基于噴灌系統的微酸性電解水生成噴灑系統研究

劉曙光 南松劍 孫少寧 車忠志 王德冰 馬云飛

摘要：為提高微酸性電解水在設施農業領域的規模化應用程度，設計一種基于噴灌系統的微酸性電解水生成噴灑系統。系統主要由輸水管路、水質處理系統、電解執行系統、電解控制系統、彌霧系統等組成，可以完成注水過程、電解過程、出水過程和噴灌過程，工作過程均由STC89C52RC單片機控制4個繼電器自動完成。系統利用10%稀鹽酸溶液作為電解質原液，采用無隔膜電解的方法生成微酸性電解水，結構簡單、操作方便，自動化水平高。整個系統一次電解70 L，電解過程10 min，電解水pH值為5.0～6.5，有效氯濃度可達30 mg/L，可以完成溫室栽培的減農藥應用及規模化設施養殖的消毒殺菌作業。

關鍵詞：微酸性電解水；噴灑施藥系統；殺菌消毒；設施農業

中圖分類號：S237 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）06-0022-04

微酸性電解水是在直流電作用下，通過無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、無化學殘留的優點[1-2]。20世紀80年代中期，日本發明了高電位、低pH、含少量次氯酸的新型消毒劑——氧化電位水，最先應用于食品醫療領域[3]。我國在20世紀90年代中期引進酸性氧化電位水技術，也稱為強酸性電解水，由于其具有高效、安全環保、造價低、可循環利用等優點，可廣泛應用于食品加工、醫學、農業、餐飲、旅游、家庭的消毒殺菌，發展應用前景廣闊[4-5]。但低pH值、高有效氯濃度的強酸性電解水具有較強的腐蝕性，這限制了其在設施農業領域的應用；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的研究熱點[6-7]。本課題研究適用于溫室栽培及規模化設施養殖殺菌消毒的微酸性電解水生成與噴灑一體系統，提高了系統的機械化、自動化程度，以期促進其在設施農業領域的高效廣泛應用。

1 系統結構與工作流程

該系統工作主要包括水質處理過程、注水過程、電解過程、出水過程和噴灌過程，主要裝置包括輸水管路、過濾裝置、電磁閥、電解裝置、水槽、壓力泵、行走及支撐裝置、電動機、噴灌裝置等，系統結構如圖1所示。

系統工作流程為：地下水或水塔中的水經過水質處理裝置后，經電磁閥、流量器進入固定的電解槽，水量由水流量控制器測定，由繼電器控制電磁閥實現穩定注水，定容；與此同時，鹽酸溶液經計量泵按同時段穩定流速注入電解槽，以保證電解液均勻，鹽酸計量泵由繼電器控制；然后電解裝置工作10 min，排出口電磁閥打開，電解水排入水槽中，水槽隨噴灌裝置移動，電解水由隔膜泵加壓經噴嘴彌霧，達到消毒的效果。

2 工作原理

由于消毒殺菌對象直接與植物或動物有關，微酸性電解水是符合實際應用要求的比較理想的電解水應用對象。本課題以10%稀鹽酸溶液作為電解質原液，通過鹽酸計量泵控制，在電解過程中持續穩定泵入電解槽中，采用無隔膜電解的方法，電解液中鹽酸的濃度約為0.1%。

化學反應式如下：

陽極：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↑

陽極反應生成的Cl2，一部分會直接溶解在水中，另一部分會與水反應生成HClO。對于無隔膜電解槽，陰極產生的OH-會部分與陽極的H+中和形成H2O，這樣會使水的pH值升高。當水的pH值在5.0～6.5（微酸性水）的范圍時，Cl2會少部分直接溶解在水中，大部分會與水反應生成HClO。溶解在水中的Cl2和HClO的殺菌能力沒有明顯的區別，但溶解在水中的Cl2很容易逸出，不如HClO穩定，同時逸出的Cl2容易產生一些刺激性氣味。該系統生成噴灑時間連續，大大增加消毒殺菌效果。

3 技術參數

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；電解時間：10 min；系統運行速度：20～30 mL/min；單位時間彌霧量：5

L/min。

4 系統設計

4.1 輸水管路

該系統在原有設施灌溉管路基礎上設計，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，采用內徑3/4″PPR高壓防爆管從主管通過手動換向閥引接電解系統管路；另一部分與噴灑裝置連接，隨行進裝置移動，采用內徑1/2″的高壓軟橡膠輸水管。

