Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1. Методы электронно-ионной технологии в сельскохозяйственном производстве 15
1.2. Технические средства электронно-ионной технологии для активирования семян 23.
1.3. Перспективы использования гидропонного растениеводства в современных производственно-экологических условиях 28
1.4. Технологическое оборудование для выращивания продукции гидропонного растениеводства 32
1.5. Цель и задачи исследований 35
2. Теоретическое обоснование условий эффективного использования методов электронно-ионной технологии в гидропонном растениеводстве
2.1. Термодинамический подход к анализу явлений, вызываемых электротехнологическими воздействиями на обрабатываемый материал 39
2.2. Обоснование выбора электротехнологических средств для применения их в гидропонном растениеводстве 44
2.3. Обработка минеральных субстратов в поле коронного разряда 47
2.3.1. Электродная система для обработки минеральных субстратов в поле коронного разряда з 2.3.2. Вольт-амперная характеристика системы электродов для электрообработки минеральных субстратов.
2.3.3. Электрический заряд частиц субстрата .
2.4. Ультразвуковая обработка неоднородных субстратов .
2.5. Двухфазная электрообработка прорастающих семян в постоянных электрических полях.
2.5.1. Электродная система для двухфазной электрообработки прорастающих семян .
2.5.2. Электрический заряд прорастающих семян при двухфазной электрообработке .
2.5.3. Влияние диэлектрической проницаемости семян на напряженность электростатического поля в их слое .
2.5.4. Обоснование технологических условий для электрообработки слоя семян .
2.6. Электрический аналог процесса прорастания
2.7. Энергобиологическая оценка биомассы зеленных овощей и зеленого корма .
3. Программа и методика экспериментальных исследований
3.1. Программа экспериментов и экспериментальные установки
3.1.1. Программа экспериментов
3.1.2. Экспериментальные установки
3.2. Методика проведения эксперимента
3.2.1. Методика экспериментального определениявольт-амперных характеристик
3.2.2. Методика электрообработки субстрата 96
3.2.3. Методика исследования электропроводности системы «субстрат-раствор» 97
3.2.4. Методика исследования электродного потенциала и активности ионов системы «субстрат-раствор» 98
3.2.5. Методика исследования влияния электрообработки минеральных субстратов на отклик зеленных овощей. 102
3.2.6. Методика ультразвуковой обработки субстрата .103
3.2.7. Методика исследований влияния ультразвуковой обработки на реологические характеристики .104
3.2.8. Методика исследования влияния ультразвуковой обработки на отклик семян 104
3.2.9.Методика определения свободных радикалов методом электронного парамагнитного резонанса
3.2.10.Методика исследования электрообработки на отклик прорастающих семян 107
3.2.11.Методикаисследования интенсивности влагоотдачи гидропонной биомассы .111
3.2.12.Методика исследования экологической чистоты и биологической полноценности гидропонной биомассы 111
3.3. Методика энергоэкологической оценки электротехнологий в гидропонном растениеводстве .112
4. Обоснование режимов электрофизического воздействия и параметров устройств для обработки субстратов и прорастающих семян в гидропонном растениеводстве
4.1.. Обоснование режимов воздействия поля коронного разряда и параметров устройств для обработки минеральных субстратов при гидропонном выращиваний зеленных овощей в поле коронного разряда
4.1.1. Вольт-амперные характеристики системы электродов «иглы на стержнях - плоскость» при размещении на некоронирующем электроде слоя минерального субстрата...
4.1.2 Электрический заряд частиц субстрата в рабочей зоне электродной системы «иглы на стержнях - плоскость» .
4.1.3. Электропроводность, электродный потенциал и активность ионов системы «субстрат-раствор»
4.1.4. Определение оптимальных режимов обработки минеральных субстратов в поле коронного разряда для гидропонного выращивания зеленных овощей .
4.2 Обоснование режимов ультразвукового воздействия и параметров устройств для обработки неоднородных субстратов при выращивании ГЗК .
4.2.1. Влияние ультразвуковой обработки
на реологические характеристики субстрата
4.2.2. Электродный потенциал и активность ионов суспензии субстратов
4.2.3. Определение оптимальных режимов ультразвуковой обработки неоднородных субстратов
при выращивании ГЗК .
4.3 Обоснование режимов воздействия электростатического поля б и поля коронного разряда и параметров устройств для электрообработки прорастающих семян при выращивании ГЗК .
4.3.1. Взаимосвязь технологического латентного периода и концентрации свободных радикалов при воздействии поля коронного разряда .
4.3.2. Вольт-амперные характеристики системы электродов «иглы на плоскости - плоскость» при размещении на некоронирующем электроде слоя прорастающих семян .
4.3.3. Напряженность электростатического поля в слое прорастающих семян (для разработанной электродной системы)
4.3.4. Электрический заряд прорастающих семян в рабочей зоне разработанной электродной системы .
