陳 敏,段鵬軍,邵家源,劉振宇
(1.山西農業(yè)大學農業(yè)工程學院,山西 晉中030801; 2.山西農業(yè)大學信息科學與工程學院,山西 晉中030801)
養(yǎng)殖業(yè)作為重要的產業(yè)之一,在規(guī)?;?、集約化養(yǎng)殖過程中,通常會產生其他有害產物。這些會降低畜禽的免疫能力、代謝能力及生產性能,甚至會導致飼養(yǎng)員和周圍居民患呼吸道疾病。在封閉環(huán)境下的畜禽養(yǎng)殖業(yè),僅僅使用通風扇來改變環(huán)境不能完全去除惡臭氣體。其中,氨氣是公認的應激源,是畜禽養(yǎng)殖過程中最有害的氣體之一[1]。因此,有效合理地處理氨氣是當前研究的重要課題?,F(xiàn)有技術中處理氨氣等惡臭氣體主要采用植物吸收與隔離法、吸附劑吸附法、熱力學方法和化學吸收法等[2]。目前雞舍處理氨氣的方法主要采用水簾吸收法,水簾的主要功能是吸收雞舍內空氣的熱量來降溫,吸熱后的水簾很容易會將吸收的氨氣再次釋放出來,所以水簾并不能達到徹底吸收氨氣的作用。因此,研究一種將雞舍內的氨氣轉化為穩(wěn)定存儲狀態(tài)的方法,可以有效降低養(yǎng)殖舍內氨氣的濃度,提高畜禽的生長速度和料肉比,降低畜禽的發(fā)病率,節(jié)約企業(yè)的成本,并且可以為解決氨氣外排造成的環(huán)境污染提供幫助[3]。
根據(jù)氨氣的來源和特性設計循環(huán)系統(tǒng)結構。雞舍內的氣體經過頂部的通風系統(tǒng)作用后,通過管道進入右側的氣體吸收系統(tǒng)內,凈化處理后進入換氣系統(tǒng),與空氣交換得到新鮮的空氣,3部分連通作用達到凈化氣體的目的[4]。循環(huán)系統(tǒng)流程如圖1所示。
根據(jù)化學試驗結果——正電場可以促進硫酸銅溶液與氨氣的反應,研究設計了氣體吸收系統(tǒng)模型。作用原理如下。來自通風系統(tǒng)的舍內氣體從進氣口進入氣體吸收系統(tǒng)。氣體吸收系統(tǒng)為U型管狀結構,不同位置分別有活性炭和硫酸銅溶液,并且布有相應的電場?;钚蕴课挥谶M氣口位置,對舍內氣體進行初步凈化處理,除去部分有害物質;硫酸銅溶液位于下方類似U型管的位置并充滿底部管道,下部有電場作用,使經過的舍內氣體充分接觸硫酸銅溶液進而達到充分吸收氨氣的效果[5]。處理后的舍內氣體經過換氣系統(tǒng)與外界空氣交換成分,最后補充氧氣等新鮮氣體,重新進入舍內環(huán)境,為舍內的畜禽生長提供新鮮的空氣[6]。氣體吸收系統(tǒng)連接換氣系統(tǒng)模型如圖2所示。
圖1 循環(huán)系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of circulation system
圖2 氣體吸收系統(tǒng)模型Fig.2 Model of gas absorption system
根據(jù)如上分析,在雞舍設計整個循環(huán)系統(tǒng)模型,如圖3所示。
根據(jù)氨氣易溶于水,并且比空氣密度小,通常位于雞舍空間上層的物理性質,采用物理化學相結合的方法,利用硫酸銅溶液呈酸性、氨水溶液呈堿性的特性,遵循酸堿中和原理對氨氣進行吸收[7]。在雞舍裝有通風扇的周邊位置設計合理的裝置。
圖3 雞舍循環(huán)系統(tǒng)模型Fig.3 Circulation system model of henhouse
燒杯、玻璃棒、玻璃導管、橡膠管、分液器、加熱爐、鐵架臺、漏斗、濃氨水、硫酸銅晶體和氫氧化鈉粉末。
采用固液分離裝置制備氨氣,其中固體為氫氧化鈉粉末,液體為氨水。電場環(huán)境下的氣液反應,其中電場為高壓脈沖電源連接密閉線圈產生電場,液體為濃度約10%的硫酸銅溶液,使用玻璃導管將制備的氨氣通入硫酸銅溶液[8]。其中硫酸銅溶液選用10%是因為藍色沉淀隨著硫酸銅溶液濃度的降低而逐漸減少,選擇濃度為10%,可以產生較好的反應效果[9]。產生電場的裝置如圖4~5所示。
1.塑料管架 2.絕緣子 3.導線圖4 供電密閉線圈產生電場Fig.4 Electric field produced by power supply closed coil
