ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЦИДНЫХ ОБРАБОТОК В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРИМЕНЕНИЯХ Российский патент 2012 года по МПК A01N59/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к электрохимическому устройству для осуществления непрерывных биоцидных обработок в сельскохозяйственных применениях посредством разбрызгивания полученного in situ (на месте) окисляющего раствора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Биоцидные и дезинфицирующие свойства окисляющих растворов, имеющих в своем составе активный хлор в различных формах, известны в разных областях технического применения; разбавленные гипохлоритные растворы используют, например, в обеззараживании продуктов питания и для стерилизации инструментов, используемых в переработке пищевых продуктов, гостиницах и вариантах санитарного применения. Применение растворов, имеющих в своем составе активный хлор, в сельскохозяйственных применениях, как например, превентивная или терапевтическая обработка вызванных микроорганизмами патологий, с другой стороны, не является обычной практикой вследствие низкой эффективности, демонстрируемой имеющимися на рынке продуктами данного типа, которые, в большинстве случаев, имеют значительные недостатки. В частности, сложное диссоциативное и диспропорциональное равновесие, к которому предрасположены заключающие в себе хлор активные виды, требует применения стабилизирующих добавок для сохранения номинального состава; например, обыкновенные растворы гипохлорита натрия стабилизируют щелочами, в наиболее простом случае каустической содой (доведенной до pH 11-12) или буферными щелочными растворами (как, например, растворы тетрабората натрия), в любом случае при pH не ниже чем 9,5. Избыточно щелочные растворы не подходят для непосредственного применения в сельскохозяйственных применениях, а избыточные количества натрия также могут создать некоторые проблемы, что известно квалифицированным специалистам в данной области техники; в частности, биоцидные растворы, подходящие для опрыскивания видов растений, должны иметь pH не выше чем 9, а предпочтительно составляют между 6 и 8. Очень эффективным источником активного хлора в данном диапазоне pH является хлорноватистая кислота, чьи биоцидные свойства известны в данной области, и которая демонстрирует дополнительные преимущества по сравнению с обычно используемыми дезинфицирующими средствами, являясь необычайно дешевой и не высвобождая токсичные или вредные остатки. Использование хлорноватистой кислоты тем не менее затрудняется практическими соображениями, главным образом, связанными с ее ограниченной стабильностью, которая уменьшает допустимое время хранения ниже уровней практической полезности. Более того, концентрации, подходящие для эффективного использования без вредных побочных эффектов для выращивания (от 0,01 до 2 г/л), должны предполагать либо упаковывание и обращение с чрезвычайно разбавленным продуктом, что влечет за собой использование избыточных объемов, или необходимость каждый раз разбавлять продукт, действие, которое, кроме того, что является непрактичным, также является сомнительным вследствие риска загрязнения продукта случайно веществами, например металлами, которые могли бы дополнительно уменьшить его уже и так ограниченную стабильность.

По этой причине биоцидные обработки для предотвращения и лечения патологий, вызываемых микроорганизмами, как, например грибы и бактерии, в настоящее время осуществляют с помощью большого разнообразия химических агентов, которые высвобождают токсичные остатки в окружающую среду и имеют зачастую немалую стоимость.

Вследствие этого было бы желательно предоставить дешевый эффективный источник активного хлора для биоцидных обработок в вариантах сельскохозяйственного применения, подходящий, например, для превентивной или терапевтической обработки патологий растений, вызванных микроорганизмами, как, например, грибы или бактерии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Различные аспекты изобретения изложены в приложенной формуле изобретения.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к электрохимическому устройству, обеспечивающему возможность непрерывного выполнения биоцидных обработок в вариантах сельскохозяйственного применения посредством разбрызгивания полученного in situ окисляющего раствора, имеющего в своем составе хлорноватистую кислоту. Устройство содержит электролизную ячейку, снабжаемую раствором щелочных хлоридов, состоящим в одном варианте осуществления из натрия или калия хлорида или смеси обоих, который подвергают электролизу посредством подачи напряжения между анодом и катодом электролизной ячейки, с получением в результате окисляющего раствора, который можно разбрызгивать на виды растений, подлежащие обработке, либо непосредственно или вслед за необязательным разбавлением внутри того же самого устройства.

