Управление геохимическими ирригационными процессами в ноосфере

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Актуальность задачи рассоления почв, особенно при орошении, является непреходящей в течение тысяч лет земледельческой ирригационной культуры. Отечественная наука внесла большой вклад в теорию массопереноса в дисперсных средах, в том числе почвах, грунтах, а также в практику преодоления и предупреждения засоления почв [1-3]. Известны разнообразные способ удаления легкорастворимых солей из почвы. Подавляющее большинство технических решений базируется на применении дренажа, который дополняют промывкой [2, 4].

Легкорастворимые соли выщелачиваются из почвы в глубокие горизонты почвообразующей породы. Исключение легкорастворимых солей из процесса почвообразования позволяет улучшить свойства почвы, повысить продуктивность выращиваемых на ней растений [1-4].

Для улучшения стандартных процедур удаления легкорастворимых солей из почвы, а часто - даже в порядке замены этих стандартных процедур, применяют различные варианты воздействия электрического поля, электрического тока на почву, проводят электромелиорацию [5].

Сущность известных технических решений электромелиорации почв заключается в том, что на поверхности почвы создают слой воды, в слое воды или непосредственно в почве размещают электроды, к электродам подают электрическое напряжение. Под действием электрического потенциала электродов легкорастворимые соли из почвы поступают в находящуюся на ее поверхности воду и осаждаются на электродах [5-8]. Осажденные на электродах легкорастворимые соли после извлечения электродов используются в других целях [9, 10]. Поскольку осаждение солей из почвенного раствора как относительно низко концентрированного электролита имеет сложности, часто ограничиваются электрическим стимулированием промывки засоленных почв, скорость которой увеличивается за счет повышения солеотдачи почв и грунтов, обрабатываемых электрическим током.

Некоторые аспекты современной теории и практики электромелиорации. Все известные способы электромелиорации имеет следующие недостатки:

большая продолжительность процесса рассоления почвы, обусловленная большой протяженностью линии тока ионов от одного электрода сквозь слой воды, сквозь почву, снова сквозь слой воды ко второму электроду;

большая продолжительность процесса рассоления почвы, обусловленная временем осаждения ионов на электроде в процессе перехода из раствора в твердую форму;

стадийный процесс рассоления, требующий предварительной сборки оборудования для проведения рассоления, продолжительного (до 50 суток, первый прототип) пребывания его на позиции рассоления, разборки оборудования и переноса его на очередную позицию рассоления;

необходимость большого числа однотипных элементов комплекта оборудования для рассоления и рассолонцевания - электродов и электрических элементов их соединения, обусловленная стремлением увеличить производительность способа, что приводит к большой материалоемокости рассоления, снижает надежность, скорость и эргономичность исполнения способа, повышает стоимость использования способа электромелиорации почв;

избыточное расходование электроэнергии на перераспределение ионов в почвенном растворе и в слое воды на поверхности почвы, которые после снятия электрического потенциала с электродов мигрируют в указанных растворах так, что электрическая нейтральность системы восстанавливается, а перераспределенные под воздействием искусственного электрического потенциала ионы так и остаются в водной или почвенной среде;

изменение локализации ионов в почве с формированием зон, соответственно, повышенной щелочности и повышенной кислотности является временным и не принципиальным с точки зрения почвообразования. К тому же, даже при том, что описанный концентрационный эффект временный, зоны локально повышенной щелочности неблагоприятны для щелочных почв, зоны локально повышенной кислотности неблагоприятны для кислых почв. Эффект электромелиорации ослабляется;

потребность в применении искусственного увлажнения почвы ввиду необходимости увеличения расстояния между электродами для повышения производительности способа, что приводит к расходованию пресной воды, являющейся глобальным дефицитом;

потребность в системе водоснабжения для выполнения способа;

большая потеря вода на ее просачивание в почву в процессе рассоления.

Самым главным недостатком известных способов рассоления почв является то обстоятельство, что удаление солей из почвы является временным явлением. Геохимическая природа биоегосистемы не изменяется, предпосылки ее восстановления весьма устойчивы, имеют место неприемлемые ландшафтные последствия промывки, когда ее продукты поступают за пределы мелиорируемой биогеосистемы и обусловливают деградацию других биогеосистем.

К сожалению, большинство перечисленных недостатков рассоления почв и электромелиорации, трудности реализации электрических методов воздействия на почву, были обусловлены исключительно имевшим место на то время этапом индустриального развития цивилизации, когда тонкие технические решения не было возможности реализовать. Причем и задача такого рода не ставилась в силу приверженности к крупным индустриальным производствам.