4.3.5. Определение оптимальных режимов обработки прорастающих семян в постоянных электрических полях при выращивании ГЗК
4.3.6. Электрообработка слоя прорастающих семян
5. Разработка технологических элементов гидропонного производства с использованием обработки субстрата и прорастающих семян
5.1. Разработка технологических элементов гидропонного производства зеленных овощей с использованием обработки минеральных субстратов в поле коронного разряда - 161
5.1.1. Технология производства зеленных овощей с обработкой субстратов в поле коронного разряда 161
5.1.2. Установка для электрообработки минеральных субстратов 164
5.1.3. Программа и результаты технологических испытаний. 167
5.1.4. Экономическая, энергетическая и энергоэкологическая оценка 170
5.2. Разработка технологических элементов производства ГЗК с использованием ультразвуковой обработки . неоднородных субстратов 178
5.2.1. Технология производства ГЗК с ультразвуковой обработкой неоднородных субстратов .178
5.2.2. Устройство для ультразвуковой обработки неоднородных субстратов 180
5.2.3. Программа и результаты технологических испытаний. 185
5.2.4. Экономическая, энергетическая и энергоэкологическая оценка 185
5.3. Разработка технологических элементов производства ГЗК
с обработкой прорастающих семян в постоянных электрических полях .189
5.3.1. Технология производства ГЗК с обработкой прорастающих семян в постоянных электрических полях 189
5.3.2. Установка для электрообработки прорастающих семян 193
5.3.3. Программа и результаты технологических испытаний. 198
5.3.4. Экономическая, энергетическая и энергоэкологическая оценка 200
5.4. Внедрение результатов исследований .203
Заключение и общие выводы 211
Литература 216
Приложение 247
- Технические средства электронно-ионной технологии для активирования семян
- Обоснование выбора электротехнологических средств для применения их в гидропонном растениеводстве
- Методика проведения эксперимента
- Обоснование режимов ультразвукового воздействия и параметров устройств для обработки неоднородных субстратов при выращивании ГЗК
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важнейших условий устойчивого развития сельского хозяйства является всестороннее использование электрической энергии. Широко известно, что эффекты от действия электромагнитных полей на биологические объекты проявляются в активировании физиологических процессов в растительном организме с одновременным губительным действием на возбудителей заболеваний семян и растений. Исключительные перспективы этих эффектов открываются в свете глобальных экологических проблем, касающихся в первую очередь сельского хозяйства с его производством продуктов питания для населения и кормов для животных. Дальнейшее развитие и совершенствование электротехнологических методов и соответствующих технических средств для сельскохозяйственного производства будет способствовать успешной реализации государственной политики в области здорового питания населения, где основной задачей ставится создание научно-технической базы для энергосберегающих экологически чистых технологий.
Данная работа выполнена в направлении развития и совершенствования научно-технической базы для эффективного использования электротехнологических методов в такой отрасли сельского хозяйства, как производство продуктов растениеводства по гидропонному методу.
Исследования проводились в соответствии с Республиканской Программой 6.6.3 (1991 - 1995 гг.); федеральными программами (1996 - 2001; 2001 - 2005 гг.); Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению и развитию агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001 - 2005 гг. (задание 01.02; 02), планом НИР ЧГАУ на 1990 - 2005 гг.
Цель работы: разработка технологий и технических средств для эффективного использования методов электронно-ионной технологии в гидропонном растениеводстве.
Теоретическое и экспериментальное обоснование энергосберегающей структуры электротехнологического оснащения гидропонного производства экологически чистых зеленных овощей и зеленого корма представлено в тексте диссертации в виде решения ряда последовательных задач.
Задачи исследования
Определение влияния электрофизической обработки субстрата и прорастающих семян на отклик растений; получение электрических схем замещения посевного и посадочного материала в период прорастания.
Обоснование режимов электрофизического воздействия и параметров устройств электронно-ионной технологии для обработки субстратов и прорастающих семян.
Разработка технических средств для электрофизической обработки гидропонных субстратов и семян в фазе прорастания.
Разработка технологий, включающих в себя обработку субстрата и прорастающих семян при производстве продукции растениеводства на гидропонной основе.
Разработка методики энергоэкологической оценки электротехнологий в гидропонном растениеводстве.
Объект исследования: электротехнологические процессы и оборудование для гидропонного производства зеленных овощей и зеленого корма.
Предмет исследования: закономерности, определяющие.условия эффективного функционирования электротехнологических методов в условиях гидропонного растениеводства.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту
В работе впервые предложено использовать активирующие электрофизические воздействия (электрических полей, ультразвука) на гидропонные субстраты и семена, находящиеся не в предпосевном воздушно-сухом состоянии, а в определенной фазе прорастания (на примере зеленных овощей и зеленого корма).
