НКР 18.03.21 (2). Федеральный научный агроинженерный центр вим
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
3.2.4 Приготовление градуировочного раствора для рН-метр/иономер ИТАН по методике РД 52.24.367-2010 Для определения HNO3 в воде применяют рН-метр/иономер. Его используют для определения водородного показателя (pH), а также анионов и катионов в воде полученных из различных источников (артезианских скважин, сточных, искусственных и природных вод и тд). Согласно ГОСТ 27987 данный прибор относят к анализаторам растворов потенциометрическим. Используется в научно – исследовательских лаборатория и центрах. РН-метр/иономер представляет устройство настольного исполнения, содержащий металлический корпус 1, в котором находится измерительный преобразователь, сенсорный дисплей 2, магнитная мешалка и держатель электродов рисунок 3.12. В нижнем правом углу имеется гнездо для установления стакана с анализируемым раствором.  1 – металлический корпус; 2 – дисплей с сенсорной панелью управления; 3 – держатель для электродов; 4 - гнездо для крепления стакана Рисунок 3.12 – рН-метр/иономер Для измерений выбирают методику анализа, а также, выполняют приготовление градуировочных растворов (растворов, необходимых для получения градуировочного графика). Для измерения  в воде была выбрана методика измерения нитратов в воде РД 52.24.367-2010 [51] рисунок 3.13. Рисунок 3.13 – Подготовка и выбор методики измерения Используя аттестованные растворы, содержащие молярную концентрацию нитрат - ионов от 1,00∙10-1; 1,00∙10-2; 8,00∙10-3 моль/дм3 изготавливают градуировочный раствор. Согласно руководящему документу РД 52.24.367-2010 приложению Б.5 процедура изготовления аттестованных растворов AP1-NO3 состоит в следующем. Для получения аттестованных растворов AP1-NO3 необходимо взвесить на лабораторных весах 2,527 г нитрата калия, подсушенным в сушильном шкафу в течение 1 часа соблюдая температуру 110°C. Затем его охлаждают в эксикаторе, поднося к хлориду кальция. Пересыпают в мерную колбу с объёмом 250 см3, добавляют дистиллированную воду и перемешивают до растворенного состояния. Переливают в банку темного стекла с пластиковой крышкой. Данному раствору приписывают молярную концентрацию 1,00∙10-1 моль/дм3. Чтобы получить растворов AP2-NO3, пипеткой необходимо отобрать 25,0 см3 раствора AP1-NO3 и перенести в колбу с объемом 250 см3. Доливают дистиллированную воду и перемешивают. Изготовленному раствору приписывают концентрацию молярную 1,00∙10-2 моль/дм3. Для приготовления AP3-NO3 отбирают пипеткой 20,0 см3 раствора AP1-NO3, переносят в колбу с объёмом 250 см3. Заливают в колбу дистиллированную воду и перемешивают. Данному раствору подписывают молярную концентрацию 8,00∙10-3 моль/дм3. После приготовления аттестованных растворов переходят к приготовлению градуировочного раствора. Для приготовления градуировочого раствора №1 с содержанием нитрат – ионов 5,00∙10-3 моль/дм3, пипеткой отбирают 5,00 см3 раствора (аттестованного) с концентрацией 1,00∙10-1. Погружают в мерную колбу, доливают дистиллированную воду и мешают. Раствор подписывают pNO3 c концентрацией 2,30. Градуировочный раствор №2 с концентрацией нитрат – ионов 1,00∙10-3, получают отбирая пипеткой 10,0 см3 раствора ( аттестованного) с нитрат – ионов 1,00∙10-2 моль/дм3. Все содержимое переносят в колбу доливают дистиллированную воду с объёмом 100см3. Раствор подписывают pNO3 c концентрацией 3,00. Для получения градуировочного раствора №3 с концентрацией 4,00∙10-4 моль/дм3, пипеткой отбирают 5,00 см3 аттестованного раствора с концентрацией 8,00∙10-3 моль/дм3. Переливают в колбу с объёмом 100 см3, добавляют дистиллированную воду и мешают. Раствор подписывают pNO3c концентрацией 3,40. Градуировочный раствор №4 с нитрат – ионов 1,00∙10-4 моль/дм3, пипеткой берут 10,0см3 раствора №2 (градуировочного) с концентрацией 1,00∙10-3 моль/дм3. Переносят в колбу, заливают дистиллированной водой с объёмом 100 см3 и перемешивают. Раствор подписывают pNO3 c величиной 4,00. Для получения градуировочного раствора №5 с концентрацией 4,00∙10-5 моль/дм3, пипеткой отбирают 10,0 см3 приготовленного градуировочного раствора №3. Перемешают в колбу, добавляют дистиллированную воду с объёмом 100 см3, затем размешивают получившийся раствор. Раствор подписывают pNO3 c концентрацией 4,40. Градуировочный раствор №6 с нитрат – ионов 1,00∙10-5 моль/дм3, пипеткой забирают 10,0 см3 раствора (градуировочного) №4 с нитрат – ионов 1,00 ∙10-4 моль/дм3. Перемещают в мерную колбу, добавляют 100 см3 дистиллированной воды и перемащивают. Градуировочный раствор №7 с концентраций 2,00 ∙10-6 моль/дм3, получают, если пипеткой взять 2 см3 раствора (градуировочного №4) с нитрат – ионов 1,00∙10-4 моль/дм3, и погрузить в колбу и залить дистиллированной водой с объёмом с 100 см3 и перемешать. После этого все градуировочные растворы по очереди устанавливают в гнездо для крепления стаканов и нажимают на дисплее «градуировка». В таблице 3.10 представлены данные градуировки. Таблица 3.10 – Данные для построения градуировочного раствора