Эвристические результаты. Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое исследование, является обеспечение необратимого извлечения растворенных минеральных веществ из дисперсной системы. Дополнительно решается задача исключить непроизводительного расхода электроэнергии на электролитическое перераспределение не извлекаемых из дисперсной системы ионов, расходование воды из почвы в грунтовые воды и на испарение из слоя на поверхности почвы. Необходимо снять необходимость прокладки большого количества электродов, облегчить регенерацию электродов, достичь эргономичности формы извлеченных из дисперсной системы минеральных веществ для их использования в других целях.

Возможным техническим результатом, получаемым при практическом использовании изобретения, является создание возможности:

производить извлечение растворенных минеральных веществ из дисперсной системы, характеризующейся простиранием в пространстве, обеспечивающей механическую опору шасси на ее поверхность;

выполнять извлечение растворенных минеральных веществ из дисперсной системы с высокой стабильностью, качеством, надежностью и меньшими энергозатратами, экономической эффективностью извлечения растворенных минеральных веществ из дисперсной системы.

Для решения поставленной технической задачи предложен способ извлечения вещества из тонкодисперсной системы [11]. Изобретение относится к мелиорации и химической технологии, в частности к электролизу. Способ предусматривает погружение внутрь влажной дисперсной системы пары шприцевых элементов. Шприцевые элементы выполнены с открытым нижним концом, снабжены электродами и заполнены электролитом. К электродам подают разность электрических потенциалов. Удерживают шприцевые элементы в дисперсной системе. Снимают с электродов разность электрических потенциалов. Извлекают шприцевые элементы из дисперсной системы. После извлечения шприцевых элементов из дисперсной системы, гидромеханическим путем извлекают из шприцевых элементов и собирают электролит, содержащий извлеченное из дисперсной системы электролитическим путем вещество, при этом наполняют шприцевые элементы свежим электролитом. Шприцевые элементы перемещают по поверхности дисперсной системы с помощью шасси и блока электрического питания, последовательно по сигналу блока управления погружая нижний конец пары шприцевых элементов в дисперсную систему пошагово вдоль направления движения шасси.

Изобретение поясняется схемами, приведенными на рис. 1, рис. 2.

Рис. 1. Блок-схема извлечения вещества из тонкодисперсной системы

Блок-схема способа извлечения растворенных минеральных веществ из тонкодисперсной системы по рис. 1 включает следующие элементы. Блок электрического питания 1, блок шасси 2, блок управления 3, блок подачи воды 4, блок рабочего электролита 5, гидромеханическую систему регенерации электрода 6, шприцевой элемент 7 с выходным отверстием 8 и электродом 9, емкость 10.

Рис. 2. Ионное облако в шприцевом элементе и тонкодисперсной системе

тонкодисперсный почвенный электромелиорация

Контур 12 ионного облака при рабочем положении шприцевого элемента 7 в шприцевом элементе 7 с выходным отверстием 8, электродом 9 и сопряженном со шприцевым элементом 7 объеме дисперсной системе 13 при приложении электрического поля представлены на рис. 2.

Контуры ионного облака в шприцевом элементе и тонкодисперсной системе в процессе работы устройства для извлечения солей из почвы показаны для момента времени завершения подачи импульса напряжения к электродам.

Предлагаемый способ выполняется следующим образом.

В качестве объекта применения способа используется дисперсная система, обладающая следующими ограничительными признаками. Дисперсная система, например почва, представляет собою трехмерный объект, отличающийся простиранием в пространстве. В объекте содержится достаточно большое для протекания электролитических явлений количество воды и растворимых (не обязательно растворенных, но и потенциально растворимых) в воде веществ. Объект имеет верхнюю близкую к горизонтальной поверхность, по которой может перемещаться устройство, реализующее предлагаемый способ. Поверхность обладает достаточной механической несущей способностью.

Блок электрического питания 1 обеспечивает автономное энергопитание блоков 2-7, 10. Блок шасси 2 перемещается по объекту, транспортируя блоки 3-7, 10 в составе единой конструкции.

Блок управления 3 циклически вырабатывает сигнал управления.

