SU1715186A3 - Способ регулировани влажности почвы - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматизированному орошению сельскохоз йственных культур. Цель изобретени  - повышение надежности и точности регулировани  влажности почвы в корневой зоне развити растений. Способ включает изменение объема при набухании под воздействием почвен- ной влаги осмотического вещества - гидрогел . При этом измен етс  его осмотический потенциал, и гидрогель, воздейству  при увеличении его объема на гибкую вставку, измен ет ее проходное сечение, измен   во- доподачу в корневую систему растени.й. При этом соотношение объема набухани  при относительной влажности 100% и сухого объема должно быть 25:1-600:1, а размер пор полупроницаемой мембраны, отдел ющей гидрогель от почвы, должен быть не более 0,2 мм в диаметре. Указанные конструктивные особенности устройства дл  реализации способа обеспечивают его высокую чувствительность и эффективность, особенно при выращивании горшечных культур. 4 ил.слс

Description

Изобретение относитс  к сельскому хоз йству и может быть применено дл  автоматической подачи воды в корневую систему растений с учетом оптимального расхода влаги на полив, например, горшечных культур, а также в системах орошени  в засушливых районах. При этом производитс  оптимизированна  непрерывна  подача воды растени м пропорционально израсходованной ими влаги и питательных веществ (минеральных удобрений), растворенных в низких концентраци х в подаваемой воде.

Цель изобретени  - повышение надежности и точности регулировани  влажности.

На фиг 1 показан клапан-регул тор дл  реализации предлагаемого способа, основанный на пережимании при расширении водонабухающего материала, размещенного в гибкой трубке: на фиг. 2 - то же, с

нерегулируемым (не подстраиваемым) поршневым приводом: на фиг. 3 - то же, с регулируемым гибкой-поршнем приводом: на фиг. 4 - клапан-регул тор без гибкой трубки, выполненный в виде седельного клапана с поршневым приводом.

Почва или обычный грунт  вл етс  пористой абсорбированной средой с хорошими дренажными свойствами и поэтому за исключением сильного дожд  (или полива) корни растений не погружены в воду, а взаимодействуют с влажным воздухом, окружающим их и частицы почвы, причем вода  вл етс  перегородкой между газовой фазой и влажным грунтом. Поэтому одним из важнейших качественных показателей орошени  можно считать влажность газовой среды почвы, котора  регулируетс  ее каркасным или осмотическим потенциалом (последний выражаетс  величиной давлени  в барах).

При изменении осмотического потенциала почвы осмотическое вещество, имеющее контакт с почвой (помещенное в почву с возможностью контакта с ее газовой средой ), измен ет свой объем-набухает, пропитыва сь почвенной влагой или, наоборот, усыхает. Изменение объема осмотического вещества, заключенное с двух сторон пространства в замкнутый объем, приводит к перемещению третьей пространственной стороны замкнутого объема. Это перемещение и используетс  в известном устройстве дл  изменени  проходного сечени  гибкой вставки на трубопроводе, подающем воду на орошение.

Однако известные устройства дл  реализации этого способа регулировани  водоподачи к растени м в зависимости от состо ни  почвенной влажности  вл ютс  либо громоздкими, использующими большую массу разбухаемого материала из-за незначительного применени  его объема при изменении состо ни  материала от сухого до набухшего, либо недостаточно чувствительными . Кроме того, пористый элемент составлен из прокладок из ионитовых мембран, отличающихс  высокой степенью набухани . Такие ионообменные мембраны обычно представл ют собой сетчатые полимеры типа гидрогел  из злектролитических мономеров (т.е. они представл ют собой полиэлектролиты), и хот  они могут набухать в дистиллированной воде (без ионов), в основном за счет взаимного отталкивани  их фиксированных зар женных групп, степень их набухани  зависит не только от количества влаги, которую они получили, но и весьма чувствительна к количеству и типу солей, растворенных в воде. Такие соли нейтрализуют электростатические силы отталкивани . Содержание соли в почвенной влаге сильно измен етс , поэтому изменение объема этих пористых ионитовых элементов зависит также от солесодержани , воды, что приводит к ошибкам выдачи поливной нормы . Кроме того, они будут необратимо св зывать такие многовалентные ионы из почвы, как кальций (Са и магний (Мд, и постепенно тер ть большую часть способности к набуханию. Гидрогели (растворы полимеров) менее сетчаты и состо т из веществ (например, полиакриламид) из незар женных безионных полимеров, способность к набуханию которых не зависит от солей и набухать которые могут только в св зи с изменени ми влажности почвы. Полупроницаемые мембраны имеют пористость достаточно большую, чтобы позволить свободно проходить воде и сол м в раствор полимера или гел . При этом необходимы достаточно малые размеры пор, чтобы удерживать растворенные очень большие молекулы полимера или гел , и, следовательно, устройства на основе гидрогелей нечувствительны к любым осмотическим давлени м, которые вызваны