 Рисунок 3.14 – Построение градуировочного графика После нажатия «далее» автоматически строится градуировочный график, показанный на рисунке 3.14. После построения градуировочного графика, можно проводить измерения по определению нитратов в воде. 3.2.5. Теоретическое объяснение возникновения нитратного азота в воде при электроискровом разряде Получение оксида азота возможно при взаимодействии свободных элементов кислорода с участием азота, при температурах от 1000 °C. Повышение температуры в разрядном канале и во всем диапазоне межэлектродного промежутка, увеличивает образование оксидов азота, потому что их реакция прямо пропорциональна температуре. Авторами [76], выдвигается теория образования оксида азота, всего рассматривается 4 реакции.
В зарубежной статье [3] изложен ещё один новый способ получения 
Когда  ,существует лишь реакция (46). При  0,05% происходит реакция оксида азота (47). Реакцию (48) оценить очень тяжело т.к атомы кислорода  участвуют в синтезе озона  . Реакция (49) на данный момент полностью не изучена. Во всех изложенных вариантов выше, окисляется до двух и трехокисьного азота  и  . Он же в свою очередь приводит к возникновению реакции кислотного оксида 
Оксидный азот в взаимодействии с  образует азотную кислоту Измерение нитратного азота в воде после электроискровых разрядов Азотную кислоту в сельском хозяйстве используют при получении минеральных удобрений. Азотная кислота ключевой элементом для аммиачной, натриевой и калийной селитры. Хорошо растворяется в воде и усваивается растениями. Азотная кислота является компонентом для приготовления питательного раствора. Во время использования азотных удобрений необходимо придерживаться дозировок, ведь превышение дозы приводит к накоплению нитратов в продуктах. В эксперименте использовали воду двух образцов водопроводную и прудовую (полученную из Московской области г. Люберцы). Используя прибор ИТАН pH-метр/иономер, были проведены измерение нитратного азота после электрогидравлической обработки. На рисунке 3.15 построены зависимости по изменению содержания нитратного азота при напряжении от 20 кВ до 40 кВ, емкости 0,2 мкФ и индуктивности 15 нГн.  Рисунок 3.15 – Зависимость изменения концентрации азота в водопроводной воде На рисунке 3.16 изображена зависимость при аналогичных параметрах, но только для прудовой воды.  Рисунок 3.16 – Зависимость изменения концентрации азота воды из пруда Следующим этапом было изменение емкости и индуктивности, влияющий на выход нитратного азота. Емкость уменьшили до 0,05 мкФ и индуктивность до 4 нГн, на рисунке 3.17 и 3.18 построены зависимости.  Рисунок 3.17 – Зависимость изменения концентрации азота в водопроводной воде На рисунке 3.17 видно, что азот незначительно повышается. Из рисунка 3.17 заметно, что при повышении напряжения до U =40 кВ, нитратный азот начинает резко возрастать, кривая при U=20 кВ остается параллельной линии контрольного образца.  Рисунок 3.18 – Зависимость изменения концентрации азота в воде из пруда Анализ построенных зависимостей (рисунок 3.15–3.18) указывает, что на выход нитратного азота при электрогидравлическом ударе в воде оказывают влияние не только изменяемые параметры такие как: напряжение, количество импульсов, индуктивность в разрядном контуре. Снижая индуктивность при постоянных параметрах (напряжение, кол-во импульсов и энергию), можно увеличивать нитратный азот в обрабатываемой жидкости. Эксперимент позволил выявить основные факторы, влияющие на процесс и уровни их варьирования:  – амплитуда импульса 20-40 кВ, – кол-во импульсов 1000-7000 , – энергия импульса от 5 до 60 Дж. На рисунке 3.19 изображена зависимость изменения концентрации нитратного азота в воде из пруда от основных факторов. Рисунок 3.19 – Зависимость изменения концентрации азота в воде из пруда от напряжения, энергии, количества искровых разрядов при индуктивности 1,2 мкГн
x1, x2, x3 – факторы; b0 – свободный член не содержащий переменную, при хi= 0; b1, b2, b3 – коэффициенты регрессии, оказывающие влияние на тот или иной фактор;b1,2, b1,3, b2,3 – коэффициенты регрессии, вычисленные при умножении факторов, показывающее двойную взаимосвязь факторов; b1,2,3 – коэффициент регрессии с тройной взаимосвязью. Чтобы изучить влияние факторов  на величину  . Для этого нужно провести эксперимент по плану, чтобы определить все возможные комбинации. Число данных опытов будет находиться как  количество рассматриваемых факторов. Для этого воспользуемся ПФЭ  [80]. Для вычисления результатов по эксперименту и дальнейшего нахождения коэффициентов уравнений регрессии все факторы сводят к одному масштабу, путём кодирования.Покажем минимальный уровень  через  , максимальный уровень через  , тогда  . Переменные  будут находиться через по формуле (54). Внесем факторы в таблицу 3.11. Согласно формуле (36) вычислим  . После внесения факторов в таблицу 3.11 построим матрицу по планированию эксперимента для проведения эксперимента.Таблица 3.11. Кодирование факторов
В качестве отклика взята концентрация нитратного азота в воде, которая была измерена при помощи рН-метр/иономер. Таблица 3.12. Матрица ПФЭ
Для вычисления коэффициента  используется вектор-столбец , а для  столбец [64].
