基于喷灌系统的微酸性电解水生成喷洒系统研究

刘曙光 南松剑 孙少宁 车忠志 王德冰 马云飞

摘要：为提高微酸性电解水在设施农业领域的规模化应用程度，设计一种基于喷灌系统的微酸性电解水生成喷洒系统。系统主要由输水管路、水质处理系统、电解执行系统、电解控制系统、弥雾系统等组成，可以完成注水过程、电解过程、出水过程和喷灌过程，工作过程均由STC89C52RC单片机控制4个继电器自动完成。系统利用10%稀盐酸溶液作为电解质原液，采用无隔膜电解的方法生成微酸性电解水，结构简单、操作方便，自动化水平高。整个系统一次电解70 L，电解过程10 min，电解水pH值为5.0～6.5，有效氯浓度可达30 mg/L，可以完成温室栽培的减农药应用及规模化设施养殖的消毒杀菌作业。

关键词：微酸性电解水；喷洒施药系统；杀菌消毒；设施农业

中图分类号：S237 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）06-0022-04

微酸性电解水是在直流电作用下，通过无隔膜电解稀盐酸或稀盐酸和NaCl的混合溶液而生成，具有杀菌高效、腐蚀性小、无化学残留的优点[1-2]。20世纪80年代中期，日本发明了高电位、低pH、含少量次氯酸的新型消毒剂——氧化电位水，最先应用于食品医疗领域[3]。我国在20世纪90年代中期引进酸性氧化电位水技术，也称为强酸性电解水，由于其具有高效、安全环保、造价低、可循环利用等优点，可广泛应用于食品加工、医学、农业、餐饮、旅游、家庭的消毒杀菌，发展应用前景广阔[4-5]。但低pH值、高有效氯浓度的强酸性电解水具有较强的腐蚀性，这限制了其在设施农业领域的应用；而具有近中性pH值、低有效氯浓度的微酸性电解水成为近年来的研究热点[6-7]。本课题研究适用于温室栽培及规模化设施养殖杀菌消毒的微酸性电解水生成与喷洒一体系统，提高了系统的机械化、自动化程度，以期促进其在设施农业领域的高效广泛应用。

1 系统结构与工作流程

该系统工作主要包括水质处理过程、注水过程、电解过程、出水过程和喷灌过程，主要装置包括输水管路、过滤装置、电磁阀、电解装置、水槽、压力泵、行走及支撑装置、电动机、喷灌装置等，系统结构如图1所示。

系统工作流程为：地下水或水塔中的水经过水质处理装置后，经电磁阀、流量器进入固定的电解槽，水量由水流量控制器测定，由继电器控制电磁阀实现稳定注水，定容；与此同时，盐酸溶液经计量泵按同时段稳定流速注入电解槽，以保证电解液均匀，盐酸计量泵由继电器控制；然后电解装置工作10 min，排出口电磁阀打开，电解水排入水槽中，水槽随喷灌装置移动，电解水由隔膜泵加压经喷嘴弥雾，达到消毒的效果。

2 工作原理

由于消毒杀菌对象直接与植物或动物有关，微酸性电解水是符合实际应用要求的比较理想的电解水应用对象。本课题以10%稀盐酸溶液作为电解质原液，通过盐酸计量泵控制，在电解过程中持续稳定泵入电解槽中，采用无隔膜电解的方法，电解液中盐酸的浓度约为0.1%。

化学反应式如下：

阳极：H2O→1/2O2↑+2H++2e-2Cl-→Cl2+2e-

Cl2+H2O→HCl+HClO

阴极：4H++4e-→2H2↑ 2H2O+2e-→H2↑+2OH-

总体：2HCl+H2O→HCl+HClO+H2↑

阳极反应生成的Cl2，一部分会直接溶解在水中，另一部分会与水反应生成HClO。对于无隔膜电解槽，阴极产生的OH-会部分与阳极的H+中和形成H2O，这样会使水的pH值升高。当水的pH值在5.0～6.5（微酸性水）的范围时，Cl2会少部分直接溶解在水中，大部分会与水反应生成HClO。溶解在水中的Cl2和HClO的杀菌能力没有明显的区别，但溶解在水中的Cl2很容易逸出，不如HClO稳定，同时逸出的Cl2容易产生一些刺激性气味。该系统生成喷洒时间连续，大大增加消毒杀菌效果。

3 技术参数

电解电压：0～60 V；电解pH值：5.0～6.5；有效氯浓度：0～30 mg/L；电解量：70 L；电解时间：10 min；系统运行速度：20～30 mL/min；单位时间弥雾量：5

L/min。

4 系统设计

4.1 输水管路

该系统在原有设施灌溉管路基础上设计，共包括两部分：一部分与生成装置连接，可置于温室或棚舍一端，采用内径3/4″PPR高压防爆管从主管通过手动换向阀引接电解系统管路；另一部分与喷洒装置连接，随行进装置移动，采用内径1/2″的高压软橡胶输水管。

