Обобщенная модель релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Электрохимически активированная вода уже сейчас широко используется в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в сельском хозяйстве. Многочисленными исследованиями доказана эффективность использования электрохимически активированной воды и водных растворов для подавления патогенной микрофлоры [1-4], активации обменных процессов и стимуляции роста растений [5-7]. Принципиальная возможность использования электрохимически активированной воды для полива сельскохозяйственных культур была доказана исследованиями ученых Поволжского НИИ эколого-мелиоративных технологий [8, 9], которыми впервые для этих целей было предложено применять систему капельного орошения.

Электрохимической активации подвергается как вода в чистом виде, так и ее растворы с различными химическими веществами. Другим способом применения электрохимической активации является ее использование для приготовления растворов. В частности, при поливе сельскохозяйственных культур актуальны вопросы приготовления и использования растворов минеральных удобрений на основе электрохимически активированной воды.

Важной задачей при проектировании систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды является пространственное прогнозирование активационных потенциалов электрохимически активированной оросительной воды и приготовленных на ее основе питательных растворов минеральных удобрений. С учетом отсутствия в настоящее время каких-либо расчетных методов определения активационных потенциалов цель исследований заключалась в разработке прогнозной модели, учитывающей динамику релаксационных процессов активированной воды и водных растворов удобрений. На практике к таким моделям имеется ряд требований:

- собственно решение задач прогнозирования активационных потенциалов на основе закономерностей релаксационных процессов;

- решение оптимизационных задач по подбору химического состава растворов и их концентрации с позиций максимального сохранения активационных потенциалов в течение периода, необходимого для подачи питательной смеси в прикорневую зону растений;

- решение обратной задачи по определению требований к параметрам и режиму работы модуля электрохимической активации воды при известных значениях активационного потенциала на выходе.

Кроме того, прогнозная модель должна обладать определенной степенью универсальности, позволяющей применять ее при разных начальных уровнях активационного потенциала.

Динамика релаксационных процессов в электрохимически активированной воде или водных растворах, как правило, не линейна [10]. Однако при выборе временного лага достаточно малой продолжительности любой нелинейный закон максимально приближается к линейным решениям. Динамика релаксационных процессов в электрохимически активированной воде или водных растворах такова, что уже при временном интервале 1 ч изменение активационных потенциалов происходит практически по линейному закону:

,

где АП - величина активационного потенциала на момент , мВ; - продолжительность периода релаксации, ч; - значение активационного потенциала в начале периода релаксации ( = 0); - скорость релаксационных процессов, мВ/ч. В геометрической интерпретации параметр соответствует тангенсу угла наклона прямой, характеризующей линейный закон релаксации активационных процессов, к оси абсцисс, которой является ось времени релаксации (рисунок 1).

Рисунок 1 - Геометрическая интерпретация линейных участков закона релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений в декартовых координатах

Этот параметр не зависит от начального активационного потенциала электрохимически активированной воды или водных растворов и поэтому может быть положен в основу разрабатываемой модели. Величина 1/, обратная параметру , есть котангенс угла , или по определению отношение прилежащего к углу катета к противолежащему. В нашем случае прилежащий к углу катет есть продолжительность периода релаксации, а противолежащий - изменение активационного потенциала воды или растворов за время , равное продолжительности периода релаксации. Эта величина характеризует устойчивость активированных систем (воды или водных растворов) и прямо пропорциональна способности сохранения активационных потенциалов. Поэтому ее целесообразно использовать в качестве критерия оптимизации при обосновании химического состава и концентрации минеральных удобрений в растворе электрохимически активированной воды.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования по определению ключевых параметров модели релаксации воды и водных растворов минеральных удобрений проводили в условиях лаборатории ФГБНУ «Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий». Выработка электрохимически активированной воды при проведении экспериментальных исследований в данной лаборатории осуществлялась на экспериментальном оборудовании, представляющим собой опытный образец установки для электрохимической активации воды проточного типа. В качестве меры активации раствора использовали значения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП, мВ). Для измерения окислительно-восстановительного потенциала электрохимически активированной воды и приготовленных на ее основе растворов использовали РН-метр РН-150М. Начальный активационный потенциал воды характеризовался значениями ОВП плюс 850 мВ по анолиту и минус 700 мВ по католиту. Растворы готовили на основе природной электрохимически активированной воды и минеральных удобрений:

- мочевины (карбамид, 46,2 % азота), концентрация - 0,05; 0,10 и 0,30 %;

- суперфосфата (соотношение N : P - 6 и 26 %), концентрация - 0,05; 0,10 и 0,30 %;

- сульфата калия (50 % калия), концентрация - 0,05; 0,10 и 0,30 %.

Измерения окислительно-восстановительного потенциала проводили с интервалом 1 ч. Линеаризация закона релаксации также проводилась отрезками с интервалом продолжительности периода 1 ч. Для оценки параметров закона релаксации по полученным опытным данным использовали метод регрессионного анализа.

