ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

А.Ф. Триандафилов, А.Ю. Лобанов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Республики Коми, Сыктывкар

E-mail: nipti@bk.ru

APPLICATION OF ELECTRODYNAMIC CAVITATION FOR INCREASING THE EFFECTIVENESS OF WATER SOLUTIONS OF MINERAL FERTILIZERS

A.F. Triandafilov, A.Y. Lobanov

Research Institute of Agriculture of the Komi Republic, Syktyvkar

Введение

По данным ФГБУ «САС «Сыктывкарская», максимальное количество элементов питания из почвы выносится с картофелем при урожайности в 150 ц/га (азота – 90 кг/га, фосфора в пересчете на P₂O₅ – 100 кг/га, калия в пересчете на K₂O – 150 кг/га). Компенсация выносимых элементов питания осуществляется в основном за счет вносимых органических и минеральных удобрений, усвояемость которых составляет 30–40 % (Краткие рекомендации ..., 2000). Минеральные удобрения в АПК Российской Федерации вносятся в основном механизировано путем их разбрасывания в сухом виде. Жидкие комплексные удобрения значительно эффективнее сухих при горячем смешивании, но требуют значительных капитальных вложений, поэтому объем их использования незначителен. Одним из способов снижения затрат на приготовление жидких минеральных удобрений является использование кавитации, с помощью которой возможны не только ионизация, но и повышение температуры водных растворов удобрений непосредственно в полевых условиях.

Применение электродинамической кавитации, источником которой является электрогидравлический эффект, открывает новые возможности в сельском хозяйстве в плане изменения свойств биологических материалов в результате воздействия активной зоны поляризации элементарных частиц, что, несомненно, относится к компетенции нанотехнологий.

Подводный искровой разряд – электрогидравлический эффект (ЭГЭ) – представляет интерес как процесс «быстрого» преобразования электрической энергии, накопленной в конденсаторной батарее, в механическую энергию ударных волн и расходящегося потока жидкости.

В основе ЭГЭ лежит ранее неизвестное явление резкого увеличения гидравлического и гидродинамического эффектов и амплитуды ударного действия при осуществлении импульсного электрического разряда в ионопроводящей жидкости при условии максимального укорочения длительности импульса, максимально крутом фронте импульса и форме импульса, близкой к апериодической (Юткин, 1986).

Для ЭГЭ характерен режим выделения энергии на активном сопротивлении контура, близком к критическому. Отсюда следует, что основными факторами, определяющими возникновение электрогидравлического эффекта, является амплитуда крутизны фронта, форма и длительность импульса тока. Длительность импульса тока может измеряться в микросекундах, поэтому мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч киловатт (Кнэпп, 1974). Основными действующими факторами ЭГЭ являются высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления, приводящие к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями; значительные импульсные перемещения объемов жидкости, совершающиеся со скоростями, достигающими сотен метров в секунду; мощные импульсно возникающие кавитационные процессы, способные охватить относительно большие объемы жидкости; инфра- и ультразвуковые излучения; мощные электромагнитные поля (десятки тысяч эрстед); интенсивные импульсные световые, тепловые, ультрафиолетовые, а также рентгеновские излучения; многократная ионизация соединений и элементов, содержащихся в жидкости (Пирсол, 1975 ; Федоткин, 1997). Все эти факторы позволяют оказывать на жидкости и объекты, помещенные в нее, весьма разнообразные физические и химические воздействия. Мощность разряда определяется из следующего условия:

,

(1)

где Pk – давление в канале; S = πа² (а – радиус канала); γ – эффективный показатель адиабаты плазмы (γ = 1.26); N(t) – мощность, выделяющаяся в канале на единицу длины.

Давление вокруг канала разряда Pk рассчитывается из следующего выражения (Юткин, 1986):

,

(2)

где P₀ – гидростатическое давлении, кПа; ρ₀ – плотность невозмущенной жидкости, кг/м³; C₀ – скорость звука невозмущенной жидкости, м/с; ε – координата, направленная вдоль оси канала разряда, м; r = r₀ – εcosθ, где r₀ – координата, направленная перпендикулярно к оси цилиндра и проходящая через его средину, м; θ – угол между осью цилиндра и направлением в точку наблюдения.

На основе вышеприведенных расчетов разработано устройство для электрогидравлической обработки водных растворов минеральных удобрений (Доброхотов, 1974).

Методика

Для оценки эффективности электрогидравлической обработки водных растворов минеральных удобрений заложили полевой опыт с использованием комплексных минеральных удобрений: N – 5.3 кг, P₂O₅ – 5.2 кг, K₂O – 9.18 кг действующего вещества на единицу площади опытного участка.