Перед подачей пары шприцевых элементов 7 с электродом 8 в дисперсную систему их внутреннее пространство заполняют рабочим электролитом, состав которого в процессе работы устройства поддерживают в заданном диапазоне. Электролит готовят в блоке рабочего электролита 5. При необходимости электролит в блоке рабочего электролита 5 разбавляют водой из блока подачи воды 4.

После подачи рабочего электролита в шприцевой элемент 7 внутреннюю полость шприцевого элемента 7 гидравлически изолируют от системы подачи электролита. Рабочий электролит оказывает в замкнутом объеме в шприцевом элементе 7 и сообщается только с его выходным отверстием 8.

Подача пары шприцевых элементов 7 с электродом 9 в дисперсную систему ведется циклически импульсом в дискретный объем дисперсной системы, из которой производится извлечение растворенных минеральных веществ.

Размер дискретного объема дисперсной системы зависит от его локальных физических и химических свойств, количества находящихся в этом дискретном объеме растворенных веществ и воды, соответственно, от электропроводности дискретного объема дисперсной системы.

Пару шприцевых элементов 7 с электродами 9 подают в дисперсную систему. В процессе погружения шприцевого элемента 7 в дисперсную систему он не забиваются почвой через отверстие 8, поскольку заполнен не сжимающимся электролитом на основе воды. Выплескивание электролита из шприцевого элемента 7 в процессе перемещения при регламентированном механическом ускорении-замедлении не происходит ввиду того, что диаметр выходного отверстия шприцевого элемента 7 выбирают в диапазоне устойчивого проявления капиллярных сил на его смоченной гидрофильной внутренней поверхности.

После погружения шприцевого элемента 7 в дисперсную систему содержащийся в нем электролит приходит в соприкосновение с дисперсной системой, в которую он погружен, формируя единую электролитическую цепь.

К электродам 9 подают электрическое напряжение.

Согласно разности потенциалов между электродами 9 по фиг. 2 формируются контуры ионного облака с электрическим зарядом, соответствующим потенциалу электрода, в каждом шприцевом элементе 7 и примыкающей к нему области дисперсной системы.

Шприцевые элементы 7 удерживают в тонкодисперсной системе на время, необходимое для формирования внутри электрода ионного облака 12, затем снимают с электродов 9 разность электрических потенциалов, извлекают шприцевые элементы 7 из тонкодисперсной системы.

Извлеченные из дисперсной системы вещества в составе электролита гидравлически выдавливают из шприцевого элемента 7 свежей порцией электролита, подаваемой из блока рабочего электролита 5. Электролит в шприцевом элементе 7 регенерирован и готов к новому циклу работы, что упрощает регенерацию по сравнению с аналогом.

Отработанный электролит из шприцевого элемента 7 поступает в соответствующую емкость 10.

Способ отличается тем, что часть ионного облака, примыкающая в пространстве к электроду, но остающаяся за его пределами внутри прилегающей части дисперсной системы, не извлекается из почвы. После снятия напряжения ионы этой части ионного облака рассредоточиваются в пространстве дисперсной системы согласно внутреннему квазистационарному термодинамическому равновесию. Результат, однако, весьма приемлем, поскольку, например, при использовании известного способа ионы вообще не извлекаются из почвы, только промываются вглубь, причем высока вероятность их возврата в почву восходящим потоком растворов в биогеосистеме. Так что предлагаемый способ дает принципиально новое качество необратимого воздействия на вещественный состав дисперсной системы, изменяя его без возможности реставрации исходных свойств системы.

Использование новых элементов в виде блока шасси 2, блока управления 3, блока подачи воды 4, блока рабочего электролита 5, гидромеханическая система регенерации электрода 6, шприцевого элемента 7 с выходным отверстием 8 и электродом 9, емкости 10 позволяет:

производить извлечение растворенных минеральных веществ из дисперсной системы, характеризующейся простиранием в пространстве, обеспечивающей механическую опору шасси на ее поверхность;

выполнять извлечение растворенных минеральных веществ из дисперсной системы с высокой стабильностью, качеством, надежностью и меньшими энергозатратами, экономической эффективностью извлечения растворенных минеральных веществ из дисперсной системы.

Это имеет место в связи с тем, что, за счет применения электродов, расположенных на близком расстоянии, обеспечивается необратимое извлечение растворенных минеральных веществ из дисперсной системы; исключаются: непроизводительный расход электроэнергии на электролитическое перераспределение не извлекаемых из дисперсной системы ионов, расход воды из почвы в грунтовые воды и на испарение из слоя на поверхности почвы, необходимость в прокладке большого количества электродов; обеспечиваются: регенерация электродов, эргономичность формы извлеченных из дисперсной системы минеральных веществ для использования в других целях.