圖5 供電密閉線圈產生電場實物Fig.5 Physical diagram of electric field generated by power supply closed coil
在組裝好反應裝置后,每一次加入氨水,都需要檢查裝置的氣密性。在電場環(huán)境下,使用氫氧化鈉粉末點滴接觸氨水的方式產生氨氣模擬雞舍內氨氣的來源。其中氨氣的氣流大小受氨水滴加速度影響。使用玻璃導管直接將氨氣通入硫酸銅溶液中模擬舍內氣體通過充滿硫酸銅溶液的管道狀吸附裝置,直接通入硫酸銅溶液是因為氨氣極易溶于水,同時為了減少氨氣因密度小飄向上空造成環(huán)境污染。
2.3.1正電場與自然環(huán)境對比
配置10%的硫酸銅溶液,取兩份50 mL的硫酸銅溶液分別置于正常環(huán)境和電場環(huán)境下,使用玻璃導管輸送氨氣,人為控制導管高度,要求導管沒入硫酸銅溶液,通入相同體積相同濃度的氨氣。在經過1 min的反應后,觀察反應現(xiàn)象,通過生成物來判斷反應速率。設置高壓脈沖電源電壓1 kV,頻率50 Hz,占空比25%,所形成的電場為正電場[10]。兩種環(huán)境條件下的反應現(xiàn)象如圖6所示。
圖6 正常環(huán)境與1 kV正電場環(huán)境下的反應現(xiàn)象Fig.6 Reaction phenomena under normal environment and 1kV positive electric field
所形成的電場仍為正電場,改變電壓為2、4、6、8和10 kV,其他條件不變,繼續(xù)試驗。在經過1 min的反應后,觀察反應現(xiàn)象。以上5組的反應現(xiàn)象類似圖6。
表1 正電場下不同電壓梯度試驗結果對比
圖7 不同正電壓環(huán)境下Cu2(OH)2SO4沉淀量對比Fig.7 Precipitation comparison of Cu2(OH)2SO4 under different positive voltage environments
試驗現(xiàn)象:正電場環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣反應產生的淺藍色沉淀多,如圖7所示。
試驗現(xiàn)象表明:對比正常環(huán)境,正電場環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣的反應速率確實得到了加快,但對比5組正電場環(huán)境下的反應速率,在相同時間內得到的結果是類似的[9]。資源的損耗與得到的結果不是成正比例的,因此正電場的供電電壓控制在1 kV左右即可。
2.3.2負電場與自然環(huán)境對比
改變電場為負電場,其他條件不變,設置電壓為-1 kV,正常環(huán)境與負電場環(huán)境下反應現(xiàn)象如圖8所示。
圖8 正常環(huán)境與-1 kV負電場環(huán)境下的反應現(xiàn)象Fig.8 Reaction phenomena under normal environment and -1kV negative electric field environment
所形成的電場仍為負電場,改變電壓為-10、-8、-6、-4和-2 kV,其他條件不變,繼續(xù)試驗。在經過1 min的反應后,觀察反應現(xiàn)象。以上5組的反應現(xiàn)象類似圖8。
負電場下不同電壓梯度試驗結果對比如表2所示。沉淀量計算方法同正電壓下的計算過程。
表2 負電場下不同電壓梯度試驗結果對比
試驗現(xiàn)象:正常環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣反應產生的淺藍色沉淀多,如圖9所示。
圖9 不同負電壓環(huán)境下Cu2(OH)2SO4沉淀量對比Fig.9 Precipitation comparison of Cu2(OH)2SO4 under different negative voltage environments
