CC BY
13
Научная статья УДК 621.311
doi: 10.37670/2073-0853-2022-95-3-162-165
Исследование состава поливной воды после обработки искровыми разрядами
Александр Анатольевич Белов
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия
Аннотация. Ограничение использования минеральных удобрений в поливной воде является актуальной экологической проблемой. Предлагается обогащать воду питательными веществами за счёт обработки искровыми разрядами. Цель исследования - изучить влияние обработки искровыми разрядами на состав поливной водопроводной воды. Для обработки воды искровыми разрядами применялась экспериментальная установка, состоящая из однофазного трансформатора импульсов высокого напряжения, выпрямительного блока, четырёх конденсаторов 50 кВ для накопления энергии электрического поля, формирующего разрядника на алюминиевых шарах, пластикового рабочего органа с рабочим разрядником на стальных электродах и пускозащитной аппаратуры. Основные параметры установки были следующие: разрядное напряжение 25 кВ, средняя мощность установки 200 Вт, воздушный зазор формирующего разрядника 10 мм, водяной зазор рабочего разрядника 2 мм. Экспериментально установлено, что при увеличении продолжительности обработки искровыми разрядами до 5 мин. повышается содержание нитратов в абсолютных единицах в водопроводной воде - с 4,4 до 11,8 мг/л, в атмосферной сточной воде - с 6,3 до 12,7 мг/л, в процентном отношении - примерно на 100 и 200 % соответственно. Повышение нитратов в исследуемых образцах водопроводной воды объясняется образованием короткоживущих свободных радикалов нитратов, которые формируют долгоживущие активные формы азота, вследствие активации их плазмой искровых разрядов в жидкой и газовой фазе при образовании многочисленных пузырьков.
Ключевые слова: вода, искровые разряды, нитраты, полив, растения.
Для цитирования: Белов А.А. Исследование состава поливной воды после обработки искровыми разрядами // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 162 - 165. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-162-165.
Original article
Study of the composition of tap water after treatment with spark discharges
Alexander A. Belov
Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
Abstract. Limiting the use of mineral fertilizers in irrigation water is an urgent environmental problem. It is proposed to enrich water with nutrients by treating it with spark discharges. The aim of the study is the effect of spark discharge treatment on the composition of tap water. For water treatment with spark discharges, an experimental setup was used, consisting of a single-phase high-voltage pulse transformer, a rectifier unit, four 50 kV capacitors for accumulating the energy of an electric field, a forming spark gap on aluminum balls, a plastic working body with a working spark gap on steel electrodes, and start-up equipment. The main parameters of the setup were as follows: a discharge voltage of 25 kV, an average power of the setup of 200 W, an air gap of the forming spark gap of 10 mm, and a water gap of the working spark gap of 2 mm. It has been experimentally established that with an increase in the duration of treatment with spark discharges to 5 minutes, the content of nitrates in absolute units in tap water increased from 4.4 to 11.8 mg/l, in atmospheric waste water - from 6.3 to 12.7 mg/l, in percentage terms - by about 100 and 200 %, respectively. The increase in nitrates in the studied samples of tap water is explained by the formation of short-lived free radicals of nitrates, which form long-lived active forms of nitrogen, due to their activation by spark discharge plasma in the liquid and gas phases during the formation of numerous bubbles.
Keywords: tap water, sparks, nitrates, irrigation, plants.
For citation: Belov A.A. Study of the composition of tap water after treatment with spark discharges. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 162-165. (In Russ.). https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-162-165.
Для питания растений, выращиваемых тепличными комбинатами в условиях закрытого и открытого грунта, требуются значительные дозы минеральных удобрений для повышения урожайности. Однако кроме пользы минеральные удобрения могут нести вред экологии окружающей среды. При их производстве и вымывании с почвы в водоёмы наносится зачастую непоправимый ущерб природе. Поэтому ограничение использо-
вания минеральных удобрений в поливной воде является актуальной экологической проблемой.
Электрогидравлический эффект, наблюдаемый при обработке воды, способен обогащать её питательными веществами, необходимыми для роста и развития растений [1]. Использование воды, обработанной электрогидравлическими ударами, для полива сельскохозяйственных растений может быть актуально с точки зрения
желаемого многими развитыми странами потребления всё более и более экологичной продукции растениеводства с как можно меньшим использованием минеральных удобрений [2]. Производство такой продукции будет наносить минимальный вред природным ресурсам или не наносить его совсем [3]. Вместе с тем внедрение в производство тепличной продукции применения искровых разрядов для обработки воды, в том числе атмосферной сточной, сдерживается недостаточными лабораторными или практически полностью отсутствующими полевыми экспериментами [4]. Механизм обеззараживания относительно ясен, а вот эффект на растениеводческой продукции не проверен [5]. Кроме того, неясен механизм перевода нерастворимых элементов в растворимые, неусвояемых форм питательных веществ в усвояемые. Не определены также изменения состава воды, как химического, так и микробиологического, происходящие в ней после обработки искровыми разрядами.