0 растворенными сол ми (если полунепроницаема  мембрана пропустит воду, но не пропустит соли).

Наиболее существенными факторами дл  обеспечени  работоспособности способа  вл ютс  вещество и свойства набухаемого материала. При высокой концентрации осмотический потенциал водного раствора длиннощелочных полимеров повышаетс  (становитс  больше идеального) и требуема  концентраци  полимера при заданном осмотическом потенциале ниже расчетной. Поскольку водный гель с поперечной св зью  вл етс  одной молекулой, его мольна  концентраци  бесконечно мала, а мольна  дол  воды близка к единице независимо от весовой концентрации. Поэтому гели с поперечными св з ми имеют очень малое осмотическое давление при высоких уровн х поперечных св зей, и чем они реже, тем

0 более осмотическое поведение гелей приближаетс  к поведению эквивалентного раствора длинноцепочных полимеров. Такие гели при контактировании с водой набухают , снижа  осмотический потенциал

5 значительно быстрее, чем просто за счет увеличени  объема гел .

Капилл рные, поверхностные, адсорбционные и осмотические силы св зи гигроскопических веществ, например

0 водородна  св зь, а также осмотический потенциал , взаимодействующий с растворенным веществом, уменьшают испарение почвенной воды в газовую фазу почвы. Благодар  этому даже при равновесии во

5 влажной дренированной почве при максимальной влажности относительна  влажность несколько менее 100%, а каркасный потенциал составл ет около 0,3 бар. При высыхании почвы сначала испар етс  вода

0 из крупных капилл ров (с более слабой св зью), затем из мелких, при этом каркасный потенциал становитс  все более отрицательным, и при падении его до потенциала ув дани  растени  могут погибнуть

5 (потенциал на уровне от-10 до-15 бар). Дл  минимального напр жени  и максимального роста растений каркасный потенциал влаги почвы должен быть от -0,3 до -6 бар.

Таким образом, каркасный потенциал ог1редел ет доступность воды корневой системы растений, поэтому при его установившемс  оптимальном значении различные грунты (от глины до песка, например, обладающие очень низкой влагоемкостью, могут функционировать также эффективно, как высококачественные почвы. Устройство дл  определени  относительной влажности грунта (по его каркасному потенциалу) и дл  регулировани  по этому показателю потока воды дл  поддержани  относительно посте нным каркасного потенциала одинаково хорошо работает как со всеми видами растений , так и во всех типах почв (грунтов). Способ, таким образом, включает регулирование относительной влажности в почве, окружающей корни растений, путем введени  в эту зону датчика-регул тора или клапана дл  регулировани  подачи воды в эту зону дл  поддержани  требуемого уровн  влажности, а устройство дл  осуществлени  этого способа представл ет собой осмотический датчик-регул тор относительной влажности, действие которого основано на изменении объема набухающего вещества , заключенного в замкнутом от внешней среды объеме и отделенном от нее водопроницаемой мембраной. Поскольку многие культуры (например, картофель) нуждаютс  в матричных потенциалах пор дка от -0,3 до -0,5 бар дл  получени  хорошего урожа , материалы, использованные в известных устройствах, малочувствительны (например , нейлонполиамид, целлюлозные волокна и др.), набухают максимально на 13%. Осмотическое набухание гелей, наоборот, обеспечивает очень большие изменени  объема при небольших изменени х влажности и набухают, например, 25-кратно по сравнению со своим сухим объемом, когда наступает равновесие воды при 100% относительной влажности, когда гель подвергаетс  воздействию матричного потенциала 0 ,3 бар или 99,978% относительной влажности .

