СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ ПОЛИВА
METHOD OF PREPARING WATER FOR IRRIGATION

Изобретение относится к сельскохозяйственной мелиорации и может быть использовано для полива овощных и фруктовых культур, садовых насаждений и других сельскохозяйственных культурных растений.
В сельскохозяйственной мелиорации применяются различные способы подготовки воды для полива сельскохозяйственных растений. Так, например, известен способ подготовки воды для полива, включающий пропускание воды через катионит и анионит, в ионных формах которых в качестве катионов и анионов содержатся элементы, входящие в состав растворимых в воде минеральных удобрений (см. патент РФ №2281255, C02F 9/00, 2006). Однако известный способ имеет высокую стоимость, особенно при переходе на большие объемы подготавливаемой воды.
Снижение затрат на подготовку воды осуществляют, в частности, применяя электрохимические методы обработки. Известен способ обработки путем пропускания воды через электрохимический блок с растворимыми электродами (см. патент РФ №2071245, A01G 25/00, 1997). Растворимые электроды выполнены из металлов или сплавов, ионы которых насыщают воду для полива. Известен способ подготовки воды для полива, включающий обработку воды в анодной и катодной камерах диафрагменного электролизера, причем обработанная в катодной камере вода применяется для полива как самостоятельно, так и в виде смеси с анолитом или в виде раствора удобрений (см. патент РФ №219500, A01G 25/00, 2002).
Недостатком известных способов является сравнительная сложность, а также низкая функциональность, поскольку отсутствует возможность оперативно и направленно изменять характеристики или катодной, или анодной обработки воды.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ обработки воды для полива, включающий обработку исходной воды в катодной камере первого диафрагменного электролизера и смешение ее с продуктом обработки раствора в анодной камере второго диафрагменного электролизера (см. патент РФ №2219761, A01G 25/02, 2003, прототип). Известный способ позволяет сравнительно просто разнонаправленно изменять характеристики анолита и католита. Однако недостатком известного решения является сложность внесения в обработанную воду питательных веществ, так как такое внесение осуществляется введением в воду химических веществ, что требует повышенных трудозатрат на само внесение и растворение реагентов, а также проведения тщательного контроля во избежание повышенного солесодержания поливной воды.
Техническим результатом использования настоящего изобретения является упрощение процесса подготовки воды для полива за счет обеспечения внесения в воду основных элементов (азота, фосфора или их смеси) на стадии электрохимической подготовки без увеличения солесодержания подготовленной воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе подготовки воды для полива, который включает обработку исходной воды в катодной камере первого диафрагменного электролизера и смешение ее с продуктом обработки раствора в анодной камере второго диафрагменного электролизера, в качестве исходной воды используют очищенную пресную воду, на обработку в анодную камеру второго электролизера подают раствор фосфорной или азотной кислоты или их смесь, и обработку в катодной камере первого электролизера ведут до достижения рН 9,5-10,0, а обработку в анодной камере второго электролизера ведут до увеличения исходного окислительно-восстановительного потенциала раствора кислоты на 200-400 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Для обработки целесообразно использовать пресную воду минерализацией 0,2-2,0 г/л.
В анодную камеру второго электролизера подают раствор фосфорной или азотной кислоты или их смесь концентрацией 1-2 г/л.
В качестве диафрагменных электролизеров целесообразно использовать электролизеры с керамической наноструктурированной ультрафильтрационной диафрагмой.
Смешение обработанной исходной воды в катодной камере первого диафрагменного электролизера с продуктом обработки раствора кислоты в анодной камере второго диафрагменного электролизера ведут до достижения рН воды для полива 5,5-7,5.
В случае необходимости после смешения в воду для полива вводят микроэлементы и/или жидкие удобрения.
