Проблемы поддержания кислотности растворов для гидропонного выращивания овощей

В статье рассматриваются проблемы гидропонного выращивания овощных культур в Республике Узбекистан, в частности вопросы регулирования кислотности питательных растворов. Методы химического регулирования не дают должного эффекта и имеют ряд существенных недостатков. Экспериментальные исследования показали, что оптимальным методом управления рН растворов является электродиализное разделение на ионоселективных мембранах.

Ключевые слова: гидропоника, оптимальная кислотность, рН-метр, электродиализ, мембрана

В условиях дефицита пресной воды очень важно развитие растениеводства на гидропонике (возделывание растений без почвы на питательных растворах). В Республике Узбекистан этому методу сейчас уделяется большое внимание. Для увеличения производства свежих овощей и фруктов разрабатываются правительственные программы по развитию и созданию тепличных комплексов с применением технологии гидропоники [1].

Некоторые частные хозяйства уже применяют гидропонное выращивании, но при этом сталкиваются с рядом проблем, одной из которых является подготовка питательных растворов.

Среди требуемых характеристик питательных растворов важнейшим показателем является кислотность, характеризующаяся содержанием ионов водорода. От кислотности питательного раствора сильно зависит рост растений. В процессе питания растение поглощает некоторые анионы и катионы, нарушая их баланс, в результате чего изменяется кислотность питательного раствора. Например, из растворенного в воде сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ растения поглощают в основном ион аммония, так что в растворе происходит накопление иона серной кислоты (повышается кислотность раствора). Напротив, растворенная в воде калийная селитра KNO₃ является для растений источником нитрат-аниона, приводя к накоплению катиона калия (подщелачивание раствора). Многие другие минеральные удобрения также вызывают изменение кислотности питательного раствора.

При сильном подкислении питательной среды (рН<4) нарушается процесс поглощения растением катионов, а ионы водорода могут проникнуть в ткани и повысить кислотность клеточного сока. При значительном подщелачивании питательного раствора (рН>8) растения перестают поглощать анионы. Кроме прямого воздействия на растения, рН среды влияет усвояемость растениями некоторых солей. Таким образом, очень важен контроль и своевременное регулирование кислотности раствора. Для большинства растений оптимальной является кислотность среды рН 5,5–6,5 [2].

Поддержание кислотности раствора на этом уровне является достаточно сложной задачей. Обычно используются различные реагенты (содержат фосфорную или серную кислоту либо едкое кали), для подачи которых требуются точные дозаторы. Предлагаемые в настоящее время приборы для автоматического контроля и регулирования рН растворов с помощью реагентов имеют очень высокую стоимость и не подходят для небольших фермерских хозяйств. Поэтому актуальным является вопрос разработки более доступных устройств.

В Ташкентском институте инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства проблемами качества воды (в том числе, технологической) занимаются на кафедре «Экология и управление водными ресурсами». Для подбора оптимальной технологии управления кислотностью питательных растворов для гидропонного выращивания растений был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований.

Учитывая, что наиболее распространенным является поддержание кислотности с помощью реагентов, специалистами кафедры была разработана и опробована система автоматического управления кислотностью питательного раствора (рис. 1). Подготовленный в ёмкости питательный раствор подаётся насосом в трубопровод, в котором установлен электрохимический датчик контроля рН. При измерении такой датчик даёт выходной сигнал в форме гальванического напряжения. Точность измерений составляет ±0,1 рН при допускаемом для растений отклонении от оптимальных значений +0,2 рН.

Сигналы датчика усиливаются с помощью усилителя, имеющего большое входное сопротивление, поэтому только при отклонении рН раствора от заданного значения сигнал передается исполнительному механизму. Исполнительный механизм изменяет величину подачи раствора корректирующих рН реагентов из растворного бака.

Результаты исследований показали, что полученная система имеет ряд недостатков. При использовании системы реагентов, несмотря на наличие автоматического контроля, наблюдается большая инерционность процесса. Это объясняется инерционностью самих датчиков рН. Кроме того, отмечалось не всегда правильное срабатывание исполнительного механизма, дозирование реагентов не осуществляется с достаточной точностью. Ещё одним недостатком является необходимость подготовки различных регулирующих растворов с определенной концентрацией.

Эти недостатки потребовали поиска других решений. Управление рН различных жидкостей может выполняться с помощью электродиализного разделения воды на катион- и анионпроницаемых мембранах [3–5]. Электродиализное регулирование рН позволяет исключить такие недостатки реагентного метода, как выпадение нерастворимых осадков при изменении значений рН; забивания отверстий дозаторов; неточностей в получении заданной кислотности. Принципиальная схема электродиализного разделения с подщелачиванием жидкости представлена на рис. 2. Аналогичным образом выполняется подкисление жидкостей.