Для обоснования условий эффективного использования методов электронно-ионной технологии в гидропонном производстве проведена классификация этих методов и дано аналитическое описание явлений, вызываемых в обрабатываемом материале электрофизическими воздействиями.
Применительно к минеральным субстратам предложена электрообработка в поле коронного разряда. Получено аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь плотности тока коронного разряда и напряжения при размещении на некоронирующем электроде слоя субстрата. Разработана математическая модель распределения напряженности электрического поля по сечению обрабатываемого слоя материала. Установлены закономерности, раскрывающие взаимосвязь электрического заряда частиц субстрата и их расположения в межэлектродном пространстве данной системы электродов, и закономерности, показывающие зависимость электропроводности системы «субстрат - раствор» от режимных параметров обработки субстрата. Для неоднородных субстратов (на примере сапропеля) предложена ультразвуковая гомогенизации суспензии. Установлены закономерности, раскрывающие взаимосвязь условного модуля деформации субстрата, его реологических характеристик и режимов обработки.
Применительно к прорастающим семенам предложена комплексная электрообработка в постоянных электрических полях различной напряженности и разработана электродная система для ее реализации; установлена закономерность, отражающая изменение напряженности электростатического поля в слое семян в зависимости от их диэлектрической проницаемости. Установлены закономерности, раскрывающие зависимость электрического заряда, получаемого прорастающими семенами в рабочей зоне разработанной электродной системы, от положения семян в межэлектродном промежутке.
Предложена методика энергоэкологической оценки электротехнологий в гидропонном растениеводстве и оценены предлагаемые технологии. Получены математические модели отклика растений на активирующую обработку субстратов и прорастающих семян. Разработаны электрические схемы замещения прорастающего посевного материала, произведена энергетическая и биологиче-
екая оценка биомассы зеленных овощей и зеленого корма. Новизна технических решений защищена патентами РФ.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов
Практическая ценность диссертационной работы состоит в расширении объема технических средств повышения эффективности использования методов электронно-ионной технологии в гидропонном растениеводстве, в частности, для решения проблемы получения экологически чистой продукции сельского хозяйства в регионах с нарушенными экологическими условиями.
На основе результатов исследования разработаны установки для обработки минеральных субстратов в поле коронного разряда, ультразвуковой обработки суспензии неоднородных субстратов, обработки прорастающих семян в постоянных электрических полях. Разработанные математические модели, установленные взаимосвязи, полученные аналитические выражения предложены для использования на всех стадиях проектирования установок для обработки субстратов и прорастающих семян с использованием электрофизических методов. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по применению активирующей обработки субстратов и семян в стадии прорастания в гидропонном растениеводстве. Разработки по вопросам проектирования и обустройства гидропонных участков приняты к внедрению в научно-исследовательском и проектно-технологическом институте «Агропромпрог-ресс» - хоздоговор 15-03-2003 (НИПТИ «Агропромпрогресс», г. Москва); Центре социоестественных исследований Московского филиала Европейской Академии городской среды для рекомендаций в перспективные региональные программы (г. Москва); Центре содействия решению экологических проблем (г. Москва).
На основе проведенных в рамках диссертационной работы исследований были разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания зеленных овощей с обработкой минеральных субстратов в поле коронного разряда на разработанной установке; технология гидропонного выращивания зеленых кормов с ультразвуковой обработкой неоднородных субстратов на
предложенной установке; технология выращивания гидропонного зеленого корма с обработкой прорастающих семян в постоянных электрических полях с помощью разработанной установки; технология гидропонного выращивания зеленных овощей и зеленых кормов с использованием активирующей обработки субстрата и прорастающих семян; малогабаритная гидропонная установка для выращивания экологически чистой экопротекторной зеленой биомассы: ОАО «Тепличный»; ОАО ФНПЦ «Станкомаш» (г. Челябинск); АО «Элита»; ООО «ППЗ «Еткульский»; ЗАО «Коелгинское»; АО «Красногорское»; АО «Ху-дайбердинский» - хоздоговор № 22-01-2000 (Челябинская обл.); ПСХ ОАО «Сильвинит» (г. Соликамск, Пермская обл.).
