Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Электрохимическая активация водных растворов 7
1.2. Физико-химические аспекты электрохимической активации 10
1.3. Конструкции и энергетические характеристики активаторов 18
1.4. Электроактивированная вода в птицеводстве 23
1.5. Существующие системы поения в птицеводстве 26
1.6. Выводы и постановка задач исследования 29
2. Теоретические аспекты электрохимической активации воды 32
2.1. Оценка вкладов различных путей расхода электроэнергии в процессе ЭХА 32
2.2. Роль материала электродов и минерализации воды в процессе ЭХА . 39
2.3. О природе активных частиц, образующихся в процессе ЭХА 46
3. Программа и методика исследований 52
3.1. Описание экспериментальной установки и технических средств измерений 53
3.2. Методика выявления факторов, влияющих на физико- химические свойства электроактивированной воды 56
3.3. Методика исследования энергоемкости процесса ЭХА 60
3.4. Методика исследования внешних факторов, влияющих на параметры активации 62
3.4.1. Методика исследования зависимости показателей активации от материала накопительной емкости 62
3.4.2. Методика исследования зависимости показателей активации от воздуха и входящих в него компонентов 62
3.4.3. Методика проведения производственного эксперимента 63
3.4.4. Методика проведения лабораторных исследований 63
3.5. Методика анализа экспериментальных данных 64
4. Электрохимическая активация воды для поения птицы. экспериментальные исследования . 66
4.1. Математическая модель влияния выбранных факторов на ре- докс-потенциал католита 66
4.2. Исследование энергоемкости процесса электрохимической активации 69
4.3. Анализ факторов влияющих на физико-химические показатели электроактивированной воды в системе поения 72
5. Технологический процесс поения птицы 81
5.1. Разработка схемы поения электроактивированной водой при клеточном содержании птицы комплекта оборудования БГО-140 81
5.2. Разработка схемы управления электроактиватором воды для поения птицы 83
5.3. Определение экономической эффективности применения электрохимического активатора воды в системе поения птицы 86
Общие выводы 98
Литература 100
Приложения 114
- Физико-химические аспекты электрохимической активации
- Роль материала электродов и минерализации воды в процессе ЭХА
- Методика выявления факторов, влияющих на физико- химические свойства электроактивированной воды
- Анализ факторов влияющих на физико-химические показатели электроактивированной воды в системе поения
Введение к работе
Решение конкретных задач сельскохозяйственного производства на основе научно-технических разработок является актуальным направлением в области сельскохозяйственной науки, в том числе в электротехнологии сельского хозяйства. Одной из таких задач является повышение эффективности выращивания ремонтного молодняка кур несушек и мясных цыплят бройлеров.
При постановке настоящей работы мы исходили из известных данных о положительном эффекте применения электроактивированных растворов при поении птицы. Было показано /97, 104, 20/, что электроактивированная вода в данном технологическом процессе способствует увеличению живой массы птицы, уменьшению расхода корма и воды на единицу продукции, а также повышению сортности тушек и сохранности поголовья.
Несмотря на то, что электрохимическая активация воды уже нашла применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, до настоящего времени окончательно не решен вопрос о ее природе. Есть даже утверждения /113/, что это явление связано с изменением структуры воды или со свойствами физического вакуума. Кроме того, часто не делают различий между электрохимической активацией и "обычным" электролизом воды, направленным на получение водорода и кислорода. Суть электрохимической активации заключается в том, что при перенапряжениях, намного превышающих допустимые в промышленном получении водорода и кислорода, пропускание постоянного тока через водные растворы приводит к необычному сочетанию их окислительно-восстановительных и кислотно- основных свойств. Продуктом электрохимической активации являются именно эти растворы. Они способны обеззараживать питьевую и сточные воды, консервировать зеленые корма, обеспечивать мойку оборудования в пищевой и фармацевтической промышленности, положительно воздействовать на организм человека и животных.
Целью работы является научное обоснование режимов работы электрохимического активатора и его применение в технологической линии поения птицы, а также решение ряда вопросов в теории электрохимической активации.
Объект исследования. Процесс электрохимической активации в проточном и непроточном активаторах и в технологической линии поения птицы.
Предмет исследования. Закономерности процесса электрохимической активации воды.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выявлено влияние материала электродов на редокс-потенциал электроактивированной воды, которое указывает на существенную роль окисления анода в формировании окислительно-восстановительных свойств активированной воды;
обоснован расход электроэнергии в процессе ЭХА, получена математическая модель, с помощью которой можно подобрать совокупность технологических параметров, обеспечивающих минимальные удельные затраты электроэнергии при требуемой производительности и показателях активации католита.
Практическая ценность. Использование электроактивированной воды в системе поения ремонтного молодняка птицы яйценоского направления позволяет вдвое уменьшить потери молодняка, исключить расклев птицы.
Методика оценки различных путей расхода электроэнергии в процессе электрохимической активации используется в учебном процессе и включена в практикум по дисциплине "Электротехнология".
Реализация результатов исследований. Установка для электрохимической активации воды используется на птицефабрике "Маяк" Сальского района Ростовской области в технологической линии поения ремонтного молодняка птицы, содержащейся в клеточных батареях комплекта оборудования БГО-140.
Автор защищает:
результаты оценки расхода электроэнергии в процессе электрохимической активации;
влияние материала электродов на физико-химические показатели электроактивированной воды;
результаты исследования природы активных частиц, образующихся в процессе электрохимической активации;
математическую модель, позволяющую определять режимы работы электроактиватора в зависимости от требуемого технологическим процессом поения значения редокс-потенциала;
математическую модель, с помощью которой можно подобрать совокупность технологических параметров, обеспечивающих минимальные удельные затраты электроэнергии при требуемой производительности и показателях активации католита;
результаты исследования факторов, влияющих на показатели активации в технологической линии поения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений.
Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, включает таблиц 25 и 33 рисунка. Список использованной литературы включает 127 наименований, в том числе 12 зарубежных авторов. Имеются 4 приложения на 4 страницах.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в пяти работах.
Автор искренне признателен доктору химических наук, профессору кафедры «Физиологии и химии» АЧГАА В. В. Замащикову за научные консультации в решении ряда вопросов, касающихся электрохимии.
Работа выполнялась на кафедре «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Азово - Черноморской государственной агроинженер- ной академии (г. Зерноград Ростовской области).
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Электрохимическая активация водных растворов
Принято считать /49/, что явление, получившее название электрохимической активации (ЭХА), было открыто В. М. Бахиром в 1972 году. Суть явления состоит в том, что при очень высоком по сравнению с характерным для классических процессов электролиза значении перенапряжения пропускание постоянного электрического тока через водные растворы, в том числе "обычную" водопроводную воду, приводит к необычному сочетанию окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств этих растворов. Полученные системы нестабильны; их параметры, в первую очередь редокс- потенциал, в процессе релаксации в зависимости от внешних условий за время от нескольких часов до нескольких суток стремятся к "нормальным" значениям. Установлено, что именно активированные растворы при их использовании до момента полной релаксации обладают набором уникальных полезных свойств: обеспечивают обеззараживание питьевой воды, сточных вод, консервирование зеленых кормов, предстерилизационную очистку изделий медицинского назначения, мойку оборудования в пищевой и фармацевтической промышленности, положительно воздействуют на организм человека и животных.
В настоящее время известны сотни авторских свидетельств, опубликовано множество статей о роли электрохимической активации в отраслях промышленности и сельском хозяйстве (обзор приведен в /113/).
Анализ практического использования электрохимической активации в отраслях промышленности, применяющих технологии с использованием воды и водных растворов показывает /35/, что устройства на основе электрохимической активации могут быть встроены практически в любую существующую технологию и позволяют превратить ее в экологически чистую и эффективную. При этом почти не меняется оборудование, которое используется в технологическом процессе; не изменяется последовательность основных технологических операций. Однако часто сокращается время технологического процесса, существенно уменьшается расход химических реагентов, резко сокращается или полностью исключается образование сточных вод, повышается качество конечного продукта технологии и, как правило, улучшаются условия труда /35/.
Так технология водоподготовки с использованием электрохимической активации позволяет /35/ полностью исключить расход химических реагентов, исключить сброс сточных вод, повысить глубину умягчения и обессоли- вания воды, снизить ее коррозионную активность при минимальных энергетических затратах.
При очистке металлических, пластмассовых, стеклянных поверхностей от загрязнений различного типа с помощью моющих средств на основе электрохимически активированных растворов обеспечивается /35/ повышение качества и скорости очистки, исключается применение дорогостоящих опасных в обращении и пожароопасных реагентов (спирта, ацетона, кислот, щелочей).
В агропромышленном производстве применение электрохимической активации имеет самые широкие перспективы. Так, технология хранения овощей и фруктов с использованием в качестве обеззараживающего и консервирующего средства электрохимически активированных растворов, позволяет /35/ исключить химические препараты, повысить сроки хранения плодовоовощной продукции, подавить развитие грибковых и вирусных заболеваний плодов растений.
В растениеводстве электрохимическая активация обеспечивает стимуляцию роста и развития растений, повышение урожайности растительных культур путем предпосевной обработки семян /71, 78, 43, 93, 56/ обеззараживание зерна, борьбы с насекомыми-вредителями, грибковыми болезнями растений /35, 19/. При замачивании семян в электроактивированных водных растворах происходит повышение проницаемости оболочки зерна, ускоряется
влагоперенос и перенос питательных веществ /98/. Это приводит к ускорению биохимических процессов в зерне и увеличению энергии его прорастания. У растений, выросших из обработанных семян, развивается более мощная корневая система, ускоряется переход к фотосинтезу, то есть создается прочный фундамент для интенсивного роста и развития /90/.
Влияние предпосевного замачивания семян на урожайность огурцов
В Сибирском ботаническом саду были проведены исследования по обработке семян огурцов в смеси анолита и католита, результаты которых представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Как видно из таблицы урожай огурцов при замачивании их семян в указанной смеси оказался на 38,8% выше, чем урожай огурцов, семена которых были замочены в обычной воде, и на 30% выше, чем урожай огурцов, семена которых были замочены в растворе микроэлементов /87/.
Анолит может быть использован для борьбы с сельскохозяйственными вредителями (тепличной белокрылкой, тлей, галловой нематодой) и болезня
ми растений (корневой гнилью, вилтом), для дезинфекции растительной ткани в технологии клонирования растительных организмов /98/.
В животноводстве и ветеринарии электрохимическая активация применяется для выпаивания ремонтного молодняка, мойке и дезинфекции мо- локопроводов, доильных аппаратов, другого оборудования. В производственных экспериментах, проведенных на сельскохозяйственных животных и птице, показано, что электроактивированные растворы способствуют повышению продуктивности на 10-15%, снижению заболеваемости, увеличению сохранности поголовья на 2-3% /98/.
В опытах на пчелах /50/, выявлено, что при использовании активированной воды повысилась яйценоскость маток на 6-7% по сравнению с контрольной группой, и сила семей пчел первой группы возросла на 10-20 %, как при выходе из зимовника, так и на всем протяжении активного периода.
