УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОРНЕВОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК A01C21/00 A01G31/02 A01C23/02 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам контролируемого выделения для дозированного внесения питательных и других биологически активных веществ.

Устройства такого типа позволяют регулировать поступление питательных веществ в растение через корневую систему и синхронизировать вывод питательных веществ с их потреблением растением.

Известны устройства для дозирования веществ, содержащие емкость, частично или полностью выполненную из полупроницаемой мембраны, выводные отверстия в емкости и дозируемое вещество (US, патент N 4298003, кл. 128-260, 1978; Fr, патент N 2522923, 1983; SU, авт. св. N 1425783, 1985; SU, патент N 1805828, 1990 и др.).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в патенте СССР N 1805828, кл. А 01 С 21/00, 1993, опубл.

Выводные отверстия в устройствах (известны устройства, не содержащие отверстий) предназначены для вывода раствора дозируемых веществ и выполняются в различных местах устройства, ориентированных относительно мембраны.

В качестве дозируемых веществ используют различные питательные и биологически активные вещества.

Принцип работы устройств для корневого питания растений сводится к следующему.

В устройство, помещенное в почвенный или иной субстрат, через мембрану поступает вода. Внутри образуется раствор дозируемого вещества, который выдавливается через выводные отверстия наружу, в среду дозирования.

Во времени работу устройства можно охарактеризовать тремя периодами (фиг. 1):
индукционным, или периодом до начала работы устройства (Тинд), в этом периоде скорость дозирования веществ равна О;
стационарным периодом (Тстац), в течение которого скорость дозирования должна быть постоянной;
периодом спада (Тспад), в течение которого скорость дозирования веществ непрерывно снижается до О.

Важно управлять Тинд независимо от других параметров работы устройства и задавать его величину для начала подачи дозируемых веществ растению в заданное время. В период Тстац необходимо строго поддерживать заданную скорость дозирования веществ, чтобы обеспечить синхронность потребления и дозирования веществ, соответственно, растением и устройством. Период Тспад необходимо иметь минимальным, чтобы уменьшить или исключить нерациональный расход и потери дозируемых веществ.

Известные устройства, как нами обнаружено, имеют функциональные недостатки и в том числе:
возможность получения значительных расхождений программируемых и получаемых значений скорость выделения дозируемого вещества на этапе Тстац(Vc);
практически не управляемый временной период спада скорости выделения Тспад;
плохо управляемый индукционный период работы насоса Тинд.

Эти недостатки затрудняют или не позволяют достигать заданной и воспроизводимой скорости дозирования, синхронизировать дозирование и потребление веществ, что приводит к перерасходу дозируемых веществ, снижению эффективности работы устройств и снижению продуктивности растений.

Эти недостатки определяются конструктивными особенностями известных устройств и, в частности неизменным внутренним объемом устройств вследствие жесткости корпуса емкости и нерегламентируемыми размерами выводных отверстий для выхода дозируемого вещества. При отсутствии отверстий осуществляется трансмембранный массоперенос веществ.

Известное устройство по патенту СССР N 1805228 (прототип), состоит из корпуса, в нижней части которого установлена полупроницаемая мембрана с герметизирующим кольцом, радиальных каналов и выводных отверстий для сообщения с внешней средой. Устройство подготавливают к работе, определяя массовую долю поглощаемой воды до образования свободного раствора, и далее рассчитывают массу активного вещества исходя из требуемого значения Тинд.

Было обнаружено, что в процессе работы это устройство с жестким корпусом, в зависимости от размеров отверстий, может работать при полном вытеснении образующегося раствора, или при замещении объема растворяемой соли, или периодически в обоих режимах (см. фиг. 1, кривые 1, 2, 3). Это означает, что устройство может работать по двум механизмам: вытеснительному и заместительному. Вытеснительный механизм характеризуется полным выходом образующегося раствора и максимальной скоростью дозирования (фиг. 1, кривая 1). Заместительный механизм характеризуется неполным выходом образующегося раствора из-за компенсации объема вышедших дозируемых веществ и минимальной скоростью дозирования (фиг. 1, кривая 2). Наличие двух механизмов работы устройств приводит к тому, что скорость дозирования тоже может отличаться в 2 и более раз, что в одном случае приведет к полной выработке дозируемого вещества, а во втором к потере веществ в периоде Тспад.