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению эффективности гидропонного растениеводства на основе использования технических средств электронно-ионной технологии используются в учебном процессе Челябинского государственного агроиюкенерного университета.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на научно-технических, а также ежегодных внутривузовских конференциях, в том числе на научной сессии Российской Академии сельскохозяйственных наук «Проблемы техногенного воздействия на агропромышленный комплекс и реабилитация загрязненных территорий» (г. Москва, 2002 г.); на специализированной выставке-конференции «Агро-2002» (золотая медаль, г. Челябинск, 2002 г.); на V Международном Салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2005 г., бронзовая медаль); на 3-й и 4-й международных научно-технических конференциях Всероссийского института электрификации сельского хозяйства «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2003 - 2004 гг.); на Международной научно-практической конференции «Проблемы агропромышленного комплекса» (г. Волгоград, ГСХА, 2003 г.); на II Российской научно-практической конференции Российской Академии естественных наук «Актуальные проблемы^ инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создания функциональных продуктов» (г. Москва, 2003 г.), на специализиро-
ванной конференции в рамках конкурса «Инновация - 2004» (Челябинск, 2004 г.). Получен Грант Министерства образования РФ и Администрации Челябинской области «Применение методов электронно-ионной технологии для получения экологически чистой продукции растениеводства» (2002 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 95 печатных работ, в том числе 15 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы, включающего в себя 372 наименования, и 40 приложений. Текст изложен на 246 страницах, работа содержит 43 рисунка и 20 таблиц.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Технические средства электронно-ионной технологии для активирования семян
Реализация семенами своих потенциальных возможностей требует проработки вопросов активирования их прорастания. В настоящее время предложено много способов активирования (п. 7). Анализ способов показывает, что физиологические методы, в основе которых лежит влияние природно естественных факторов (водного и температурного режимов), приводят к сокращению длительности скрытого прорастания семян [285; 286]. Подавляющее большинство предложенных физических воздействий подразделяют на три группы: термические, механические и электромагнитные, причем последние, в свою очередь подразделяют на электрические, магнитные, оптические, ядерные - по применению участков спектра электромагнитных полей [51 - 58; 82; 134]. В настоящее время установлена значительная общность физических воздействий по своей природе. Следствием .этого является общность механизма влияния на семена, о чем свидетельствуют и общепринятые положения реакции биологического объекта на внешний раздражитель [180]. Физиологическая реакция семян на физические воздействия может быть объяснена на основе интерпретации теории раздражения растений, заимствованной из нейрофизиологии (п. 8) [180]. Раздражение вызывает индуктивный эффект, то есть эффект, продолжающийся после снятия раздражения, о котором можно судить, в частности, по изменению концентрации свободных радикалов (п. 9). Сравнительное изучение реакции семян на различные физические воздействия позволяет говорить об общности тех изменений в метаболизме и формообразовательных процесса, которые характеризуют поведение системы независимо от природы действия. Под влиянием физических воздействий (электромагнитных, звуковых и т.д.) происходит интенсификация ряда биохимических процессов, повышаются посевные качества семян, ускоряется рост и развитие растений, увеличивается урожайность [51-58; 76; 80; 82; 111-112; 134- 136] (п. 10), причем последняя находится в тесной связи с природно-климатическими факторами. Электромагнитная природа систем управления физиологическими процессами в биообъектах предопределяет успех использования магнитных и электрических полей для интенсификации жизнедеятельности растений. В число факторов, под влиянием которых зарождалась и формировалась жизнь на нашей планете, входит и собственное. электромагнитное поле Земли [112; 135; 136]. Благодаря многочисленным исследованиям установлено, что вся жизнь растения сопровождается электромагнитными излучениями. В покоящихся семенах эти излучения минимальны, но при первом же импульсе на продолжение рода возникают биопотенциалы, появляются биотоки, которые отражают изменения электромагнитного состояния атомно-молекулярных структур, повышается энергетический уровень биохимических связей внутри семян. Все процессы в прорастающем семени (распад белковых полимеров до аминокислот, полисахаридов - до моносахаридов, жиров - до жирных кислот, оксикислот, альдегидов и др.) сопровождаются появлением разности потенциалов, которые имеют колебательный характер и отражают всю сумму сложных энергетических преобразований, проходящих на молекулярном уровне, с выделением энергии [241]. При любом физическом воздействии (ФВ) биологическому объекту сообщается энергия того или иного вида, точнее говоря, ввиду композиционного характера воздействия энергия включает в себя в той или иной пропорции составляющие разных видов. Однако известно, что живая система (в элементарном случае клетка) реагирует на внешнее воздействие лишь тогда, когда энергия этого воздействия качественно, то есть по своему виду, соответствует собственной энергии системы (клетки). Поскольку в клетке существует электрическое поле постоянного тока, именно изменение этой энергии и связанного с ней потенциала лежит в основе реакции клетки на любое внешнее воздействие [53;54]. При воздействии на семена постоянным электрическим полем эффект достигается при наименьшей, по сравнению с другими