Применение оксиметилурацила с сахарным сиропом на активированной воде увеличивает силу пчелосемей на 16%, количество печатного расплода и яйценоскость маток на 12% /51/.
Опыты по выпаиванию активированной воды, проведенные на 2 тыс. поголовье норок показали, что живая масса возросла на 15%, смертность молодняка снизилась в 7 раз, а в маточном поголовье в 4 раза /26, 48/.
Перспективным, судя по литературным данным /20, 97, 83/ является применение электрохимически активированной воды в птицеводстве. Учитывая задачи настоящей работы, подробно этот вопрос рассмотрен в разделе 1.5. Но уже сейчас можно сказать, что применение электроактивированной воды в отраслях промышленности и сельского хозяйства обеспечивается положительное влияние на продуктивные и технологические качества получаемой продукции.
1.2. Физико-химические аспекты электрохимической активации
При "обычном" электролизе воды происходит ее разложение на водород и кислород:
2Н20 —» 2Н 2 +02. (1.1)
Минимальное напряжение, при котором происходит электролиз с выделением газообразных водорода и кислорода, называют напряжением разложения. Оно включает перенапряжение выделения водорода и кислорода (избыточное, по отношению к равновесному, значение разности потенциалов, подаваемой на электроды, необходимое для протекания электролиза с определенной конечной скоростью), поэтому зависит от материала электродов. Так, например, при платиновых электродах и комнатной температуре напряжение разложения составляет 1,67-1,7 В /115/.
Чистая вода обладает очень низкой электропроводностью, например удельная электропроводность обычной водопроводной воды близка к 10"1 См м"1, а дистиллированной воды - около 4-10"6 См м" /115/. Обеспечивается эта электропроводность за счет ее диссоциации на положительно заряженные ионы водорода Н+ и отрицательно заряженные ионы гидроксила ОН~\
Н20+> Н+ +ОН~ (1.2)
Количество ионов Н+ и ОН~ равно друг другу и раствор нейтрален.
При протекании постоянного электрического тока через воду положительные ионы водорода Н + (катионы) движутся к катоду и в прикатодной камере ионы Н + разряжаются на электроде с образованием водорода. При этом вода в катодной камере начинает приобретать щелочной характер, так как число ионов гидроксила ОН~ становится больше числа ионов водорода Н* (нарушается баланс между Н+ и ОН~). Ионы гидроксила ОН~ (анионы) движутся к аноду и в прианодной камере разряжаются на электроде с выделением кислорода. Следовательно, вода в анодной камере начинает приобретать кислый характер, так как число водорода Н+ становится больше числа ионов гидроксила ОН~.
В процессе технического электролиза воды в качестве материала для катода чаще всего применяют сталь. В качестве анодного материала обычно применяют сталь, покрытую слоем никеля, в некоторых случаях - при ис
пользовании щелочно-карбонатных или сульфатных электролитов - применяют для анода платинированный титан. Напряжение, при котором происходит электролиз, зависит /115/ от плотности тока, температуры и продолжительности процесса, таблица. 1.2.
Таблица 1.2
При электролизе воды только часть затраченной энергии используется на разложение воды на водород и кислород; остальная часть выделяется в виде тепла. Количество полезно затраченной электрической энергии при получении Н2 и 02 равно изменению свободной энергии AG в реакции уравнения (1.1). при этом энергетический баланс можно представить /115/ уравнением:
E=AG+Q, (1.3)
где Е - полное количество электрической энергии израсходованной на процесс электролиза воды, кВт-ч;
Q - количество электрической энергии превратившейся в тепло, кВт-ч.
При этом с учетом связи между энергией и напряжением на электродах коэффициент полезного действия при электролизе определяется выражением:
А=^--ВТ, (1.4)
где t/o - термодинамически обратимая э.д.с. водородно-кислородного элемента, В;
Зависимость напряжения на ячейке от плотности тока
ияч - напряжение на электролизной ячейке, В;
ВТ- выход по току, о. е. В литературных источниках /115/ имеются значения удельного расхода и коэффициента полезного действия, а также изменение теплового режима электролиза при различном напряжении на ячейке, таблица 1.3.
Таблица 1.3
Принципиальное отличие процессов электрохимической активации от рассмотренного выше электролиза состоит в том, что их целью является не получение водорода и кислорода; наоборот последний процесс является здесь "паразитным". Именно остающиеся после обработки электрохимически активированные водные растворы представляют ценность для последующего их использования в технологических процессах. Напряжение при котором проводится электрохимическая активация значительно превышает напряжение "обычного" электролиза, в зависимости от производительности установки оно находится в пределах от 10 до 300 В и выше.
Изменение показателей электролиза в зависимости от напряжения на ячейке
Электрохимическая активация позволяет получить две фракции активированной воды: кислотную и щелочную. На практике, разделяют межэлектродное пространство токопроводящей диафрагмой, что обеспечивает раздельное получение катодной и анодной фракции. После воздействия на водные растворы постоянным электрическим током в условиях электрохимической активации они находятся в метастабильном состоянии, о чем свидетель
ствуют сравнительно медленное изменение их физико-химических показателей (процесс релаксации). В литературе /9/ имеется информация о динамики изменения параметров в процессе релаксации электрохимически активированной воды, представленная на рис. 1.1.
Результаты экспериментальных исследований параметров электрохимически активированной воды в процессе релаксации
рЧ= 3,1 Ф= +5С0 мВ +516мВ
к-24 ч
1 рН « 7,1 + 280м!
рН= 11,3 Ф-= +20 мВ аби«п= +3* ыЗ
рН=3.1
рн= 11,0
»20 у В
рН«3»1
>НИ1,8 = +20 мЕ
№0 = 10 Мб
зН* 0,1
: 640 мВ
Рис.1.1
Здесь приведены значения так называемого водородного показателя рН, определяемого выражением /44/:
рН = -\ёан+, (1.5)
где ан+ - активность ионов водорода, моль-м .
Отметим, что при низких концентрациях электролитов водных растворах величина ан+ практически совпадает со значением концентрации ионов Н+, т.
е. ан+ В этом случае значение рН это не что иное, как взятый с обрат
ным знаком десятичный логарифм концентрации ННапример, в обычной
воде при рН=1 имеем [Н ]=10" моль/л. Надо учитывать, что в разбавленных водных растворах выполняется равенство [Н+] [ОН~]=10"14 моль2/л2 - это так называемое ионное произведение воды. Например, при рН = 3,1 имеем [Н +] = 7,9-10 "4 моль/л и, соответственно [ОН = 1,2-10 "п моль/л, т. е. [.Н+]»[ОН~] и раствор кислый. При рН= 11,8 имеем [Я+]=1,6-10 "12 моль/л и, соответственно [ОН~]=6,3-10 "3 моль/л. Отсюда следует, что [ОН~]»[Н+] и раствор является щелочным.
На рис. 1.1 приведены также значения редокс-потенциала ср, являющегося мерой окислительно-восстановительной способности растворов. Рассмотрим суть изменений происходящих с растворами.
При добавлении к исходному раствору (рН=1,1; <р=280 мВ) соляной кислоты НС1 величина рН уменьшается (концентрация Н + растет) и изменяется значение (р. Последнее обусловлено повышением концентрации #+ и соответствует ^теор., рассчитанному с использованием уравнения Нернста /44/.
2,ЪпЯТ л тт А(р = ^-~ ЛрН, (1.6)
где п - число ионов Н+, участвующих в электродном процессе; в данном случае п= 1;
Л - универсальная газовая постоянная, 8,3143 Дж-моль^-К"1; Т- температура окружающей среды, К; г - число Фарадея, 9,6487-104 Кл моль .
При добавлении к исходному раствору №ОН водородный показатель увеличивается, что влечет за собой снижение значения редокс- потенциала. В обоих случаях, при добавлении химических реагентов значения редокс-потенциалов водных растворов соответствуют теоретически рассчитанным. Данные растворы (полученные химическим способом) принимаются за контрольные. Отметим, что в работе /14/ показано, что даже при длительном барботировании указанных растворов кислородом и водородом (кислотного и щелочного раствора, соответственно) значения (р не достигают величин, полученных при ЭХА воды.
3. При электрохимической активации, как видно из рисунка, величины редокс-потенциалов полученных растворов не соответствуют теоретически рассчитанным значениям. Кроме того, за 24 часа эти значения существенно уменьшились, в то время как в контрольных растворах эти показатели остались практически без изменения. Только спустя 168 часов оба потенциала активированных фракций воды стали соответствовать теоретически рассчитанным значениям. Следует отметить, что при хранении анолита и като- лита изменению подверглись не только значения редокс-потенциалов, но и водородных показателей особенно щелочной фракции. Это объясняется, по- видимому, поглощением ею углекислоты из атмосферного воздуха.
Причины отличия активированных растворов от неактивированных, обсуждаются в ряде работ /10, 92, 11, 54/. В первых публикациях В. М. Бахир и сотрудники /92, 11/ предположили, что активированная вода приобретает некую потенциальную энергию, мерой которой является среднее расстояние между частицами (атомами, молекулами, электронами), иначе плотность вещества. В более поздних работах этого автора указанная гипотеза уже не используется. В обзоре /10/ В. М. Бахир выделил несколько факторов, определяющих свойства электрохимически активированных растворов.
Электрохимически синтезированные щелочи в католите и кислоты в анолите. Объясняется этот фактор наличием в воде катионов и анионов (Са2+, М2+, К+, 8042 С1 НС03~), которые в процессе электрохимической активации совместно с ионами гидроксила и водорода, образуют щелочную и кислотную фракции.
Метастабильные соединения с высокой окислительной (в анолите) и восстановительной (в католите) способностью. Автор имеет здесь в виду образование химических соединений, обладающих различной степенью активности. В их числе указываются относительно стабильные три первых вещества являются сильными окислителями, анион НОг , образующийся при кислотной диссоциации перекиси водорода Н2С>2, обладает некоторыми окислительными свойствами, но в большей степени является восстановителем. Целый ряд частиц предположительно /9/ ответственных за свойства электрохимически активированных растворов, например радикал НО", настолько активны /57/, что должны исчезать из активированных растворов сразу же после прекращения пропускания тока и, соответственно, в принципе не могут определять свойства таких растворов.
Микропузырьки электролизных газов, стабилизированные электрическими зарядами. По В. М. Бахиру они представляют собой электрически и химически активный компонент активированного раствора.
Метастабильная структура воды и водных растворов, возникающая под влиянием электрического поля высокой напряженности. Автор здесь говорит, в частности, о разрыве водородных связей под действием поля. Однако надо учитывать, что такие связи являются ничем иным, как проявление электростатического взаимодействия электрических диполей (молекул Н2О), будучи разорванными они образуются вновь с очень высокой скоростью /110/ соответственно, структура воды сама по себе "не помнит" воздействия поля.
