В статье описывается исследование возможности регулирования кислотности питательных гидропонных растворов с помощью обработки в электрохимическом реакторе. Проведенные экспериментальные исследования показали, что управление кислотностью следует осуществлять путем подготовки электродиализных композиций из чистой воды. Полученные рабочие растворы имеют хорошие органолептические показатели и высокую стабильность.
Ключевые слова: гидропоника, оптимальная кислотность, электродиализ, концентрация ионов, стабильность
Выращивание растений на гидропонике приобретает всё большую популярность в Узбекистане в связи с ограниченностью ресурсов пресной воды. Существующие государственные программы направлены на расширение объёмов гидропонного выращивания овощей и фруктов в теплицах [1].
При применении этого перспективного метода могут возникать проблемы из-за нестабильности свойств питательных растворов. К растворам для гидропонного выращивания предъявляется ряд требований, среди которых основными являются содержание солей и уровень рН. Показатель кислотности питательных растворов постоянно изменяется в результате избирательного поглощения растениями некоторых ионов, что приводит к нарушению кислотно-щелочного баланса [2]. Например, изменение рН в сторону увеличения кислотности связано с поглощением растениями иона аммония из раствора сернокислого аммония и накоплением сульфат-иона. Повышение щелочности может быть связано с поглощением нитрат-иона из раствора нитрата калия и накоплением катиона калия. Причинами изменения кислотности могут быть и другие удобрения.
Изменение кислотности оказывает негативное воздействие на способность растений усваивать необходимые элементы, а также на их рост и развитие, поэтому питательные растворы нуждаются в постоянном контроле и автоматическом регулировании кислотности. Различные овощные культуры требуют разных значений кислотности, но для большинства растений оптимальным значением является рН 5,5–6,5 [2]. Для поддержания нужного уровня кислотности обычно используются растворы реагентов, для подачи которых необходимы дозаторы высокой точности. Поскольку существующие на рынке приборы автоматического контроля и реагентные системы регулирования кислотности растворов не подходят для небольших фермерских хозяйств из-за своей высокой стоимости. Поэтому проблема разработки доступных и надёжных устройств является актуальной задачей. Исследования по решению этой задачи проводятся в Ташкентском институте инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства.
Первоначальная идея авторов заключалась в разработке реагентной системы автоматического управления кислотностью питательного раствора. Однако испытания выявили ряд серьёзных недостатков системы, из-за которых пришлось обратиться к другим методам регулирования кислотности.
Авторы обратились к способу, предложенному А. В. Лобовко [3, 4], и заключающемуся в электродиализной обработке растворов для регулирования их уровня рН. Для проведения экспериментальных исследований была создана опытная лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 1. Основной частью установки является динамический электрохимический реактор (ЭХР), не имеющий движущихся частей. Катоды выполнены из титана, а аноды — из углерод-углеродных композитов.
Рис. 1. Схема электрохимического регулирования рН жидкости
Параметры титановых электродов в установке: ширина 20 мм и длина контактной зоны 300 мм. Расстояние между электродами составляло 6 мм, а расстояние между электродом и мембраной 2,8 мм. Мембраны для разделения ионов были изготовлены из полипропиленовой ткани.
Предварительный эксперимент был проведен на водопроводной воде температурой 20о С с общей минерализацией 900–1000 мг/л, проводимостью около 400 мкСм/см и pH-7.5. Остальные параметры и концентрации примесей соответствовали O’zDSt 950:2011 «Вода питьевая» [5]. Для эксперимента были приняты следующие режимные параметры: расход 250 л/ч, напряжение 52В, сила тока 0,3 А.
В результате эксперимента после прохождения межэлектродного пространства были зафиксированы следующие параметры воды: рН 8,5, проводимость 29 мкСм/см, температура 21,5 °С, общая минерализация 75 мг/л. Таким образом, было отмечено эффективное изменение рН и значительная деминерализация воды при очень небольшом изменении температуры. Наблюдалось также значительное снижение проводимости при повышении кислотности, что объясняется уменьшением количества растворенных солей. Из данного эксперимента был сделан вывод, что в электродиализной установке нельзя подвергать обработке готовые гидропонные растворы, так как в них содержатся необходимые для питания растений соли, уменьшать концентрацию которых нельзя.
Таким образом, для регулирования кислотности питательного раствора следует подвергать обработке в ЭХР чистую воду, чтобы получить в результате рабочую жидкость с высокой кислотностью или щёлочностью для добавления в гидропонный раствор.