Используя формулу (37) произведём расчет коэффициентов 
j – является номером фактора, где N – сумма (число) опытов, i = 1, 2, ..., k
С полученными коэффициентами составим уравнение
Запишем таблицу 3.13, в которую внесём найденные коэффициенты регрессии. Таблица 3.13 Вычисленные коэффициенты регрессии
Произведём расчет построчной дисперсии по формуле (41)  Осуществим вычисление дисперсии воспроизводимости:
Производится расчет среднего значения отклонения коэффициентов по таблице Стьюдента и числу степеней свобод, вычисляем  . Отсюда  . Следует вывод, что коэффициенты не значимы, запишем полученное уравнение
Данное уравнение является математической моделью возникновения нитратного азота при ЭГ ударе. На концентрацию азота оказывают все факторы, такие как: напряжение, энергия и количество импульсов. Также влияют парные взаимодействия 1 и 2, 2 и 3 факторов. При проверке на адекватность, расчетные значения меньше табличных (при p=95%), что говорит об адекватности уравнения регрессии без парных взаимодействий. Для нахождения оптимума использовали метод крутого восхождения. Для описания заданного участка по поверхности отклика 3-х факторов был осуществлен ПФЭ с нулевым уровнем в точках  . Единицы варьирования  ,  . Соответственно  ,  ,  . Шаг варьирования возьмём значение 0,02от  . План опыта по крутому восхождению представлен, указан в таблице 3.14.Таблица 3.14 План опыта крутого восхождения
Подменяя уровни факторов, находящиеся в кодированных переменных их реальными значениями, составим план опыта по крутому восхождению в реальных единицах, показанной в таблице 3.15. Таблица 3.15. Условия, найденные в реальных величинах
 Рисунок 3.20 –Поверхность отклика Если проанализировать таблицу 3.15, то с 3 варианта изменений существенных не происходит. Можно считать, оптимумом является U=30,68 кВ, количество искровых разрядов 4364 шт, энергия импульса 34,96 Дж. Выводы по главе Для выполнения электрогидравлических технологий, при помощи программы Kompas-3D было смоделировано устройство, по которому изготовлен действующий образец. Новизна электрогидравлической установки состоит в электродах острие-полусфера. Отрицательный электрод выполнен в виде полусферы, в котором концентрируется электромагнитное поле. Созданная электрическая схема по управлению электрогидравлической установки поясняет состав элементов и последовательность подключения, это всё нужно для представления принципа работы установки. С помощью отсеивающего эксперимента по плану Плакетта-Бермана, были найдены значимые факторы, которые влияют на состав питательного раствора. К значимым факторам относится: напряжение, ёмкость, количество импульсов. В ходе проведения исследований было установлено, что микробиологическая загрязненность воды уменьшается, что подтверждено прибором люминометром EnSURE (Hygiena). Поэтому высоковольтная обработка может применяться в качестве водоподготовки при приготовлении питательного раствора. Во всех трёх образцах воды, было обнаружено увеличение электропроводности, которая была измерена с помощью прибора АТЛАНТ 1200. Увеличение электропроводности связано с образованием пузырьков и структурированием частиц. С целью энергоэффективности и безопасности рекомендуется использовать второй режим. Для измерения нитратного азота был построен градуировочный раствор, который подтверждает правильность измерений. Базируясь на зависимости 3.12-3.15 можно сделать вывод, что на количество выхода нитратного азота оказывает индуктивность. Уменьшая индуктивность можно варьировать нитратный азот в жидкостях. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