В случае необходимости обработки сравнительно большого количества воды при ее повышенной минерализации целесообразно использовать первый электролизер и/или второй электролизеры, содержащие более одной катодной и более одной анодной камер, при этом в первом электролизере анодные и катодные камеры соединены последовательно. Во втором электролизере электродные камеры могут быть соединены по такому же принципу или параллельно, что целесообразно при обработке большого объема раствора. Исходную воду подают на обработку в первую по ходу катодную камеру, а на обработку в анодные камеры подают исходную воду, причем подают ее в последнюю по ходу анодную камеру, то есть растворы проходят в каждой анодной и катодной камерах прямотоком, а сами камеры последовательно проходят противотоком. Раствор после обработки в анодных камерах первого электролизера подают на нейтрализацию в катодную камеру или камеры второго электролизера.
В качестве исходной воды используют очищенную пресную воду, например воду из открытых водоемов, очищенную от взвешенных примесей или водопроводную воду. Для обработки целесообразно использовать пресную воду минерализацией 0,2-2,0 г/л. Использование воды с меньшей минерализацией ведет к получению продукта с низким содержанием питательных веществ, что не оказывает положительного влияния на развитие и рост растений. Использование воды с более высокой минерализацией может привести к осаждению нерастворимых гидроокисей на элементах электролизеров. Это приведет к повышенному расходу энергии и трудозатратам на очистку электролизеров. При обработке исходной воды в катодной камере электролизера при повышении рН до значений 9,5-10,0 можно получить микровзвесь нерастворимых гидроксидов металлов, например, магния и кальция, которые являются необходимыми микроэлементами для подкормки растений, и одновременно удалить из обрабатываемой воду такие соединения, как хлориды, сульфаты, которые оказывают отрицательное влияние на растения. Кроме того, микрочастицы гидроксидов легко переходят в раствор при смешении с продуктом обработки кислоты в анодной камере второго электролизера. При меньшем значении рН гидроксиды не образуются. А при большем, чем значения рН 10, частицы гидроксидов коалесцируют с образованием крупных частиц осадка, которые не могут усваиваться растениями.
То, что на обработку в анодную камеру второго электролизера подают раствор фосфорной или азотной кислоты или их смесь, позволяет перевести в обрабатываемую воду для полива полезные вещества, содержащие фосфор и азот, которые являются ценными питательными компонентами. Обработку в анодной камере второго электролизера ведут до увеличения исходного окислительно-восстановительного потенциала раствора кислоты на 200-400 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Указанный режим обусловлен тем, что при незначительном увеличении потенциала - менее 200 мВ - образуется малое количество продуктов электродных реакций, например надкислот, необходимых для образования активированных удобрений, а при увеличении более 400 мВ возрастают непроизводительные затраты электроэнергии.
Концентрацию кислоты или смеси кислот поддерживают на уровне 1-2 г/л. Использование кислоты или смеси кислот с меньшей минерализацией ведет к получению продукта с низким содержанием питательных веществ, что не оказывает положительного влияния на режим роста растений. Использование же более высокой минерализации не обеспечивает условий для синтеза надкислот.
В качестве диафрагменных электролизеров целесообразно использовать электролизеры с керамической наноструктурированной ультрафильтрационной диафрагмой. В электролизерах с такой диафрагмой сохраняется высокая степень постоянства параметров процесса и создается возможность направлено влиять на электроперенос катионов и анионов через диафрагму путем изменения легко регулируемых параметров процесса, таких как плотность тока, давление в камерах и т.п. Может быть использована керамика из оксида алюминия или керамика из смеси оксида алюминия с оксидами других, например редкоземельных, металлов.
Смешение обработанной исходной воды в катодной камере первого диафрагменного электролизера с продуктом обработки раствора кислоты в анодной камере второго диафрагменного электролизера ведут до достижения рН воды для полива 5,5-7,5. Поддержания такого интервала рН обусловлено тем, что при более низких значениях рН увеличивается кислотность поливной воды, что может привести к химическим ожогам растений, а при более высоких значениях начинается выпадение нерастворимых осадков гидроокисей металлов, что снижает питательность поливной воды.
