基于噴灌系統(tǒng)的微酸性電解水生成噴灑系統(tǒng)研究

劉曙光 南松劍 孫少寧 車(chē)忠志 王德冰 馬云飛

摘要：為提高微酸性電解水在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用程度，設(shè)計(jì)一種基于噴灌系統(tǒng)的微酸性電解水生成噴灑系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由輸水管路、水質(zhì)處理系統(tǒng)、電解執(zhí)行系統(tǒng)、電解控制系統(tǒng)、彌霧系統(tǒng)等組成，可以完成注水過(guò)程、電解過(guò)程、出水過(guò)程和噴灌過(guò)程，工作過(guò)程均由STC89C52RC單片機(jī)控制4個(gè)繼電器自動(dòng)完成。系統(tǒng)利用10%稀鹽酸溶液作為電解質(zhì)原液，采用無(wú)隔膜電解的方法生成微酸性電解水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，自動(dòng)化水平高。整個(gè)系統(tǒng)一次電解70 L，電解過(guò)程10 min，電解水pH值為5.0～6.5，有效氯濃度可達(dá)30 mg/L，可以完成溫室栽培的減農(nóng)藥應(yīng)用及規(guī)?；O(shè)施養(yǎng)殖的消毒殺菌作業(yè)。

關(guān)鍵詞：微酸性電解水；噴灑施藥系統(tǒng)；殺菌消毒；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）06-0022-04

微酸性電解水是在直流電作用下，通過(guò)無(wú)隔膜電解稀鹽酸或稀鹽酸和NaCl的混合溶液而生成，具有殺菌高效、腐蝕性小、無(wú)化學(xué)殘留的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。20世紀(jì)80年代中期，日本發(fā)明了高電位、低pH、含少量次氯酸的新型消毒劑——氧化電位水，最先應(yīng)用于食品醫(yī)療領(lǐng)域[3]。我國(guó)在20世紀(jì)90年代中期引進(jìn)酸性氧化電位水技術(shù)，也稱(chēng)為強(qiáng)酸性電解水，由于其具有高效、安全環(huán)保、造價(jià)低、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于食品加工、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、餐飲、旅游、家庭的消毒殺菌，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊[4-5]。但低pH值、高有效氯濃度的強(qiáng)酸性電解水具有較強(qiáng)的腐蝕性，這限制了其在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；而具有近中性pH值、低有效氯濃度的微酸性電解水成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[6-7]。本課題研究適用于溫室栽培及規(guī)?；O(shè)施養(yǎng)殖殺菌消毒的微酸性電解水生成與噴灑一體系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化程度，以期促進(jìn)其在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高效廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程

該系統(tǒng)工作主要包括水質(zhì)處理過(guò)程、注水過(guò)程、電解過(guò)程、出水過(guò)程和噴灌過(guò)程，主要裝置包括輸水管路、過(guò)濾裝置、電磁閥、電解裝置、水槽、壓力泵、行走及支撐裝置、電動(dòng)機(jī)、噴灌裝置等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程為：地下水或水塔中的水經(jīng)過(guò)水質(zhì)處理裝置后，經(jīng)電磁閥、流量器進(jìn)入固定的電解槽，水量由水流量控制器測(cè)定，由繼電器控制電磁閥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定注水，定容；與此同時(shí)，鹽酸溶液經(jīng)計(jì)量泵按同時(shí)段穩(wěn)定流速注入電解槽，以保證電解液均勻，鹽酸計(jì)量泵由繼電器控制；然后電解裝置工作10 min，排出口電磁閥打開(kāi)，電解水排入水槽中，水槽隨噴灌裝置移動(dòng)，電解水由隔膜泵加壓經(jīng)噴嘴彌霧，達(dá)到消毒的效果。

2 工作原理

由于消毒殺菌對(duì)象直接與植物或動(dòng)物有關(guān)，微酸性電解水是符合實(shí)際應(yīng)用要求的比較理想的電解水應(yīng)用對(duì)象。本課題以10%稀鹽酸溶液作為電解質(zhì)原液，通過(guò)鹽酸計(jì)量泵控制，在電解過(guò)程中持續(xù)穩(wěn)定泵入電解槽中，采用無(wú)隔膜電解的方法，電解液中鹽酸的濃度約為0.1%。

