ОБРАБОТКА РАСТЕНИЙ СОИ МИКРОУДОБРЕНИЯМИ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ИХ ОСАЖДЕНИЕМ
Реферат. Для повышения эффективности от использования микроудобрений предлагается метод их электростатического осаждения на листовую поверхность растений сои. Существует ряд способов для приобретения электростатического заряда аэрозолями. Наиболее эффективным из них является способ зарядки частиц с помощью униполярного коронного разряда, позволяющего достичь предельно допустимых значений заряда. Изучение процесса электростатической обработки растений микроэлементными удобрениями при нанесении их в виде мелкодисперсного заряженного аэрозоля проводили в условиях стационарного опыта в 2014–2015 годах. Для проведения исследований применялась ранее разработанная схема струнной электродной системы с межэлектродным расстоянием 80 мм и напряженностью электрического поля от 1,6 до 2,4 кВ/см в зависимости от подводимого напряжения. Обработка сои проводилась препаратом «Аквадон-Микро» для бобовых культур при дозе 2,5 л/га и общем расходе баковой смеси 250 л/га. В результате исследований установлено, что наибольшая плотность осаждения капель на лицевой поверхности листьев достигается при напряжении 19 кВ составила 106 шт./см2, что на 43% превосходит контрольный вариант. На тыльной стороне поверхности листьев наилучшее покрытие 42 шт./см2 отмечено при напряжении 16 кВ, что превосходит контроль на 280%. Пик плотности осаждения капель растворов микроудобрений соответствует напряжению 16–17 кВ как для лицевой, так и для тыльной поверхности листьев. Улучшение осаждения заряженного аэрозоля позволяет значительно сократить норму расхода рабочей жидкости (до 100–125 л/га), уменьшить потери химических средств и снизить загрязненность окружающей среды.
Ключевые слова: электростатическое опрыскивание, листовая подкормка, плотность осаждения, медианно-массовый диаметр капель, микро-элементное удобрение, соя.
Изучение особенностей осаждения заряженных аэрозольных частиц на поверхность произвольной формы представляет значительный интерес для применения в электронно-ионной технологии нанесения растворов химических препаратов.
Первое теоретическое исследование процесса электростатической зарядки частиц с размерами более 10–5 м проведено Ю. С. Cедуновым [1]. Он показал, что распределение частиц по зарядам при установившемся статистическом равновесии подчиняется закону Гаусса. Дисперсия распределения частиц определяется соотношением их тепловой и электростатической энергий, а морфологические различия частиц оказывают влияние на значение электростатической энергии только через фактор электрической емкости. При рассмотрении процессов зарядки, особенности формы частиц ранее обычно не принимались во внимание, поскольку было экспериментально доказано, что значение удельного поверхностного заряда частиц мало зависит от их формы, а определяется характерными размерами частиц.
Существует целый ряд способов для приобретения электрического заряда аэрозолями. Наиболее эффективным из них является способ зарядки частиц с помощью униполярного коронного разряда, позволяющего достичь предельно допустимых значений заряда.
Если напряженность поля в зарядном устройстве не превышает 100 В/см, то осуществляется диффузионный режим зарядки. При напряженностях поля, больших значения 1 кВ/см,
осуществляется преимущественно ударный режим зарядки частиц [2].
При ударном режиме зарядки частиц вытягивающее поле должно создаваться источником переменного напряжения, так как в случае постоянного вытягивающего поля большой напряженности неизбежна потеря значительной части заряжаемых аэрозолей, осаждающихся на электроде.
При распылении мелкодисперсного аэрозоля (R = 1 мкм) наблюдается асимметрия течения, вызванная силой тяжести, действующей на аэрозольные частицы. В силу малой инерционности и малой средней плотности, поле скоростей дисперсной фазы идентично полю скоростей газа. Для частиц с радиусом 1 мкм сила аэродинамического сопротивления на несколько порядков превышает силу Кулона даже вблизи поверхности заземленного объекта. По этой причине скорости частиц направлены по касательной к поверхности, мелкодисперсная газовзвесь обтекает объект, осаждаясь в незначительной степени.