Бесконтактная передача информации об электрохимическом воздействии. Автор считает, что возможна передача информации об электрохимическом воздействии через стеклянную, лавсановую, фторопластовую перегородки на биологические объекты. Приведенные данные /12, 13, 63, 37/, рассматриваемые как доказательство такой передачи, свидетельствуют о существовании некоторого эффекта, но можно задать вопрос: о какой информации идет речь?
мерой активации считаются, по крайней мере, до настоящего времени, два параметра - редокс-потенциал и водородный показатель;
при электрохимической активации минерализованной воды без сомнения образуются щелочи, кислоты, такие окислители как С12, НСЮ, Оз, Н2О2 и восстановители, такие, например, как Н02~. Но набор указанных веществ, не может объяснить многообразие реально проявляющихся свойств активированных растворов;
что в число действующих факторов вполне возможно входят микрочастицы иных фаз, неизбежно присутствующих в воде. Бахир и сотрудники обращают внимание на частицы газовой фазы (микропузырьки). Отметим, что вода содержит такое множество коллоидных частиц (твердых
- первая линия поилок; 2 - водонапорная сеть птичника; 3 - бак; 4 - поплавковый клапан; 5 - сливная труба; 6 - вторая линия поилок; 7 - труба водопроводной магистрали; 8 - третья линия поилок; 9 - поплавковая камера; 10 - сливная воронка;
- канализационная труба
Схемы водопроводных сетей
,3 НбШо>
Наружный ( Нарижмш
8одопродад 1 *\3
Наружный
к
а - разветвленная; б - кольцевая
Рис. 1.8
Для поения птицы /30/ используют поилки различных конструкций которые разделяются на две основные группы: открытые и закрытые. К первым относятся желобковые, конусные и микрочашечные, ко вторым - ниппельные.
Следует отметить, что к достоинствам желобковых и конусных поилок можно отнести неограниченный доступ птицы к воде, но из-за большого расхода воды и санитарных проблем они не находят сегодня широкого применения.
1 - клапан; 2 - шток клапана; 3 - язычок рычага; 4 - чашка
Микрочашечные системы поения (рис. 1.9) состоят из ниппелей с ма-
Микрочашечная поилка
ленькими чашками под ними, в которых выведен язычок рычага. При ударе по нему клювом рычаг поворачивается и нажимает на шток нижнего клапана. Клапан поднимается, и в кольцевой зазор между головкой клапана и корпусом поилки в чашку поступает вода.
К недостатку данной системы, по всей видимости, следует отнести необходимость регулярного обслуживания поилок, по мере их загрязнения.
Наибольшее распространение в отечественном и зарубежном птицеводстве нашли ниппельные системы поения (рис. 1.10), позволяющие /86/ уменьшить расход воды до 50%, по сравнению с желобковой системой. Кроме того, данная система /30/ обеспечивает подачу птице только чистой воды, исключена также передача инфекции через воду.
Ниппельная поилка
1 - распределительный трубопровод; 2 - верхний клапан; 3 - фаски; 4 - корпус; 5 - нижний клапан
Рис. 1.10
Принцип действия поилки основан на том, что, на конце нижнего клапана образуется капля воды, которая привлекает птицу. При ударе клюва клапан приподнимается, и птица получает воду, стекающую по нему. Однако ниппельные системы нуждаются в более тщательном техническом обслуживании /30/, поскольку ухудшение качества воды (механические взвеси) уменьшают чувствительность толкателя внутри ниппелей и могут нарушить герметичность клапанов.
В виду особенностей электроактивированной воды, таких как взаимодействие с химическими окислителями, в частности, возможно с кислородом присутствующем в воздухе, в результате чего уменьшается ее биологическая активность, из существующих систем поения наиболее подходящими для этого технологического процесса являются микрочашечная и ниппельная, при разветвленной схеме водопроводной сети.
1.6. Выводы и постановка задач исследования
Анализ работ по электрохимической активации позволяет заключить, что применение электроактивированной воды в сельскохозяйственном производстве, в частности в птицеводстве, является перспективным.
Определенно можно сказать, что использование в качестве биостимуляторов активированных растворов способствует увеличению живой массы птицы, уменьшению расхода корма, увеличению яйценоскости, а также уменьшению потерь молодняка. Помимо этого применение этих растворов в различных технологических процессах позволяют превратить их экологически чистые и эффективные.
Процесс электрохимической активации во многом совпадает с "обычным" электролизом. Отличия заключаются в том, что электролиз воды используют для получения газов водорода и кислорода, при электрохимической активации этот процесс является "паразитным". Особую ценность здесь имеют получающиеся растворы.
Метастабильное состояние активированных растворов, которое характерно набором физико-химических параметров, обладает необычным сочетанием кислотных и окислительно-восстановительных свойств. В процессе хранения эти показатели снижаются по абсолютной величине, что не характерно для контрольных растворов, полученных с помощью химических реагентов.
Часть выделенных в литературе факторов, определяющих свойства электрохимически активированных растворов, требуют либо уточнения, либо вообще не могут рассматриваться как научно обоснованные. В тоже время целый ряд факторов потенциально существенных — влияние природы электродов, контакта растворов с кислородом и углекислым газом воздуха, роль микро- и макроскопических загрязнений - вообще не рассматривалась.
Существующие устройства значительно отличаются ремонтопригодностью, наличием и простотой изготовления комплектующих, дешевизной материалов, необходимой производительностью. На наш взгляд для применения в сельскохозяйственном производстве перспективным является установка, использованная сотрудниками АЧГАА, особенностью которой является применение электролизера состоящего из нескольких (шести) параллельных электролизных ячеек.
Применение электроактивированной воды в системе поения птицы целесообразнее проводить при наличии ниппельной или микрочашечной систем поения.
Для практической реализации преимуществ использования электрохимически активированной воды необходимо решить ряд задач.
Разработать процесс получения электрохимически активированной воды в системе поения птиц.
Выяснить влияние на параметры ЭХА наличия в воде микро- и относительно больших частиц иных фаз (как правило, на птицефабриках для поения птицы используется артезианская вода, в которой присутствуют различные примеси - песок, глина), хранения и транспортировки активированных растворов в производственных условиях, а также воздуха и входящих в него компонентов (углекислый газ и кислород);.
Оценить удельный расход электроэнергии на электрохимическую активацию и другие "побочные" процессы при обработке воды и водных растворов.
Выяснить природу электрохимической активации воды и влияние на ее физико-химические свойства материалов электродов, минерализа- 31
исследовать зависимость выбранных факторов на физико-химические показатели электроактивированной воды;
исследовать энергоемкость процесса электрохимической активации воды;
исследовать влияния технологических условий систем поения на показатели электроактивированной воды.
ции исходной воды и видов растворенных в ней солей.
5. Оценить взаимосвязь между редокс-потенциалом и водородным показателем среды; иначе говоря, выяснить "отклик" католита (величина ре- докс-потенциала) на добавки в щелочной раствор кислоты. В принципе это дает возможность определить число ионов Н + участвующих в потенциало- пределяющей реакции и, следовательно, получить существенную информацию о природе частиц, участвующих в этой реакции.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
АКТИВАЦИИ ВОДЫ
2.1. Оценка вкладов различных путей расхода электроэнергии в процессе ЭХА
В разделе 1.1. подчеркнуто, что процессу электрохимической активации воды свойственно большое перенапряжение на электродах, приводящее к приобретению растворов необычных окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств. При этом электролиз, как неотъемлемая составляющая электрохимической активации, приводит к разложению воды (уравнение 1.1).
Но открытым остается вопрос, является ли реакция (1.1) основной в условиях ЭХА (по крайней мере, в литературе соответствующих данных нет). Мы провели прямые измерения объемов водорода и кислорода, образующихся при разложении воды в процессе ЭХА. Для этого нами была изготовлена герметичная установка, состоящая из одной электролизной ячейки, вид которой представлен на рис. 2.1. Объем электролизера составляет 500-10 "6 м3,
л л
расстояние между электродами 0,065 м, площадь электродов 9,45-10" м .
Для измерения тока и напряжения в цепи постоянного тока использовались: амперметр М2015 класса точности 0,2 и вольтметр М2018 класса точности 0,2 по ГОСТ 8711-78. Измерения объемов выделяющихся газов осуществлялось с помощью бюретки на 50-10 "6 м3 и секундомера. Значения водородного показателя и редокс-потенциала фиксировали милливольтметром рН-150М. Температуру растворов измеряли термометрами на 100 С, ГОСТ 215-73 ТЛ-5. Атмосферное давление принималось по показаниям барометра М 67 №5.
В день эксперимента исходные показатели водопроводной воды и окружающей среды, были следующие: р#=7,82; ^=273 мВ; ?нач=21 С; р=1А1
мм.рт.ст.(99591,8 Па); Ь03Я=2Ъ С.
Результаты экспериментальных исследований по определению
Поскольку диафрагма изготовлена из бельтинга и в принципе не обеспечивает герметичность между катодной и анодной камерами, то для исключения ошибок, связанных с перетоками газов между камерами, проводили измерение объема суммарного потока газов. Полученные данные приведены в таблице 2.1.
Электролизер 8 9
1- графитовый катод; 2- графитовый анод; 3,4- соответственно катодная и анодная камеры; 5- диафрагма из бельтинга; 6,7- крышка, соответственно катодной и анодной камеры; 8,9- вентиль газоотвода, соответственно из катодной и анодной камеры
Рис.2.1
Таблица 2.1.
объема газа при электролизе воды в процессе ЭХА
Продолжение таблицы 2.1
Продолжение табл. 2.1
Сравнение данных, приведенных в таблице 2.1, показывает, что увеличение напряжения (силы тока) при одном и том же времени процесса электрохимической активации, как и следовало, приводит к росту объема выделившихся газов. Отметим, что в ходе опытов, с открытыми в атмосферу вентилями 8 и 9, наблюдалось возникновение разницы в уровнях образующейся жидкости в двух камерах: в катодной он рос, в анодной уменьшался; разница в наших опытах достигала нескольких сантиметров.
Проведем теперь количественные расчеты выхода газов по току и энергии, расходуемой на разложение (электролиз) воды.
1. Выход газов (Н2 и 02) по току.
Количество электричества q прошедшего за время опыта (т) через электролизер представляет собой интеграл:
д=\Мт, (2.1)
значение, которого определялось с помощью линейной аппроксимации экспериментальных данных.
Теоретический выход (птеор,) смеси газов (2Н2+02), образующейся при электролизе воды в отсутствие каких-либо иных окислительно- восстановительных процессов на электродах, должен составлять:
Птеор. ~~ 2 ' 2Р ' (2-2)
где — - коэффициент появляющийся из реакции уравнения (1.1) разложения воды;
Результаты исследований выхода смеси газов по току
2 - коэффициент в знаменателе отражает то, что для получения 1 моля Н2 необходимо израсходовать 2 моля электронов (2.Т7 электричества). Результаты, полученные при подстановке численных значений, приведены в таблице 2.2. Экспериментальные величины выхода смеси газов пэксп. рассчитывались по уравнению Менделеева - Клайперона /89/:
рУГгз = ПжспДТ. (2.3)
Таблица 2.2
Полученные результаты позволяют заключить, что в условиях ЭХА электролиз собственно воды остается основным окислительно- восстановительным процессом. Отметим еще раз, что сам по себе он не может приводить к накоплению каких-либо активных частиц в растворе и следовательно не может менять редокс-потенциал. Однако то обстоятельство, что в основном протекает электролиз воды не исключает других процессов, в частности окисление материала анода. Прямо о последнем свидетельствуют данные /59, 39/, приведенные в разделе 1.2.