Например, для нитрата аммония зависимость скорости дозирования от скорости входа воды при одной и той же мембране может описываться уравнениями:
Vс 1,92 Vв для Dотв 0,1 см или
Vс 0,9656 Vв для Dотв 0,005 см
где Vс скорость выхода соли через отверстие.

Vв cкорость выхода воды через мембрану.

При этом в зависимости от реализуемого режима дозирования, наблюдается либо короткий период спада Тспад, либо растянутый, когда при медленном падении скорости дозирования выводится до 40-50% дозируемого вещества, то есть 40-50% вещества будет расходоваться нерационально (см. фиг. 1 график дозирования для известного устройства).

Вторым недостатком известного устройства является трудность регулирования Тинд. Определяя и рассчитывая Тинд по известному уравнению, приведенному в описании прототипа, и используя для управления Тинд только трансмембранный перенос воды, получают функционально взаимосвязанные индукционный период и период стационарного дозирования.

Пример 1. Масса загрузки устройства 100 г нитрата аммония. Задаваемое время работы Тстац 3 мес при скорости выделения 100/90х24=0,046 г/ч. Эта задача обеспечивается непрерывным поступлением воды через мембрану со скоростью 0,046/1,92=0,0239 г/ч. Расчет индукционного периода для устройства с этими параметрами дает для нитрата аммония μ = 0,15
Тинд 100 х 0,15/0,024 625 ч (26 сут).

Это означает, что устройство начнет работать только через 26 сут, что составляет 26х100/90=29% от Тстац.

Пример 2. Масса загрузки устройства 100 г нитрата аммония, задаваемое время работы Тстац 2 года (365х2х24 1750 ч) при скорости 100/17520=0,0057 г/ч. Эта задача обеспечивается непрерывным поступлением воды через мембрану со скоростью 0,0057/1,92=0,00297 г/ч. В этом случае индукционный период для устройства с назначенными параметрами составит
Тинд 100х0,15/0,00297=5050 ч (210 сут), что составляет 210х100/730=29% от Тстац.

В обоих случаях величина Тинд составляет 29% от величины Тстац, что подтверждает невозможность задавать Тинд независимо от Тстац.

Изложенное выше свидетельствует о том, что известные устройства резко ограничены в возможностях четкого программирования скорости дозирования веществ и независимого назначения Тинд и Тстац, для них также характерно присутствие длительного периода Тспад, который приводит к потере дозируемых веществ.

Технический эффект изобретения заключается в повышении эффективности работы устройства, выражающейся: в обеспечении воспроизводимого и точного значения скорости дозирования, независимом назначении (задании) индукционного Тинд и стационарного Тстац периодов, в снижении расхода удобрения и синхронизации выделения и потребления.

Технический эффект достигается тем, что устройство для корневого питания растений, включающее емкость-корпус, частично или полностью выполненный из мембраны, отверстия и дозируемое вещество отличается тем, что емкость изготавливают из полимерных легкодеформируемых формонеустойчивых материалов, содержащих функциональные группы с гидратным числом более 0,1, отверстия занимают площадь не менее 0,01 см², но не более 5% площади мембраны и могут быть заполнены воздухонаполненным гидрофильным материалом, который занимает часть внутреннего объема емкости (проникает вовнутрь).

На фиг. 2 изображено устройство для корневого питания растений, общий вид, на фиг. 3 и 4 варианты устройства на фиГ. 2, на фиг. 5 кинетика выделения из устройств при постоянном механизме выведения солей.

Устройство для корневого питания растений содержит емкость 1, отверстия для массообмена 2 и дозируемое вещество 3. Емкость 1 выполнена из мембраны 4 полностью или частично. Отверстия 2 заполнены воздухонаполненным гидрофильным материалом 5, который проникает во внутренний объем емкости 1. Емкость изготовлена из полимерных легкодеформируемых формонеустойчивых материалов, содержащих функциональные группы, и с гидратным числом более 0,1, отверстия 2 занимают площадь не менее 0,01 см², но не более 5% площади мембраны 4.