Рис. 2. Схема подщелачивания раствора с помощью электродиализного разделения

Большинство существующих методов электродиализного разделения при всех своих достоинствах не лишены серьезных недостатков, связанных с дестабилизацией электролитической жидкости с заданным уровнем pH при обработке. К тому же, как правило, может наблюдаться разрушение обрабатываемых растворов вблизи электродов, нарушение органолептических свойств, загрязнение продуктами электрохимических реакций и неравномерное изменение кислотности по объёму. Свойственная процессу высокая энергоемкость делает невозможным достижение высокой эффективности и экологической надежности.

Среди предлагаемых в области электродиализного регулирования рН технических решений интерес исследовательского коллектива вызвала система для повышения или понижения уровня кислотности в потоке жидкости, предложенная Лобовко А. В. и описанная в [6].

Данная система представляют собой динамический электрохимический реактор без подвижных частей, с титановыми катодами и многослойными анодами из углерод-углеродных композиционных материалов (рис. 3).

Отмечается достижение минимальной толщины слоя обрабатываемой жидкости в межэлектродном пространстве благодаря подаче через U-образный канал, разделяющий поток жидкости на две ветви.

Указанная система отличается от других аналогов очень малым расходом энергии, а также гарантирует длительную стабилизацию обработанного раствора. Данная функция осуществляется за счет воздействия на жидкость краевого эффекта, возникающего при обтекании электродов, имеющих периферийную кромку. По сравнению с применявшимся авторами методом химического регулирования рН длительность стабилизирующего воздействия возрастает в 1,5–2 раза, а удельный расход энергии в 1,1–1,3 раза меньше, причем электрический потенциал внутри потока жидкости отсеется неизменным в продолжение всего рабочего цикла. Однако исследования свойств аппарата показывают, что на активной поверхности отрицательного электрода (катода) может наблюдаться образование накипи и осаждение твердых солей. Кроме того, из-за присутствия в гидропонных питательных растворах таких элементов как Ca, Mg, K, Fe возникает металлизация электрода, особенно по краям (отрицательное влияние краевого эффекта). Для устранения этих недостатков требуется предварительная обработка жидкости, которую Лобовко А. В. предлагает производить с помощью магнитного поля [7]. Выполнение этого процесса вызывало некоторые технические затруднения у авторов данной статьи и не дало ожидаемого эффекта.

В целом, экспериментальные исследования метода Лобовко А. В. дали положительные результаты. При обработке раствора с расходом 50 л/час, имеющего уровень рН 7,5, длительность процесса обработки составила 8 секунд, а конечное значение рН составило 5,6 (оптимальная кислотность для томатов).

Таким образом, можно сделать вывод, что для регулирования кислотности гидропонных растворов с успехом может применяться метод электродиализного разделения растворов. Данный метод позволяет получить стабильные показатели кислотности раствора без изменения органолептических свойств. Некоторые недостатки метода — образование накипи и металлизация электрода — нуждаются в дальнейших исследованиях и доработке.

Литература:

1. В Узбекистане инициируют развитие гидропонных теплиц (Эл. ресурс). Режим доступа: URL: http://greentalk.ru/topic/8630/ Дата обращения 25.10.2018.
2. Кислотность питательного раствора (Эл. ресурс). Режим доступа: URL: https://floragrowing.com/ru/encyclopedia/kislotnost-pitatelnogo-rastvora. Дата обращения 30.10.2018.
3. Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов [Текст]: Пат. № 2658028 РФ: МПК C02F1/461 / Дмитриенко В.П.; заявитель и патентообладатель ООО «АкваГелиос».
4. Электродиализированные композиции и способ обработки водных растворов электродиализом [Текст]: Пат. № RU2358911C2 МПК C02F1/4693 / Колин П. Краули, Джимбай П. Лох; заявитель и патентообладатель Крафт Фудз Холдингс, Инк.
5. Process for adjusting the pH of an aqueous flowable fluid: Pat. US4936962A: Stratos E. Hatzidimitriu; Int. Cl. C25B 3/00; A23L 2/22 / Assignee FMC Corporation, Philadelphia. — Appl. No.: 317,328; Filed: Mar. 1, 1989; Date of Patent Jun. 26, 1990.
6. Лобовко А. В. Пути решения проблемы регулирования кислотности технологических жидкостей // Молодой учёный. — 2018. — № 44. — URL https://moluch.ru/archive/230/53416/
7. Apparatus, program, system and process for in-flow increasing or decreasing the acidity of a fluid, including water and water solutions for surfaces of glass treatment, cleaning and disinfection. Patent US 62/628296. Priority date: 02/09/2018.