ФВ, поглощенной энергии. При этом согласно принципам электрофизиологии при воздействии на биообъект должны соблюдаться принципы внезапности и крутизны фронта воздействия, то есть применение электрических полей с различной напряженностью: меньшей напряженностью на первой фазе и большей напряженности на второй фазе воздействия [239; 256 - 258]. Однако по данным отечественных и зарубежных ученых проростки и вегетирующие растения более чувствительны к ФВ, чем семена. Стимулирующие дозы для молодых растений в фазе активного метаболизма в 10 - 15 раз меньше, чем у покоящихся семян. Например, оптимальные стимулирующие дозы облучения для семян гороха и кукурузы составляют соответственно 5 и 20 Гр, а для вегетирующих растений 0,35 и 0,5 Гр [11]. Анализ литературных источников позволил оценить, каким образом различается энергия, подведенная к семенам и вегетирующим растениям при воздействии электрическим полем. Из приведенной диаграммы (п. 11) видно, что для воздействия на вегетирующие растения требуется меньшей всего затрат энергии. Вместе с тем, в технологическом плане агроприем электрообработки семян является наиболее отработанным и чаще всего применяющимся [51 - 58; 82]. Для реализации процесса активирования семян ФВ, в частности постоянным электрическим полем, существуют различные типы машин и установок. Производительность большинства установок, служащих для обработки семян, составляет 1 - 2 т/ч. Создана серия установок различной производительности на основе использования постоянного электрического поля. Установки, в основе которых лежит применение постоянных электрических полей, прошли испытания на МИС, получили положительную оценку, включены в систему машин и имеют утвержденные агротехнические требования. Их преимущество заключается в высокой пропускной способности [51; 134] (п. 5). Однако в настоящее время операция по активированию прорастания семян оторвана от подсистемы предпосевной подготовки семян, что обусловлено сравнительно низкой достоверностью и воспроизводимостью результатов обработки, тогда как для практического использования воспроизводимость и достоверность результатов является одними из основных факторов. Такая ситуация объясняется двумя основными причинами: первая — изменяющиеся во времени почвенно-климатические условия развития семян и растений, вторая - состояние и состав почвенного материала, подвергшегося обработке электромагнитными полями. Биологическая разнокачественность семян в посевной партии влечет за собой неодинаковую реакцию семян на воздействие электрического поля. Одни семена получают «добавочно энергии» больше, чем надо, а другие - меньше, какие бы оптимальные режимы не выбирались. Из этого положения вытекает необходимость предварительной подготовки посевной партии к электрообработке [70]. Гидропонное выращивание растений, осуществляющееся в контролируемых условиях защищенного грунта позволяет семенам не только реализовать свои потенциальные возможности при электрообработке, но и создать необходимые условия для предварительной подготовки посевной партии к обработке электрическим полем. В качестве мероприятия по предварительной подготовке семян к воздействию электромагнитным полем предлагается использовать прайминг, то есть чередование оводнения и обезвоживания семян. Как установлено исследованиями отечественных и зарубежных ученых, в предварительно замоченных семенах (при соблюдении необходимых условий для прорастания) биологические процессы подводятся к одному «предпусковому» уровню. Наряду с этим прайминг (или физиологическое) воздействие приводит к ряду положительных моментов: ускорению прорастания семян за счет сокращения скрытого периода, формирования их корневой системы, появления всходов, поскольку в повторно проращиваемых семенах биологические процессы возобновляются на прерванном уровне: синтез белка и РНК, подготовка к синтезу ДНК [286; 287]. При этом целесообразным является использование такого вида прайминга, при котором семена предварительно замачиваются в недостаточном для полного прорастания количестве воды, что позволяет избежать операцию поверхностного подсушивания перед электрообработкой. Предварительное
Обоснование выбора электротехнологических средств для применения их в гидропонном растениеводстве
Обратим внимание на то обстоятельство, что рассмотрение гидропонного растениеводства в качестве базы для реализации в нем методов электронно-ионной технологий означает переход на обработку новых материалов, по своему физико-механическому состоянию, геометрическим размерам и форме обрабатываемого участка материала, его электрическим и тепло физическим свойствам и т.д.
Учет всего многообразия характеристик обрабатываемых материалов представляет трудновыполнимую задачу и для построения более или менее приемлемого аналитического описания процессов, происходящих в реальных материалах.
В частности, если при анализе ряда вопросов, связанных с предпосевной обработкой семян (например, зерновых культур), находящихся в воздушно-сухом состоянии, можно было воспользоваться модельным представлением семян твердыми телами или материальными точками, то это неприемлемо к телам, входящим в зону обитания вегетирующего растения.
В этой зоне, которую назовем условно технологической ячейкой, будут находиться материалы с явно выраженными реологическими свойствами вплоть до жидкого состояния.В этих условиях оправданным приближением будет модель идеальной жидкости для описания событий, происходящих в среде обитания корневой системы растений.
При принятии такой модели общее уравнение (1) будет иметь вид [101; 144] где T - температура среды, т.е. питательного раствора; V Т - градиент температуры; Aj и v,- - соответственно химическое сродство и скорость /-той химической реакции; ФЕиФк- молекулярные потоки соответственно энергии и массы /с-го компонента, входящего в состав питательной раствора; v [лк -градиент удельного химического потенциала.
