Национальный аграрный университет Украины

Национальный аграрный университет Украины

Продолжительное применение отравляющих химикатов приводит к непоправимому экологическому убытку. На современном этапе развития сельского хозяйства все больше внимания ученых и практиков направлено на использование экологически чистых методов возделывания семян сельскохозяйственных культур с целью селекции новых видов, увеличения урожайности, улучшения качества сохранения.

Одной из перспективных технологий обработки семян сельскохозяйственных культур есть озонирование. В последние десятилетия ведутся исследования по использованию озона, как для предпосевной обработки семян с целью повышения производительности растений [1,2], так и в качестве консерванта при сохранении сельскохозяйственной продукции [3,4,5]. В настоящее время данных в механизме биологического действия озона на живые объекты очень ограничены. Известно, что озон реагирует практически со всеми соединениями, входящими в состав живой клетки [6,7,8]. В основе влияния озона на стойкость сельскохозяйственных продуктов при хранении лежит его губительное действие на микроорганизмы, которые вызывают порчу продуктов. Угнетение жизнедеятельности обусловлено бактерицидным действием озона и зависит от его концентрации, времени обработки и вида микроорганизмов [9,10,11].

Общей составляющей всех технологий озонирования есть наличие озонаторов. Под озонатором в общем случае понимают установку для получения озона. Современные озонаторы, в которых озон получают с помощью электрического разряда в воздухе или кислороде, состоит из генераторов озона, источника питания, что и является составной частью озонаторных установок, которые включают в себе, кроме озонаторов, вспомогательное оборудование: систему очищения и сушки рабочего газа (воздух или кислород), систему охлаждения, компрессор, систему воздухопроводов, измерительные устройства.

Недостатком современных озонаторов, которые применяются в сельском хозяйстве, есть низкий кпд. Так как полезной принимается работа по диссоциации молекул кислорода для образования озона, который фиксируется на выходе установки, то он не превышает 2...3 % [1].

Кроме того, существуют способы обработки, связанные с подачей озона к продукции через систему вентилирования, которое значительно уменьшает его концентрацию и не обеспечивает равномерности контакта озона с продукцией. Поэтому разработка эффективных способов озонирования и создания технических средств, для их реализации является актуальной народнохозяйственной проблемой.

С 2001 года на кафедре “Электрифицированных технологий в аграрном производстве” Национального аграрного университета Украины ведутся научные исследования по разработке способов и технических средств, для озонирования семян сельскохозяйственных культур.

В основе предложенного способа лежит использование, в качестве электродной системы для генерирования озона, самой семенной массы или другой гетерогенной смеси (материал – воздух).

Рассмотрим зерновую массу, размещенную между двумя параллельными пластинчатыми электродами, к которым подведено высокое напряжение постоянного тока. В таком случае участок зерновой смеси с воздушным включением можно представить эквивалентной схемой приведенной на рисунке 1.


Рисунок 1 - Эквивалентная схема участка зерновой смеси: R_н, С_н – сопротивление и емкость семени; С_п – емкость воздушного включения
При подведении напряжения к пластинчатым электродам, между которыми находится слой семени, на протяжении некоторого времени будет происходить зарядка емкости воздушного включения.

При увеличении напряжения до соответствующего значения наступает частичный разряд этой емкости. Время разряда будет очень коротким (близко 10^-8 сек), потом разряд затухает.

Таким образом, ионизационные процессы в зерновой массе будут представлять собой ряд одиночных частичных разрядов (импульсов) малой продолжительности в воздушных включениях всего объема материала, который обрабатывается. Ионизация воздуха связана с важным моментом, с физико-химическими процессами, которые состоят в том, что часть кислорода О₂ переходит в его видоизменяемую форму – озон О₃.

В целом объеме зерновой массы, которая расположена между плоскими параллельными электродами, ионизационные процессы будут происходить следующим образом.