Результаты и обсуждение. Используя линейные значения скорости релаксации (параметр , тангенс угла ) для каждого из линейных отрезков периода релаксации, можно прогнозировать и активационный потенциал воды или водных растворов в рамках этого периода.

Например, если прогноз необходимо составить для периода, продолжительность которого не превышает 1 ч, то расчет следует проводить по формуле:

,

где - окислительно-восстановительный потенциал электрохимически активированной воды на момент , но в рамках первого часа релаксации;

- линейная скорость релаксации активированной воды в течение первого часа после электрохимической обработки;

- переменная продолжительности периода релаксации в течение первого часа после электрохимической обработки воды или водного раствора;

- начальный уровень активации воды.

Активационный потенциал воды на период после первого, но в пределах второго часа после электрохимической обработки будет прогнозироваться по схожей зависимости:

,

отличие которой от первой заключается в изменении значения параметра (линейная скорость для отрезка ) и значения свободного члена . Величина последнего определяется равенством:

.

минеральный водный релаксационный электрохимический

Тогда

,

и т. д. в зависимости от того, на какой момент значения параметров нас интересуют.

Общий вид зависимости можно свести к следующей форме:

, (1)

где - продолжительность периода после электрохимической обработки воды, ч.

Однако опыты показали, что добавление минеральных удобрений сопровождается скачкообразным переходом электрохимически активированной водной системы к новому состоянию, характеризующемуся существенно изменившимися параметрами активационного потенциала (таблица 1, рисунки 2, 3). Например, добавление сульфата калия в анолит при концентрации 0,05 % снижало окислительно-восстановительный потенциал электрохимически активированной воды с 850 до 623 мВ, а при доведении концентрации раствора до 0,30 % данный параметр снижался до 264 мВ. Последнее значение практически соответствует естественному окислительно-восстановительному потенциалу природной оросительной воды.

Таблица 1 - Изменение параметров состояния электрохимически активированной воды при введении в раствор минеральных удобрений

Рисунок 2 - Динамика окислительно-восстановительного потенциала анолита в зависимости от концентрации растворов минеральных удобрений

Рисунок 3 - Динамика окислительно-восстановительного потенциала католита в зависимости от концентрации растворов минеральных удобрений

При добавлении в раствор суперфосфата окислительно-восстановительный потенциал анолита изменялся слабо, но отмечено падение активационного потенциала католита. Доведение концентрации суперфосфата в растворе до 0,05 % сопровождалось изменением окислительно-восстановительного потенциала католита от минус 700 до минус 578 мВ, а при содержании в растворе 0,30 % суперфосфата окислительно-восстановительный потенциал активированной системы не превышал минус 469 мВ.

На рисунках 2 и 3 приведены зависимости, характеризующие снижение окислительно-восстановительного потенциала электрохимически активированной воды при введении в раствор минеральных удобрений. Зависимости связывают концентрацию растворенных в электрохимически активированной воде удобрений и градиенты изменения окислительно-восстановительного потенциала от начальных значений, полученных при электрохимической обработке.

Обозначим градиент падения окислительно-восстановительного потенциала электрохимически активированной воды при добавлении в раствор минеральных удобрений как . Тогда выражение (1) для определения окислительно-восстановительного потенциала электрохимически активированной воды и ее растворов с минеральными удобрениями примет вид:

. (2)

Механизм определения значений параметров в приведенном уравнении сводится к следующему:

- кривая релаксации электрохимически активированной воды с растворенными в ней минеральными удобрениями разбивается на -ное число интервалов таким образом, чтобы в рамках этого интервала с высокой степенью достоверности закон релаксации мог быть описан линейными уравнениями: . В нашем случае для измерения активационного потенциала применяется окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), а временной период, используемый для разбиения кривой релаксации, принят равным 1 ч;

- для каждого отрезка, полученного разбиением кривой релаксации на периоды (фазы), по опытным данным методом регрессионного анализа определяются параметры линейного уравнения регрессии вида: . Результаты лабораторного эксперимента, которые явились основной для проведения регрессионного анализа, приведены в таблице 2;

Таблица 2 - Динамика окислительно-восстановительного потенциала электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений в лабораторном опыте В мВ

Таблица 3 - Динамика фазовых скоростей релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений В мВ/ч

Исследования показали, что в зависимости от концентрации водных растворов минеральных удобрений и времени с момента электрохимической обработки воды в активационном модуле значения фазовых скоростей релаксации изменяются по вполне определенным закономерностям, которые могут быть описаны нелинейными уравнениями множественной регрессии. Примером этого является зависимость градиентов скорости релаксации анолита с раствором мочевины (рисунок 4):

,

где - градиент скорости релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений, мВ/ч;

- концентрация минеральных удобрений в растворе, %;

- фаза релаксации, ч.

