养分、石膏、纳米粘土、农用化学品、水凝胶和/或空气的源(例如，泵或注入器)160的第二入口180。在一些实施方案中，第一入口170和第二入口180可以连接至混合器190，所述混合器190可以用于在使混合物通过出口175和通过滴灌管线110之前将水与例如空气混合。
50.应注意，本公开内容的另一些实施方案可以包括具有用于分别向滴灌管线110输
送不同材料(例如，水凝胶和空气)的多个入口的混合器和多个泵和/或注入器。此外，可以将混合器190、入口170和180、和/或源150和160控制为使得不同材料(例如，水、空气和水凝胶)可以一次一种地输送至滴灌管线110。此外，可以将石膏、纳米粘土和/或其他农用化学品添加至要经由滴灌管线110输送的水凝胶材料中或添加至包含水凝胶和水的混合物中。因此，水凝胶可以充当要输送至植被140的根系130的由滴灌管线110输送的农用化学品的载体。
51.因此，可以经由相同出口175并且经由可以用于输送水的相同滴灌管线110(例如，经由相同滴出器120)向植被140输送一种或更多种水凝胶和空气。因此，本公开内容的一些实施方案能够经由灌溉系统100的现有滴灌管线110将水凝胶输送至土壤135中与植物140的根系130相邻的区域125(参见图2和3)。
52.由于土壤135的输送水凝胶的区域125附近的根系130可以吸收水凝胶所保持的水，为了确保根结构130接收足够量的水合，通过从大气输送空气至水凝胶，一些实施方案的灌溉系统100可以减少或消除从水源150输送同样多的液态水的需要，或者甚至根本不需要输送任何液态水，因为水凝胶能够从空气中吸收水分。因此，灌溉系统100可以消除对原本仅用于输送水的冗余滴灌管线的需要。
53.此外，根据图1、2和3所示的实施方案和/或根据本公开内容的另一些实施方案，在将植被140种植在土壤135中之前，可以将干水凝胶(例如，尚未暴露于水分从而吸收水的水凝胶)犁入土壤135中与其混合。可以在将单个滴灌管线110放置在该区域的土壤中的大约同时、之前或之后将水凝胶与土壤135混合(例如，单个滴灌管线可以放置在水凝胶
‑
土壤混合物下方)。其后，一旦作物140被种植为使其根系130靠近水凝胶
‑
土壤混合物以接收水凝胶所保留的水的益处，则可以通过其下方的单个埋入式滴灌管线110添加空气，以向含有水凝胶的区域125提供空气中含有的水蒸气的供给，使得水凝胶可以吸收水蒸气，并且使得种植的作物140的根系130之后可以吸收水凝胶所保持的水。
54.虽然干水凝胶可以与土壤135混合，但可以注意到，与将滴灌管线放置在土壤135中时简单地用水凝胶包围滴灌管线，其后通过滴灌管线仅提供水(例如，没有水凝胶)相比，经由一条或更多条滴灌管线110添加水凝胶可以更有效地向根系130提供水和/或养分。
55.此外，虽然图1、2和3所示的实施方案描绘了对于每行作物140具有单个滴灌管线110的灌溉系统100，但应注意，本公开内容的另一些实施方案可以提供一行包括两条滴灌管线的灌溉系统。例如，第一滴灌管线可以用于向土壤输送水凝胶(例如，向土壤中根系附近的区域输送水凝胶)，以及相邻的第二滴灌管线可以用于输送可以越过或穿过沉积在土壤中的水凝胶的空气。在一些实施方案中，滴灌管线的取向可以为使得用于输送空气的第二滴灌管线可以置于用于输送水凝胶的第一滴灌管线下方(例如，第一滴灌管线重力方向上的下方)。例如，通过在施加有水凝胶的区域下方输送空气，空气可以向上运行以穿过水凝胶，从而能够更有效地利用水凝胶。在又一些实施方案中，可以使用多条滴灌管线将水凝胶输送至单行作物，和/或可以使用多条滴灌管线将空气输送至单行作物中的水凝胶。
56.本公开内容的另一些实施方案可以利用太阳能来为灌溉/滴灌系统100供电。例如，可以利用太阳能为混合器190、水泵150和泵/注入器160供电。这样的实施方案可能在具有相对大量阳光的半沙漠区域、尽管空气相对潮湿但土壤可能干燥的区域、以及水可能相对稀缺的区域中是有用的。然而，即使有可用的水供应，也可以通过使用空气注入器160和
混合器190将空气注入滴灌管线110的通常的灌溉流中来运行灌溉系统100以补充对作物140的水供应。
57.本公开内容的一些实施方案可以与先前安装的滴灌管线和灌溉系统一起使用。例如，可以将泵/注入器160与灌溉系统集成在一起，并且在向土壤中添加水凝胶之后，可以经由灌溉系统的滴灌管线注入空气，从而减少常规用于满足滴灌管线所服务的作物需要的水量。此外，泵/注入器160可以为例如可以根据本公开内容的实施方案进行改良以用于注入水凝胶和/或空气的肥料注入器。因此，可以实施本公开内容的实施方案而没有显著其他额外资金成本。
58.本公开内容的一些实施方案可以与题为“subsurface water/air irrigation system with prevention of air lock”的美国专利第6,890,126号中公开的各种实施方案结合使用，该专利的公开内容通过引用并入本文。
59.例如，根据本公开内容的实施方案，通过经由滴出器120将空气注入灌溉水中以提供空气和水的混合物，可以将空气添加到灌溉系统100的一条或更多条滴灌管线110中。空气/灌溉水混合物可以通过使用一个或更多个注入装置(例如，水泵150和泵/注入器160)来提供。即，可以使用混合器/注入器(例如，混合器190)将气体注入水中并混合以形成空气/灌溉水混合物。然后混合物可以从集流管流入灌溉系统的复数个支管(例如，滴灌管线110)中。混合物可以从支管的滴出器120排出，以输送至各根系130。
60.因此，如上所述，可以向土壤中添加水凝胶，并且附近的滴灌管线可以使空气从中穿过(例如，朝向水凝胶)，使得水凝胶可以从空气中提取水以将水保持为液体形式。其后，附近的根结构可以继而从水凝胶材料中提取接收的水。此外，由于利用滴灌系统使用空气代替水向植物输送水分在沙漠条件下将是有益的，因此可以向该系统中添加太阳能面板，以向用于通过滴灌管线输送空气的泵供电。此外，可以使用一个或更多个混合器/注入器在灌溉系统中提供水凝胶、水、空气、石膏、纳米粘土、农用化学品和/或植物养分的任意组合的混合物。因此，地上或地下灌溉系统可以将混合物供应至生长作物根部下方或附近的土壤。
61.因此，如上所述，本公开内容的实施方案能够通过提供以下方法和系统提供对农业技术的改进：用于经由灌溉系统向作物提供灌溉系统中的水凝胶、水、空气、石膏、纳米粘土、农用化学品、肥料、植物养分等的方法和系统，包括用于向靠近植被根系的区域提供水凝胶，并向同一区域提供空气使得水凝胶可以从空气中吸收水分并且使得根系可以继而利用水凝胶所吸收的水的方法和系统。