В случае необходимости после смешения в воду для полива вводят микроэлементы и/или жидкие удобрения. Это определяется условиями решаемой задачи и требованиями к подкормке определенных видов растений.
В случае необходимости обработки сравнительно большого количества воды при ее повышенной минерализации целесообразно использовать первый и второй электролизеры, содержащие более одной катодной и более одной анодной камер, при этом в первом электролизере анодные и катодные камеры соединены последовательно. Исходную воду подают на обработку в первую по ходу катодную камеру, а на обработку в анодные камеры подают исходную воду, причем подают ее в последнюю по ходу анодную камеру, то есть растворы проходят в соседних анодной и катодной камерах прямотоком, а сами камеры (анодные или катодные) последовательно проходят противотоком. Раствор после обработки в анодных камерах первого электролизера подают на нейтрализацию в катодную камеру или камеры второго электролизера. Количество и геометрия камер второго электролизера и их гидравлическое соединение определяются требуемой производительностью и исходными условиями - минерализацией исходной воды, ее составом, концентрацией кислоты и т.п. Такая схема организации процесса позволяет избежать засорения диафрагм электрохимических ячеек и перевести значения рН сбрасываемых вод из анодных камер первого электролизера в область нейтральных значений, что повышает экологичность процесса.
Для осуществления способа использовалась установка производительностью 40 л/час. Данная установка, являющаяся частью серии установок, различающихся производительностью, получила название «Росток».
Схема установки приведена на фиг.1.
Установка содержит первый электролизер, выполненный по модульному принципу и содержащий четыре электрохимические ячейки 1-4, каждая из которых разделена керамической диафрагмой на основе оксида алюминия на анодную 5 и катодную 6 камеры. Анодные камеры 5 и катодные камеры 6 ячеек 1-4 соединены последовательно - выход анодной камеры 5 ячейки 1 соединен со входом анодной камеры 5 ячейки 2 и т.д., а выход катодной камеры 6 ячейки 4 соединен со входом катодной камеры ячейки 3 и т.д. Установка содержит линию 7 подачи исходной воды, соединенную с источником воды (открытый водоем, артезианская скважина, водопровод) (не показан). На линии 7 последовательно установлены фильтр 8, регулятор давления 9 и датчик протока 10. После датчика протока 10 к линии 7 присоединена байпасная линия 11 с установленным не ней вентилем 12. Линия 11 соединена с анодной камерой 5 ячейки 1, а линия 7 - с катодной камерой ячейки 4.
Выход катодной камеры 6 ячейки 1 соединен с линией отвода 13 обработанного в катодных камерах 6 ячеек 1-4 раствора. Линия 13 соединена со смесителем 14.
Установка содержит второй электролизер 15 с анодной 16 и катодной 17 камерами, разделенными керамической диафрагмой на основе оксида алюминия. Установка также содержит емкость 18 с раствором кислоты или смеси кислот, линию 19 подачи раствора кислоты из емкости 18 в анодную камеру 16 электролизера 15. На линии 19 между емкостью 18 и входом в анодную камеру 16 последовательно установлены перистальтический насос 20 и манометр 21. Выход анодной камеры 16 соединен линией 22 со смесителем 14. На линии 22 перед соединением со смесителем размещен стабилизатор давления 23. Вход катодной камеры 17 соединен линией 24 с выходом анодной камеры 5 ячейки 4, а выход катодной камеры 17 электролизера 15 соединен с линией 25 отвода в дренаж.
Линия отвода подготовленной для полива воды 26 соединена со смесителем 14.
Установка работает следующим образом. Исходная вода очищается от взвешенных частиц на фильтре 8 и по линии 7 через регулятор давления 9 и датчик протока 10 поступает на обработку в катодную камеру 6 ячейки 4 и, последовательно пройдя катодные камеры ячеек 3, 2 и 1, по линии 13 поступает в смеситель 14.