Отметим также, что наблюдение разницы уровней жидкости в анодной и катодной камерах при ЭХА может свидетельствовать о накоплении в рас
творе коллоидных частиц за счет разрушения анода, поскольку отмеченное явление характерно для коллоидных систем (см. классический опыт Фердинанда Рейса /32/).2. Оценка расхода электроэнергии на разложение и нагрев воды в процессе электрохимической активации воды.
Количество электрической энергии Е, израсходованной в процессе электрохимической активации, можно представить как:
Еэ = U jldz. (2.4)
Как отмечено выше (раздел 1.2.), собственно разложение воды требует энергии, которая равна изменению свободной энергии Гиббса AG в химической реакции. В свою очередь для AG имеем /41/ уравнение:
AG = АН - TAS, (2.5)
где АН- изменение энтальпии в процессе электролиза воды, кДж/моль;
Значения термодинамических функций для веществ, участвующих в реакции (1.1)
AS - изменение энтропии, Дж/моль-К. В таблице 2.3. приведены численные значения энтальпии и энтропии при стандартной температуре 298 К, с помощью которых определяется AG.
Таблица 2.3.
Расчет по этим данным дает для разложения 1 моля воды при температуре (23 С или 296 К) величину А=23 6 кДж/моль.
Соответственно, при разложении п молей Н20 (я#2о) на химическую
реакцию расходуется я#20 электрической энергии. Учитывая уравнение
реакции (1.1), получаем, что пн 0 - ~пжсп . Отсюда процент электрической
энергии, расходуемый на электролиз воды в процессе ЭХА, определяется соотношением:
2А&пэксп. 2 Авпэкст
= . (2.6)
\ ъщ
Зи усИт о
Другой очевидный путь расходования электрической энергии - нагрев обрабатываемой воды, поскольку во всех опытах (см. табл. 2.1) наблюдается повышение температуры жидкости в ходе опытов. Количество теплоты <2, требуемой для нагрева 1 моля воды, можно рассчитать по формуле:
б = Ср&Т, (2.7)
где Ср - теплоемкость воды при постоянном давлении, равная 75,31 Дж/моль-К, при 298 К; АТ- разница начальной и конечной температур, К. Отсюда следует, что при определении количества теплоты, требуемой на нагрев п молей, выражение (2.7) примет вид:
е = СрАТп, (2.8)
где п - число молей воды, в нашем случае для объема 500-10 "6 м3 воды, «=27,8 моль.
За конечную температуру раствора принимали среднее ее значение между температурой католита и анолита. Потерями в окружающую среду пренебрегали, так как значения А Т невелики, а электролизер изготовлен из материала с плохой теплопроводностью - органического стекла толщиной 0,01 м.
Результаты расчета расхода энергии на разложение и нагрев воды представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4.
Оценка расхода электроэнергии на электролиз и нагрев воды в процессе ЭХА
Таким образом, из проведенных исследований и теоретических расчетов следует, что на электролиз воды в процессе ЭХА расходуется только малая часть энергии (около 2%). Ее основная часть расходуется на нагрев жидкости (в пределах возможных ошибок эксперимента приблизительно совпадает с Еэ). Небольшое количество энергии (по-видимому, несколько процентов), затрачиваемое на электрохимическую активацию водных растворов, определить сейчас сложно. Для решения этой задачи требуются дальнейшие исследования.
2.2. Роль материала электродов и минерализации воды в процессе ЭХА
Сопоставление параметров активированной воды при использовании
Вспомним, что электроды, в том числе, графитовые, не являются абсолютно инертными. В первую очередь, это относиться к аноду; его частицы, попадая в катодную камеру, возможно, также вносят вклад в измеряемые показатели активации катодной фракции. Для проверки этого предположения были проведены опыты с использованием непроточного электролизера (рис. 2.1), суть которых заключалась в проведении электрохимической активации одной и той же воды с поочередной заменой электродов. В опытах использовались два вида электродов, раннее уже используемых в технологическом процессе поения птицы: графитовые и титановые; поверхность последних покрыта слоем оксида рутения. Результаты представлены в табл. 2.5 и 2.6.
графитового анода и двух видов катода
Таблица 2.5
Продолжение табл. 2.5
Примечание: значения редокс-потенциала даны относительно хлорсеребряного электрода.
Сопоставление параметров активированной воды при использовании
При использовании графитового анода замена графитового катода на титановый практически не оказывает заметного влияния на параметры активации (табл. 2.5, рис. 2.2 и 2.3).
Таблица 2.6
графитового катода и двух видов анода
Продолжение табл. 2.6
Примечание: значения редокс-потенциала представлены относительно хлорсеребряного
электрода.
При использовании графитового катода замена графитового анода на титановый почти не влияет на величину рН, но очень существенно меняет редокс потенциал католита и анолита: значения <р увеличивается по абсолютной величине на 500 и 600 мВ, соответственно (табл. 2.6, рис. 2.4 и 2.5).
- графики водородного показателя католита;
- графики водородного показателя анолита
Зависимость водородного показателя анолита и католита от материала катода
Время обработки, мин.
Зависимость редокс-потенциала анолита и католита от материала катода
с титановым катодом с графитовым катодом
Время обработки, мин.
- графики редокс-потенциала анолита;
- графики редокс-потенциала католита
Рис. 2.3
Зависимость водородного показателя анолита и католита от материала анода
Время обработки, мин.
- с титановым анодом
си Й 3
И о в
ь-0
в ч о
о ч о
.с графитовым анодом
- графики водородного показателя католита;
- графики водородного показателя анолита
Зависимость редокс-потенциала анолита и ка- толита от материала анода
Время обработки, мин.
- графики редокс-потенциала анолита;
- графики редокс-потенциала католита
Рис. 2.5
с титановым
анодом
с графитовым
анодом
и 2
8 Н" К о н о в
о и
о «
о Он
Отсутствие заметного влияния материала катода представляется вполне естественным, поскольку катод в процессе электролиза не должен существенно разрушаться. Как уже отмечалось выше (раздел 1.2.), графитовый анод в процессе электрохимической активации разрушается, то же самое должно в определенной степени происходить с любым анодом, в том числе с титановым. При этом надо принять, что продукты, образующиеся при разрушении анода (окислении материала анода) попадают через бельтинговую диафрагму в католит, меняя его редокс-потенциал. Вполне возможно, что эти частицы вносят существенный вклад в биологическую активность католита. В связи с последним обратим внимание на любопытную анологию. Противоопухолевая активность соединений платины была обнаружена /103/ в опытах, поставленных с целью изучения влияния постоянного тока, пропускаемого через клеточную культуру, на скорость деления клеток. Обнаруженный положительный эффект удалось объяснить, после того как было изучено влияние материалов электродов. Оказалось, что деление клеток подавляют именно находящиеся в растворе соединения
платины, попавшие туда при разрушении (окислении) анода в процессе электролиза. Это открытие привело к разработке лекарств, полностью излечивающих некоторые виды злокачественных опухолей.Зависимость показателей активированной воды от удельного сопротивления растворов
Учитывая, что окисление материала анода происходит при участии компонентов раствора, в первую очередь, анионов, следовало ожидать связи параметров электрохимической активации со степенью исходной воды. В виду того, что электрохимическая активация внешне выглядит, как результат пропускания электрического тока через раствор, то эту связь удобно рассматривать с использованием такой характеристики раствора как его удельное сопротивление. Опыты проводили на проточной установке, использованной нами в опытах на птицефабрике "Маяк" (см. рис. 3.1). С целью достижения рекомендованных ВНИТИП параметров рН и (р и минимизации расхода жидкости в опытах задавали производительность установки 100 л/ч при общем расходе растворов 20 л. Рабочие растворы готовили, добавляя соли в дистиллированную воду. В каждом опыте проводили три параллельных измерений водородного показателя и редокс-потенциала после выхода показателей активации к установившимся значениям (в наших опытах необходимое время работы активатора составляло три минуты). Результаты опытов приведены в табл. 2.7.
Таблица 2.7.
к РГ и
и н о в
о «
о ч: 0) Рч
Зависимость редокс-потенциала от удельного сопротивления воды
Удельное сопротивление воды, Омм Рис. 2.6
В серии опытов с растворами разной концентрации наблюдается (рис. 2.6) некоторый рост абсолютной величины редокс-потенциала с увеличением концентрации соли (уменьшением удельного сопротивления обрабатываемого раствора). Существенно, что из полученных данных четко следует, зависимость параметров электрохимической активации от химической природы солей. Это хорошо согласуется с рассматриваемой моделью ЭХА, включающую окисление материала анода.
2.3. О природе активных частиц, образующихся
в процессе ЭХА
Первоначально, Бахир и сотрудники /92/, обнаружившие явление электрохимической активации, связывали его, главным образом, с изменением структуры воды. В последних публикациях /9/ этих авторов наблюдаемые закономерности объясняются более традиционно. В частности, появились упоминания об образовании в растворах, подвергнутых ЭХА, относительно стабильных частиц С12, НСЮ, Оз, НОг~, заведомо способных участвовать в окислительно-восстановительных процессах. Ясно также, что анионы Н02~,
который, как уже отмечено в разделе 1.2, образуется при кислотной диссоциации перекиси водорода, могут существовать при рН= 11,57, поскольку
константа диссоциации Н202 равна 2,7-10 " моль/л /80/. Это означает, что указанную частицу нужно "искать" в катодной фракции. Все остальные перечисленные выше вещества (С12, НСЮ, Оз) являются сильными окислителями и, естественно, не могут определять восстановительные свойства католита. Константа диссоциации Н2О2 определяется соотношением:
.кМ
[я2о2]
Поскольку при рН= -^К концентрации Н202 и Н02~ равны, можно ожидать, что в случае, если активной частицей в католите является анион Н02_, изменения <ркат. скорее всего должны прекращаться прирН> 11,57. Анализ данных, приведенных в таблицах 2.1, 2.6, 2.7 в рамках зависимости редокс- потенциала от водородного показателя, дает картину (см. рис. 2.7), удовлетворительно согласующуюся с этим предположением.