化學(xué)反應(yīng)式如下：

陽(yáng)極：H2O→1/2O2↑+2H++2e-2Cl-→Cl2+2e-

Cl2+H2O→HCl+HClO

陰極：4H++4e-→2H2↑ 2H2O+2e-→H2↑+2OH-

總體：2HCl+H2O→HCl+HClO+H2↑

陽(yáng)極反應(yīng)生成的Cl2，一部分會(huì)直接溶解在水中，另一部分會(huì)與水反應(yīng)生成HClO。對(duì)于無(wú)隔膜電解槽，陰極產(chǎn)生的OH-會(huì)部分與陽(yáng)極的H+中和形成H2O，這樣會(huì)使水的pH值升高。當(dāng)水的pH值在5.0～6.5（微酸性水）的范圍時(shí)，Cl2會(huì)少部分直接溶解在水中，大部分會(huì)與水反應(yīng)生成HClO。溶解在水中的Cl2和HClO的殺菌能力沒(méi)有明顯的區(qū)別，但溶解在水中的Cl2很容易逸出，不如HClO穩(wěn)定，同時(shí)逸出的Cl2容易產(chǎn)生一些刺激性氣味。該系統(tǒng)生成噴灑時(shí)間連續(xù)，大大增加消毒殺菌效果。

3 技術(shù)參數(shù)

電解電壓：0～60 V；電解pH值：5.0～6.5；有效氯濃度：0～30 mg/L；電解量：70 L；電解時(shí)間：10 min；系統(tǒng)運(yùn)行速度：20～30 mL/min；單位時(shí)間彌霧量：5

L/min。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 輸水管路

該系統(tǒng)在原有設(shè)施灌溉管路基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，共包括兩部分：一部分與生成裝置連接，可置于溫室或棚舍一端，采用內(nèi)徑3/4″PPR高壓防爆管從主管通過(guò)手動(dòng)換向閥引接電解系統(tǒng)管路；另一部分與噴灑裝置連接，隨行進(jìn)裝置移動(dòng)，采用內(nèi)徑1/2″的高壓軟橡膠輸水管。

4.2 水質(zhì)處理系統(tǒng)

選用AZUD-100DISC，3/4″進(jìn)出口疊片式過(guò)濾器，置于整個(gè)系統(tǒng)前面，最大流量5 m3/h，完全滿(mǎn)足在2 min內(nèi)注滿(mǎn)電解槽的要求。

4.3 電解執(zhí)行系統(tǒng)

電解執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電解槽設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，尺寸為600 mm×400 mm×300 mm，設(shè)計(jì)電解液容積為70 L。

根據(jù)工作要求，電解槽承載壓強(qiáng)至少為0.3 MPa，而且考慮工作過(guò)程為電解鹽酸溶液，所以選用抗腐蝕、高潤(rùn)滑的聚四氟乙烯。電解槽經(jīng)柱塞沖壓擠出成型，為壁、底厚度均15 mm的長(zhǎng)方體敞開(kāi)容器。

極板選擇電解效果最佳的鍍鉑鈦電極板，電鍍厚度10 μm。為了避免注水過(guò)程滯流而導(dǎo)致溢流，要求電解板與電解槽壁的距離單位時(shí)間通過(guò)的流量至少大于注水流量，因此設(shè)計(jì)電解板與電解槽壁的距離為30 mm，電解板的規(guī)格為370 mm×300 mm×2 mm。根據(jù)電解槽長(zhǎng)度與極板之間的有效電解距離，設(shè)計(jì)5對(duì)電解板，以正負(fù)相對(duì)的方式排列，其間隔為55.6 mm。電解板采取蛇形排布，可增加水流動(dòng)距離，保證鹽酸溶液的均勻性，穩(wěn)定液流。

為了保證電解槽的強(qiáng)度，固定電解板設(shè)置在電解槽蓋板上，每個(gè)電解板固定點(diǎn)為3個(gè)，通過(guò)螺母固定于蓋板上，可隨蓋板一起安裝與拆卸。電解槽蓋板尺寸為660 mm×460 mm×15 mm，材料為聚四氟乙烯。

進(jìn)水口和排液口位于電解槽兩端，直徑均為25 mm，距離近鄰壁和底的距離為15 mm。鹽酸溶液進(jìn)口直徑6 mm，距離近鄰壁和底的距離為15 mm，輸入管端部位于進(jìn)水口軸線上，使水在極板間流動(dòng)過(guò)程中很快均勻稀釋鹽酸。