Материал и методы. Для эксперимента была взята водопроводная и атмосферная сточная вода из технического водоёма сбора поверхностных вод.
Для обработки воды искровыми разрядами применялась экспериментальная установка, состоящая из однофазного трансформатора импульсов высокого напряжения, выпрямительного блока, четырёх конденсаторов 50 кВ для накопления энергии электрического поля, формирующего разрядника на алюминиевых шарах, пластикового рабочего органа с рабочим разрядником на стальных электродах и пускозащитной аппаратуры. Основные параметры установки были следующие: разрядное напряжение - 25 кВ, средняя мощность установки - 200 Вт, воздушный зазор формирующего разрядника - 10 мм, водяной зазор рабочего разрядника - 2 мм.
Химический состав воды определяли методом капиллярного электрофореза; нитраты в водопроводной воде измеряли иономером ИТАН с электродом ЭЛИС-121 N03 методом прямой потенциометрии РД 52.24.367-2010 с точностью ±5 %.
Результаты и обсуждение. Атмосферные сточные воды формируются атмосферными осадками в разное время года. В одних регионах бывают частые ливни, в других - снежные зимы. В городских условиях дождевые и талые воды с улиц отводятся через системы канализации в ливневые коллекторы.
Для поддержания жизнедеятельности овощей необходима вода, для роста и развития - питательные элементы. Используемая для полива водопроводная, ливневая или озёрная вода имеет малое или недостаточное количество полезных веществ. Поэтому для активации роста овощей такие вещества, как азот, вносятся путём растворения в поливную воду в виде минеральных
удобрений, которые снижают экологичность почвы, листьев, стеблей и плодов [6].
Эксперимент по влиянию обработки искровыми разрядами на изменение состава воды был поставлен без внесения минеральных удобрений.
Исследуемая вода обрабатывалась в рабочем органе экспериментальной установки в течение 1 - 5 мин. [7]. Продолжительность обработки 1 - 5 мин. соответствовала количеству разрядов 60 - 300 в соответствии с частотой 1 Гц.
Эксперимент показал, что после обработки искровыми разрядами состав воды как водопроводной, так и атмосферной сточной, измеренный методом капиллярного электрофореза, практически не изменился, кроме содержания нитратов. Были измерены следующие показатели: аммоний, калий, натрий, магний, кальций, хлориды, сульфаты, нитраты, фосфаты и жёсткость общая.
Для уточнения результатов применялся метод измерения содержания нитратов в воде РД52.24.367-2010, который включал в себя подготовку к выполнению измерений, градуировку иономера ИТАН, непосредственное выполнение измерений и вычисление результатов измерений. Выполнение измерений проводилось согласно методике определения зависимости изменения потенциала ионселективного электрода от активности нитрат-ионов в контрольном или испытуемом образце воды. Измерения осуществлялись в присутствии индифферентного электролита, который выступал в качестве буферного раствора, сохраняющего в опытных пробах воды установленное значение кислотности и ионной энергии. Эта особенность допускает градуировку измерительного средства в единицах концентрации, а не активности нитрат-ионов. Содержание нитрат-ионов в образцах воды определяли вычислением градуировочной зависимости величины электродного потенциала от значения отрицательного логарифма активности нитрат-ионов. Измерения нитрат-ионов проводились непосредственно после проведения обработки атмосферной сточной воды плазмой искровых разрядов [8].
Результаты измерения концентрации нитрат-ионов в воде после различной продолжительности обработки показаны в таблице 1.
Концентрация нитрат-ионов замерялась в трёхкратной повторности каждого опыта, при этом в таблице показаны усреднённые значения.
Для исключения ошибок, неточностей и подтверждения достоверности результатов опытные измерения нитрат-ионов повторялись при одних и тех же технологических условиях и режимных параметрах ежедневно в течение пяти дней [9]. Экспериментальные результаты, полученные в течение этого периода, совпадают при погрешности не более 5 %, что аргументирует обеспечение условия повторяемости проведённых практических исследований.
Обработка искровыми разрядами приводила к снижению концентрации нитрат-ионов в водопроводной и атмосферной сточной воде. Наименьшей она была в атмосферной сточной воде после продолжительности обработки 5 мин., наибольшей - в водопроводной воде - 1 мин.