4.2 水質處理系統

選用AZUD-100DISC，3/4″進出口疊片式過濾器，置于整個系統前面，最大流量5 m3/h，完全滿足在2 min內注滿電解槽的要求。

4.3 電解執行系統

電解執行系統結構如圖2所示。

電解槽設計為長方體，尺寸為600 mm×400 mm×300 mm，設計電解液容積為70 L。

根據工作要求，電解槽承載壓強至少為0.3 MPa，而且考慮工作過程為電解鹽酸溶液，所以選用抗腐蝕、高潤滑的聚四氟乙烯。電解槽經柱塞沖壓擠出成型，為壁、底厚度均15 mm的長方體敞開容器。

極板選擇電解效果最佳的鍍鉑鈦電極板，電鍍厚度10 μm。為了避免注水過程滯流而導致溢流，要求電解板與電解槽壁的距離單位時間通過的流量至少大于注水流量，因此設計電解板與電解槽壁的距離為30 mm，電解板的規格為370 mm×300 mm×2 mm。根據電解槽長度與極板之間的有效電解距離，設計5對電解板，以正負相對的方式排列，其間隔為55.6 mm。電解板采取蛇形排布，可增加水流動距離，保證鹽酸溶液的均勻性，穩定液流。

為了保證電解槽的強度，固定電解板設置在電解槽蓋板上，每個電解板固定點為3個，通過螺母固定于蓋板上，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，輸入管端部位于進水口軸線上，使水在極板間流動過程中很快均勻稀釋鹽酸。

交流電不能直接對鹽酸溶液進行電解。該系統選用LPS605D高精度數顯可調電壓（范圍0～60 V）直流穩壓電源，電解電壓為0～60 V可調。5個正電極與6個負電極分別并聯，通過電極接出端對應接到直流電源正負極上，工作起止時間由繼電器控制。

4.4 電解控制系統

電解控制主要包括進液、電解、出液控制3個過程，流程圖如圖3所示。控制系統通過C語言編程STC89C52RC單片機控制所有繼電器實現，系統控制流程圖如圖4所示。

進液控制包括水和鹽酸溶液同時進入電解槽，至設定容量。水流量控制器與電磁閥串聯在輸送管路中靠電解槽安裝。通過水流量自動控制器設定流量0.8

L/s，采用電磁繼電器監控水流量自動控制器來控制電磁閥開閉，當過濾后的水經水流量控制器達到70 L時，電磁閥關閉。根據管流量，2 min內可注滿電解槽。采用新道茨的DFD-12-07-X型耐酸堿加藥計量泵靠近電解槽安裝，在注水的同時不斷從鹽酸溶液罐中穩定均勻地抽取鹽酸溶液，當達到設定濃度值0.1%時，繼電器控制計量泵停止工作。當注液結束，繼電器控制電解電源立刻開始工作，電解10 min后，停滯30 s。繼電器控制電磁閥打開，電解水經電磁閥流入儲水桶，3 min后，電磁閥關閉。

4.5 彌霧系統

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，噴嘴出口數量為3，輸液軟管內徑1/2″，噴嘴總數量為6，每個噴嘴噴霧量0.8 L/min，單位時間總彌霧量4.8 L/min。行進過程由噴灌系統電動機驅動，速度20～30 m/min。

5 結語

微酸性電解過程比較復雜，本課題在灌溉系統基礎上研究了集生成與噴灑功能的自動控制規模化消毒殺菌系統，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，達到了微酸性電解水標準，保證了消毒殺菌的作用，且不會影響動植物的生長和危及其生命，也不具有腐蝕性，無殘留。

參考文獻

[1] 梁永婭，余曉青，KURAHASHI MIDORI，等.微酸性電解水的研究與應用展望[J].科技創新導報，2012（34）：27-30.

[2] 王春芳，于勇，和勁松，等.酸性電解水殺菌技術在農業中的應用[J].農業工程，2012（9）：33-37.

[3] 堀田國元，郭永明.酸性電解水的基礎、應用及發展動向[J].中國護理管理，2008，8（4）：7-11.

[4] 鄧立新，黃川，趙淑梅，等.電解水對小白菜種子發芽的影響[J].農機化研究，2010（2）：133-136.

[5] 李里特.電生功能水在農業上的應用研究及展望[J].中國農業信息，2006（1）：15-16.

[6] 朱志偉，李保明，張玥，等.不同處理對酸性電解水物理化學特性的影響[J].食品開發與機械，2008（5）：119-122.

[7] 曹薇，施正香，朱志偉，等.電解水在養殖業的應用展望[J].農業工程學報，2006，22（12）：150-154.

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