CC BY
89
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 90._
УДК 631.5:633.581.14
ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА КАТОЛИТА ПРИ ЕГО ПОДАЧЕ ЧЕРЕЗ ФОРСУНКУ
А.П. МИШАНОВ; А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук
Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП»,Санкт-Петербург
В статье рассмотрена динамика изменения величины окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) католита, полученного из раствора 0,1% KCl при его униполярной обработке в электрохимической ячейке ПЭМ-3 и прохождении через форсунки с различными характеристиками при различном давлении в системе, создаваемом центробежным насосом. Известно, что в зависимости от вида выращиваемых культур применение католита, либо смесей католита с анолитом в различных пропорциях оказывает положительное влияние на рост и развитие растений. Косвенным критерием оценки активированности раствора является показатель ОВП, который в данном случае должен принимать отрицательные значения. В рассадном периоде выращивания растений зеленых культур, полив горшочков с растениями осуществляют водой и слабым раствором удобрений через форсунки системы дождевания. Рассмотрена возможность подачи активированного католита к растениям через форсунку для стимуляции роста и развития растений. В результате эксперимента выявлено, что уже при давлении в системе P=1 МПа, независимо от используемых в опыте типов форсунок, величина ОВП католита быстро изменяется от отрицательных значений до положительных, что изменяет свойства активированного католита с восстановительных до нейтральных. Применение данного способа подачи активированного католита к растениям с точки зрения сохранения восстановительных свойств для дальнейшего использования их в качестве стимулятора роста и развития растений представляется весьма неэффективным. Требуется поиск иных способов подачи к растениям для сохранения первоначальных свойств и дальнейшего изучения положительного действия электрохимически активированных (ЭХА) растворов при использовании в светокультуре.
Ключевые слова: светокультура; энергоэкологическая эффективность; гидропоника; окислительно-восстановительный потенциал; католит
VARIANCE OF REDOX POTENTIAL VALUE OF A CATHOLYTE BEING APPLIED THROUGH THE NOZZLE
A.P. MISHANOV; A.E. MARKOVA, Cand. Sc. (Agriculture)
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP", Saint Petersburg
The article considers the variance dynamics of redox potential value of a catholyte, which was produced from 0.1% KCl solution under its unipolar treatment in the electrochemical cell of "ПЭМ-3" flow-through electrochemical modular element and then applied through the nozzles with different characteristics at different pressures in the system created by the centrifugal pump.
It is known that depending on the kind of crops grown, the use of a catholyte, or the catholyte-anolyte mixtures with different ratios, has a positive effect on the growth and development of plants. Indirect assessment criterion of the activated degree of a solution is its redox potential value, which in this case must be negative. In the seedling period of growing herbaceous crops the pots with plants are irrigated with water
28
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
and a weak solution of fertilizer through the nozzles of the sprinkler system. The possibility of supply of an activated catholyte to the plants through the spray nozzle to stimulate the growth and development of plants was considered. The experiment revealed that, regardless of the nozzle types used, as early as under the system pressure P=1 MPa, the value of redox potential of the catholyte rapidly changed from the negative values to positive, and this changed the properties of the activated catholyte from the reductive to neutral. This method of supplying the activated catholyte to plants in terms of preserving its reductive properties for further use as a stimulant of growth and development of plants seems quite inefficient. To retain the original properties of the catholyte and to further study the positive effect of electrochemically activated solutions in indoor plant growing under artificial lighting some other ways of its supply to plants are to be found.
Key words: indoor plant lighing, energy and ecological efficiency, hydroponics, redox potential, catholyte
ВВЕДЕНИЕ
Одним из возможных экологически безопасных способов стимуляции роста растений как в момент высева, так и во время выращивания является применение (ЭХА) растворов, положительный результат использования которых подтверждается рядом исследований [1]. Эффект от воздействия данных растворов отличается у различных культур. Различные параметры ведения режима электрохимической активации и гидравлические схемы подключения для осуществления процесса униполярной обработки исходного раствора позволяют получать полезные растворы, обладающие различными эффектами. Косвенным показателем наличия аномальной активности раствора, релаксирующей во времени, является величина окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), называемая также редокс-потенциалом (от английского RedOx - Reduction/Oxidation). Эта величина является мерой химической активности элементов в обратимых окислительно-восстановительных процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах.
Водопроводная вода, используемая для полива, имеет величину ОВП от +100 до +400 мВ (окислительная способность) и не корректируется в производственных условиях. Известно, что ЭХА растворы оказывают положительное влияние на стимуляцию роста растений [2,3].
Изменение ОВП вызывает отчетливую реакцию растений, что предоставляет дополнительные возможности для создания оптимальных условий их развития. Биологическое действие, оказываемое на растения от применения католита или различных сочетаний католита с анолитом в различных соотношениях, характеризующихся отрицательными значениями ОВП, сходно с действием антиоксидантов.