Дл  изготовлени  малогабаритного дашевого ирригационного клапана, осуществл ющего перекрытие проходного сечени  при изменении объема набухающего материала , в нем должен быть применен материал , который работает от закрытого положени  клапана при насыщении (матричный потенциал О бар) до полностью открытого положени  (при - 0,5 бар) необходимо примен ть материал, который будет выдерживать необычное набухание между мокрым и сухим состо ни ми. Только осмотические раствору или гидрогели с небольшими поперечными св з ми могут отвечать этому требованию. Поскольку такие материалы нежесткие, их использование

требует конструкций, совершенно иных по сравнению с известными, и, в частности, требует полунепроницаемых мембран между растворимым или набухаемым материалом и почвой, чтобы удержать материал внутри корпуса клапана.

Размер пор осмотических полупроницаемых мембран может измен тьс  от размеров молекул до микроскопических размеров (например, до 0,2 мм в диаметре), и класс полупроводимых мембран, примененных в предлагаемом устройстве, находитс  значительно выше пределов размеров пор дл  сильно перфорированных структур или дл  капилл ров (ионитовые мембранные прокладки ) и поэтому легко отличаетс  от последних размерами и структурными особенност ми, особенно способностью удерживать материал внутри корпуса клапана .

Дл  эффективного использовани  осмотических растворов и гелей во влагочувствительных клапанах весьма существенно, чтобы набухающий материал в замкнутых объемах делал это достаточно быстро. Скорость реакции в большой степени определ етс  скоростью диффузии воды в полупроницаемой мембране и скоростью диффузии через объем осмотического раствора или гел . Это приводит к необходимости использовани  таких форм набухаемого материала, которые имеют минимальную толщину. Поскольку развитие набухани  пропорционально толщине, это увеличивает необходимость в сильно набухаемой среде (отличающейс  от тех, которые использовались ранее). Однако чувствительность должна несколько зависеть от скорости реакции (котора  измен етс  обратно пропорционально квадрату толщин). Требование уменьшени  толщины вытекает также из необходимости иметь компактные конструкции , которые дешевле и надежнее в работе, но требуют крайне высокой набухаемости (чувствительности).

Использование осмотических растворов с полупроницаемыми мембранами отличает предлагаемый способ от известных ранее набухаемых материалов дл  клапанов , чувствительных к влаге. Гидрогели с незначительными поперечными св з ми, которые могут набухат4Ь минимум 25 раз от их сухого объема, резко отличают их от жидких растворов и гелей, но также больше, чем в 100 раз превышают возможности большинства неионных материалов, ранее использованных дл  таких клапанов.

Дл  реализации способа регулировани  относительной влажности почвы замкнутый объем воды с набухающим материалом в

датчике-регул торе, в котором концентраци  этого материала определ ет относительную влажность почвы, отдел етс  от нее полупроницаемой мембраной, котора  непроницаема дл  водорастворимого или водонабухающего материала, но проницаема дл  воды. В результате осмотического изменени  объема при изменении относительной влажности почвы мембрана, воздейству  изменением давлени  на гибкую вставку (или секцию) в подающем воду трубопроводе , регулирует величину водного потока через трубопровод.

Таким образом, предлагаемый способ позвол ет регулировать относительную влажность среды на установленную величину , использу  замкнутый объем водорастворимого или водонабухающего материала при заданной концентрации. Если, например , влажность в результате орошени  становитс  выше заданного уровн , то вода через мембрану проникает в замкнутый объем , повыша  внутреннее давление материала и сжима  при зтом гибкую секцию или диафрагму, и уменьша  поток воды от источника орошени . Если же влажность почвы становитс  меньше заданной, вода осмотически подаетс  в обратном направлении, внутреннее давление в материале падает, сжимающее усилие на гибкую секцию трубопровода снимаетс  и увеличиваетс  поток воды на орошение почвы. При этом скорость реакции устройства пропорциональна отношению площади наружной поверхности мембраны к изменению в объеме, необходимому дл  перекрыти  потока воды, а также пропорциональна водопроницаемости мембраны и гидрогел . Поскольку оба эти показател  достаточно велики, устройство реагирует (измен ет проходное сечение гибкой вставки в подающем трубопроводе) на изменение влажности почвы достаточно быстро и при не слишком большой скорости подачи воды.