При приложении к электродам соответствующего высокого напряжения происходит частичный разряд в воздушных включениях, где неравномерность распределения напряженности электрического поля наибольшая.

С увеличением приложенного напряжения, ионизация происходит во все большем количестве воздушных включений, причем величина импульса частичного разряда в следующих будет больше, чем в предыдущих.

Кроме того, будет повышаться интенсивность ионизации во включениях, где она началась при меньших напряжениях.

Одним из важных параметров режима обработки, при предложенном способе озонирования, есть напряжение начала ионизации U_поч. Для исследования напряжения начала ионизационных процессов использовался опыт снятия осциллограмм прерывистых явлений в коронном разряде, исследованиями которых, занималась школа Леба [12]. Для проведения исследований была разработана лабораторная исследовательская установка.

Электрическая схема исследовательской установки представленная на рисунке 2. В качестве антенны использовали индуктивность, намотанную на корпус камеры обработки.




Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема для определения напряжения начальной ионизации: 1 – автотрансформатор; 2 – трансформатор высоковольтный с выпрямителем; 3 – верхний пластинчатый электрод; 4 – нижний пластинчатый электрод; 5 – катушка индуктивности; 6 – камера для размещения семени; 7 – осциллограф
Разработанная установка содержит источник питания напряжением 220 В промышленной частоты, автотрансформатор для регулирования напряжения типа ЛАТР – 1Г, высоковольтный трансформатор с селеновым выпрямителем для обеспечения напряженности поля в смеси до 10 кв/см (или двохполярный умножитель напряжения), камера для зерновой смеси с диэлектрического материала, пластинчатые электроды, катушка индуктивности которая намотана поверх камеры и регистрирующие приборы микроамперметр типа М2027 – 2 и М265Г, киловольтметр типа С96 и осциллограф С1 – 118.

Перед исследованием в камеру засыпается зерно сельскохозяйственной культуры. В ней оно находится между двумя пластинчатыми электродами. При повышении напряжения, которое подается на пластинчатые электроды до значения напряжения начальной ионизации в камере, где находится зерновая смесь, начинаются разрядные процессы. В результате этого в катушке индуктивности 5 возникают высокочастотные колебания, которые сопровождают ионизацию. Эти колебания можно наблюдать на экране осциллографа 7. В качестве прибора регистрации, ионизационных процессов можно использовать, например, стрелочный прибор. В нашем случае использовали вольтметр универсальный типа В7-26. В дальнейшем его показания будем обозначать как Uі. Величину напряжения, измеряемую вольтметром, подключенным к индуктивности, будем считать относительной интенсивностью ионизации.

Поисковыми исследованиями было установлено, что интенсивность ионизационных процессов в воздушных включениях зерновой смеси и соответственно концентрация озона будет зависеть от величины подведенного напряжения к электродам, между которыми находится зерновая масса, удельной электропроводности зерна и формы зерен.

В данной публикации представлены результаты исследований ионизационных процессов, которые проводили на ячмене сорта Скарлет. Для исследования использовали пять партий ячменя с разной влажностью: W1=12,6%, W2=14,6%, W3=16%, W4=17,8%, W5=21%. Исследования проводили при температуре ячменя 19°С. Удельную электропроводность семени, рассчитывали по формуле:

Результаты исследований, проведенных на представленной установке при данной площади электродов, приведены на рис. 3. Результаты проведенных исследований позволили определить математическую зависимость Е_поч=f(γ). График функции, который построен по полученной математической зависимости, также приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимость начальной напряженности ионизации от удельной электропроводности ячменя: – данные, полученные по материалам исследований; график функции построенный за эмпирической формулой

Из приведенного рисунка видно, что при увеличении удельной электропроводности начальная напряженность ионизации уменьшается. Но уменьшается до соответствующей границы. При влажности ячменя больше 21% ионизационных процессов не было получено, вследствие большой электропроводности зерновой смеси.