к =
(2.9)
Зависимость редокс-потенциала от водородного показателя
(Ркат. 5
0 9,5 10 10,5 11 11,5
РН —
Рис. 2.7
Для дальнейшей проверки гипотезы об определяющей роли Н02 в католите сделаем теоретическую оценку возможных концентраций этих час
тиц. Из комбинации электродных процессов /41/:02+2#++2е<> Н2Оъ О=680 мВ) (2.10) 02+4Я++4е 2Н20, (р=1230мВ) (2.11) получаем с учетом константы диссоциации Н202, что для возможного электродного процесса с участием компонентов католита:
Н02+ЪН++1ъ+* 2Н20, (2.12)
стандартный электродный потенциал будет составлять 890 мВ (670 мВ относительно хлорсеребряного электрода). Расчет для процесса (2.12) по уравнению Нернста:
(2.13)
дает при рН=\ 1,57 для (р относительно хлорсеребряного электрода следующее выражение:
(р = -0,35 + 0,03 ^[яС^ ] . (2.14) Тогда при концентрации перекиси водорода 1,5-10 "3 моль/л в католите значение (р должно составлять -450 мВ, что близко к экспериментальному. Однако сделанные нами прямые измерения показывают, что электродный процесс (2.12) не реализуется. Определение (р для раствора с рН=11,55, приготовленного добавлением такого количества 30% перекиси водорода, что концентра л
ция НО2 составила 1,5-10 " моль/л, дает значение (р=23-34 мВ вместо ожидаемых -450 мВ.
Таким образом, анион НО2- не вносит, очевидно, решающего вклада в восстановительные свойства католита. Учитывая факты, приведенные в разделе 2.2, относящиеся к влиянию материала электродов, представляет интерес выяснить зависимость (р католита от водородного показателя в широком интервале рН с целью получения информации о природе активной частицы. Для этого были проведены опыты, суть которых заключалась в добавлении к католиту и водопроводной воде (контроль) серной кислоты. Результаты опытов представлены в табл. 2.8, 2.9.
Таблица 2.8
Продолжение таблицы 2.8
Таблица 2.9
Продолжение таблицы 2.9
Прибавление к растворам серной кислоты, естественно, сказывается на значениях рН и редокс-потенциала. Существенно, что рост редокс-потенциала католита намного превышает аналогичный эффект для контрольного раствора.
Зависимость <ркат, от величины рН указывает на реализации в исследуемой системе кислотно-основного равновесия, накладывающегося на равновесие электродного процесса. В общем виде, это можно представить уравнением (частные случаи см., например, процессы 2.10и2.11):
Ox+nH++ze Red, (2.15)
Влияние серной кислоты на параметры щелочной фракции
Влияние серной кислоты на параметры водопроводной воды
где Ох и Red - окисленная и восстановленная формы; z - число переносимых в процессе электронов.
Таким образом, изменение ср в зависимости от рН для такого процесса должно соответствовать уравнению (сравни с уравнением 1.6):
А(р-— ЛрН. (2.16)
Оценки по данным, приведенным в табл. 2.8 и 2.9, позволяют сделать следующие выводы.
При переходе от щелочных растворов (рН> 7) к кислотным
(рН~2) параметр — составляет 0,35 и 0,6, соответственно, для католита и ис-
ходной водопроводной воды (оценка по двум первым точкам в каждом опыте). Эти значения близки к физически реальному результату для "обычных"
электродных процессов (—= 0,5), реализующихся, например, при п= 1 и 2= 2.
Для водопроводной воды оценки по уравнению линейной регрес-
сии, для точек, начиная с рН< 2,2, дают величину —=1,2 близкую к ожидае-
мой теоретической величине (—=1) (см. раздел 1.2, уравнение 1.6).
Для католита зависимость (р от рН заметно отклоняется от линейной регрессии (см. рис. 2.8). Возможно, это связано с реализацией набора параллельных процессов типа (2.15), различающихся величинами п ж г. Тем
не менее, усредненная оценка параметра — по уравнению линейной регрес-
сии дает величину лежащую в интервале 6-40. Это означает, что мы имеем дело с не вполне обычным процессом, в котором участвуют, по-видимому, частицы, имеющие много кислотно-основных центров. Скорее всего, это должны быть коллоидные частицы, образующиеся при разрушении электродов.
В заключение отметим, что вопрос о природе электрохимической активации требует дальнейших исследований, но по нашему мнению экспериментальные данные лучше всего соответствуют модели ЭХА, включающие
3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
К моменту постановки настоящей работы в области электрохимической активации были получены уравнения регрессии /21, 47/, позволяющие определять технологические параметры в зависимости от требуемых значений водородного показателя (рН) католита и анолита, в тех или иных технологических процессах. Однако не менее существенным параметром активированной воды является редокс-потенциал (ср). Учитывая, что его величина гораздо более чувствительна /9/ к условиям обработки и исходных показателей воды представляется необходимым найти уравнение регрессии позволяющее рассчитывать параметры обработки, обеспечивающие достижение величин (р, рекомендуемых ВНИТИП. Так как получение электроактивированных растворов невозможно без затрат электрической энергии, необходимо произвести оценку удельного расхода электроэнергии на получение католита, принимая во внимание тот факт, что водопотребление на фермах носит неравномерный характер. То есть, исследовать управляющие воздействия на процесс электрохимической активации, при которых будет затрачено минимум электроэнергии при требуемой технологическим процессом производительности с рекомендуемой величиной редокс-потенциала.
Как отмечалось ранее (раздел 1.2.) получаемые в процессе электрохимической обработки растворы с течением времени теряют приобретенные окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства, в результате процессов релаксации. Кроме этого, как показывают результаты ранее проведенных исследований, физико-химические свойства электроактивированной воды в технологических условиях зависят от внешних факторов. Таким образом, на основании выше изложенного и исходя из общих задач исследования в производственном плане необходимо:
- обосновать выбор факторов ответственных за приобретение электроактивированной водой требуемых величин параметров активации;
3.1. Описание экспериментальной установки и технических средств измерений
Для проведения исследований был изготовлен экспериментальный образец электрохимического активатора воды, показанный на (рис. 3.1), со следующим диапазоном технических характеристик:
напряжение питания 380/220 В;
мощность установки 0,5 - 2 кВт;
площадь электродов 0,019 м2;
расстояние между электродами 0,01 м; водородный показатель:
щелочной раствор 7,5-12;
кислотный раствор 6,5 - 2;
производительность до 100 л/ч.
Экспериментальный электрохимический активатор
Электроактиватор состоит из корпуса 1, с установленными в нем графитовыми электродами, которые разделены полупроницаемой мембраной. Корпус снабжен патрубками подачи 3 и отвода 4 полученных растворов, клеммами 5 и двумя газоотводящими камерами 6. Установка включает регулируемый источник постоянного тока 2. Следует отметить, что площадь электродов и расстояние между ними принималось нами с учетом проведенного обзора литературы /21/, величины, которых позволяют получать необходимые значения показателей активации, с требуемой производительностью при наименьшей интенсивности износа графитовых электродов.
Схема управления электрохимическим активатором представлена в приложении 1.
В процессе выполнения опытов необходимо измерять следующие величины: параметры активации (рН и ф), температуру активированных растворов, производительность установки, потребляемую мощность.
Для измерения тока и напряжения в цепи постоянного тока использовались: амперметр типа М2015 класса точности 0,2 и вольтметр М2018 класса точности 0,2 по ГОСТ 8711-78. Измерение производительности электроак-
тиватора осуществлялось мерной колбой объемом 0,0005 м , классом точности 0,5 и секундомером. Водородный показатель, редокс-потенциал и температура измерялись милливольтметром рН-150М.
В основу работы рН-метра положен потенциометрический метод измерения рН и (р контролируемого раствора. При измерении водородного показателя или редокс-потенциала растворов используется система, состоящая из измерительного и вспомогательного электродов (рис. 3.2, 3.3).
В качестве измерительного электрода при измерении рН используется стеклянный электрод, а в качестве вспомогательного - хлорсеребряный электрод. Электродная система при погружении в контролируемый раствор развивает ЭДС, линейно зависящую от активности ионов и температуры раствора. Контакт вспомогательного электрода с контролируемым раствором осуществляется с помощью электрического ключа, обеспечивающего истечение
Схема подключения электродной системы при измерении водородного показателя и температуры
1-преобразователь рН-150М; 2-измерительный стеклянный электрод; 3-вспомогательный электрод; 4-электрический ключ; 5 -автоматический термокомпенсатор
Рис. 3.2
Схема подключения электродной системы при измерении редокс-потенциала
1-преобразователь рН-150М; 2-измерительный (редоксметрический) электрод; 3-вспомогательный электрод; 4-электролитический ключ
Рис. 3.3
насыщенного раствора КС1 в контролируемый раствор. Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через электролитический ключ, предотвращая проникновение из контролируемого раствора в систему вспомогательного электрода посторонних ионов, которые могли бы изменить величину потенциала электрода. ЭДС электродной системы преобразуется и считывается с индикатора рН-метра.
При измерении окислительно-восстановительного (редокс) потенциала в качестве измерительного электрода используется редоксметрический электрод, а в качестве вспомогательного - хлорсеребряный электрод.
3.2. Методика выявления факторов, влияющих на физико- химические свойства электроактивированной воды
Выбор факторов влияющих при электрохимической активации на значение физико-химических свойств электроактивированных растворов проводился на основании проведенного нами анализа теоретических вопросов и результатов /9, 21, 47, 104/ ранних исследований. Очевидно, что к числу таких факторов относятся: приложенное напряжение, плотность тока, материал электродов, материал мембран, минерализация воды, время нахождения жидкости в электрическом поле, а также конструктивные особенности электрохимического активатора. В производственных условиях при заданных уже геометрических параметрах установки наиболее значимыми факторами являются: напряжение питания (хх) и производительность активатора (х2) по щелочной фракции. Последняя определяет время нахождения данного объема воды под воздействием электрического поля. Эти факторы поддаются целенаправленному изменению и контролю в течение отрезка времени, необходимого для получения достоверных данных о количественных изменениях в электроактиваторе.
На основании предварительных исследований определены пределы варьирования факторов, при которых величина редокс-потенциала достигает требуемых значений для воды, химический анализ которой был проведен специалистами «Зерноградмежрайводоканал». Все сведения, необходимые для постановки эксперимента представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
При планировании эксперимента проводилось преобразование независимых переменных ху. к безразмерным переменным по формуле:
х j — х о
xj=
T. (3-1)где Xj - кодированное значение;
5с - натуральное значение /'- го фактора;
5с -0 - натуральное значение основного уровня j - го фактора;
Jj - интервал варьирования / - го фактора.
V . — V .
т л 1 шах / min ч
Jj=- -1 , (3.2)
где 5су тах - значение фактора на верхнем уровне; */min ~~ значение фактора на нижнем уровне.