В одном варианте осуществления подходящая композиция для окисляющего раствора, получаемая посредством электрохимического устройства, содержит хлорноватистую кислоту с концентрацией, равной от 0,01 до 2 г/л, при pH ниже чем 9, например, составляющем между 6 и 8. Электролизная ячейка электрохимического устройства может быть задействована для непосредственного получения окисляющего раствора с приведенными выше характеристиками; в виде альтернативы, электрохимическое устройство может быть снабжено резервуаром для хранения, а электролизная ячейка может быть задействована для получения окисляющего раствора с более высокой концентрацией с последующей отправкой в резервуар для хранения. В этом случае в резервуар для хранения можно также подавать поток воды, необязательно с регулируемым pH, для того чтобы получить необходимый состав для дальнейшего разбрызгивания. Для этой цели электрохимическое устройство может быть оборудовано средством для отслеживания концентрации хлорноватистой кислоты, pH и температуры, что является известным в данной области.

В одном варианте осуществления щелочной хлоридный раствор, подаваемый в электролизную ячейку электрохимического устройства, имеет в своем составе натрия и калия хлорид с концентрацией, равной от 1 до 50 г/л, и pH, составляющим между 6 и 9, необязательно между 6 и 8.

С получением окисляющего раствора посредством электрохимического устройства, такого как описано в данной заявке, может быть предложена возможность регулирования количества высвобождаемого натрия, в зависимости от характеристик почвы и видов растений, подлежащих обработке: для почв, уже богатых калием, или вариантов выращивания с относительно высокой толерантностью к натрию электрохимическое устройство можно снабжать более дешевым натрия хлоридом. В других случаях, например, если снабжение натрием должно быть ограничено, электрохимическое устройство может быть задействовано с подачей главным образом или исключительно состоящей из раствора калия хлорида.

Окисляющий раствор, полученный посредством электрохимического устройства, имеет более высокую эффективность по сравнению с коммерческими продуктами, имеющими в своем составе активный хлор, в отдельных обработках патологий растений, вызванных микроорганизмами, в частности грибами и бактериями, поскольку он имеет в своем составе особенно активные химические вещества, как, например, хлорноватистую кислоту с подходящим pH, чью концентрацию необычайно хорошо регулировать, потому что ее получение происходит одновременно с применением. Особенно высокая активность хлорноватистой кислоты в данном виде применения, возможно, объясняется ее своеобразной природой одновременного источника выделения кислорода и активного хлора, согласно уравнению:

2 HClO↔O₂+2 HCl

HClO+HCl↔Cl₂+H₂O

Более того, раствор хлорноватистой кислоты, полученный посредством электрохимического устройства, такого как описано в данной заявке, кроме наличия в своем составе других хлор активных соединений в соответствии с известным химическим уравнением (двуокись хлора, гипохлориты, хлориты, хлораты) предположительно имеет в своем составе также небольшие количества перекиси водорода, которое, хотя тяжело обнаружить во время анализа вследствие сильной реакционной способности данного химического соединения с хлорноватистой кислотой (согласно H₂O₂+HClO↔O₂+HCl+H₂O), вносит вклад благодаря преимуществу такой реакции в образование выделяющегося кислорода, приводя к увеличению синергетического эффекта с самой хлорноватистой кислотой.

В одном варианте осуществления электрохимическое устройство оборудовано электролизной ячейкой нераздельного типа, например с анодами, изготовленными из титановой подложки, активированной подходящими катализаторами, способными предоставлять соответствующий окислительный потенциал в рабочих условиях, и катодами из никеля или стали, которые могут быть также каталитически активированы или неактивированы; в другом варианте осуществления электрохимическое устройство оборудовано ячейкой, снабженной разделением, например ячейкой с соосными катодом и анодом, разделенными керамической диафрагмой.