Поток воды на полив получаетс  непрерывным и плавным.

Полупроницаемые мембраны, примен емые дл  ультрафильтрации и обессоливани  морской воды путем обратного осмотического процесса, по своим свойствам подход т дл  устройства, реализующего предлагаемый способ, и пропускают около на каждый 1 см площади при перепаде давлени  в 1 атм, причем выдерживают без разрушени  давление в несколько атмосфер.

Набухающий раствор представл ет собой смешанный гель с небольшими поперечными св з ми, причем набухание гел  не приводит к значительному вспучиванию

через поры сетки, а при возникновении относительного потока воды в устройство гель набухает внутри, что приводит к сжатию гибкой вставки (секции) трубопровода. Наиболее известные гели (желатиновые, агарозовые и др.) набухают менее чем в 10 раз по сравнению с их объемом в сухом виде. Большинство других разбухаемых материалов , которые можно использовать в

0 качестве чувствительных элементов влажности почвы (дерево, кора, целлюлоза и др.), разбухают менее чем на 50% объема.

Таким образом, известные разбухающие вещества имеют недостаточную чувст5 вительность.

Известно, что способность к набуханию гелей повышаетс  с уменьшением плотности их поперечных св зей. Например, дл  использовани  в предлагаемом способе

0 подходит поперечно св занный полиакриламидный гель (с соотношением поперечных к продольным св з м 1:800), который приготавливаетс  следующим образом. Раствор (А), включающий 0,0125, мети5 ленбисакриламида, 10,0 г акриламида, 7,0 г глицерол , 1,0 г мочевины, 0,08 мл тетраметилэтилена , раствор етс  в 50 мл фосфатного буфера (буферный раствор фосфата с 0,3 м, рН 7,0). Раствор затем доводитс  до 90 мл

0 с дальнейшей дозировкой фосфатного буфера . Раствор (Б) готовитс  растворением 0,140 г персульфата аммони  в 10 мл воды. Растворы (А) и (Б) деагизируютс  в вакууме в течение, примерно, 10 мин. Затем они

5 тщательно смешиваютс  и быстро выливаютс  в форму, образованную двум  стекл нными тарелками, разнесенными одна от другой на 2 мм. Раствор принимает гелеобразную форму в течение 5 мин. Спуст  1 ч

0 форма открываетс  и гель, все еще наход щийс  на одной из тарелок формы, сушитс  при 40°С в течение 12 ч.

Высушенный гибкий гель снимаетс  с тарелки, и из листа вырубаютс  диски наружного диаметра (например 9 мм) дл  изобретенного ирригационного клапана, которые вставл ютс  в изобретенный клапан .

Кусок такого высушенного гел  диаметром 9 мм будет иметь толщину 0,25 мм. При погружении в воду на 24 ч его размеры увеличиваютс  до новых равновесных величин, равных, примерно, 18 мм в диаметре и 2,5 мм по толщине, что дает увеличение объема

5 примерно в 40 раз по сравнению с сухим объемом.

Клапан-регул тор содержит корпус 1, который может быть собран из верхней 2 и нижней 3 частей (фиг. 4) и выполн етс  чаще всего цилиндрическим. На корпусе установлена водопроницаема  мембрана 4 с размером пор не более 0,2 мм в диаметре, дл  креплени  которой может быть применена жестка  сетка 5 (фиг. 2-4). Внутри корпуса Л выполнена камера 6, в которой размещены водонабухающий материал (гидрогель 7) и деформируемый гибкий элемент 8 дл  изменени  проходного сечени  клапана, выполненный или в виде эластичной трубки (фиг. 1-3), или в виде круглой диафрагмы (фиг. 4). Изменение проходного сечени  или гидравлического сопротивлени  клапана при набухании гидрогел  7 производитс  надавливанием на него или самим гидрогелем на эластичную трубку (фиг. 1), или поршнем 9 (фиг. 2-4), перемещающимс  в камере 6. Поршень может иметь как выпуклую нажимающую площадку 10 (фиг. 2 и 4), так и вогнутую (фиг. 3), выполненные на вершине конуса, в которую переходит цилиндрическа  направл юща  поверхность поршн . При этом опорна  площадка 11, ограничивающа  перемещение гибкого элемента, может быть выполнена или в виде жесткой плоской круглой пластины 12 (фиг. 2), или в виде конуса со сглаженной вершиной, переход щего в цилиндр 13 с винтовой резьбой, ввинчиваемый в нижнюю цилиндрическую часть 3 корпуса клапана (фиг. 3), или в виде конусного углублени  в последний (фиг. 4).