В рассадном отделении при выращивании зеленных культур (первые 12-14 дней) до выставления горшочков с растениями в культивационные короба полив осуществляется водой или слабым питательным раствором через специальные форсунки. В данном случае целесообразно рассмотреть возможность использования активированного католита с целью стимуляции роста растений и его подачу через форсунку.
Сокращение срока выращивания растений и повышение урожайности в условиях светокультуры напрямую затрагивают вопросы экологичности и энергоэффективности, представляющие особую актуальность. Также влияние активированного католита можно рассматривать с точки зрения нового научного направления, разрабатываемого в Институте агроинженерных и экологических проблем (Санкт-Петербург) - энергоэкология светокультуры, объединяющего в себе подходы физики, физиологии растений и экологии.
Основой энергоэкологического анализа является разработанная иерархическая модель искусственной биоэнергетической системы как совокупности технических и энергетических устройств, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов (растений), применяемых в светокультуре для обеспечения требуемых технологических операций по получению готовой продукции [4]. При решении задач оптимизации на отдельных уровнях иерархической модели уровень энергоэкологичности, являющийся системным интегративным критерием оптимальности, выступает в виде локального критерия оптимальности. Теоретические представления, разработанные в данном направлении, позволили предложить практические приемы проектирования отдельных энергосберегающих мероприятий и оценки их эффективности [5], обосновать энергоэкологичные режимы проведения энерготехнологических процессов [6], алгоритмы управления энергоэффективностью и экологичностью [7].
Процесс ЭХА обработки растворов с использованием специальных реакторов позволяет получить активированные растворы с явно выраженными восстановительными свойствами из исходной воды (раствора). Наличие положительного влияние данных растворов в различных отраслях сельского хозяйства свидетельствует о перспективах применения данного метода.
ЭХА растворы - это низкоминерализованные жидкости в метастабильном состоянии, проявляющие в период релаксации повышенную химическую активность. Замедление времени релаксации и изучение динамики ее изменения представляют большой научный и практический интерес [8,9].
Целью исследования является изучение динамики изменения ОВП католита (ОВПК) при его прохождении через форсунку с помощью насоса.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Изучение изменения показателя ОВПК проводили на лабораторной установке, представляющей собой бак для исходного раствора 0,1% KCl, насоса подачи раствора в устройство электрохимической активации (элемент ПЭМ-3), манометра, вентилей для регулировки расхода жидкости в модуле активации, емкости для сбора активированного католита, насоса подачи католита к форсунке, манометра и вентилей для регулирования расхода через форсунку, форсунки (два вида) и емкости для сбора жидкости.
Для наибольшей наглядности изменения величины ОВП использовали щелочной католит, обладающий наибольшими отрицательными значениями из всех возможных ЭХА растворов, получаемый в проточном серийно выпускаемом модуле ПЭМ-3, разработанным в НПО «Экран».
Получаемый католит сразу с выхода из камеры ПЭМ-3 подавался в закрытую емкость объемом 5 литров для увеличения времени релаксационных процессов.
Исходный 0,1% раствор KCl для получения католита имел следующие показатели: рН=6,68; ОВП= +380 мВ; электропроводность (ЕС)= 2,07 мСм/см при t = 20,5 °C.
Приготовление католита осуществлялось при следующих параметрах:
- напряжение на электродах U=10 В;
- ток 1=1,21-1,24 А;
- давление до активатора Р=0,02 МПа;
- расход католита QK = 8,2 л/ч;
- расход анолита QА=9,0 л/ч
При данном режиме активации в процессе пропускания через модуль ПЭМ-3 исходного раствора в количестве 50 литров получали следующие показатели полезных растворов:
Анолит - рН=2,63-2,67, ОВП=+1072-+1108 мВ, ЕС=2,71-2,83 мСм/см; Католит - рН=11,7К11,78, ОВП=-790--835 мВ, ЕС=2,72 -2,91 мСм/см
В качестве устройств для распыла активированного раствора использованы: форсунка с действующей линии салатного отделения теплиц (Форсунка №1), изображенная на Рис. 1 и форсунка марки Lechler TR80-005C, обладающая более мелкодисперсным распылом (Рис.2).
Рис. 1. Форсунка №1
Рис. 2. Форсунка №2
В качестве устройства, подающего активированный католит на форсунки под различным давлением, использовался центробежный насос марки Al-KO Jet-801 с максимальным напором 38 м. Регулируя давление после насоса с помощью вентилей на трех фиксированных значениях и, изменяя тип распылителей, получены значения показателей ОВПк после прохождения через форсунки. Полученные результаты представлены на рис. 3 и рис. 4.
Рис. 3. Изменение ОВПК при прохождении через форсунку №1
Рис. 4. Изменение ОВПК при прохождении через форсунку №2
В таблице представлены данные о фактическом расходе католита через форсунки (л/мин) в зависимости от давления в системе.
Значения показателей рН после прохождения через форсунки находились в пределах 11,7-11,8, при первоначальных показателях рН=11,76-11,81.