Активация анода может состоять из смеси металлооксидов; в процессе фазы испытаний аноды, активированные каталитическими композициями, состоящими из иридия, рутения и смесей оксидов олова, доказано подходят для получения окисляющего раствора из соответствующих композиций.

В другом варианте осуществления как аноды, так и катоды состоят из активированного титана. Это может иметь преимущество обеспечения возможности периодической инверсии электрического напряжения; такая инверсия полярности может помочь разрушению отложений карбоната кальция, накапливающихся на катодной поверхности. По этой причине данный вариант осуществления может обеспечить возможность работы с солевыми растворами, имеющими в своем составе воду повышенной жесткости, без необходимости включения умягчительных установок для уменьшения кальция в электрохимическом устройстве.

Устройство, такое как описано в данной заявке, подходит для разбрызгивания полученных in situ окисляющих растворов на различные виды растений: его можно использовать в стационарных или полустационарных установках (например, в оросительных системах, оборудованных вращающимися устройствами) или устанавливать на передвижных средствах различных типов, например сельскохозяйственных автомашинах, для обработки больших возделываемых участков в ограниченное время. Обработка видов растений окисляющим раствором подходит, например, для обработки плодовых деревьев (фруктовых деревьев), в качестве не ограничивающего примера, пораженных бактериальным ожогом плодовых деревьев бактериального происхождения (болезнь, вызываемая Erwinia amylovora), рак плодовых деревьев valsa (вызываемый Valsa ceratosperma) или нектриевый рак (Nectria galligena). В таких случаях, обработку можно проводить как на листьях (например, в случае ожога плодовых деревьев), так и на ветвях, сучьях и стволах (например, в случае рака плодовых деревьев valsa или нектриевого рака). Перед обработкой деревьев пораженные части можно перевязать гидрофильной марлей или тканью: это может иметь преимущество увеличения эффективности контакта с окисляющим раствором, уменьшения рассеивания продукта в процессе применения и замедления его испарения.

В одном варианте осуществления можно обрызгивать гидрофильный материал в виде марли или ткани посредством электрохимического устройства и вслед за этим прикладывать его к частям деревьев, подлежащим обработке.

Электрохимическое устройство, такое как описано в данной заявке, может быть использовано для обработки видов растений, иных, чем плодовые деревья, например культивируемых томатов, пораженных Pseudomonas syhngae, грамотрицательными бактериями, вызывающими бактериальную пятнистость томатов.

Хотя в последующем описании ссылка будет сделана на электрохимическое устройство для сельскохозяйственного применения, электрохимическое устройство, такое как описано в данной заявке, может также быть использовано для несельскохозяйственных биоцидных обработок, например в дезинфекционных процессах для различных областей применения, как например: пищевая промышленность, включая, но не ограничиваясь мытьем свежих овощей; выращивание животных, включая, но не ограничиваясь дезинфекцией воды для потребления животными; гостиничный бизнес, включая, но не ограничиваясь стерилизацией белья; медицинское обслуживание, включая, но не ограничиваясь стерилизацией хирургических инструментов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой схематичную иллюстрацию одного варианта осуществления электрохимического устройства согласно изобретению, подходящего для применения на стационарных установках или установленного на транспортном средстве.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 показывает один вариант осуществления электрохимического устройства согласно изобретению, содержащего электролизную ячейку (100), в котором с целью упрощения чертежа показаны один анод (110) и один катод (120) без разделителя между ними. Как будет очевидно каждому специалисту в данной области, такие же соображения применимы для ячеек, состоящих из узлов вставных плоских анодов и катодов, или из соосных цилиндрических анодов и катодов, необязательно с вставленным разделителем, например керамической диафрагмой или ионообменной мембраной. Анод (110) подсоединен к положительному полюсу (201) выпрямителя тока (200) или другого подходящего средства для приложения электрического напряжения, тогда как катод (120) аналогичным образом подсоединен к отрицательному полюсу (202).