交流電不能直接對(duì)鹽酸溶液進(jìn)行電解。該系統(tǒng)選用LPS605D高精度數(shù)顯可調(diào)電壓（范圍0～60 V）直流穩(wěn)壓電源，電解電壓為0～60 V可調(diào)。5個(gè)正電極與6個(gè)負(fù)電極分別并聯(lián)，通過(guò)電極接出端對(duì)應(yīng)接到直流電源正負(fù)極上，工作起止時(shí)間由繼電器控制。

4.4 電解控制系統(tǒng)

電解控制主要包括進(jìn)液、電解、出液控制3個(gè)過(guò)程，流程圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)C語(yǔ)言編程STC89C52RC單片機(jī)控制所有繼電器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。

進(jìn)液控制包括水和鹽酸溶液同時(shí)進(jìn)入電解槽，至設(shè)定容量。水流量控制器與電磁閥串聯(lián)在輸送管路中靠電解槽安裝。通過(guò)水流量自動(dòng)控制器設(shè)定流量0.8

L/s，采用電磁繼電器監(jiān)控水流量自動(dòng)控制器來(lái)控制電磁閥開(kāi)閉，當(dāng)過(guò)濾后的水經(jīng)水流量控制器達(dá)到70 L時(shí)，電磁閥關(guān)閉。根據(jù)管流量，2 min內(nèi)可注滿(mǎn)電解槽。采用新道茨的DFD-12-07-X型耐酸堿加藥計(jì)量泵靠近電解槽安裝，在注水的同時(shí)不斷從鹽酸溶液罐中穩(wěn)定均勻地抽取鹽酸溶液，當(dāng)達(dá)到設(shè)定濃度值0.1%時(shí)，繼電器控制計(jì)量泵停止工作。當(dāng)注液結(jié)束，繼電器控制電解電源立刻開(kāi)始工作，電解10 min后，停滯30 s。繼電器控制電磁閥打開(kāi)，電解水經(jīng)電磁閥流入儲(chǔ)水桶，3 min后，電磁閥關(guān)閉。

4.5 彌霧系統(tǒng)

選用DP-150型隔膜泵（功率40 W，最大流程5.3 L/min，電壓24 V）；采用QJ353-500-1-NYB型噴嘴體，噴嘴出口數(shù)量為3，輸液軟管內(nèi)徑1/2″，噴嘴總數(shù)量為6，每個(gè)噴嘴噴霧量0.8 L/min，單位時(shí)間總彌霧量4.8 L/min。行進(jìn)過(guò)程由噴灌系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度20～30 m/min。

5 結(jié)語(yǔ)

微酸性電解過(guò)程比較復(fù)雜，本課題在灌溉系統(tǒng)基礎(chǔ)上研究了集生成與噴灑功能的自動(dòng)控制規(guī)?；練⒕到y(tǒng)，生成的電解水pH在5.0～6.5之間，有效氯濃度在0～30 mg/L之間可調(diào)，達(dá)到了微酸性電解水標(biāo)準(zhǔn)，保證了消毒殺菌的作用，且不會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)和危及其生命，也不具有腐蝕性，無(wú)殘留。

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Abstract： In order to improve the application scale of slightly acidic electrolyzed water in the field of facility agriculture， we designed a drug delivery system of slightly acidic electrolyzed water based on spraying system， which was mainly comprised by a water delivery pipeline， a water purification system， a electrolysis execution system， a electrolysis control system， and a mist system. The system can complete the process of water injection， electrolysis， drainage and irrigation. The work process is automatically completed and controlled by the STC89C52RC with 4 relays. The system uses 10% dilute hydrochloric acid solution as the electrolyte solution， and generates slightly acidic electrolyzed water using non-diaphragm electrolysis method. The system has the advantages of simple structure， convenient operation and high automation level. The whole system can generate 70 L electrolytic water in an electrolytic process， the pH value of the electrolytic water can be achieved between 5.0～6.5， and available chlorine concentration up to 30 mg/L with 10 min electrolysis process. The system can realize the reduction of pesticide application in the greenhouse cultivation and disinfection and sterilization in large-scale facilities farming.

Key words： slightly acidic electrolyzed water； spraying pesticide system； sterilization； facility agriculture