Значения величин рН и ОВП измеряли потенциометрическим методом при помощи рН метра-иономера марки Эксперт 01 с использованием вспомогательного и индикаторных стеклянного (хлор-серебряного) и платинового электродов.
Таблица
Расход католита в зависимости от давления в системе
Наименование распылителя Давление в системе, МПа
0,1 0,2 0,3
Форсунка №1 1,20 1,41 1,70
Форсунка №2 0,11 0,16 0,19
Наибольший эффект от применения ЭХА растворов достигается при их нахождении в метастабильном состоянии, стремящемуся к равновесному по множеству причин. Особенно быстрые изменения в сторону наступления равновесного состояния наблюдаются у католита.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате исследования изменения значений ОВПК при его прохождении через форсунки, создающие различный распыл, а также при работе с различным давлением в системе установлено, что даже при давлении Р=0,1 МПа, что ниже давления, используемого в системе полива рассадного отделения, которое должно быть не ниже 0,2 Мпа, величина ОВПК резко повышается от исходных значений, равных минус 735±20 мВ до минус 28^10,5 мВ при использовании форсунки №1 и до значений плюс 7^14 мВ при использовании форсунки №2 при различном давлении в системе. Несмотря на существенное изменение свойств активированного католита от восстановительных до нейтральных величина рН католита практически не изменилась независимо от используемых форсунок и давления в системе. Совершенно очевидно, что использование распылителей значительно снижает величину ОВП растворов и ведет к потере восстановительных свойств католита. Данное резкое изменение свойств католита в первую очередь связано с интенсивным перемешиванием католита, находящегося в виде дисперсии или мелких капель с кислородом воздуха, что значительно снижает первоначальную восстановительную способность католита.
ВЫВОДЫ
1. Независимо от используемых в опыте видов форсунок и давления в системе величина ОВПК, прошедшего через форсунку резко изменяется от значений равных минус 735±20 мВ практически до нулевых значений, что свидетельствует о потере ярко выраженных восстановительных свойств католита.
2. Сильное изменение величины ОВПК при прохождении через форсунку не изменяет значение показателя рН (рН=11,76—11, 81 «до форсунки» и рН=11,7-11,8 «после форсунки»).
3. ОВПК при подаче его к растениям через форсунку практически полностью теряет восстановительные свойства и попадает на растение уже с наличием нейтральных свойств. Данный факт свидетельствует о невозможности доведения до растения католита с его первоначальными свойствами, присущими непосредственно после его приготовления, что требует поиска других путей подачи активированного католита при максимально возможном сохранении его первоначальных свойств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мишанов А.П., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Экологически безопасная технология подготовки воды и питательных растворов в интенсивной светокультуре //
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. Санкт-Петербург. -2010. -№82. -С.67-76.
2. Мишанов А.П., Судаченко В.Н., Маркова А.Е., Колянова Т.В. Повышение экологической безопасности питательных растворов в интенсивной светокультуре на основе технологии электрохимической активации (ЭХА) // В сборнике: Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения. Материалы 7-ой научно-практической конференции, Том 3. Северо-западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства. -2011. -С. 202-208.
3. Семененко С.Я., Лытов М.Н., Чушкина Е.И., Чушкин А.Н. Продуктивность томатов при капельном орошении с использованием электрохимически активированной воды //Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. -2014. -№ 2 (14). -С. 1-14.
4. Ракутько С.А., Судаченко В.Н., Маркова А.Е. Оценка эффективности применения оптического излучения в светокультуре по величине энергоемкости // Плодоводство и ягодоводство России. -2012. -Т. 33. -С. 270-278.
5. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве.-2015. - № 2 (12). - С. 5054.
6. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // В сб.: Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского. Сборник материалов III Межд. научно-практич. конф. Саратов, 2008.- С. 228229.
7. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Ракутько С.А. - Патент на изобретение №2357342.- 21.04.2008.
8. Аристова Н.А, Пискарев И.М., Ушканов В.А. Релаксация окислительно-восстановительного потенциала воды, насыщенной водородом // Вода: химия и экология. -2009. -№12. -С.40-44.
9. Петрушанко И.Ю. Неравновесное состояние электрохимически активированной воды и её биологическая активность / И.Ю. Петрушанко, В.И. Лобышев // Биофизика. -2001. -Т. 46. -Вып. 3. -С. 389-401.
УДК 631.589.2:577.344
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕТОКУЛЬТУРЫ САЛАТА ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ФОТОННОЙ ОБЛУЧЕННОСТИ
А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук; А.П. МИШАНОВ; С.А. РАКУТЬКО, д-р техн. наук; Е.Н. РАКУТЬКО
Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП», Санкт-Петербург
В статье рассматриваются вопросы зависимости энергоэффективности светокультуры салата листового (Lactuca Sativa L.) от различных значений фотонной облученности 59; 71;94 и 141 мкмоль-м-2-с-1 при использовании светодиодных облучателей (СД). Спектральный состав СД для растений принят с соотношением энергии в поддиапазонах спектра: 30% - в синей области; 20% - в
33
