Исследование кислотности водного раствора при обработке переохлажденной плазмой различных параметров

В настоящее время широко известны методы повышения посевных качеств сельскохозяйственных культур, основанные на электрохимической активации воды [1], [2], [3]. При такой обработке получают либо анолит, либо католит. Данные водные растворы имеют весьма широкий диапазон кислотности (от pH 3 до pH 10). Для их получения применяют электрохимические реакторы [4], [5]. Принцип работы данных устройств – электролиз воды с получением растворов с различной кислотностью. Как правило, электрохимический реактор состоит из двух камер (анодной или катодной), в этих камерах воду подвергают обработке и за счет преобразования содержащихся в ней растворенных веществ превращают в высокоактивный раствор кислот и окислителей или щелочей и восстановителей [6].

Существуют и другие способы изменения свойств воды для применения ее в сельском хозяйстве. Одним из таких методов является обработка воды переохлажденной плазмой. Переохлажденная плазма – это плазма с температурой видимой части факела 40…42 °C [7]. Подобные температуры позволяют применять этот тип плазмы к живым системам. Например, получены положительные результаты в медицине [8], рыбоводстве [9], растениеводстве [10].

При обработке воды различными типами разрядов: коронным, скользящим и тлеющим [11] – наблюдается подкисление водного раствора. Существует несколько версий причин данного явления: образование оксидов азота в зоне плазмы с их последующим растворением и естественным подкислением раствора [12], образование синглетного кислорода в плазме с дальнейшим растворением в жидкой фазе, неравновесный перенос компонентов раствора в газовую фазу, накопление перекисных и надперекисных соединений [2]. В нашей работе получены количественные оценки изменения кислотности водного раствора при обработке переохлажденной плазмой различных параметров, а также динамическое изменение данного показателя во времени.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Для определения кислотности растворов применяют водородный показатель pH. Существует несколько методов его определения: кислотно-щелочная индикация, универсальная

индикация, ионометрический и аналитический объемный методы. Для определения pH водного раствора нами был применен ионометрический метод с использованием pH-метра Аквилон pH410. Абсолютная погрешность данного прибора при определении pH составляет 0,01.

В проведенных исследованиях использовалась экспериментальная установка генерации переохлажденной плазмы, разработанная авторами. На установку подана заявка на патент и получено положительное решение о выдаче (№ 202013110894/07 (016160)). Данная установка представляет собой сложную высоковольтную электрическую машину, которая позволяет генерировать плазменный разряд в проточной воде.

Установка имеет ряд варьируемых параметров, которые позволяют получать разряд различной интенсивности. В данном случае был поставлен двухфакторный эксперимент, в котором регулировались средняя мощность обработки и начальное напряжение пробоя. Такие показатели, как межэлектродное расстояние и расход воды, оставались неизменными и составили 6 мм и 1,14 л/мин соответственно. Мощность самой установки – 2 кВт. Обработанные образцы анализировались в течение 48 часов, интервал измерения 0,5 ч.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследования показали, что изменение выбранных факторов оказывает значительное влияние на кислотность исследуемого водного раствора. Начальная кислотность образцов представлена в табл. 1. Контрольное значение кислотности водного раствора – pH 7,6.

Для анализа результатов сгруппируем их по факторам (рис. 1).

Как видно из рис. 1, фактор В оказывает куда более значимое влияние на кислотность водного раствора. При этом фактор А оказывает значительное влияние на получение разряда в разрядной камере. Чем меньше данный фактор, тем сложнее инициировать разряд. Таким образом, для регулировки интенсивности обработки вод-

Таблица 1

Значения начальной кислотности исследуемых образцов

Фактор А (начальное напряжение пробоя воды, кВ)	Фактор B (средняя мощность обработки воды, кВА)	pH	Абсолютная погрешность
40	1600	6,51	0,01
	800	6,81
	0,4	6,91
26	1600	6,61
	800	6,83
	0,4	6,86
12	1600	6,61
	800	6,8
	0,4	6,93

А + 1

А 0

А – 1

В + 1

В 0

В – 1

Рис. 1. Группировка результатов по факторам ных растворов переохлажденной плазмой достаточно изменять среднюю мощность обработки, а начальное напряжение пробоя использовать для создания наилучших условий инициации разряда в разрядной камере.

