鹽酸與建筑石子制取CO2氣肥試驗研究

侯樸凡，劉中華，馮慧敏，馬群蕾，吳 茜，由 鑫

(1.山西農業大學農業工程學院，山西 太谷030801； 2.山西農業大學城鄉建設學院，山西 太谷030801)

0 引言

CO2是植物進行光合作用的主要原料之一，在溫室中，CO2濃度會影響作物的光合效率，從而影響作物的生長發育，進而影響產品質量和產量[1]。在溫室中，作物在白天進行光合作用時會大量吸收CO2，從而導致室內CO2濃度大幅度降低。溫室中CO2濃度變化的基本規律：夜間作物進行呼吸作用釋放CO2，使室內CO2濃度升高，日出前可達450 μmol/mol，隨著光照強度的增加，作物光合作用增強，CO2濃度逐漸下降，最低為80 μmol/mol，而蔬菜作物的CO2飽和點是1 000～1 600 μmol/mol[2-3]。在溫室冬季生產中，為保證一定的室內溫度，缺乏足夠的通風換氣，室內CO2濃度達不到作物生長的正常需求，因此，通過增施CO2來調節溫室內的CO2濃度，能夠有效地提高溫室的生產效益。

國外在溫室CO2施肥方面進行了大量的研究且取得了顯著的效果，從1920年德國提出“碳酸氣施肥”后，荷蘭、美國、日本等地開始了大規模的應用。隨著試驗條件的迅速發展，設施農業CO2施肥技術的研究更加深入，在不同種類作物、同一作物不同時期對CO2的需求、不同濃度的CO2對作物的生長影響等方面都有了很大的進展。國外施用CO2主要采取規模化方式，荷蘭、加拿大等地處高緯度，早春氣溫低，光照不足，多采用燃燒天然氣的方法，將CO2通過管道運輸到植物周圍；夏季光照時間充足，則使用CO2鋼瓶直接增施[4]。

國內學者在CO2施肥方面也取得了一定的成果。張晶丹等[5]監測了喀左地區日光溫室內種植的茄果類蔬菜生長期CO2的變化規律并提出了補充CO2的時間。李向前等[6]在石家莊地區試驗了CO2氣肥在日光溫室黃瓜上的應用，研究表明增施CO2可提高植株抗病性。HAO Pengfei等[7]發現在溫室內富集CO2可提高番茄的生長和果實品質。李靖等[8]研究了在不同CO2濃度施肥情況下溫室番茄果實積硒效應的變化規律，研究表明，隨著CO2濃度升高，番茄果實內硒含量明顯提升。武佩琪等[9]研究了增施CO2對西瓜品質的影響。孫茜等[10]研究了CO2微加富與常規CO2濃度相比，CO2加富后，可以降低灌溉液最適營養液EC值，通過氣肥的補充而減少根肥的用量。WANG Yan等[11]制備了一種受多酚化學啟發的緩釋CO2氣肥，可改善植物的光合作用。劉中華等[12-14]設計了CO2智能釋放系統，配合管送式溫室農藥氣化裝置，實現了CO2氣肥和農藥同時施用。

目前國內在設施農業生產中常用的增施CO2的方法有CO2鋼瓶法、有機堆肥法、化學法等[15-17]。采用鋼瓶釋放CO2便于控制用量，但存在成本較高與不便運輸的問題。有機堆肥法雖成本低但不便于控制CO2釋放的濃度與時間。化學法增施CO2可通過電加熱碳酸氫銨、含有碳酸根負離子的鹽(碳酸氫銨、碳酸銨、碳酸鈉等)和硫酸反應等方法生成CO2[18-21]。

為了降低溫室生產時施加CO2氣肥的成本，本試驗采用常見的建筑所用石子(主要成分為CaCO3)與鹽酸反應，探討在溫室生產中適用的CO2制備方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

制取CO2氣體的原料為建筑石子(主要成分為CaCO3)；鹽酸(濃度為4、6、8、10和12 mol/L)。

1.2 試驗方法

由化學反應方程式CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑可知，1 g CaCO3若要完全反應，需要0.73 g的HCl，即1.7 mL的36%濃鹽酸，反應可生成0.44 g CO2氣體，即224 mL。由于石子中含有大量雜質，無法確定所含CaCO3的質量，所以用等量的不同濃度鹽酸與過量的石子反應，并稱量反應前后石子的質量。生成的CO2氣體用排水法收集(圖1)，每個集氣量筒的體積為300 mL。

圖1 排水法示意

2 結果與分析

2.1 不同濃度鹽酸對CO2生成量的影響

不同濃度鹽酸與石子反應收集到的CO2體積與時間關系如圖2所示。隨著反應的進行，CO2生成量逐漸增大。反應進行一段時間后，鹽酸被消耗，氫離子的濃度越來越小，反應逐漸趨于平緩，直至不再反應。鹽酸濃度越高，收集到的CO2體積也越大。

圖2 收集到的CO2體積與時間的關系

2.2 不同濃度鹽酸對CO2生成速率的影響

不同濃度鹽酸與石子反應的CO2發生速率與時間關系如圖3所示。隨著反應的進行，CO2的生成速率逐漸降低。在反應初期，向反應器內加入鹽酸，鹽酸剛接觸石子開始反應，此時鹽酸尚未完全接觸石子，因此反應初期的速率較小。鹽酸與石子完全接觸后，隨著反應的進行，CO2的生成速率總體呈下降趨勢。除12 mol/L的鹽酸外，其余濃度的鹽酸與石子反應速率都比較平穩。反應進行到平穩狀態后，在同一時刻，鹽酸濃度越高，CO2生成速率越快，因此在溫室生產中，為使溫室內CO2濃度盡快達到作物生長需求，可采用12 mol/L的濃鹽酸與石子反應。

圖3 CO2發生速率與時間的關系

2.3 CO2生成量對比

相同體積、不同濃度的鹽酸與石子反應所制備CO2的體積及產氣率如表1所示。CO2預計生成體積與實際生成體積對比如圖4所示，不同濃度的鹽酸生成CO2的產氣率大致接近。在實際溫室生產中，為操作方便，可直接使用工業鹽酸反應，無需稀釋。

表1 CO2產量及產氣率

圖4 CO2預計生成體積與實際生成體積

2.4 石子在鹽酸中溶解機理

石子在鹽酸中反應前后對比如圖5所示，反應前后的石子形狀并無變化，只是體積變小。石子溶解示意如圖6所示，當石子完全浸入鹽酸后，反應在石子表面各處同時進行，石子均勻地向內溶解，隨著反應的進行，石子表面形成了越來越多的溶解通道，石子體積和表面積越大，向內溶解的長度越小。因此在實際生產中，為提高石子中碳酸鈣的利用率，應盡量使用體積較小的石子。

圖5 石子反應前后對比

圖6 石子溶解示意

3 討論與結論

不同濃度的鹽酸與石子反應產生的CO2體積和生成CO2速率不同，CO2生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸濃度越高，生成CO2的體積越大，CO2生成速率越快。因此在溫室生產施加CO2時，可采用12 mol/L的鹽酸與建筑石子反應，通過CO2智能釋放系統，使室內CO2濃度快速達到植物生長所需水平。

CO2鋼瓶直接增施是溫室生產中使用較多的CO2施肥方法，但鋼瓶釋放CO2成本較高，20 kg液態CO2售價為35元，而建筑石子和鹽酸價格較低，相同成本情況下本研究的反應可得到50 kg CO2，反應生成的氯化鈣脫水后可用作除雪劑和干燥劑，有效降低溫室生產成本[22]。