В одном варианте осуществления напряжение, прикладываемое выпрямителем тока (200), периодически меняется на противоположное с предварительно заданной частотой. Электролизная ячейка (100) снабжается щелочным хлоридным раствором (302), поступающим из питательной емкости (300), которую можно загружать в пакетном режиме снаружи посредством подходящего средства подачи (301).

Раствор (302), который в процессе перехода между анодом (110) и катодом (120) подвергается воздействию соответствующего градиента электрического потенциала, прикладываемого выпрямителем тока (200), испытывает электрохимическую обработку с образованием основного окисляющего раствора, имеющего в своем составе хлорноватистую кислоту (401) вместе с другими хлорсодержащими веществами и необязательными следами перикиси водорода и озона.

В другом варианте осуществления, в котором между анодом и катодом помещают разделитель с образованием в результате двух разделенных отсеков, основной окисляющий раствор (401) извлекают из анодного отсека.

В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения основной окисляющий раствор (401), имеющий концентрацию хлорноватистой кислоты выше, чем заданная концентрация, подается во вспомогательную емкость (400) и разбавляется там чистой водой или водным раствором, необязательно с регулируемым pH, посредством подходящего впускного средства (410), задействованного в непрерывном (например, с водой из водопровода или из скважины) или в пакетном режиме.

Окисляющий раствор, таким образом, приводят к окончательной концентрации, подходящей для его применения, составляющей в одном варианте осуществлении между 0,01 и 2 г/л хлорноватистой кислоты; полученный таким образом окончательный продукт (402) направляют в подходящее средство для опрыскивания (500) для непосредственного применения на видах растений, подлежащих обработке.

В другом варианте осуществления, в котором не представлена вспомогательная емкость (400), окисляющий раствор (401) получают с концентрацией, подходящей для непосредственного применения, и направляют в средство для опрыскивания (500).

Концентрацию основного окисляющего раствора (401) можно регулировать подходящим образом посредством воздействия на параметры обработки (состав хлоридного подаваемого раствора, силу тока, pH) или на параметры электролизной ячейки (длина и разнесение электродов, продолжительность обработки электролита), как будет понятно любому специалисту в данной области техники. В частности, для заданного потока электролита получение хлорноватистой кислоты и активного хлора в целом увеличивается при увеличении силы тока и при увеличении концентрации хлорид ионов в подаваемом растворе (302). Точной регулировкой параметров обработки можно управлять на непрерывной основе с помощью подходящей контрольно-измерительной аппаратуры, не показано. Например, концентрацию хлорноватистой кислоты можно отслеживать посредством УФ-спектрофотометрии на непрерывной основе и регулировать, воздействуя на установку потенциала и параметры скорости циркуляции электролита.

В одном варианте осуществления электрохимическое устройство устанавливают на подвижное средство, необязательно транспортное средство для сельскохозяйственного применения.

ПРИМЕР 1

Электрохимическое устройство, как, например, проиллюстрированное на фиг.1, оборудовали неразделенной электролизной ячейкой, содержащей титановые плоские аноды, активированные каталитическим покрытием на основе оксидов Ir, Ru и Sn, и не активированные никелевые катоды. Общая анодная поверхность, равная катодной поверхности, составляла 600 см². Питательную емкость загружали раствором с нейтральным pH, имеющим в своем составе 1 г/л NaCl и 2,5 г/л KCl, а вспомогательную емкость загружали струей водопроводной воды, скорость потока которой регулировали посредством расположенного далее УФ-зонда, откалиброванного, чтобы обнаруживать концентрацию выходящей хлорноватистой кислоты посредством адсорбции при 292 нм, регулируя ее до значения, содержащего между 0,10 и 0,15 г/л на стадии опрыскивания. Выходной поток из электролизной ячейки во вспомогательную емкость отрегулировали до скорости потока, равной 20 л/ч.