Поэтому дальнейшие эксперименты были проведены с использованием в качестве исходной жидкости чистой воды из различных источников, с различными начальными концентрациями солей. Характеристики образцов жидкости, взятых для экспериментов, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика образцов исходной воды
|
№пробы |
Источник воды |
рН |
Органолептические показатели |
||
|
цветность, град |
привкус, балл |
запах, балл |
|||
|
1 |
Канал Боз-Су |
7,79 |
30 |
- |
- |
|
2 |
Река Сыр-Дарья |
7,88 |
68 |
4 |
3 |
|
3 |
Озеро Восточно-Арнасайское |
5,37 |
40 |
3 |
- |
С каждым образцом эксперименты проводились в 10 повторностях при различных значениях периода обработки (от 30 мин до 200). По результатам экспериментов были выявлены рациональные периоды обработки для получения заданных значений рН. Некоторые результаты экспериментов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты обработки различных образцов воды вЭХР
|
№пробы |
Период обработки, мин |
Напряжение, В/элемент; Плотность тока, А/м2 |
рН |
Концентрация ионов (мн) |
|||||||
|
Са2+ |
Mg2+ |
К+ |
Na+ |
Cl- |
SO2–4 |
Σкатионов |
|||||
|
№ 1 |
До ЭХР |
67 |
6,1; 1000 |
7,79 |
6,97 |
0,30 |
6,93 |
17,75 |
17,54 |
9,37 |
31,95 |
|
После ЭХР |
1,7 |
0,50 |
<0,01 |
2,42 |
0,47 |
17,54 |
9,37 |
3,39 |
|||
|
№ 2 |
До ЭХР |
90 |
6,1; 1000 |
7,88 |
1,92 |
0,95 |
0,05 |
114 |
114 |
1,21 |
307 |
|
После ЭХР |
1,1 |
0,02 |
0,02 |
0,01 |
37,3 |
114 |
1,21 |
37,35 |
|||
|
№ 3 |
До ЭХР |
150 |
6,0; 250 |
5,37 |
11,60 |
4,77 |
0,05 |
1,91 |
1,86 |
11,24 |
16,76 |
|
После ЭХР |
10,9 |
11,60 |
4,77 |
0,05 |
1,91 |
1,78 |
11,24 |
16,68 |
|||
По результатам эксперимента было отмечено следующее:
‒ обработанные растворы не имеют посторонних запаха, привкуса, цвета;
‒ после обработки в мембранном электрохимическом реакторе можно получить электродиализованные композиции с рН от 1 до 13 — для кислых композиций рН=1…5, для основных рН=9…13.
‒ содержание свободного хлора в обработанных растворах не превышает 1 части на млн.
Кроме получения требуемых рабочих характеристик растворов необходимо обеспечить их стабильность. Если стабильность питательного раствора не обеспечена, при образовании осадка может происходить забивание дозаторов и других частей системы питания, а при повышенной коррозионной активности раствора — разрушение внутренней поверхности аппаратуры.
Согласно [3, 4] обработка в ЭХР сопровождается длительным стабилизирующим воздействием на раствор за счет краевого эффекта, возникающего при обтекании жидкостью периферийной кромки электродов.
Для получения более точных сведений нами была проверена стабильность получаемых обработкой в ЭХР жидкостей. Имеется несколько различных методов проверки стабильности.
Испытание на стабильность представляет собой сложный процесс из-за участия множества факторов, влияющих на стабильность продукта: взаимодействие между активными ингредиентами и другими компонентами, последующий технологический процесс, тип и материал ёмкостей, а также тепловые и влажностные условия, возникающие при хранении готовой жидкости. В зависимости от цели и последующих шагов процедуры тестирования стабильности классифицируются по следующим четырем типам [6]: 1) проверка стабильности в реальном времени; 2) ускоренное тестирование; 3) тестирование выдержанных образцов (после длительного хранения); 4) циклическое температурное стресс-тестирование.
Большинство из данных методов предполагает большую продолжительность испытательного периода, чтобы обеспечить значительную деградацию продукта в соответствии с рекомендуемыми условиями хранения, транспортировки и использования. Поскольку растворы для гидропоники используются быстро и не подлежат длительному хранению, для них можно проводить ускоренное тестирование.
Для ускоренного тестирования нами был выбран метод насыщения раствора карбонатом кальция с последующим определением индекса стабильности:
где рНисх, рНнас — показатель рН воды соответственно до и после насыщения карбонатом кальция.
Проведенные эксперименты показали, что для всех обработанных растворов индекс стабильности составляет С=1…2, что соответствует понятиям «вода стабильна» и «вода не полностью стабильна» [7].
Таким образом, экспериментально полученные данные свидетельствуют о возможности применения электродиализного метода для подготовки жидкостей, регулирующих рН гидропонных растворов.
Работа установки характеризуется малым удельным расходом энергии (примерно в 1,2 раза меньше, чем для реагентных методов) и сохранением электрического потенциала в потоке жидкости на протяжение рабочего цикла.
В процессе испытаний был отмечен такой недостаток, как образование слоя накипи и солей на поверхности катода. Устранить эти недостатки может предварительная обработка в магнитном поле [3, 4], для которой необходима дополнительная модификация установки.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что для регулирования уровня рН гидропонных растворов возможно применение электродиализной обработке, которой должны подвергаться не сами питательные растворы, а обычная вода. Полученные электродиализные композиции с различным уровнем рН могут использоваться для подкисления и подщелачивания гидропонных растворов. Электродиализная обработка позволяет получить высокие показатели стабильности жидкости без ухудшения органолептических показателей. Для предотвращения образования накипи и металлизации электродов необходимо применение магнитной обработки, что составляет задачу дальнейших исследований.
Литература:
- В Узбекистане инициируют развитие гидропонных теплиц (Эл. ресурс). Режим доступа: URL: http://greentalk.ru/topic/8630/ Дата обращения 10.11.2018.
- Кислотность питательного раствора (Эл. ресурс). Режим доступа: URL: https://floragrowing.com/ru/encyclopedia/kislotnost-pitatelnogo-rastvora. Дата обращения 12.11.2018.
- Лобовко А. В. Пути решения проблемы регулирования кислотности технологических жидкостей // Молодой ученый. — 2018. — № 44. — URL https://moluch.ru/archive/230/53416/ (дата обращения: 06.11.2018)
- 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.
- O’zDSt 950:2011. Вода питьевая.
- Sanjay Bajaj, Dinesh Singla and Neha Sakhuja. Stability Testing of Pharmaceutical Products // Journal of Applied Pharmaceutical Science 02 (03); 2012: 129–138
- Расчет индекса Ланжелье и индекса стабильности Ризнера. (Эл. ресурс). Режим доступа: URL: http://www.h-flow.ru/texnologii/raschet-indeksa-lanzhelier-i-indeksa-rizner/ Дата обращения 17.11.2018.