Из остальных элементов конструкции клапана можно отметить применение ниппелей 14 дл  креплени  как эластичной трубки, так и подвод щего 15 и отвод щего 16трубопроводов(фиг. 1-3)или выполнение входного и выходного отверстий в нижней части корпуса (фиг. 4).

При установке в почву в зоне корневой системы растений мембрана 4, обладающа  высокой проницаемостью дл  воды и непроницаема  дл  гидрогел , свободно пропускает влагу к последнему. Гидрогель под воздействием влаги расшир етс , повыша  давление в замкнутом пространстве камеры . Повышение давлени  во внутренней полости приводит к сжатию гибкой вставки путем непосредственного воздействи  на нее гидрогел  (фиг. 1) или путем перемещени  поршн  9 и тем самым - к перекрытию подачи воды на орошение. Так как растение потребл ет воду, относительна  влажность вокруг корней уменьшаетс  ниже 99,8%. При этом вода начинает поступать обратно из внутренней полости камеры 6 через мембрану в почву, давление в клапане падает, снима  сжатие гибкой вставки, и поток воды в почву восстанавливаетс .

Гибка  эластична  трубка или диафрагма (фиг. 4) может быть изготовлена из силиконового каучука или из других

сжимающихс  и инертных к воде материалов (резина, полиуретан, поливинилхлорид и др.), корпус может быть изготовлен из полипропилена, нейлона, полиэфира и

других материалов, стойких к воде и обла дающих достаточной механической прочностью . В качестве гидрогел  используетс  твердый гель, полученный, например, из полиакриламида , поливинилового спирта и

др., способный к набуханию более 25 раз (по сравнению с его сухим объемом), когда он находитс  в равновесии с водой при влажности 100%. Полупроницаема  мембрана может быть выполнена в виде сетки из того

же материала, что и корпус клапана (может быть использована также нержавеюща  сталь).

Резьбовое соединение (фиг. 3) в нижней части корпуса позвол ет регулировать устанавливаемое с помощью клапана-регул тора требуемое дл  развити  растений значение влажности почвы в широких пределах .

Из-за большого отношени  площади

поршн  к площади нажимающих площадок 10 (или опорной площадки на фиг. 3) на вершине конусов варианты конструкции (фиг. 2 и 3) значительно менее чувствительны к изменени м давлени  в подвод щем

трубопроводе. Кроме того, в этих вариантах отсутствуют элементы креплени  (ниппели), которые могут быть источником отказов клапана .

Таким образом, предлагаемый способ

регулировани  влажности почвы не требует посто нного ухода, особенно удобен при выращивании горшечных культур и может найти широкое применение в системах орошени  в засушливых районах. Способ обеспечивает непрерывную оптимальную подачу воды растени м пропорционально расходу или влаги и питательных веществ (минеральных удобрений), растворенных в воде. Кроме того, способ приемлем дл  регулировани  влажности и другой, отличной от почвы, среды произрастани  растений.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ регулировани  влажности почвы , включающий набухание под действием почвенной влаги осмотического вещества и воздействие последнего на запорный орган посредством уменьшени  проходного сечени  эластичной вставки в трубопроводе,

   причем величина воздействи  осмотического вещества на запорный орган регулируетс  концентрацией и обьемом вещества при определенной влажности по отношению к объему замкнутого пространства, в котором вещество находитс , отличающийс  тем что с целью повышени  надежности и точности регулировани  влажности, в качестве осмотического вещества используют гидрогель с соотношением объемов набухал f -Lf jcy:T . /Г J чУчХ . X X I t , ЧУЧОЧ-ЧУЧУЧУ WW4V ни  при влажности 100% и сухого объема не менее 25:1 и не более 200:1, который отдел ют от почвы полупроницаемой мембраной с размером пор 0,07-0,2 мм в диаметре. П16 fff

   Фиг. 7 7 5

   V//7/////

   Фиг.З