Изучение качества электростатической обработки растений жидкими удобрениями при нанесении их в виде мелкодисперсного заряженного аэрозоля проводилось на посевах сои, в условиях стационарного опыта ФГБНУ «АНЦ «Донской» (СКНИИМЭСХ) в 2014–2016 году.
Для проведения опытов с электростатической зарядкой аэрозоля применялась уже известная схема струнной электродной системы (рис. 1) [3, 4, 5]. Межэлектродное расстояние составляло 80 мм с обеих сторон от струны, обеспечивая напряженность электрического поля от 1,6 до 2,4 кВ/см в зависимости от подводимого напряжения. Струна находилась в 120 мм от сопла форсунки, что соответствовало расположению зоны распада и дробления жидкостного веера с шириной конуса 130–140 мм, что является оптимальным при ширине бокового электрода 150 мм.
Обработка сои проводилась препаратом «Аквадон-Микро» для бобовых культур при дозе внесения
2,5 л/га и общем расходе баковой смеси 250 л/га. Всего обрабатывалось 12 делянок площадью по 0,18 га каждая, исходя из расчета по 3 повторности на отдельный опыт. Конкретные параметры проведения опытов и настройки оборудования опрыскивающего агрегата указаны в таблице 1.
Опрыскивание проводилось 8.06.2015 г. в период активной вегетации и развития лиственной массы всходов сои, когда среднесуточная температура достигала 22–24 °С. После обработки растений окрашенным раствором микроэлементных удобрений проводилась фотофиксация состояния учетных карточек в контрольных точках [6]. Для детального изучения и определения количества и густоты осаждения капель на поверхность карточек применялся лабораторный цифровой микроскоп, позволяющий получить 20-ти кратно увеличенное изображение карточки с высоким разрешением. Путем наложения на изображения калибровочных сеток оценивали размеры отпечатков капель. Подробный анализ распределения капель по размерным группам осуществлялся с помощью встроенных аналитико-статистических модулей программного продукта JMicroVision.
Полученные ряды данных о количестве и размерности отпечатков капель импортировались в среду Microsoft Excel для составления наглядных таблиц, где проводилась обработка и расчет характерных показателей спектра распыла. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Стоит отметить, что с повышением напряжения зарядки капель аэрозоля происходит заметное увеличение плотности их осаждения на карточках и соответственно на листьях сои. Наибольшая плотность осаждения капель на лицевой поверхности листьев достигается при наивысшем напряжении 19 кВ и составляет
106 шт./см2, что на 43% превосходит контрольный вариант без электризации (74 шт./см2). При изменении напряжения в пределах от 13 до 19 кВ в ходе опытов, изменение плотности осаждения в сторону увеличения составляет до 13%. При этом происходит незначительное уменьшение показателя полидисперсности факела распыла в пределах варьирования 4,00–3,83 вследствие увеличения доли мелких капель и сокращения числа крупных (рис. 2).
На тыльной поверхности листьев прирост плотности осаждения происходит в большей мере, благодаря возрастанию Кулоновских сил на фоне аэродинамических и гравитационных. Наилучшее покрытие 42 шт./см2
отмечается при напряжении 16 кВ, что превосходит контрольный вариант на 280%. Это объясняется тем, что с увеличением напряженности электростатического поля при зарядке аэрозоля, капли начинают интенсивнее дробиться, что приводит к образованию значительного количества мелких частиц жидкости, для которых преобладающее воздействие при осаждении на профилированную поверхность по нелинейной траектории, оказывают силы аэродинамического сопротивления. Поэтому при дальнейшем увеличении подводимого заряда плотность осаждения практически не изменяется, что подтверждается данными опытами. В виду этого наблюдается уменьшение средне-взвешенного медианно-массового диаметра капель в спектре, что наглядно отражено на рис. 3.