Снижение концентрации нитрат-ионов привело к повышению содержания нитратов в обработанной воде, так как согласно применяемому методу измерения эти величины обратно пропорциональны. В соответствии с полученными опытными измеренными концентрациями нитрат-ионов в воде был проведён пересчёт этих данных в содержание нитратов, имеющее размерность мг/л.
Следует отметить, что содержание нитратов в контрольном образце водопроводной воды составляло 4,4 мг/л, в контрольном образце атмосферной сточной воды - 6,3 мг/л.
На рисунке 1 показано влияние обработки искровыми разрядами на содержание нитратов в водопроводной и атмосферной сточной воде.
Экспериментальные точки аппроксимированы с достоверностью R2 теоретическими кривыми линейных уравнений.
Экспериментально установлено, что при увеличении продолжительности обработки искровыми разрядами до 5 мин. повышалось содержание нитратов в абсолютных единицах в водопроводной воде с 4,4 до 11,8 мг/л, в атмосферной сточной воде - с 6,3 до 12,7 мг/л, в процентном отношении - примерно на 100 и
200 % соответственно. Рекомендуемая безопасная норма содержания нитратов в поливной воде составляет не более 10 мг/л [10]. Повышенное содержание нитратов в поливной воде может привести к высокому их содержанию в поливаемых овощах, которые могут представлять большой риск для здоровья человека при их употреблении.
Повышение содержания нитратов в водопроводной воде с 4,4 мг/л до нормы 10 мг/л происходило при продолжительности обработки 3 мин. Повышение содержания нитратов в атмосферной сточной воде с 6,3 мг/л до нормы 10 мг/л наблюдалось при продолжительности обработки 2 мин. Следует отметить, что за 1 мин. содержание нитратов в среднем по всем выбранным образцам воды повышалось на 1,3 мг/л.
Повышение нитратов в исследуемых образцах водопроводной воды объясняется образованием короткоживущих свободных радикалов N03, которые формируют долгоживущие активные формы азота вследствие активации их плазмой искровых разрядов в жидкой и газовой фазе при образовании многочисленных пузырьков.
С точки зрения химии формирование различных активных форм азота в воде после обработки искровыми разрядами происходит за счёт диссоциации молекул кислорода, азота и воды из-за высокоэнергетических ультрафиолетовых фотонов и присутствия электронов с высокой энергией внутри плазмы искровых разрядов [11]. Впоследствии эти высокоэнергетические продукты диссоциации далее реагируют друг с
1. Зависимость концентрации нитрат-ионов в водопроводной и атмосферной сточной воде от продолжительности обработки искровыми разрядами
Источник воды Концентрация нитрат-ионов, моль/дм3, после продолжительности обработки
контроль 1 мин. 2 мин. 3 мин. 4 мин. 5 мин.
Водопроводная вода 3,51 3,35 3,27 3,16 3,10 3,07
Атмосферная сточная вода 3,35 3,28 3,15 3,11 3,09 3,05
14 12 10
8
-с
ё а
н =
у = 1,2829х + 6,5762 Я2 = 0,9528 _______'У
__________..............
------' *........... у = 1,5343х + 4.6476 .................. Я2 = 0,9811
___ ________ .л....... .........
■ ▲ атмосферная сточная вода водопроводная вода
-----логарифмическая (атмосферная сточная вода) .........теоретическая (водопроводная вода)
0
1
4
5
2 3
Продолжительность обработки, мин.
Рис. 1 - Зависимость содержания нитратов в водопроводной и атмосферной сточной воде от продолжительности обработки искровыми разрядами
6
4
другом и с другими атомами и молекулами с образованием промежуточных соединений, которые проталкиваются внутрь воды за счёт диффузии и принудительного объединения. В конечном счёте эти энергетические продукты взаимодействуют с водной фазой, давая различные реакции диссоциации и ассоциации и формируют устойчивые долгоживущие активные соединения азота [12].
Вывод. Определено влияние обработки искровыми разрядами на состав водопроводной воды. Получена экспериментальная зависимость содержания нитратов в водопроводной и атмосферной сточной воде от продолжительности обработки искровыми разрядами.
Список источников
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. 253 с.
2. Belov A. Application of high-voltage discharges for disinfection and activation of irrigation water (dagger). Irrigation and drainage. 2021; 70(2): 185 - 194.
3. Кудеяров В.Н., Семенов В.М. Проблемы агрохимии и современное состояние химизации сельскохозяйственного производства в Российской Федерации // Агрохимия. 2014. № 10. С. 3 - 17.
4. Белов А.А., Топорков В.Н. Обоснование электрогидравлической технологии для обработки водных растворов // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 1 (30). С. 51 - 57.