Так как при любой электрохимической обработке раствор выходит из равновесного состояния, то после прекращения подвода энергии он стремится вернуться к состоянию наименьшей энтропии. Поэтому необходимо определить продолжительность времени, в течение которого обработанный водный раствор будет сохранять свойства, отличные от необработанного раствора. Для получения данной информации мы исследовали изменение кислотности варианта А + 1 В + 1 в течение 96 часов. График изменения представлен на рис. 2.

Анализ зависимости выявил некоторые особенности. На графике отчетливо видны пики увеличения кислотности. При этом они повторяются ровно через 24 часа, постепенно смещаясь на более раннее время. Как показал анализ процесса захвата данных pH-метра, в момент увеличения кислотности на колбу с раствором попадали прямые солнечные лучи, лишенные ультрафиолетовой части спектра (предварительно прошедшие

О           10          20          30          40          50          60          70          80          90          100 ч

Рис. 2. Изменение кислотности образца А + 1 В + 1

Рис. 3. Изменение кислотности образцов в течение 24 часов

Таблица 2 Результаты аппроксимации
Образец	pH (t)	pH´ (t)	Достоверность, R2
A + 1 B + 1	0,0274t + 6,5724	0,0274	0,9741
A 0 B + 1	0,0248t + 6,667	0,0248	0,9647
A – 1 B + 1	0,0274t + 6,6739	0,0247	0,9500
A + 1 B 0	0,0263t + 6,8647	0,0263	0,9654
A 0 B 0	0,0213t + 6,8929	0,0213	0,9722
A – 1 B 0	0,0242t + 6,8756	0,0242	0,9594
A + 1 B – 1	0,0274t + 6,9647	0,0274	0,9628
A 0 B – 1	0,0258t + 6,9764	0,0258	0,9543
A – 1 B – 1	0,0221t + 7,1371	0,0221	0,7614

через стекло). Данное обстоятельство говорит о том, что при обработке растений в полевых условиях возможно влияние погоды на результат обработки. В дальнейшем измерения проводились с использованием непрозрачных емкостей.

Технология применения воды, обработанной холодной плазмой, подразумевает минимизацию периода времени между обработкой воды и ее применением. Приведем графики изменения кислотности всех образцов в течение первых 24 часов (рис. 3).

Как видно из графиков, скорость изменения кислотности отличается незначительно. Так как зависимости близки к линейным, выполним линейную аппроксимацию. Результаты аппроксимации представлены в табл. 2. Как выяснилось, существенного влияния на скорость изменения кислотности режимы обработки не оказывают.

Таким образом, для управления уровнем кислотности обрабатываемого водного раствора следует использовать среднюю мощность обработки (фактор В). При этом начальное напряжение пробоя (фактор А) использовать для устойчивой инициации и стабилизации разряда в разрядной камере.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В 2012 и 2013 годах в ПетрГУ были выполнены исследования по выявлению влияния воды, обработанной переохлажденной плазмой, на посевной материал и меристемные растения картофеля [7]. Урожайность и интенсивность роста образцов удалось увеличить на 13 % и 43 % соответственно. Для понимания причин подобных эффектов необходимо выяснить изменения, происходящие с водным раствором при обработке переохлажденной плазмой. Первый признак подобных изменений – изменение кислотности. Изменение кислотности водного раствора является лишь индикатором того, что в нем произошли химико-структурные изменения, и не является самоцелью. Данный факт подтверждает наличие влияния обработки переохлажденной плазмой на водный раствор. Также удалось определить, какие параметры генерации переохлажденной плазмы оказывают значимое влияние на первичную кислотность (средняя мощность обработки), а какие – нет (начальное напряжение пробоя). В процессе исследования изменения кислотности во времени было выяснено, что параметры обработки не влияют на скорость изменения кислотности. Для того чтобы выяснить, какие именно изменения произошли, необходимо выполнить ряд исследований, направленных прежде всего на определение наличия в водном растворе различных химических соединений, которые могут оказывать непосредственное влияние на живые системы.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.