Перейти к публикации
  • Растворение кислорода


    Андрей Шорин
     Рассказать
    Подписчики 0

     

    Для жизни и развития корням растения необходим кислород. В первых экспериментах с гидропоникой для обеспечения дыхания корней они погружались в воду только кончиками, а надводная часть поглощала кислород из воздуха(Кратки). Если погрузить всю корневую систему, то она начнет потреблять растворенный кислород, которого в воде мало. К примеру, одно растение кукурузы в месячном возрасте потребляет на дыхание своей корневой системы около 15 мг кислорода в час, а в 1 литре воды при 25° растворимо только 8.6 мг. В крупных замкнутых водоемах почти весь кислород поступает в воду в результате деятельности фитопланктона и водорослей, и только в незначительном количестве напрямую из воздуха.

    Это связано с тем, что, хотя при растворении(асорбции) О2 из воздуха в воде межфазная граница практически не оказывает сопротивления и можно считать, что на самой границе вода насыщенна кислородом до предела, сам газ очень медленно проникает (Диффундирует) сквозь толщу воды. Для примера можно рассчитать, на какой максимальной глубине могут находится корни вышеописанной кукурузы, равномерно распределенные на дне сосуда площадью 1м2 .Для этого можно воспользоваться законом Фика

    1634117231__html_f069ab65dd25f8bf.jpg.404431e3ad10a49b87b99d988a9e81a1.jpg

    или для нашего случая

    1915872605__html_156a03b30322cdc4_1.jpg.b1899f1672fea372c66d5bfac880a1d8.jpg

    Учитывая что коэффициент диффузии кислорода в воде равен 2.2 * 10-9 м2/c , считая концентрацию на уровне корней = 0 и под поверхностью 8600 мг/м3, поток кислорода 0.0042 мг /с * м2 , получаем глубину 4,5 мм - примерную зону обитаемости корней. При этом надо учитывать что реальные корни не распределены на площади в 1 метр квадратный и к тому же на поверхности застойной воды образуется бактерицидная пленка, препятствующая растворению кислорода.

    Для ускорения процесса аэрации воды можно ее перемешивать, постоянно обновляя поверхностный слой, соприкасающийся с воздухом.

    1207280861__html_dadc2c16e04bae18.jpg.d68711e5613565946b730cbc1e6b6828.jpg

    По одной из простейших моделей абсорбции, модели обновления поверхности, вода поднимается на поверхность на время θ , после чего уходит, равномерно перемешиваясь со всем объёмом. На графике представлен раздел фаз и по вертикали отмечена концентрация кислорода. Линии θ1 θ2 θ3 θ4 отражают изменение концентрации от времени до момента θ4 < θ , когда вся поверхность воды будет заменена. Как мы видим, поверхность насыщается кислородом почти мгновенно, но сам кислород проникает в глубину очень медленно. В результате при перемешивании уравнение для потока вещества приобретает такой вид:

    1209853592__html_5e19a4844b484550_1.jpg.357bbe36eb256f407bf20bde2c8def3e.jpg

    где W – поток вещества мг/с , D – коэффициент диффузии м2/с, θ0 - время обновления поверхности с , F – площадь контакта м2, Δ — разница концентраций мг/м3 .

    Если принять площадь поверхности 1 м2 и скорость обновления в 1 с, то W = 0.45 мг/с или 1620 мг/час, что с лихвой хватит растению. Эта формула подходит при существовании потока воды у поверхности, который соприкасается с воздухом. Для расчета своей установки брать D = 2.2 * 10-9

    π = 3.14

    θ0 - время полного обновления поверхности( время через которое на поверхности будет везде новая вода или время протекания воды в трубе) в секундах

    F – площадь потока контактирующая с воздухом . М2

    Δ можно брать 8600 или 4300 для учета что какой то кислород в воде уже есть

    Тогда получается W - поток кислорода в воду в виде милиграм в секунду. Для перевода в часы надо умножить на 3600 и тогда можно поделить на кукурузу( 15 мг кислорода в час).

     

    Теперь посмотрим на процесс переноса газа при аэрации пузырьками.