После выбора центра эксперимента и интервалов варьирования факторов начинается новый этап исследования - регрессионный анализ, задача которого сводится к получению математической модели процесса, проверке адекватности и значимости всех коэффициентов уравнения. С целью описания поверхности отклика определяется линейное уравнение регрессии:
у = b^+blxl+b2x2, (3.3)
Условия эксперимента
где у - расчетные значения зависимой переменной;
х^, — независимые переменные (факторные признаки); 0, 1, Ь2- параметры уравнения. Для определения коэффициентов линейного уравнения регрессии в качестве плана эксперимента выбираем полный факторный эксперимент. Количество опытов при полном факторном эксперименте (ПФЭ) подсчитывает- ся по формуле:
N=1?, (3.4)
где Ы- количество опытов; к - количество уровней; р - число факторов. Следовательно, нам необходимо провести четыре опыта. Кодированная мат-
Матрица планирования ПФЭ
рица планирования 2 представлена в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Статистическую обработку результатов эксперимента начинают чета дисперсии по данным параллельных опытов:
Кг -Уг)
г» 2 _ и=1
т — 1
где т - число параллельных опытов;
с рас-
(3.5)
У1~ среднее арифметическое из т параллельных опытов. Затем проверяем однородность дисперсий по критерию Кохрена:
^тах
о-в)
/=1
где ^^ах- максимальное значение выборочной дисперсии;
У^ г2 - сумма всех дисперсий.
=1
Если дисперсии однородны /61/, то
Ор{Отабл{М,т-\).
Дисперсия воспроизводимости определялась как средняя арифметическая:
51=— . (3.7)
7 N{171 -1)
Коэффициенты уравнения регрессии определялись по формуле:
Ь] =
1=1„(3.8)I ХЛУг
л N
Значимость коэффициентов оценивалась по критерию Стьюдента:
(3.9)
Ъ!
1 ^Ь]
где Бц - ошибка коэффициента регрессии,
Адекватность этого уравнения проверяется по критерию Фишера:
= (3.11)
о 2
где 5йост - остаточная дисперсия или дисперсия адекватности.
~ у г )2
^ ост ~ ^ ^ ' (3-12)
где / - число значимых коэффициентов в уравнении регрессии. Уравнение адекватно, если составленное таким образом отношение меньше табулированного для выбранного уровня значимости и степеней свободы:
Р^табл^} /2),
где /1 =N-1 и/2=Щт-1) соответствующие степени свободы для уровня значимости а=0,05.
3.3. Методика исследования энергоемкости процесса ЭХА
Основной энергетической характеристикой процесса электрохимической активации, является удельный расход электрической энергии (ауд), величина, которого определяется по результатам измерения тока, напряжения и производительности щелочной фракции по формуле:
Ш Р
аж) = — =—, (3.13)
* а а
где Р - потребляемая мощность, кВт-ч/л;
)к - производительность установки по щелочной фракции (католиту), л/ч. Таким образом, из выражения (3.13) следует, что, варьируя выбранными нами факторами можно регулировать расход электроэнергии.
Влияние приложенного напряжения и производительности активатора на удельный расход электроэнергии проводилось опытным путем с использованием методов планирования эксперимента. Предварительные опыты показали, что исследуемая зависимость не является линейной. Поэтому в исследованиях применялся ортогональный план второго порядка (табл. 3.3), пределы варьирования факторами (табл. 3.1) приведены в разделе 3.2.
Чтобы получить ортогональное планирование второго порядка, нужно произвести некоторое преобразование квадратичных переменных:
2 —2 = X — X л ш -^ш
(3.14)
Т1 у.2 _ =1
N
Уравнение регрессии после преобразования квадратичной переменной запишется в форме:
ауд=Ьо +Ь\Х\ +ЬпХп+Ь,2х!Х2+ ...+Ь(пЛ)пхп.\хп+Ьп(х\ -х\ )+...+Ь пп\Хп ~Хп
) (3-15) Таблица 3.3
Матрица ортогонального плана второго порядка
Три ортогональном планировании дисперсия воспроизводимости определяется по четырем дополнительным опытам в центре плана эксперимента. Все коэффициенты регрессии определяются независимо друг от друга по формуле:
И хрУ>
г=1
(3.16)
/=1
Дисперсии коэффициентов регрессии оцениваются по формуле:
о 2
(3.17)
1=1
Переход к обычной форме записи, осуществляется после определения величины:
Ьц=Ь<ь-ЬпХ1-...-Ьтр», (3.18)
которая оценивается с дисперсией, равной:
Далее проводилась проверка адекватности полученного уравнения по выражениям (3.11, 3.12).
3.4. Методика исследования внешних факторов, влияющих на
параметры активации
Физико-химические аспекты электрохимической активации
Принято считать /49/, что явление, получившее название электрохимической активации (ЭХА), было открыто В. М. Бахиром в 1972 году. Суть явления состоит в том, что при очень высоком по сравнению с характерным для классических процессов электролиза значении перенапряжения пропускание постоянного электрического тока через водные растворы, в том числе "обычную" водопроводную воду, приводит к необычному сочетанию окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств этих растворов. Полученные системы нестабильны; их параметры, в первую очередь редокс- потенциал, в процессе релаксации в зависимости от внешних условий за время от нескольких часов до нескольких суток стремятся к "нормальным" значениям. Установлено, что именно активированные растворы при их использовании до момента полной релаксации обладают набором уникальных полезных свойств: обеспечивают обеззараживание питьевой воды, сточных вод, консервирование зеленых кормов, предстерилизационную очистку изделий медицинского назначения, мойку оборудования в пищевой и фармацевтической промышленности, положительно воздействуют на организм человека и животных.
В настоящее время известны сотни авторских свидетельств, опубликовано множество статей о роли электрохимической активации в отраслях промышленности и сельском хозяйстве (обзор приведен в /113/).
Анализ практического использования электрохимической активации в отраслях промышленности, применяющих технологии с использованием воды и водных растворов показывает /35/, что устройства на основе электрохимической активации могут быть встроены практически в любую существующую технологию и позволяют превратить ее в экологически чистую и эффективную. При этом почти не меняется оборудование, которое используется в технологическом процессе; не изменяется последовательность основных технологических операций. Однако часто сокращается время технологического процесса, существенно уменьшается расход химических реагентов, резко сокращается или полностью исключается образование сточных вод, повышается качество конечного продукта технологии и, как правило, улучшаются условия труда /35/.
Так технология водоподготовки с использованием электрохимической активации позволяет /35/ полностью исключить расход химических реагентов, исключить сброс сточных вод, повысить глубину умягчения и обессоли- вания воды, снизить ее коррозионную активность при минимальных энергетических затратах.
При очистке металлических, пластмассовых, стеклянных поверхностей от загрязнений различного типа с помощью моющих средств на основе электрохимически активированных растворов обеспечивается /35/ повышение качества и скорости очистки, исключается применение дорогостоящих опасных в обращении и пожароопасных реагентов (спирта, ацетона, кислот, щелочей).
В агропромышленном производстве применение электрохимической активации имеет самые широкие перспективы. Так, технология хранения овощей и фруктов с использованием в качестве обеззараживающего и консервирующего средства электрохимически активированных растворов, позволяет /35/ исключить химические препараты, повысить сроки хранения плодовоовощной продукции, подавить развитие грибковых и вирусных заболеваний плодов растений.
В растениеводстве электрохимическая активация обеспечивает стимуляцию роста и развития растений, повышение урожайности растительных культур путем предпосевной обработки семян /71, 78, 43, 93, 56/ обеззараживание зерна, борьбы с насекомыми-вредителями, грибковыми болезнями растений /35, 19/. При замачивании семян в электроактивированных водных растворах происходит повышение проницаемости оболочки зерна, ускоряется влагоперенос и перенос питательных веществ /98/. Это приводит к ускорению биохимических процессов в зерне и увеличению энергии его прорастания. У растений, выросших из обработанных семян, развивается более мощная корневая система, ускоряется переход к фотосинтезу, то есть создается прочный фундамент для интенсивного роста и развития /90/.
Влияние предпосевного замачивания семян на урожайность огурцов Как видно из таблицы урожай огурцов при замачивании их семян в указанной смеси оказался на 38,8% выше, чем урожай огурцов, семена которых были замочены в обычной воде, и на 30% выше, чем урожай огурцов, семена которых были замочены в растворе микроэлементов /87/.
Анолит может быть использован для борьбы с сельскохозяйственными вредителями (тепличной белокрылкой, тлей, галловой нематодой) и болезня ми растений (корневой гнилью, вилтом), для дезинфекции растительной ткани в технологии клонирования растительных организмов /98/.
В животноводстве и ветеринарии электрохимическая активация применяется для выпаивания ремонтного молодняка, мойке и дезинфекции мо- локопроводов, доильных аппаратов, другого оборудования. В производственных экспериментах, проведенных на сельскохозяйственных животных и птице, показано, что электроактивированные растворы способствуют повышению продуктивности на 10-15%, снижению заболеваемости, увеличению сохранности поголовья на 2-3% /98/.
В опытах на пчелах /50/, выявлено, что при использовании активированной воды повысилась яйценоскость маток на 6-7% по сравнению с контрольной группой, и сила семей пчел первой группы возросла на 10-20 %, как при выходе из зимовника, так и на всем протяжении активного периода.
Роль материала электродов и минерализации воды в процессе ЭХА
Авторами устройства /74/, представленного на (рис. 1.4), задача повышения биологической активности растворов решается путем, как они полагают, увеличения количества видов активных частиц в сопоставимых концентрациях в воде после ее активации. Их установка содержит два электрода и диафрагму, расположенную между ними. В поперечном сечении поверхности электродов образуют разноудаленные участки, при этом межэлектродные расстояния находятся в пределах от 0,0015 до 0,01 м. Кроме того, первый электрод в поперечном сечении имеет форму окружности, второй электрод, расположенный внутри первого, в поперечном сечении имеет форму звезды. Недостатком конструкции являются ее себестоимость и сложность изготовления электрода, имеющего форму звезды.
С целью увеличения производительности активатора авторами /6/ разработана конструкция электролизера, представленная на рис. 1.5. Устройство содержит корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них перфорированными электродами. Анодная и катодная камеры снабжены диэлектрическими воронками, обращенными к диафрагме большими основаниями, в которых закреплены перфорированные электроды, причем перфорация электродов выполнена в виде конусных отверстий, обращенных большими основаниями к диафрагме и расположенных в электродах в шахматном порядке.
Обрабатываемая вода под напором поступает в анодную и катодную камеры, через патрубки подачи во внутреннюю полость диэлектрических воронок и при их заполнении через конусные отверстия - в узкое пространство между электродами и диафрагмой. При подаче на электроды напряжения питания вода, находящаяся в узком пространстве между электродами и диафрагмой, подвергается электролизу. Далее происходит разделение воды на соответствующие фракции. К недостатку представленной конструкции, несомненно, можно отнести сложность в ее изготовлении и необходимости специализированного ухода, так как при существенной минерализации обра Электролизер для обработки воды батываемой воды не исключено забивание конусных отверстий в электродах, что приведет к уменьшению плотности тока.
В литературных источниках приведены еще целый ряд конструкций /1, 2, 5, 73, 12, 3/, но в принципе они могут приведены к одному из рассмотренных типов.