Гистограммы показывают, как изменяется процентное соотношение количества капель в выделенных размерных группах в зависимости от параметров проведения опытов. Так с увеличением подводимого к электродам потенциала наблюдается рост числа капель с эквивалентными размерами от 50 до 200 мкм, что благоприятно сказывается на равномерности и густоте покрытия, так как именно капли с таким диапазоном размеров эффективно взаимодействуют с внешним электростатическим полем и активно накапливают заряды на поверхности. Одновременно с этим снижается доля крупных капель с размерами более 200 мкм, так как под действием электрического поля высокой напряженности они интенсивно дробятся до более мелких размеров, чему способствует дипольная ориентация молекул жидкости. Этот процесс наглядно отображают интегральные кривые на графиках накопленной вероятности появления капель в зависимости от их размеров, показывающие смещение 50-ти процентной точки в сторону уменьшения средневзвешенного медианно-массового диаметра капель со 156 мкм до 118 мкм на лицевой поверхности и со 138 мкм до 110 мкм на тыльной поверхности листьев.
Анализируя полученные результаты, можно установить эмпирическую функцию плотности осаждения капель в зависимости от двух параметров: напряжения электризации и эквивалентного размера капель. Графически эта зависимость может быть отражена в виде поверхности отклика (рис. 4).
Из приведенных графиков видно, что пик плотности осаждения капель растворов микроэлементных удобрений соответствует напряжению 16–17 кВ как для лицевой, так и для тыльной поверхности листьев. При этом из всего спектра капель большая доля приходится на размерную группу 75–125 мкм, так как этот диапазон размеров капель является наиболее характерным для технологического процесса электростатического опрыскивания с применением жидкостно-воздушной смеси. Капли с такими размерами позволяют улучшить целевое попадание препаратов на обрабатываемую культуру, так как создают достаточно равномерное покрытие на листьях и стеблях растений, быстро поглощаются через мембраны покрывающих тканей и создают интенсивный приток питательных веществ. Кроме того, этот факт подтверждает теоретические утверждения о свойствах течения и осаждения газовзвеси, состоящей из заряженных частиц произвольной формы с размерами более 30 мкм.
Анализ полученных результатов после обработки численных данных позволяет сделать следующие заключения:
- густота покрытия лицевой стороны листьев примерно в 3–5 раз больше, чем тыльной;
- лицевая сторона листовой пластинки, независимо от зарядки, обрабатывается в достаточной мере, а качество обработки тыльной поверхности зависит от степени зарядки аэрозоля;
- эффективность обработки нижней поверхности листьев зависит от напряжения электризации и эта зависимость проявляется в большей степени при относительно высоких скоростях движения или значительной скорости ветра.
Электростатичекая зарядка аэрозоля, обеспечивающая его эффективное осаждение, позволяет достигнуть необходимую норму, согласно агротехническим требованиям, при достаточно малых расходах жидкости и относительно больших скоростях движения.
Улучшение осаждения заряженного аэрозоля позволяет значительно сократить норму расхода рабочей жидкости (до 100–125 л/га), уменьшить потери химических средств и снизить загрязнение окружающей среды.
Литература
- Седунов Ю. С. К теории диффузионного заряжения частиц произвольной формы // Инженерно-физический журнал. Т. II. № 12. 1959. С. 57–63.
- Опарин В. Б., Петровская М. В., Виноградов К. Н. Зарядка и подвижность субмикронных и наночастиц в катодной области тлеющего разряда // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 11. – № 5(2). 2009. – С. 108–114.
- Камбулов С. И. Исследование электризации жидкостно-воздушной смеси при внесении удобрений /Камбулов С. И., Максименко В. А., Ксенз А. Я. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2013. – № 6. – С. 24–25.
- Камбулов С. И. Исследование электризации рабочей жидкости при листовой подкормке / Камбулов С. И., Богданович В. П., Ксенз А. Я., Максименко В. А. // Техника в сельском хозяйстве. – 2012. – № 5. – С. 32–34.
- Рыков В. Б. Оборудование для электростатического метода опрыс-
кивания / Рыков В. Б., Камбулов С. И., Вялков В. И., Максименко В. А., Ксенз А. Я. // Сб. : Высокоэффективные технологии и технические средства в сельском хозяйстве Международный сборник научных трудов Донской аграрной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Ростовской области. – 2012. – С. 41–45. - Пахомов В. И. Карточка учетная профилированная / Пахомов В. И., Камбулов С. И., Ксенз А. Я. – Патент на полезную модель RUS 143171 Заявл. 19.11.2013, опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20.
Метки: Инженерия