4.2 水质处理系统

选用AZUD-100DISC，3/4″进出口叠片式过滤器，置于整个系统前面，最大流量5 m3/h，完全满足在2 min内注满电解槽的要求。

4.3 电解执行系统

电解执行系统结构如图2所示。

电解槽设计为长方体，尺寸为600 mm×400 mm×300 mm，设计电解液容积为70 L。

根据工作要求，电解槽承载压强至少为0.3 MPa，而且考虑工作过程为电解盐酸溶液，所以选用抗腐蚀、高润滑的聚四氟乙烯。电解槽经柱塞冲压挤出成型，为壁、底厚度均15 mm的长方体敞开容器。

极板选择电解效果最佳的镀铂钛电极板，电镀厚度10 μm。为了避免注水过程滞流而导致溢流，要求电解板与电解槽壁的距离单位时间通过的流量至少大于注水流量，因此设计电解板与电解槽壁的距离为30 mm，电解板的规格为370 mm×300 mm×2 mm。根据电解槽长度与极板之间的有效电解距离，设计5对电解板，以正负相对的方式排列，其间隔为55.6 mm。电解板采取蛇形排布，可增加水流动距离，保证盐酸溶液的均匀性，稳定液流。

为了保证电解槽的强度，固定电解板设置在电解槽盖板上，每个电解板固定点为3个，通过螺母固定于盖板上，可随盖板一起安装与拆卸。电解槽盖板尺寸为660 mm×460 mm×15 mm，材料为聚四氟乙烯。

进水口和排液口位于电解槽两端，直径均为25 mm，距离近邻壁和底的距离为15 mm。盐酸溶液进口直径6 mm，距离近邻壁和底的距离为15 mm，输入管端部位于进水口轴线上，使水在极板间流动过程中很快均匀稀释盐酸。

交流电不能直接对盐酸溶液进行电解。该系统选用LPS605D高精度数显可调电压（范围0～60 V）直流稳压电源，电解电压为0～60 V可调。5个正电极与6个负电极分别并联，通过电极接出端对应接到直流电源正负极上，工作起止时间由继电器控制。

4.4 电解控制系统

电解控制主要包括进液、电解、出液控制3个过程，流程图如图3所示。控制系统通过C语言编程STC89C52RC单片机控制所有继电器实现，系统控制流程图如图4所示。

进液控制包括水和盐酸溶液同时进入电解槽，至设定容量。水流量控制器与电磁阀串联在输送管路中靠电解槽安装。通过水流量自动控制器设定流量0.8

L/s，采用电磁继电器监控水流量自动控制器来控制电磁阀开闭，当过滤后的水经水流量控制器达到70 L时，电磁阀关闭。根据管流量，2 min内可注满电解槽。采用新道茨的DFD-12-07-X型耐酸碱加药计量泵靠近电解槽安装，在注水的同时不断从盐酸溶液罐中稳定均匀地抽取盐酸溶液，当达到设定浓度值0.1%时，继电器控制计量泵停止工作。当注液结束，继电器控制电解电源立刻开始工作，电解10 min后，停滞30 s。继电器控制电磁阀打开，电解水经电磁阀流入储水桶，3 min后，电磁阀关闭。

4.5 弥雾系统

选用DP-150型隔膜泵（功率40 W，最大流程5.3 L/min，电压24 V）；采用QJ353-500-1-NYB型喷嘴体，喷嘴出口数量为3，输液软管内径1/2″，喷嘴总数量为6，每个喷嘴喷雾量0.8 L/min，单位时间总弥雾量4.8 L/min。行进过程由喷灌系统电动机驱动，速度20～30 m/min。

5 结语

微酸性电解过程比较复杂，本课题在灌溉系统基础上研究了集生成与喷洒功能的自动控制规模化消毒杀菌系统，生成的电解水pH在5.0～6.5之间，有效氯浓度在0～30 mg/L之间可调，达到了微酸性电解水标准，保证了消毒杀菌的作用，且不会影响动植物的生长和危及其生命，也不具有腐蚀性，无残留。

参考文献

[1] 梁永娅，余晓青，KURAHASHI MIDORI，等.微酸性电解水的研究与应用展望[J].科技创新导报，2012（34）：27-30.

[2] 王春芳，于勇，和劲松，等.酸性电解水杀菌技术在农业中的应用[J].农业工程，2012（9）：33-37.

[3] 堀田国元，郭永明.酸性电解水的基础、应用及发展动向[J].中国护理管理，2008，8（4）：7-11.

[4] 邓立新，黄川，赵淑梅，等.电解水对小白菜种子发芽的影响[J].农机化研究，2010（2）：133-136.

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[6] 朱志伟，李保明，张玥，等.不同处理对酸性电解水物理化学特性的影响[J].食品开发与机械，2008（5）：119-122.

[7] 曹薇，施正香，朱志伟，等.电解水在养殖业的应用展望[J].农业工程学报，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