Необходимым элементом конструкции каждого электролизера является блок питания, позволяющий осуществлять регулировку напряжения, с целью получения необходимых для технологических процессов физико-химических показателей активированных растворов. Для регулировки напряжения наиболее часто в электрохимической активации встречаются два способа: при помощи автотрансформаторов и тиристорными регуляторами.
Исследования в этой области /83, 97, 20, 46/ проводились до начала данной работы, главным образом, в плане проверки биологической эффективности применения электрохимически активированной воды.
В работах /46, 36, 83/ показано, что предынкубационная обработка яиц активированной водой способствует повышению вывода молодняка на 1,5... 1,8%, снижению количества инкубационных отходов и затрат на обработку яиц. До настоящего времени широко используется метод дезинфекции парами формальдегида в инкубаторах или специальных камерах, для влажной очистки используют бикарбонат натрия или производят хлорирование яиц. Однако следует отметить, что действие формальдегида особенно, в больших дозах, является токсичным и может вызвать смертность эмбрионов /31, 46/. В связи с этим применение электроактивированных растворов в данном технологическом процессе представляет практический интерес, так как является экологически безопасным и дешевым.
Есть сведения /83, 97/ об использовании активированной воды для очистки тушек птицы от загрязнений и от перьев за один цикл обработки. Авторами /97/ установлено, что применение католита позволяет уменьшить число дефектных повреждений тушки на 12...20%, улучшить качество обработки от загрязнений на 10... 12% по сравнению с традиционным способом обработки паром. Анолит они рекомендуют для мойки и при охлаждении тушек с целью уменьшения бактериальной обсемененности их поверхности и увеличения благодаря этому срока хранения. Помимо этого автором /97/ проводились исследования по обеззараживанию питьевой воды анолитом для поения бройлеров, в ходе этих экспериментов установлено повышение биологической ценности мяса на 1,5.. .9%.
Во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте птицеводства (ВНИТИП) были проведены исследования /97, 20, 112, 111/ по применению католита с различными значениями редокс-потенциалов в поении цыплят бройлеров. Было рекомендовано поить бройлеров активированной водой с величиной редокс-потенциала -550±50мВ. Данные свидетельствуют /20/ об увеличении их живой массы на 6,6... 10,2%, уменьшению расхода корма и воды на единицу продукции на 4,8... 16,7% и повышению сортность тушек на 6... 12,2%, в сравнении с контрольными группами цыплят. Авторы считают /112, 20/, что полученный эффект достигается за счет лучшего усвоения птицей азота, жира, кальция, фосфора, а также витаминов А и В2. Кроме того, в крови цыплят увеличивается на 9,2% содержание гемоглобина, эритроцитов и снижение лейкоцитов. Возрастает питательная ценность мяса из-за большего содержания протеина и снижения жира в грудных и бедренных мышцах цыплят /20/.
Специалистами Азово-Черноморской Государственной Агроинженер- ной Академии (АЧГАА) /104, 105/ были начаты исследования по применению активированной воды в поении цыплят кросс "Заславский" и "Род Ай- ланд". Для этой цели была разработана установка, прототипом которой является устройство /45/, высокая производительность электролизера была достигнута за счет увеличения числа электролизных ячеек до шести. Цыплята содержались в батареях БГО-140 по 4500 голов, поение производилось в течении 86 суток (время выращивания), параметры активированной воды в соответствии с рекомендациями ВНИТИП выдерживались в диапазонах рН= 8,5...9,5 и =-200...-550 мВ. Результаты эксперимента приведен в таблице 1.4.
Методика выявления факторов, влияющих на физико- химические свойства электроактивированной воды
Анализ литературных источников /47, 21/ показал, что в настоящее время существуют различные способы регулирования показателей активации. В общем случае система контроля и поддержания необходимых значений водородного показателя или редокс-потенциала имеет следующую последовательность.
Известная схема включает в себя измерительный редоксметрический электрод и вспомогательный хлорсеребряный электрод, производящие измерение окислительно-восстановительного потенциала. Система контроля, состоит из прибора измеряющего редокс-потенциал (в данном случае рН- метра); далее в зависимости от показаний системы контроля выбирается режим работы активатора. Данная система работает в "ручном" режиме, то есть при наличии оператора, контролирующего значение редокс-потенциала на выходе активатора и вносящего соответствующую корректировку в режимы работы установки. Регулирование в данном случае производится либо изменением подачи воды, либо изменением подводимого напряжения питания. Данный способ требует наличие дополнительной единицы работающего персонала для управления активатором в течение времени протекания технологического процесса.
Система работает следующим образом. Сигнал от электродов, контролирующих величину редокс-потенциала активированной воды на выходе из активатора, подается на вход усилителя. Далее усиливаясь, подается на один из входов регулятора угла открытия тиристора. В соответствии с уровнем сигнала от электродов и задатчика угла открывания сигнал с регулятора подается на формирователь импульсов управления, который в свою очередь управляет системой коммутации, которая представляет собой тиристорный регулятор напряжения. Далее напряжение питания подается на активатор. Схема электрическая принципиальная системы управления электрохимическим активатором воды представлена в приложении 3. Она состоит из блока управления работой активатора и блока контроля и регулирования редокс- потенциала католита на выходе из активатора. Блок управления включает в себя кнопки SB1, SB2, магнитный пускатель КМ1 через силовые контакты которого напряжение питающей сети подается на активатор. Сигнальная лампа HL1 сигнализирует о включении или отключении магнитного пускателя КМ1. Одним из условий нормальной работы активатора является поддержание температурного режима электроактивированной воды, температура воды не должна превышать значения предусмотренного для данного вида птиц, поэтому для контроля температуры воды используется стандартный регулятор типа ПТР-2. Кроме того, схема предусматривает защиту от превышения рабочих токов протекающих через электроды (токовое реле КА1), также имеется защита от аварийных режимов QF1. Контроль питающей сети осуществляется лампой HL2. Рабочее напряжение и рабочий ток контролируется приборами вольтметром PV1 и амперметром РА1. Схема управления величиной редокс-потенциала на выходе из активатора состоит из следующих частей: блока питания включающего в себя диодные мосты VD3...VD6, VD12...VD15 и стабилизаторов DAI, DA3 служащих для подачи рабочего напряжения на схему; датчика контроля величины редокс-потенциала включающего в себя два электрода; усилителя сигнала датчиков собранного на микросхеме DA5; регулятора угла открытия тиристора микросхема DA4 и формирователя импульсов управления тиристором собранного на микросхеме DA3 и трансформаторе TV2.
Расчет экономической эффективности применения электрохимического активатора воды в системе поения птицы проводится на основании действующих методик, стандартов и нормативных документов /52, 53, 84/ с учетом среднегодового уровня инфляции.
Основными показателями экономической оценки применения установки в системе поения птицы мясного направления являются увеличение их живой массы, повышение сортности тушек; для ремонтного молодняка птицы яйценоского направления способствует сохранности поголовья, а также получаемый в хозяйстве годовой эффект в виде чистого дисконтированного дохода (ЧДД)/84/.
Анализ факторов влияющих на физико-химические показатели электроактивированной воды в системе поения
Отсутствие заметного влияния материала катода представляется вполне естественным, поскольку катод в процессе электролиза не должен существенно разрушаться. Как уже отмечалось выше (раздел 1.2.), графитовый анод в процессе электрохимической активации разрушается, то же самое должно в определенной степени происходить с любым анодом, в том числе с титановым. При этом надо принять, что продукты, образующиеся при разрушении анода (окислении материала анода) попадают через бельтинговую диафрагму в католит, меняя его редокс-потенциал. Вполне возможно, что эти частицы вносят существенный вклад в биологическую активность католита. В связи с последним обратим внимание на любопытную анологию. Противоопухолевая активность соединений платины была обнаружена /103/ в опытах, поставленных с целью изучения влияния постоянного тока, пропускаемого через клеточную культуру, на скорость деления клеток. Обнаруженный положительный эффект удалось объяснить, после того как было изучено влияние материалов электродов. Оказалось, что деление клеток подавляют именно находящиеся в растворе соединения платины, попавшие туда при разрушении (окислении) анода в процессе электролиза. Это открытие привело к разработке лекарств, полностью излечивающих некоторые виды злокачественных опухолей. Зависимость показателей активированной воды от удельного сопротивления растворов
Учитывая, что окисление материала анода происходит при участии компонентов раствора, в первую очередь, анионов, следовало ожидать связи параметров электрохимической активации со степенью исходной воды. В виду того, что электрохимическая активация внешне выглядит, как результат пропускания электрического тока через раствор, то эту связь удобно рассматривать с использованием такой характеристики раствора как его удельное сопротивление. Опыты проводили на проточной установке, использованной нами в опытах на птицефабрике "Маяк" (см. рис. 3.1). С целью достижения рекомендованных ВНИТИП параметров рН и (р и минимизации расхода жидкости в опытах задавали производительность установки 100 л/ч при общем расходе растворов 20 л. Рабочие растворы готовили, добавляя соли в дистиллированную воду. В каждом опыте проводили три параллельных измерений водородного показателя и редокс-потенциала после выхода показателей активации к установившимся значениям (в наших опытах необходимое время работы активатора составляло три минуты). Результаты опытов приведены в табл. 2.7.
В серии опытов с растворами разной концентрации наблюдается (рис. 2.6) некоторый рост абсолютной величины редокс-потенциала с увеличением концентрации соли (уменьшением удельного сопротивления обрабатываемого раствора). Существенно, что из полученных данных четко следует, зависимость параметров электрохимической активации от химической природы солей. Это хорошо согласуется с рассматриваемой моделью ЭХА, включающую окисление материала анода.
Первоначально, Бахир и сотрудники /92/, обнаружившие явление электрохимической активации, связывали его, главным образом, с изменением структуры воды. В последних публикациях /9/ этих авторов наблюдаемые закономерности объясняются более традиционно. В частности, появились упоминания об образовании в растворах, подвергнутых ЭХА, относительно стабильных частиц С12, НСЮ, Оз, НОг , заведомо способных участвовать в окислительно-восстановительных процессах. Ясно также, что анионы Н02 , который, как уже отмечено в разделе 1.2, образуется при кислотной диссоциации перекиси водорода, могут существовать при рН= 11,57, поскольку константа диссоциации Н202 равна 2,7-10 " моль/л /80/. Это означает, что указанную частицу нужно "искать" в катодной фракции. Все остальные перечисленные выше вещества (С12, НСЮ, Оз) являются сильными окислителями и, естественно, не могут определять восстановительные свойства католита. Константа диссоциации Н2О2 определяется соотношением:
Поскольку при рН= - К концентрации Н202 и Н02 равны, можно ожидать, что в случае, если активной частицей в католите является анион Н02_, изменения ркат. скорее всего должны прекращаться прирН 11,57. Анализ данных, приведенных в таблицах 2.1, 2.6, 2.7 в рамках зависимости редокс- потенциала от водородного показателя, дает картину (см. рис. 2.7), удовлетворительно согласующуюся с этим предположением.