Предложенный способ извлечения вещества из тонкодисперсной системы является альтернативой действующим способам извлечения легкорастворимых солей из почв без экологических последствий. Способ может быть реализован как элемент развития современной научно-технической платформы в виде роботизированной системы. Использование системы предусмотрено на засоленных почвах в составе способа полива, предложенного нами ранее в порядке реализации внутрипочвенной импульсной континуально-дискретной парадигмы ирригации [12-14]. Предложенный подход к управлению геохимическими ирригационными процессами имеет перспективу в ноосфере.

Сохранение почвы, ландшафта и воды методами, которые следуют из внутрипочвенной дискретной импульсной концепции ирригации и способа управления геохимическим процессом в ирригационном ландшафте, представляет собой принципиально новую возможность кардинальной модернизации водной стратегии РФ, особенно в свете новых планов развития мелиорации, которые нельзя основывать на устаревшей индустриальной парадигме ирригации.

Литература

1. Ковда В.А. Происхождение и режим засоленных почв. М. 1946. т. 1. 573 с. М. 1947. т. 2. 375 с.

2. Аверьянов С.Ф. Закрытый горизонтальный дренаж при борьбе с засолением земель. Изд-во АН СССР, 1959. 84 с.

3. Антипов-Каратаев И.Н., Красников С.Н. Опыт применения методов электрофильтрации, электродиализа к анализу почв. В кн.: Труды Почвенного института им. В.В. Докучаева, т.8, вып.8, Л. ,1933.

4. Айдаров И.П. Регулирование водно-солевого и питательного режима орошаемых земель. М.: Агропромиздат, 1985. 290 с.

5. Айбасов Е.Б., Бондаренко Н.Ф., Глобус A.M. Некоторые вопросы электромелиорации засоленных почв. Сб: трудов по агрономической физике (Ленинград агрофизический институт Л.: АФИ, 1967, вып.14, с.204-221.

6. Вадюнина А.Ф. Электромелиорация почв засоленного ряда. М.: Изд-во МГУ, 1979. 225 с.

7. Гринько Н.И., Елецкий В.И. Влияние электромелиорации на изменение водно-физических свойств солонцов / Сб. науч. тр. / Донской с-х ин-т. Персиановка. 1973. том 8. вып. 3. С. 185-189.

8. Минкин М.Б., Бабушкин В.М., Садименко П.А. Солонцы юго-востока Ростовской области. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1980. 271 с.

9. Арефьев В.А., Стрыгин Н. Способ электромелиорации почв. SU №416050. МПК 6 E02B13/00, A01G25/00 A1. Заявка №1695701, 07.09.1971. Опубликовано: 25.02.1974.

10. Елецкий В.И., Русских В.П., Николаев А.В. Способ рассоления и рассолонцевания почвы. SU 852266 A1. МПК A01G25/00, E02B13/00. Заявка №2776136 от 04.06.1979 Опубликовано: 07.08.1981.

11. Калиниченко В.П., Ильин В.Б., Ендовицкий А.П., Черненко В.В. Способ извлечения вещества из тонкодисперсной системы. МПК Кл. A61J 1/20 (2011.01), A61M 3/00 (2011.01), B03C 5/00 (2011.01). Патентообладатель: ООО Структура К°. Заявка №2011100186/13(000277) от 11.01.2011. Решение о выдаче патента от 3.05.2012.

12. Калиниченко В.П. Способ внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений. Патент на изобретение RU №2386243 С1. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 апреля 2010 г. МПК А01G 25/06 (2006.01) А01С 23/02 (2006.01). Патентообладатель Калиниченко В.П. Заявка №2009102490/12(003172) от 26.01.2009. Опубликована 20.04.2010. Бюл. №11. 7 с.

13. Калиниченко В.П. Устройство для выполнения способа внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений. Патент на изобретение RU №2411718 С2. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 февраля 2011 г. Патентообладатель Калиниченко В.П. Заявка №2009110757/20(016023) от 30.03.09. Опубликована 20.02.2010. Бюл. №5. 9 с.

14. Калиниченко В.П., Зармаев А.А., Солнцева Н.Г., Сковпень А.Н., Ендовицкий А.П., Болдырев А.А., Рыхлик А.Э. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2012. №2. С. 81-85.

Размещено на Allbest.ru