    Cчитая, что компрессор производит 70 пузырьков в секунду и их скорость 0.4 метра в секунду, диаметр 0.003 метра (измерен 1.5w компрессор COLLAR аPUMP)

    получаем площадь контакта 0.002 метра квадратных при глубине 40 см.

    Время обновления — радиус пузырька на его скорость - 0.0075 секунды

    Тогда общий массоперенос будет 0.012 мг/с, что в 40 раз меньше, чем при аэрации с помощью перемешивания.

    Все данные расчеты выполнены без учета турбулентной диффузии, что занижает полученные значения.

     

    Теперь про практические способы аэрации.

     1 способ

       Аэрация в гофре(обычно на сливе). 

       Гофра это шланг с ребристой внутренней и внешней поверхностями. Обычно используется шланг от слива стиральных машин или трубы для прокладки кабеля, проверенные на герметичность. Вода, стекая по дне гофры, "цепляется" за рёбра и закручивается, в результате чего на поверхности образуется огромное количество мелких возмущений. Они имеют размер в несколько миллиметров и, что важно, огромную скорость обновления поверхности. Для правильной работы гофры  необходимо :

     -Что бы возмущения, вызванные ребрами, не затухали в толще воды- необходимо следить что бы не было участков  где слой воды был бы толще нескольких миллиметров над дном трубы. Для этого наклон гофры должен быть всегда направлен в одну сторону(не должно быть даже небольшого наклонна вверх, если смотреть по течению воды) 

     -Что бы воздух в гофре постоянно обновлялся, иначе в ней весь кислород уйдет в воду. Для этого в трубе делают сквозную вентиляцию, т.е. воздух должен свободно проходить через слив вместе с водой, и, увлекаемый течением воды, проходить трубу насквозь и выходить из трубы уже в баке с раствором или недалеко от него. Для этого либо следят, что бы гофра никогда не погружалась в раствор в баке полностью. либо делают дырку сверху в самой гофре над поверхностью воды. Длину гофры подбирают под размер установки, не короче 1.5 метра. Правильно сделанный таким образом слив абсолютно бесшумен.

    2 способ-

    Аэрация перемешиванием в баке. Иногда используется для аэрации аквариумов. В этом случае в бак добавляют еще один насос, который используется для перемешивания раствора и следовательно обновления поверхности. Шланг от насоса направляют параллельно поверхности недалеко от ее границы, что бы максимально уменьшить время, за которое на некоторой поверхности воды раствор полностью обновился. Такой метод довольно тихий, второй насос увеличивает шум установки. 
    3 способ.  
    Как говорилось выше аэрация происходит на границе сред. Так давайте максимально ее увеличим. Пусть вода протекает тонкой пленкой по поверхности, например, керамзита, насыпанного в трубу. Для этого возьмём крупный ( от 10 мм) нейтрализованный керамзит и насыпем его в трубу длиной от 30 сантиметров. В трубе просверлим отверстия, что бы избежать застоя воздуха. Так же будем следить за потоком воды, что бы он не был слишком большим и не изменил характер течения воды с тонкой плёнки по поверхности кусков керамзита на сплошную струю воды, «проваливающуюся» сквозь аэратор насквозь. Такой аэратор так же бесшумен. 
    4 способ

    Аквариумный компрессор, опущенный напрямую в основной бак. Самый простой, но и самый шумный способ. Дешёвые компрессоры непрерывно шумят на одной и той же частоте, очень мешающему жизни рядом с ним . И даже  если взять бесшумный  компрессор , останется шум пузырьков, к которому надо привыкнуть. 

     

     

    Формулы взяты из В.М.Рамм Абсорция газов.

     

     

     Рассказать

    Отзывы пользователей

    Рекомендованные комментарии

    Нет комментариев для отображения



    Создайте аккаунт или войдите в него для комментирования

    Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

    Создать аккаунт

    Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!

    Зарегистрировать аккаунт

    Войти

    Уже зарегистрированы? Войдите здесь.

    Войти сейчас

×
×
  • Создать...