Похожие диссертации на Режимы работы электрохимического активатора и параметры активации воды в технологической линии поения птицы
Таким образом, из приведенных выше данных следует:
- целью электрохимической активации воды является получение растворов, обладающих определенными полезными для применения в технологических процессах свойствами;
7 О
частиц размером 10" -10" /32/), которые несут электрические заряды. Кроме того, электроды, используемые в процессе, не являются абсолютно инертными. По крайней мере, анод должен хотя бы в малой степени разрушаться и образующиеся при этом частицы должны переходить в раствор. Последнее прямо подтверждается данными /59, 39/ о наблюдение присутствия в анолите и даже в католите карбоксильных групп и соли органических кислот, образующихся, очевидно при окислении графита.
Судя по имеющимся данным, можно предположить, что параметры активации определяются разрушением электродов под действием протекающих на них окислительно-восстановительных процессов, которые в свою очередь зависят от ряда факторов, в первую очередь, материала электродов и минерализации.
1.3. Конструкции и энергетические характеристики активаторов
Как отмечено выше (см. раздел 1.1.) в настоящее время существует множество патентов на изобретения в области электрохимической активации. Основными отличиями разработанных конструкций активаторов являются: производительность, показатели биологической активности воды, а также энергоемкость процесса.
Наиболее простой конструкцией пригодной для применения в сельском хозяйстве за счет сравнительно небольшой стоимости материалов и простоты конструкции является, по-видимому, установка /45/ представленная на рисунке 1.2.
Диафрагменный электролизер
1- графитовый электрод; 2- изолятор; 3- корпус диэлектрической камеры; 4- фланец с патрубком; 5- диафрагма
Рис. 1.2
Активатор имеет следующие параметры: площадь одного электрода
составляет 0,03 м , межэлектродное расстояние - 0,05 м. Регулируемый источник постоянного тока позволяет изменять напряжение на электродах в пределах от 0 до 250 В. Удельный расход электроэнергии составляет 0,0216 кВт-ч/м .
Иная по конструкции опытно-модельная установка /28/ разработанная на кафедре механизации и электрификации животноводства Гродненского сельскохозяйственного института. Она представляет собой диафрагменный электролизер непрерывного действия с использованием цилиндрических электродов и ионопроницаемой диафрагмы. Представленный электролизер (рис. 1.3) применяется в технологии консервирования зеленых кормов. Данная конструкция низкую ремонтопригодность. К сожалению, авторы не указывают материал электродов, поэтому трудно сказать о возможности применения полученных растворов в тех или иных технологических процессах.
Близким к представленному выше образцу по технической сущности является устройство /91/, состоящее из цилиндрического электролизера с ко- аксиально расположенными электродами, вертикально установленными в диэлектрических втулках и диафрагмой между ними, разделяющей внутреннее пространство на катодную и анодную камеры.
Диафрагменный электролизер
католит 1
/—
анолит
1-анод; 2-катод; 3-диафрагма Рис. 1.3
Авторами устройства /74/, представленного на (рис. 1.4), задача повышения биологической активности растворов решается путем, как они полагают, увеличения количества видов активных частиц в сопоставимых концентрациях в воде после ее активации. Их установка содержит два электрода и диафрагму, расположенную между ними. В поперечном сечении поверхности электродов образуют разноудаленные участки, при этом межэлектродные расстояния находятся в пределах от 0,0015 до 0,01 м. Кроме того, первый электрод в поперечном сечении имеет форму окружности, второй электрод, расположенный внутри первого, в поперечном сечении имеет форму звезды. Недостатком конструкции являются ее себестоимость и сложность изготовления электрода, имеющего форму звезды.
С целью увеличения производительности активатора авторами /6/ разработана конструкция электролизера, представленная на рис. 1.5. Устройство содержит корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с
Активатор
1- цилиндрический электрод; 2- стержневой электрод; 3- керамическая диафрагма; 4,5- катодная и анодная камеры; 6,7- втулки; 8,9- входы электродных камер; 10,11- выходы электродных камер
Рис. 1.4
размещенными в них перфорированными электродами. Анодная и катодная камеры снабжены диэлектрическими воронками, обращенными к диафрагме большими основаниями, в которых закреплены перфорированные электроды, причем перфорация электродов выполнена в виде конусных отверстий, обращенных большими основаниями к диафрагме и расположенных в электродах в шахматном порядке.
Обрабатываемая вода под напором поступает в анодную и катодную камеры, через патрубки подачи во внутреннюю полость диэлектрических воронок и при их заполнении через конусные отверстия - в узкое пространство между электродами и диафрагмой. При подаче на электроды напряжения питания вода, находящаяся в узком пространстве между электродами и диафрагмой, подвергается электролизу. Далее происходит разделение воды на соответствующие фракции. К недостатку представленной конструкции, несомненно, можно отнести сложность в ее изготовлении и необходимости специализированного ухода, так как при существенной минерализации обра-
Электролизер для обработки воды
1-корпус; 2-диафрагма; 3- анодная камера; 4-катодная камера; 5,6- перфорированные электроды; 7,8- патрубки подачи и отвода воды; 9- диэлектрические воронки; 10- конусные отверстия
Рис. 1.5
батываемой воды не исключено забивание конусных отверстий в электродах, что приведет к уменьшению плотности тока.
В литературных источниках приведены еще целый ряд конструкций /1, 2, 5, 73, 12, 3/, но в принципе они могут приведены к одному из рассмотренных типов.
Необходимым элементом конструкции каждого электролизера является блок питания, позволяющий осуществлять регулировку напряжения, с целью получения необходимых для технологических процессов физико-химических показателей активированных растворов. Для регулировки напряжения наиболее часто в электрохимической активации встречаются два способа: при помощи автотрансформаторов и тиристорными регуляторами.
1.4. Электроактивированная вода в птицеводстве
Исследования в этой области /83, 97, 20, 46/ проводились до начала данной работы, главным образом, в плане проверки биологической эффективности применения электрохимически активированной воды.
В работах /46, 36, 83/ показано, что предынкубационная обработка яиц активированной водой способствует повышению вывода молодняка на 1,5... 1,8%, снижению количества инкубационных отходов и затрат на обработку яиц. До настоящего времени широко используется метод дезинфекции парами формальдегида в инкубаторах или специальных камерах, для влажной очистки используют бикарбонат натрия или производят хлорирование яиц. Однако следует отметить, что действие формальдегида особенно, в больших дозах, является токсичным и может вызвать смертность эмбрионов /31, 46/. В связи с этим применение электроактивированных растворов в данном технологическом процессе представляет практический интерес, так как является экологически безопасным и дешевым.
Есть сведения /83, 97/ об использовании активированной воды для очистки тушек птицы от загрязнений и от перьев за один цикл обработки. Авторами /97/ установлено, что применение католита позволяет уменьшить число дефектных повреждений тушки на 12...20%, улучшить качество обработки от загрязнений на 10... 12% по сравнению с традиционным способом обработки паром. Анолит они рекомендуют для мойки и при охлаждении тушек с целью уменьшения бактериальной обсемененности их поверхности и увеличения благодаря этому срока хранения. Помимо этого автором /97/ проводились исследования по обеззараживанию питьевой воды анолитом для поения бройлеров, в ходе этих экспериментов установлено повышение биологической ценности мяса на 1,5.. .9%.
Во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте птицеводства (ВНИТИП) были проведены исследования /97, 20, 112, 111/ по применению католита с различными значениями редокс-потенциалов
в поении цыплят бройлеров. Было рекомендовано поить бройлеров активированной водой с величиной редокс-потенциала -550±50мВ. Данные свидетельствуют /20/ об увеличении их живой массы на 6,6... 10,2%, уменьшению расхода корма и воды на единицу продукции на 4,8... 16,7% и повышению сортность тушек на 6... 12,2%, в сравнении с контрольными группами цыплят. Авторы считают /112, 20/, что полученный эффект достигается за счет лучшего усвоения птицей азота, жира, кальция, фосфора, а также витаминов А и В2. Кроме того, в крови цыплят увеличивается на 9,2% содержание гемоглобина, эритроцитов и снижение лейкоцитов. Возрастает питательная ценность мяса из-за большего содержания протеина и снижения жира в грудных и бедренных мышцах цыплят /20/.
Результаты эксперимента
Специалистами Азово-Черноморской Государственной Агроинженер- ной Академии (АЧГАА) /104, 105/ были начаты исследования по применению активированной воды в поении цыплят кросс "Заславский" и "Род Ай- ланд". Для этой цели была разработана установка, прототипом которой является устройство /45/, высокая производительность электролизера была достигнута за счет увеличения числа электролизных ячеек до шести. Цыплята содержались в батареях БГО-140 по 4500 голов, поение производилось в течении 86 суток (время выращивания), параметры активированной воды в соответствии с рекомендациями ВНИТИП выдерживались в диапазонах рН= 8,5...9,5 и ^=-200...-550 мВ. Результаты эксперимента приведен в таблице 1.4.
Таблица 1.4
Из таблицы следует, что при использовании электрохимически активированной воды потери молодняка уменьшились в два раза. Этими же авторами /104/ проводилась проверка влияния активированной воды на яйценоскость кур-несушек, результаты которой свидетельствуют об ее увеличении на 2,5...14%.
В ходе исследований /104, 105/ поения цыплят активированной водой в производственных условиях было выявлено существенная нестабильность показателей обработанной в электролизере воды. В частности, было отмечено, что по длине желобковой поилки (рис. 1.6) потенциал католита увеличивается от -550 мВ до +50 мВ. Авторы высказали предположение, что снижение абсолютной величины редокс-потенциала вызвано контактированием активированной воды с заземленными частями системы поения. Однако следует учесть, что вода в целом электронейтральна, следовательно, этот фактор вряд ли может оказывать влияние на параметры активированной воды. Более вероятным представляется влияния двух факторов: химических восстановителей, неизбежно присутствующих в производственных условиях на поверхности системы, и контакт с воздухом, а именно с углекислым газом и кислородом, входящими в состав воздуха.
Изменение редокс-потенциала
Активатор. Длина поилки, м Рис. 1.6
1.5. Существующие системы поения в птицеводстве
Прежде чем рассматривать системы поения, следует отметить, что для водоснабжения птицеводческих хозяйств используют поверхностные и подземные источники воды. Поверхностные источники наиболее доступны, но весьма подвержены различным загрязнениям. Поэтому наибольшее применение получили подземные воды, как правило, хорошего качества. Кроме того, у подземных вод практически не изменяется температура (8... 12 С) в течении года /33/.
Подача воды к потребителям осуществляется по внешней водопроводной сети. Внутри зданий /27/ располагаются внутренние сети (рис. 1.7), которые могут быть разветвленными (рис. 1.8, а) и кольцевыми (рис. 1.8, б). Разветвленная сеть обеспечивает подачу воды к потребителю только с одной стороны. Кольцевая сеть имеет такое расположение труб, при котором вода подается потребителю с двух сторон.
Схема внутренней водопроводной сети птичника