Почва на опытном участке – дерново-подзолистая, имеет следующие значения агрохимических показателей: массовая доля гумуса – 3.94 %; водородный показатель солевой вытяжки, рН_сол. – 6.67; гидролитическая кислотность – 1.5 ммоль/100 г; массовая доля азота – 98 мг/кг; массовая доля фосфора в пересчете на P₂O₅ – 1243.5 мг/кг; массовая доля калия в пересчете на K₂O – 177.1 мг/кг; количество кальция (CaO) в 100 г почвы – 13.5 ммоль/100 г; количество магния (MgO) в 100 г почвы – 1.94 ммоль/100 г.

В контрольном варианте вносили расчетную дозу действующего вещества минеральных удобрений в сухом виде. Для опытных вариантов использовали водный раствор удобрений c массовой долей 10 %, который был обработан с помощью электрогидравлической установки постоянным током с напряжением 50 кВ и интенсивностью 300 и 600 импульсов/дм³. Внесение обработанных водных растворов удобрений проводили в два этапа: при посадке (01.06.2017 г.) и по всходам после механической обработки междурядий (12.07.2017 г.). Посадка картофеля проведена на учетной делянке площадью 7.5 м² по схеме 70×30 в семи вариантах четырехкратной повторности.

Для составления математической модели влияния обработанных водных растворов минеральных удобрений провели двухфакторный эксперимент по следующей схеме:

Математическая обработка экспериментальных данных включает в себя проверку адекватности полученных моделей и однородности дисперсий измеряемых величин. Проверку однородности дисперсий при одинаковом числе повторений измерений в опыте оценивали по критерию Кохрена G_on, который определяется как отношение наибольшей построчной дисперсии δ²_{i max} к сумме построчных дисперсий Σⁿ_i=1δ_i². Вычисленное значение G_on сравнивали с G_таб. Если G_on < G_таб, то дисперсии однородны и можно проводить регрессионный анализ. Регрессионный анализ проводили с помощью ЭВМ в программах Microsoft Excel 2007 и Statgrafic Plus 5.1.

Проверку адекватности моделей проводили по критерию Фишера при уровне значимости 5 %.

,

(3)

где S²_LF – дисперсия адекватности математической модели; S²_y – дисперсия погрешности экспериментальных результатов измерений.

Для определения табличного значения критерия Фишера рассчитывали число степеней свободы для числителя f₁ и знаменателя f₂.

Количественный химический анализ на содержание химических соединений и элементов в исследуемых растворах был проведен в экоаналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН.

Результаты исследований

В результате проведения полевого опыта по оценке влияния водных растворов минеральных удобрений на урожайность и качество картофеля выявлены следующие закономерности, отображенные в табл. 1 и 2:

– наибольшую прибавку урожайности обеспечивает вариант с применением полной дозы минеральных удобрений, обработанных с частотой 300 импульсов на 1 дм³;

– применение водных растворов минеральных удобрений, обработанных с помощью электродинамической кавитации, позволяет сократить их применение в два раза при сохранении урожайности на уровне стандартной технологии;

– наибольшую прибавку сухого вещества и крахмала обеспечивает обработка минеральных удобрений с частотой 600 импульсов на 1 дм³;

– обработка минеральных удобрений с частотой 600 импульсов на 1 дм³ сокращает содержание нитратов в картофеле по сравнению со стандартной технологией.

Уравнение регрессии по влиянию изучаемых факторов на урожайность картофеля построено на основании данных табл. 3. В результате математической обработки результатов эксперимента по влиянию изучаемых факторов в кодированном виде на урожайность картофеля уравнение регрессии приняло следующий вид:

В результате химического анализа водных растворов минеральных удобрений, обработанных на электрогидравлической установке с частотой 300 и 600 импульсов на 1 дм³ (табл. 4), установлено увеличение концентрации ионов NH₄⁺, NO₃^–, NO₂^–, элементов N, P, K, C, необходимых для выращивания картофеля пропорционально интенсивности электрогидравлической обработки.

Заключение

В результате изучения влияния электродинамической обработки водных растворов минеральных удобрений установлено, что их применение при выращивании картофеля позволяет увеличить урожайность на 41 %, содержание сухого вещества на 27.2 %, содержание крахмала на 65 % с одновременным сокращением дозы применяемых удобрений по сравнению с традиционной технологией. Получено уравнение регрессии, описывающее влияние на урожайность картофеля применяемой дозы и способа обработки.