По байпасной линии 11 исходная вода через вентиль 12 поступает в анодную камеру 5 ячейки 1 и, последовательно пройдя анодные камеры ячеек 2, 3 и 4, по линии 24 направляется в катодную камеру 17 электролизера 15, где нейтрализуется и по линии 25 отводится в дренаж. В анодную камеру 16 электролизера 15 по линии 19 насосом 20 подается раствор кислоты или смеси кислот. Проток через анодную камеру 16 регулируется режимом работы насоса 20 с помощью манометра 21 и стабилизатора давления 23. После обработки в анодной камере 16 раствор кислоты или смеси кислот по линии 22 поступает в смеситель 14, где смешивается с исходной водой, прошедшей обработку в катодных камерах 6 ячеек 1-4. Полученная в результате смешения вода для полива по линии 26 поступает потребителю.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех вариантов его осуществления.
Пример 1. В качестве исходной воды была использована водопроводная вода минерализацией 0,3 г/л и значением рН 7,2. В исходной воде содержались хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, калия, кальция и магния. Концентрация хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов составляла 0,12 г/л, концентрация сульфатов 0,13 г/л, концентрация карбонатов и гидрокарбонатов - 0,04 г/л. Суммарная концентрация хлоридов и сульфатов железа, кобальта, меди, марганца составила 0,01 г/л.
2
Исходная вода под давлением 1,2 кгс/см поступала в катодную камеру 6 ячейки 4 и, пройдя катодные камеры 6 ячеек 3, 2 и 1, поступала в смеситель 14. За счет протекания электрохимической обработки в катодных камерах, вода, поступающая в смеситель 14, имела следующие характеристики: рН 10,3, ОВП=-750 мВ (х.с.э.).
По линии 11 исходная вода, расход которой регулировался вентилем 12, поступала в анодную камеру 5 ячейки 1 и, пройдя анодные камеры 5 ячеек 2, 3 и 4, по линии 24 направлялась в катодную камеру 17 электролизера 15. В результате обработки в анодных камерах исходная вода, поступающая в катодную камеру 17, имела следующие характеристики: рН 3,8; ОВП=+650 мВ (х.с.э.).
3
5
4
2
8
Одновременно с подачей обработанной исходной воды в катодную камеру 17 в анодную камеру 16 электролизера 15 подавался раствор ортофосфорной кислоты, концентрацией 1,1 г/л, имеющий рН 2,2 и ОВП=+490 мВ (х.с.э.). После обработки в анодной камере 16 раствор кислоты имел следующие характеристики: рН 1,9; ОВП=+1015 мВ (х.с.э.), за счет образования надфосфорных кислот, таких как пероксофосфорная (НРО) и пероксопирофосфорная (HPO).
Обработанный раствор активированной кислоты по линии 22 поступал в смеситель 14, где смешивался с обработанной в катодных камера 6 ячеек 1-4 исходной водой. После смешения получена вода с минерализацией 0,29 г/л, имеющая следующие характеристики: рН 6,7; ОВП=-20 мВ (х.с.э.). Указанная вода, содержащая полезные элементы (натриевые, калиевые, магниевые кальциевые, а также металлы примесной группы соли фосфорной и надфосфорных кислот) и имеющая оптимальные характеристики для полива растений, подавалась потребителю.
Пример 2. Воду для полива получали в условиях примера 1, но в качестве раствора кислоты использовали смесь азотной и фосфорной кислот при соотношении 1:1, общей минерализацией 1 г/л, рН 2,1 и ОВП=+658 мВ (х.с.э.).
Полученная в результате вода для полива имела следующие характеристики: рН 6,8; ОВП=-43 мВ (х.с.э.). Общая минерализация воды составляла 0,31 г/л.
Как следует из представленных данных, достигается упрощение процесса подготовки воды для полива при внесении в воду основных питательных элементов (азота, фосфора или их смеси) на стадии электрохимической подготовки без увеличения солесодержания подготовленной воды и без повышения трудозатрат.