Устройство, отрегулированное таким образом, использовали для опрыскивания листьев 50 грушевых деревьев белого сорта Вильямс, пораженных ожогом плодовых деревьев, заболеванием, вызываемым бактерией Erwinia amylovora, являющимся причиной того, что стволы, листья и цветки растения становятся коричневыми с круговой локализацией. 50 других отдельных грушевых деревьев того же сорта, пораженных указанным выше заболеванием, обрабатывали сульфатом меди, согласно предыдущему уровню техники. Каждую обработку повторяли один раз в день, в процессе 10 следующих дней. После всего цикла обработки встречаемость ожога плодовых деревьев, затрагивающая деревья, опрысканные посредством электрохимического устройства, была на 50% меньше по сравнению с растениями, обработанными с сульфатом меди.

Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) перед обработкой, проведенный на листьях тех же самых деревьев, явно не пораженных болезнью, показал альтернативно обильное наличие колоний бактерий; после обработки посредством устройства изобретения, второе проведение того же самого анализа подтвердило полное отсутствие пролиферации бактерий. В противоположность этому, такая же проверка, проведенная на листьях, обработанных сульфатом меди, хотя и обнаружила существенное снижение явления, все же показала признаки следов колоний бактерий. Такое наблюдение демонстрирует, что кроме терапевтической обработки устройство изобретения можно эффективно использовать для превентивной обработки.

ПРИМЕР 2

Устройство примера 1 задействовали в приблизительно таких же условиях при культивации яблочных деревьев сорта Грани Смит, пораженных раком плодовых деревьев valsa и нектриевым раком, патологиями, вызываемыми грибковыми агентами Valsa ceratosperma и Nectria galligena, которые обнаруживаются на ветвях, сучьях и стволах в виде червоточин с чистыми и глубоко треснутыми кромками. По сравнению с испытанием предыдущего примера, вспомогательную емкость не снабжали водопроводной водой, а для того чтобы получить эквивалентный окисляющий раствор, скорость потока на выходе электролизной ячейки увеличили до 45 л/ч. Перед обработкой пораженные части, подлежащие обработке, перевязали несколькими слоями марли. Обработку разбрызгиванием на стволах, сучьях и ветвях проводили один раз в день в течение 30 дней. В конце данного цикла все оболочки обработанных червоточин вывернули для высушивания и описали с ростом свежей древесины в части ствола напротив пораженной части.

Описание выше не должно интерпретироваться как ограничение изобретения, которое может быть осуществлено на практике согласно различным вариантам осуществления без выхода за пределы объема его правовых притязаний, и чей объем ограничен исключительно приложенной формулой изобретения.

На протяжении всего описания и формулы изобретения настоящей заявки термин "содержать" и его варианты, как, например, "содержащий" и "содержит", не предназначены для исключения наличия других элементов или дополнений.

Обсуждение документов, действий, материалов, устройств, статей и т.п. включено в данное описание исключительно с целью обеспечения контекста данного изобретения. Не предполагается или представляется, что какие-либо или все данные материалы формировали часть базиса состояния вопроса или представляли собой обычные общеизвестные факты в области, относящейся к настоящему изобретению, до даты приоритета каждого пункта данной заявки.