Назначение легкодеформируемых формонеустойчивых полимеров обеспечить складывание устройства под действием собственного веса. В качестве полимеров, способных одновременно выполнять роль формонеустойчивого материала и полупроницаемой мембраны с эффективным коэффициентом проницаемости Кэфф от 0,2•10^-4 до 0,5•10^-7 мл см/см³ ч предпочтительно применять полимеры, содержащие функциональные группы с гидратным числом по Ван-Кревелену не менее 0,1 при относительной влажности 1 (см. Д.В.Ван-Кревелен. Свойства и химическое строение полимеров. М. Химия, 1976, с. 304). Одностороннее ограничение гидратного числа не менее 0,1 связано с тем, что меньшие значения его дают коэффициент проницаемости менее 0,5•10^-7, что неприемлемо для изготовления устройств, а значения больше 0,1 обеспечивают весь вышеприведенный диапазон коэффициентов проницаемости. Формонеустойчивость и легкая деформируемость обеспечивается применением полимеров, одновременно имеющих модуль упругости около 100 Мпа и высокую остаточную деформацию. При большем значении модуля упругости устройство становится жестким, что затрудняет его складывание под действием собственного веса.

Установление нижнего и верхнего пределов размеров отверстий обусловлено необходимостью обеспечения свободного стока (вывода) раствора из устройства без сопротивления; приданием отверстиям новых функций использованием их для первичного всасывания воды (до начала работы) для независимого регулирования Тинд.

В связи с приданием отверстиям двух функций первичного всасывания воды и вывода раствора дозируемых веществ термин "выводные отверстия" должен быть заменен на новый "отверстия для массообмена" или ". для массопереноса".

Нижний предел площади отверстий S_отв для массообмена нами установлен и составляет 0,01 см². В этом случае при используемых для выращивания растений скоростях дозирования давление в устройстве не превысит тысячных долей атмосферы, то есть исключается сопротивление складыванию, происходит свободный сток раствора. При этом скорость дозирования в течение работы не изменяется, в периоде Тстац выходит вся масса дозируемого вещества, Тспад имеет минимальное значение.

При значениях площади меньше 0,01 см² не будет свободного стока раствора, внутри устройства поднимется давление и будет накапливаться раствор, что приводит к изменению скорости дозирования, увеличению периода Тспад, неполному выводу дозируемых веществ и исключению складывания устройства.

Верхний предел площади отверстий для массообмена нами определен и составляет 5% от площади мембраны. Если площадь отверстий превышает 5% от площади мембраны, то происходит нарушение стабильной работы устройства, контролирующая функция мембраны нарушается, дозируемые вещества неконтролируемо выносятся из устройства. При меньших, чем верхний предел, значениях площади отверстий устройство работает стабильно, отверстия выполняют две функции: в начальном периоде Тинд, через их вовнутрь всасывается вода до образования раствора, а во втором периоде Тстац через отверстия наружу свободно, без сопротивления выводится раствор дозируемых веществ.

Для независимого регулирования Тинд рассчитывают Sотв, при этом рассчитанное значение должно быть в интервале между нижним и верхним пределами площади отверстий для массообмена.

В зависимости от требуемого уменьшения индукционного периода Sотв рассчитывают по уравнению:
S_отв= (n-1)K_эффS_н/δconst
где S_отв площадь отверстия,
S_н площадь мембраны,
δ толщина мембраны,
n кратность уменьшения индукционного периода против рассчитанного по известному уравнению (см. прототип).

Сопst эмпирическая константа, характеризующая удельный поток воды (паров воды) через отверстие к дозируемому веществу, то есть величина количественно влияющая на получаемое значение Тинд, независимое от Тстац.

Заполнение отверстий воздухонаполненным капиллярным гидрофильным материалом, например, пенополиуретаном или иным, осуществляют при необходимости, что исключает потери дозируемых веществ. Проникновение воздухонаполненного гидрофильного материала вовнутрь емкости способствует улучшению массообмена. Воздухонаполненный материал может быть изотропным или анизотропным.