Физический смысл уравнения состоит в том, что в технологической ячейке произрастания растения непременно происходит рассеяние энергии в силу протекающих химических реакций, диффузии и теплопроводности, которые являются взаимосвязанными.Используемое в этом анализе уравнение (6) записано без учета действия внешних сил. Оно описывает комплекс явлений, которые происходили бы в питательном растворе среды обитания растения при отсутствии внешних силовых воздействий на него.
Назначение таких внешних воздействий и означает выбор соответствующей электротехнологии. Основанием для выбора эффективного «катализатора» рассмотренного комплекса явлений служит то отмеченное выше обстоятельство, что определяющим фактором служит перенос вещества и энергии в материале технологической зоны (или ячейки).
Для интенсификации переносных процессов эффективным является использование ультразвука, способного создавать акустические течения и радиационное давление.При гидропонном выращивании растений справедлива интегральная форма уравнения роста биомассы в условиях лимитирования по субстрату, откуда скорость роста равна [77] где So, SJ,, Sj — концентрация компонентов субстрата, соответственно начальная,в момент времени tj и tj\ Ks - параметр, характеризующий сродство субстрата и культуры.Согласно (7) интенсификация процесса роста биомассы достигаетсяувеличением начальной концентрации компонентов субстрата. При этомначальная концентрация питательных веществ является определенной длякаждой культуры и соблюдается при подборе компонентов субстрата. Длящф увеличения начальной концентрации ионов, необходимых растениям дляактивного усвоения питательных веществ, целесообразным является ионизация субстратов в поле коронного разряда.
Таким образом, для эффективного использования методов электронно-ионной технологии в растениеводстве по гидропонному методу требуется использование новых сочетаний технологических потоков, представленных в таблице 2.1, и, следовательно, требуется разработка специальных технологических способов и соответствующих им технических средств.
В силу большого многообразия существующих, а также и возможных вариантов электротехнологических методов (табл. 2.1) в данной работе реализация конкретных разработок проведена на примере использования двух базовых: электрообработки и ультразвуковой обработки [1 - 7; 24 - 50; 210; 235 -236; 297-299]. униполярного коронного разряда, на основе анализа существующих электродных систем, выбрана игольчатая электродная система по причине обеспечения более равномерного распределения концентрации ионов по поверхности некорониругощего электрода, большего диапазона коронирования и повышенной механической прочности по сравнению с проволочными [51;52;80;93;154;208]. Конструктивные параметры электродной системы (расстояние между стрежнями; расстояние между иглами; длина игл и их расположение; межэлектродное расстояние) приняты на основании апробированных при электрообработке семян (гл. 4).
Методика проведения эксперимента
Накладывают заземление на коронирующий электрод. 2. Помещают ионообменный субстрат на некоронирующий электрод. 3. Снимают заземление с коронирутощего электрода.4. Подаются напряжение 220 В на автотрансформатор.5. Ручкой регулятора автотрансформатора устанавливают необходимое напряжение на коронирующем электроде, которое фиксируется пофф киловольтметру.6. Нажимают кнопку 9, измеряют ток короны по микроамперметру 7.7. Минеральный субстрат обрабатывают в течение заданного времени, после чего напряжение снимают и накладывают заземление.8. Время обработки фиксируют секундомером.9. Минеральный субстрат убирают с некоронирующего электрода, смешивают с торфом и закладывают на вегетационную поверхностьш для выращивания зеленных культур,ф Определение вольт-амперных характеристик при изменении влажности итемпературы субстрата осуществлялось по приведенной методике (пункты 1-7). Для изменения влажности субстрат увлажняли водой, взятой в определенном количестве от воздушно-сухой массы (до 14%). Влажность субстрата определяли следующим образом.
Из среднего образца, который предназначался для определениявлажности, отбиралось 45...50 г. Этот субстрат делился на две части: одна
Щ часть использовалась для анализа, другая сохранялась до конца анализа на случай повторного определения влажности. Затем субстрат размалывали втечение двадцати секунд на электрической лабораторной мельнице и полученную массу развешивали в две бюксы по 5 г. Бюксы помещали в разогретый до требуемой температуры сушильный шкаф.
Высушивание производили в течение двадцати минут при температуре сто пятьдесят градусов Цельсия.По окончании установленного времени высушивания бюксы вынимали из ушильного шкафа и охлаждали восемь - десять минут. Затем бюксы взвешивали.По результатам взвешиваний до и после высушивания определяли потерю влаги. Влажность субстрата в процентах для каждой навески рассчитывалась по формуле:где ті - масса навески, равная 5,00г; т2 - масса пятиграммовой навески после высушивания.