Рисунок 4 - Градиент скорости релаксации раствора мочевины в анолите (v, мВ/ч) при разной концентрации (С, %) в зависимости от фазы релаксации (Т, ч)

Значения параметров уравнения: = -40,02; = 21,6; = -67,64; = 29,3; = -6,63; = 1,48; = -0,0019; = -0,82; = 0,22; = 8,2 · 10-7. Коэффициент детерминации зависимости = 0,97.

Использование зависимости ограничено диапазоном концентраций растворенного вещества от 0 до 0,30 % и продолжительностью периода релаксации 3 ч.

Подбор формы регрессионных зависимостей проводился с помощью минимизации отклонений от значений фазовых скоростей релаксации, полученных в результате эксперимента. Было установлено, что для разных групп данных (анолит, католит, вид растворенного удобрения) зависимости имеют неодинаковую форму. Например, зависимость градиентов скорости релаксации католита с раствором мочевины или сульфата калия имеет вид:

( = 0,91),

зависимость градиентов скорости релаксации католита с раствором суперфосфата наиболее надежно описывается уравнением:

( = 0,95),

зависимость фазовых скоростей релаксации анолита с раствором суперфосфата принимает вид:

( = 0,99),

зависимость градиентов скорости релаксации анолита с раствором сульфата калия имеет форму:

( = 0,97).

Параметры приведенных зависимостей, оцененные методом регрессионного анализа, приведены в таблице 4. Таким образом, с использованием системы зависимостей для определения градиентов фазовых скоростей релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений, зависимостей «мгновенного» изменения окислительно-восстановительного потенциала активированной воды при добавлении минеральных удобрений в разной концентрации и обобщенной модели релаксации, представленной уравнением (2), можно определить активационный потенциал водной среды для любого времени , прошедшего с момента электрохимической обработки воды в активационном модуле.

Таблица 4 - Идентифицированные значения параметров зависимостей фазовых скоростей релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений

Выводы. Теоретически и экспериментально обоснована обобщенная модель релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений, экспериментально идентифицированы параметры модели для случаев с применением трех видов минеральных удобрений (карбамида, суперфосфата, сульфата калия) в концентрациях от 0,05 до 0,30 %. Использование модели позволяет с высокой степенью надежности прогнозировать падение активационного потенциала со временем, учитывая вид и концентрацию химического вещества в растворе.

Литература

1. Семененко, С. Я. Фитосанитарное оздоровление зерновых и овощных культур с помощью электрохимически активированной воды / С. Я. Семененко, М. Н. Белицкая, С. М. Лихолетов // Успехи современного естествознания. - 2013. - № 1. - С. 78-82.

2. Биоцидная активность электролизного раствора гипохлорита натрия и электрохимически активированного раствора анолита нейтрального / О. А. Черкасова, И. И. Бурак, А. А. Радишевич, И. И. Уразова, И. И. Лопатнева // Вестник Витебского государственного медицинского университета. - 2008. - Т. 7, № 1. - С. 103-112.

3. Экспериментальное обоснование возможности снижения пестицидных нагрузок при возделывании томатов в условиях орошения / Н. Н. Дубенок, С. Я. Семененко, Е. И. Чушкина, М. Н. Лытов // Вестник РАСХН. - 2014. - № 5. - С. 55-58.

4. Yielding capacity and quality of tomato fruits at drop irrigation with electrochemically activated water in light-chestnut soils of the lower Volga region / S. Semenenko, V. Borodychev, E. Ivantsova, M. Lytov // 15th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2015. - B. 5, Vol. 1. - P. 1055-1062.

5. Брыкалов, А. В. Оценка влияния электрохимически активированной воды на ферментативную активность семян / А. В. Брыкалов, Е. В. Плющ // Современные наукоемкие технологии. - 2004. - № 4. - С. 83.

6. Влияние католита на росторегулирующую способность гумата калия при некорневой обработке озимой пшеницы / Э. А. Александрова, Г. А. Шрамко, Т. В. Князева, Я. С. Черных // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - Т. 1, № 38. - С. 113-117.

7. Пасько, О. А. Рост и развитие растений, стимулированных электрохимически активированной водой / О. А. Пасько // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В. Р. Филиппова. - 2010. - № 3. - С. 54-59.

8. Абезин, В. Г. Система капельного орошения с модулем электроактивации оросительной воды / В. Г. Абезин, В. В. Карпунин // Достижения науки и техники АПК. - 2007. - № 6. - С. 23-25.

9. Эффективность возделывания томатов при капельном орошении с использованием электрохимически активированной воды / С. Я. Семененко, Е. И. Чушкина, М. Н. Лытов, А. Н. Чушкин // Плодородие. - 2014. - № 2. - С. 38-41.

10. Влияние длительности электролиза воды и последующей релаксации на электрохимические характеристики католита и анолита / Г. А. Шрамко, Э. А. Александрова, Б. Е. Красавцев, А. С. Цатурян, В. Б. Симкин // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 2(35). - С. 385-388.

Размещено на Allbest.ru