Группа изобретений относится к области сельского хозяйства и может применяться для разбрызгивания полученного на месте окисляющего раствора. Электрохимическое устройство для биоцидных обработок содержит, по меньшей мере, одну электролизную ячейку, средство для поддержания электрического потенциала между анодом и катодом и средство для разбрызгивания раствора. Электролизная ячейка имеет анод и катод и снабжается щелочным хлоридным раствором. Раствор содержит смесь натрия хлорида и калия хлорида в концентрации от 1 до 50 г/л и pH от 6 до 8. При осуществлении способа превентивной или терапевтической обработки загружают электрохимическое устройство щелочным хлоридным раствором. Прикладывают электрический потенциал между катодом и анодом. Получают раствор, содержащий от 0,01 до 2 г/л хлорноватистой кислоты. Разбрызгивают полученный раствор на растения. Обеспечивается возможность получения раствора с активным хлором и эффективная обработка растений таким раствором. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрохимическое устройство для выполнения биоцидных обработок, содержащее:
- по меньшей мере, одну электролизную ячейку, снабжаемую щелочным хлоридным раствором и содержащую, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, причем указанный щелочной хлоридный раствор содержит смесь натрия хлорида и калия хлорида с общей концентрацией, составляющей от 1 до 50 г/л, и pH, составляющим от 6 до 8,
- средство для поддержания электрического потенциала между анодом и катодом, подходящего для получения окисляющего раствора, содержащего хлорноватистую кислоту, и
- средство для разбрызгивания указанного раствора.

2. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один анод изготовлен из титана, активированного каталитическим покрытием.

3. Устройство по п.2, в котором, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод изготовлены из титана, активированного каталитическим покрытием, а средство для поддержания электрического потенциала между анодом и катодом оборудовано устройством инвертирования полярности.

4. Устройство по п.2, в котором каталитическое покрытие имеет в своем составе оксиды Ru, Ir и Sn.

5. Устройство по п.2, дополнительно содержащее, по меньшей мере, одну емкость для хранения, средство для подачи окисляющего раствора и воды в емкость для хранения, пригодную для осуществления разбавления окисляющего раствора до получения предварительно заданного состава перед разбрызгивающим средством.

6. Устройство по п.2, дополнительно содержащее систему управления составом и, необязательно, температурой раствора, пригодную для поддержания концентрации хлорноватистой кислоты перед разбрызгивающим средством, в диапазоне, составляющем от 0,01 до 2 г/л в процессе разбрызгивающей стадии.

7. Устройство по п.6, дополнительно содержащее систему управления кислотностью раствора, пригодную для поддержания pH перед разбрызгивающим средством в диапазоне, составляющем от 6 до 9.

8. Устройство по п.2, в котором указанная электролизная ячейка является ячейкой неразделенного типа.

9. Способ для превентивной или терапевтической обработки, применимой к видам растений с вызванными микроорганизмами патологиями, включающий следующие одновременные или последовательные стадии, на которых:
- загружают устройство по любому из пп.1-8 щелочным хлоридным раствором,
- прикладывают электрический потенциал между, по меньшей мере, одним анодом и, по меньшей мере, одним катодом,
- получают окисляющий раствор, содержащий от 0,01 до 2 г/л хлорноватистой кислоты, и
- разбрызгивают указанный окисляющий раствор на виды растений, подлежащих обработке.

10. Способ по п.9, в котором виды растений представляют собой плодовые деревья, а разбрызгивание осуществляют на стволах, сучьях и ветвях и/или на листьях.

11. Способ по п.10, в котором стволы, сучья или ветви, подвергаемые разбрызгиванию, предварительно перевязывают марлей, тканью или другим гидрофильным материалом.

12. Способ по любому из пп.9-11, в котором микроорганизмы выбирают из группы, содержащей Erwinia amylovora, Valsa ceratosperma и Nectria galligena.

13. Способ по п.9, в котором виды растений представляют собой томаты, а указанные микроорганизмы включают Pseudomonas syringae.

14. Применение щелочного хлоридного раствора, содержащего смесь натрия хлорида и калия хлорида с общей концентрацией, составляющей от 1 до 50 г/л, и с pH, составляющим от 6 до 8, для получения окисляющего раствора, содержащего 0,01-2 г/л хлорноватистой кислоты для терапевтических или превентивных биоцидных обработок плодовых деревьев.