5. Проведение эксперимента по обеззараживанию воды обработкой высоковольтными разрядами / А.А. Белов, А.А. Мусенко, А.Н. Васильев и др. // Вестник НГИЭИ. 2019. № 8 (99). С. 34 - 43.
6. Аксенов М.П., Петров Н.Ю., Юдаев И.В. Результаты исследований стимуляции семян подсолнечника НК Неома электромагнитным полем и регулятором роста Зеребра Агро // Вестник АПК Ставрополья. 2016. № 1 (21). С. 153 - 158.
7. Обоснование устройства для электрогидравлической обработки водных растворов / А.А. Белов, А.А. Мусенко, А.Н. Васильев и др. // Вестник аграрной науки Дона. 2019. № 2 (46). С. 23 - 29.
8. Влияние электрогидравлической обработки на содержание нитратного азота в поливной воде / А.А. Белов, А.Н. Васильев, Ю.А. Степанычев и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2020. Т. 15. № 3 (59). С. 54 - 57.
9. Technical and economic efficiency assessment of heat pump electric regulator application on agricultural object / I. Ershova, D. Poruchikov, A. Vasiliev et al. International Transaction Journal of Engineering, Management and Applied Sciences and Technologies. 2019; 10(6): 877-885.
10. FAO. Water quality for agriculture. Water quality guidelines // Food and Agricultural Organization. Rome. 1994.
11. Reactive nitrogen species in plasma-activated water: generation, chemistry and application in agriculture / C. Bradu, K. Kutasi, M. Magureanu et al. Journal of physics D-applied physics. 2020; 53(22): 223001.
12. Investigation of physicochemical properties of plasma activated water and its bactericidal efficacy / V. Rathore, P. Divyesh, B. Shital et al. Plasma chemistry and plasma processing. 2021; 41: 871 - 902.
References
1. Jutkin L.A. Electro-hydraulic effect and its application in industry.L.: Mashinostroenie. 1986. 253 p.
2. Belov A. Application of high-voltage discharges for disinfection and activation of irrigation water (dagger). Irrigation and drainage. 2021; 70(2): 185-194.
3. Kudejarov V.N., Semenov V.M. Problems of ag-rochemistry and the current state of chemicalization of agricultural production in the Russian Federation. Agro-chemistry. 2014; 10: 3-17.
4. Belov A.A., Toporkov V.N. Substantiation of electro-hydraulic technology for the treatment of aqueous solutions. Innovations in agriculture. 2019; 1 (30): 51-57.
5. Conducting an experiment on water disinfection by treatment with high-voltage discharges / A.A. Belov, A.A. Musenko, A.N. Vasil'ev et al. Vestnik NGIJeI. 2019; 99(8): 34-43.
6. Aksenov M.P., Petrov N.Ju., Judaev I.V. The results of studies on the stimulation of sunflower seeds NK Neoma by an electromagnetic field and a growth regulator Zerebra Agro. Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2016; 21(1): 153-158.
7. Substantiation of the device for electrohydraulic treatment of aqueous solutions / A.A. Belov, A.A. Musenko, A.N. Vasil'ev et al. Don Аgrarian Science Bulletin. 2019; 46(2): 23-29.
8. Belov A.A., Vasil'ev A.N., Stepanychev Ju.A., Sharko A.A. Influence of electrohydraulic treatment on the content of nitrate nitrogen in irrigation water. Vestnik of Kazan State Agrarian University. 2020; 15: 3(59): 54-57.
9. Technical and economic efficiency assessment of heat pump electric regulator application on agricultural object / I. Ershova, D. Poruchikov, A. Vasiliev et al. International Transaction Journal of Engineering, Management and Applied Sciences and Technologies. 2019; 10(6): 877-885.
10. FAO. Water quality for agriculture. Water quality guidelines // Food and Agricultural Organization. Rome, 1994.
11. Reactive nitrogen species in plasma-activated water: generation, chemistry and application in agriculture / C. Bradu, K. Kutasi, M. Magureanu et al. Journal of physics D-applied physics. 2020; 53(22): 223001.
12. Investigation of physicochemical properties of plasma activated water and its bactericidal efficacy / V. Rathore, P. Divyesh, B. Shital et al. Plasma chemistry and plasma processing. 2021; 41: 871-902.
Александр Анатольевич Белов, доктор технических наук, главный научный сотрудник, sofronich.bel@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-9216-9852
Alexander A. Belov, Doctor of Technical Sciences, chief researcher, sofronich.bel@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-9216-9852
Статья поступила в редакцию 14.04.2022; одобрена после рецензирования 04.05.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 14.04.2022; approved after reviewing 04.05.2022; accepted for publication 11.05.2022. -♦-