При исследовании вольт-амперных характеристик при изменении температуры нагрев субстрата осуществлялся до температуры 50 С в сушильном шкафуОбработка субстрата в поле коронного разряда проводилась по аналогичной методике (п. 3.2.1) при заранее установленном требуемом напряжении.
Электрообработке подвергались минералы . Вишневогорского месторождения Челябинской области: натролит (из группы цеолитов) и вермикулит, в соотношениях, рекомендованных для выращивания зеленных культур -3:1.
При проведении постановочных однофакторных экспериментов электрообработка субстрата проводилась в следующем режиме: напряжение, подаваемое на электроды - 30 кВ; напряженность поля коронного разряда - 3,0 кВ/см; экспозиция -5,7, 10 с.
При проведении эксперимента по методике активного планирования параметры режима указаны в табл. 3.1.
Измерение электропроводности системы «субстрат - раствор» осуществлялось по методикам, разработанным в работе [142].1. Готовят к работе установку, проверяется правильность соединений частей установки. 2. Промывают сосуд и электроды дистиллированной водой. 3. В пробирку помещают навеску субстрата. 4. Заливают пробирку с субстратом дистиллированной водой. 5. Перемешивают суспензию на магнитной мешалке в течение 3-5 минут. 6. Погружают электроды в приготовленную суспензию. 7. Включают генератор переменного тока. 9. Ставят подвижной контакт D на середине реохорда. 10. Убеждаются в наличии в телефоне достаточно высокого и ровного звука. 11. На магазине сопротивлений подбирают такое сопротивление R , при котором звук в телефонной трубке исчезает или становится минимальным. 12. Контролируют правильность подобранного сопротивления RM перемещением подвижного контакта D вправо и влево от середины реохорда, при этом звук в телефонной трубке должен в каждом случае усиливаться. 13. Измеряемое сопротивление Rx равно подобранному сопротивлению магазина, если движок D стоит точно по середине реохорда. 14. При несоблюдении условия п. 13 Rx рассчитывают по уравнению, полученному на основе закона Кирхгофа для разветвленной цепи: где а - отрезок реохорда AD сопротивлением Rj. 15. Измерения проводят не менее трех раз. 1 б. После окончания измерений выключают генератор переменного тока, отсоединяют электроды, раствор из сосуда выливают. 17. Электроды промывают дистиллированной водой и оставляют погруженными в дистиллированную воду. Измерение электродного потенциала и активности ионов осуществлялось по методикам, принятым в ионометрии [142]. Измерение электродного потенциала 1. Включают в сеть прибор и прогревают в течение 30 минут. 2. Устанавливают температуру исследуемого раствора, для чего нажимается клавиша одного из узких диапазонов измерения: «-1-4»; «4-9»; «9 14»; «14-19». 3. Нажимают клавишу «t» и ручкой «Температура раствора» по шкале № 1 устанавливают стрелку прибора на значении, соответствующем температуре раствора. 4. Нажимают клавишу «mV» для измерения ЭДС. Знак ЭДС определяется величиной измеряемого потенциала по сравнению в потенциалом электрода сравнения: если потенциал измерительного электрода больше потенциала сравнения, то знак ЭДС положителен (клавиша «+/-» нажата), и наоборот. 5. Нажимают клавишу «-1-19» нижней шкалы, снимают приблизительное значение ЭДС (мВ), которое равно показанию стрелки, умноженному на 100. - 6. Для измерения точного значения ЭДС нажимают клавишу того диапазона, в который входит приблизительное значение ЭДС. 7. По одной из шкал №2 или №3 снимают показания прибора. 8. При использовании узких диапазонов «4-9», «9-14», «14-19» к показанию стрелки прибавляют значение нижнего предела диапазона (4, 9 или 14). Эта величина, умноженная на 100, дает точное значение ЭДС (в мВ). После
Обоснование режимов ультразвукового воздействия и параметров устройств для обработки неоднородных субстратов при выращивании ГЗК
Изучение влияния ультразвуковой обработки на реологические свойства субстрата проводились согласно методике, изложенной в главе 3. Результаты экспериментальных исследований представлены графически (рис. 4.6). Анализ данных позволяет сделать следующие заключения. Увеличением продолжительности ультразвуковой обработки способствует посту реологических показателей: уменьшению суточного отстоя, увеличению кинематической вязкости и образованию более стабильных коагуляционных структур. Кинематическая вязкость при 20С 30% суспензии сапропеля составляет 0,025 ТО"4 м2/с; стабильность - 158 кг/м3; отстой — 42%. Рост реологических показателей связан с возникновением более тесно связанной совокупности глинистых минералов в определенной пространственной координации и в наиболее благоприятных для них сочетаниях. Такие изменения способствуют образованию более прочной и устойчивой коагуляциоянои структуры с повышенными значениями реологических показателей. Дальнейшему увеличению времени обработки (7—13 минут) соответствует понижение реологических показателей, повышение отстоя и некоторая потеря стабильности суспензий. Это