Все элементы конструкции устройства могут быть выполнены из биологически или химически деструктируемых материалов, а гидрофильный воздухонаполненный материал может содержать в своем составе биологически или химически активные вещества, в том числе биостимуляторы, биоциды, селективные гербициды, деструктирующие добавки, микроэлементы, репелленты, зооциды и т.п.

В составе дозируемых веществ количество нерастворимых соединений должно быть минимальным, например не более 5%
В целом заявляемое устройство может быть использовано для контролируемого введения любых химически и биологически активных веществ в любые среды действия (твердые субстраты, жидкости, газовые среды, организмы, реакторы), в различных областях науки, и техники и хозяйства.

Принципиальная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2.

Разработанное устройство функционирует следующим образом.

Устройство, содержащее емкость 1, отверстия для массообмена 2 и дозируемое вещество 3, помещают в среду дозирования, в частности в почвенный субстрат. Из внешней среды вовнутрь начинается диффузионный (через отверстия) и осмотический (через мембрану 4) массообмен, начинается сорбция воды и растворение твердой фазы. После образования жидкого раствора преимущественную роль приобретает осмотический массообмен. При этом образующийся жидкий раствор (фаза, не имеющая формоустойчивости) начинает истекать наружу из устройства через отверстия для массообмена 2 в емкости 1. Объем твердой фазы (формоустойчивой) уменьшается, и мягкая легкодеформируемая емкость 1 складывается под действием собственного веса и упруго-эластических свойств материала и принимает объем остающейся к данному моменту твердой фазы. Процесс идет непрерывно до полного исчерпания твердой фазы и заканчивается полным складыванием емкости 1 и исчерпанием внутреннего объема устройства. По мере поступления воды в устройство происходит непрерывное уменьшение объема дозируемого вещества, что и обеспечивает стабильную и воспроизводимую работу заявляемого нового устройства.

Из процесса дозирования исключается длительный и неиспользуемый период спада скорости дозирования Тспад, поскольку исключено накопление раствора. При этом достигается значительная экономия дозируемого вещества, коэффициент использования достигает 94-96% и более.

Использование: изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам контролируемого выделения для дозированного внесения питательных и других биологически активных веществ в зону корнеобитания растений. Сущность изобретения: устройство для корневого питания растений содержит емкость 1, отверстия для массообмена 2 и дозируемое вещество 3. Емкость 1 выполнена из мембраны 4 полностью или частично. Отверстия 2 заполнены воздухонаполненным гидрофильным материалом 5, который проникает во внутренний объем емкости 1. Емкость 1 изготовлена из полимерных легкодеформируемых формонеустойчивых материалов, содержащих функциональные группы с гидратным числом более 0,1, отверстия 2 занимают площадь не менее 0,01 см², но не более 5% площади мембраны 4. Воздухонаполненный материал 5 содержит в своем составе полезные вещества, в том числе биостимуляторы, биоциды, селективные гербициды, деструктирующие добавки, микроэлементы, репелленты, зооциды и т.п. Дозируемое вещество содержит не более 5% малорастворимых соединений. Все элементы устройства выполнены из материалов, подвергающихся процессам биодеструкции, фотодеструкции, гидролиза или иным разрушающим воздействиям. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для корневого питания растений, включающее емкость с мембраной, отверстия для массообмена в емкости и дозируемое вещество, отличающееся тем, что емкость изготовлена из полимерных легкодеформируемых формонеустойчивых материалов, содержащих функциональные группы с гидратным числом более 0,1, отверстия занимают площадь не менее 0,01 см², но не более 5% от площади мембраны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия для массообмена заполнены воздухонаполненным капиллярным гидрофильным материалом, который проникает во внутренний объем емкости. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что воздухонаполненный гидрофильный материал для заполнения отверстий содержит полезные вещества, в том числе биостимуляторы, биоциды, селективные гербициды, деструктирующие добавки, микроэлементы, репелленты, зооциды и т.п. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дозируемое вещество содержит не более 5% малорастворимых соединений. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все элементы устройства выполнены из материалов, подвергающихся процессам биодеструкции, фотодеструкции, гидролиза или иным разрушающим воздействиям.