связано с агрегатированием частиц дисперсной фазы, уменьшением их количества в единице объема, высвобождением несвязанной в пространственном каркасе дисперсной среды и развитием процесса автокоагуляции. Анализ экспериментальных данных по определению электродного потенциала и активности ионов суспензии сапропеля (рН) позволил установить, что ультразвуковая обработка субстрата приводит к изменению данных показателей. Контрольный вариант (без ультразвуковой обработки) суспензии сапропеля характеризуется величиной рН, равной 5 и электродным потенциалом, равным 300 мВ. В результате ультразвуковой обработки суспензии субстрата наблюдается повышение электродного потенциала и показателя активности ионов. Во всех вариантах (табл. 4.3) отклонение электродного потенциала и изменение рН суспензии существенно отличалось от контрольного варианта (стандарта). Наибольшее увеличение наблюдалось при продолжительности озвучивания 7 минут и составляло 0,3 ед. РН и 17,76 мВ. Наименьшее увеличение электродного потенциала и рН суспензии имело место в первом варианте (время обработки 1 минута). Увеличение продолжительности обработки способствовало увеличению электродного потенциала и увеличению уровня РН, но в меньшем диапазоне, чем при длительности обработки семь минут. Дальнейший рост экспозиции не позволил превысить ранее указанный уровень, но и в данном случае электродный потенциал и активность ионов были выше контрольного уровня. Повышение электродного потенциала в опытных вариантах свидетельствует об усилении окислительного потенциала суспензии субстрата. Увеличение показателя активности озвученной суспензии и соответствующее уменьшение активности ионов (КҐ) и возрастание активности ионов (ОН") показывает, что изменяется соотношение между концентрацией катионов ианионов, которое является решающим фактором для повышения интенсивности корневого питания и развития растений.
Повышение показателя активности ионов рН до 5,3 способствует увеличению выхода биомассы зеленого корма, поскольку для роста и развития проростков необходим требуемый уровень активности ионов, нижний пределе которого составляет 5,2 ед. [159].
Для анализа влияния ультразвуковой обработки субстрата на отклик семян были поставлены однофакторные эксперименты (п. 30, 31), а также рассмотрены полученные уравнения регрессии, описывающие зависимость отклика от частоты ультразвуковых колебаний (х\) и продолжительности обработки (х2). В результате проведенных расчетов получены следующие уравнения регрессии.где У/- У2- биомасса и длина проростков соответственно.
Анализ полученных уравнений позволил определить оптимальный режим воздействия (гл. 3), то есть для достижения максимального отклика семян на ультразвуковую обработку суспензии субстрата необходимо принять продолжительность воздействия - 7 минут, частоту ультразвуковых колебаний - 19,5 кГц. Интенсивность воздействия в данном случае составляет 7 104 Вт/м2, акустическое давление - 50-104 Па; амплитуда колебаний частиц озвучиваемой суспензии субстрата - 2,0" 10"6 м; амплитуда ускорения 0,3-106 м/с2. В этом случае обработанная ультразвуковая суспензия имеет наибольшие реологические характеристики (вязкость); наименьший суточный отстой и образует наиболее стабильную коагуляционную структуру. Для суспензии, обработанной в данном режиме, характерным является увеличение электродного потенциала и показателя активности ионов. Биомасса гидропонного зеленого корма, выращенного на субстрате, обработанном ультразвуком в данном режиме, имеет максимальное количество по сравнению с контролем (115 -417%) и характеризуется наименьшей влагоотдачей (81 -82%). При этом обеспечивается экологическая чистота и биологическая полноценность ГЗК.
При исследовании способов электронно-ионной технологии для непосредственного воздействия на биообъект, важным является определение технологического латентного периода или срока «обработка - посев», соблюдение которого необходимо для получения наибольшего положительного отклика.
Результаты, полученные в ходе эксперимента, сведены в таблицу 4.4, где представлены в относительных единицах концентрация свободно-радикальных центров (СР-центров), биомасса, длина проростков, посевные качества семян на определенный момент времени после воздействия ПКР.
Предварительный анализ показал, что изменение концентрации свободных радикалов во времени носит колебательно-затухающий характер. Максимальное значение, превышающее контроль на 20% зафиксировано в первый день после воздействия ПКР. На третий день после него концентрация СР уменьшилась, оставаясь при этом выше контрольной. На четвертый день после воздействия концентрация СР повысилась, а на восьмой день — снизилась. Концентрация СР-центров на 15 день после воздействия была такой же, как и в первый день после него. Далее, на 17 и 22 дни после воздействия ПКР отмечалось снижение концентрации СР, однако ее превышение над контрольным уровнем сохранялось. Превышение концентрации СР над