試驗現(xiàn)象表明:對比正常環(huán)境,在負電場環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣反應較慢,說明負電場對硫酸銅溶液與氨氣反應產生了抑制作用,負電場對本研究沒有實用意義。
2.3.3多變量對速率的影響
配置10%的硫酸銅溶液,取6份50 mL的硫酸銅溶液分別置于電場環(huán)境下,使用玻璃導管輸送氨氣,要求導管沒入硫酸銅溶液,通入相同體積相同濃度的氨氣。在經過1 min的反應后,觀察反應現(xiàn)象,通過生成物來判斷反應速率,其中電壓為1 kV,頻率分別為50、100、150、200、250和300 Hz,占空比為25%,所形成的電場為正電場,頻率為變量,其他條件不變。6組不同頻率的試驗結果按頻率左小右大順序排列如圖10所示。
對比結果:沉淀量沒有太大差別,頻率對反應過程影響比較??;部分溶液出現(xiàn)深藍色,可能因為通入氨氣的量過多,導致生成四氨合銅配離子。
圖10 改變頻率對反應過程的影響Fig.10 Effect of changing frequency on reaction process
配置10%的硫酸銅溶液,取3份50 mL的硫酸銅溶液分別置于電場環(huán)境下,使用玻璃導管輸送氨氣,要求導管沒入硫酸銅溶液,通入相同體積相同濃度的氨氣。在經過1 min的反應后,觀察反應現(xiàn)象,通過生成物來判斷反應速率,其中電壓1 kV,頻率50 Hz,占空比分別為25%、50%和75%,所形成的電場為正電場,占空比為變量,其他條件不變。3組不同占空比的試驗結果按占空比左小右大順序排列如圖11所示。
圖11 改變占空比對反應過程的影響Fig.11 Effect of changing duty ratio on reaction process
對比結果:沉淀量依次減少,占空比對反應過程呈負比例影響;部分溶液出現(xiàn)深藍色,可能因為通入氨氣的量過多,導致生成四氨合銅配離子。
2.3.4驗證分析
正電場能加快硫酸銅溶液與氨氣反應的原因為氨氣在正電場環(huán)境下可能電離產生了某種物質[11]。根據(jù)氮元素的化合價和氨化合物的穩(wěn)定性,猜想氨氣在正電場環(huán)境下產生了亞硝酸根。
高錳酸鉀是一種氧化劑,能與亞硝酸根在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應,表現(xiàn)為亞硝酸根使酸性高錳酸鉀溶液褪色,而氨氣和其他氨化合物則不能。將氨氣分別通入正電場環(huán)境下和正常環(huán)境下的酸性高錳酸鉀溶液中,一段時間后觀察酸性高錳酸鉀溶液的變化。
試驗現(xiàn)象表明,正電場環(huán)境下通入氨氣的酸性高錳酸鉀溶液對比正常環(huán)境下通入氨氣的酸性高錳酸鉀溶液發(fā)生了褪色。氨氣在正電場環(huán)境下電離產生了亞硝酸根。
(1)向CuSO4溶液中通入氨氣,得到淺藍色的堿式銅鹽Cu2(OH)2SO4,反應方程式為
2CuSO4+2NH3H2O=(NH4)2SO4+Cu2(OH)2SO4↓
其反應機理為
NH3·H2O=OH-+NH4+
Cu2++OH-=[CuOH]+
2[CuOH]++SO42-=Cu2(OH)2SO4↓
由于NH3·H2O是弱電解質,電離出的OH-離子濃度很小。當Cu2+離子與OH-離子結合生成[CuOH]+后,沒有足夠的OH-離子與[CuOH]+結合生成Cu(OH)2沉淀,只能生成溶解度較大的堿式銅鹽(如[Cu2(OH)2SO4])沉淀。
(2)在含有堿式銅鹽沉淀的溶液中繼續(xù)通入氨氣,得到深藍色溶液,這是因為生成了四氨合銅配離子[9]。反應過程如下
Cu2(OH)2SO4+8NH3=2[Cu(NH3)4]2++SO42-+2OH-
通過多組對比試驗得到,正電場能促進反應,負電場會抑制反應,電壓的大小對反應速率沒有實質性的影響,頻率對反應速率沒有影響,占空比對反應速率的影響呈反比例關系。為了減少能源的消耗,設計去除氨氣的裝置時,電壓設為1 kV,頻率為50 Hz,占空比為25%,以此來促進硫酸銅溶液與氨氣的反應,達到高效吸收氨氣的目的。
主要采用物理化學相結合的方法,針對雞舍內的氨氣進行吸收處理,進而達到凈化空氣、減少環(huán)境污染、利于肉雞養(yǎng)殖生產的目的。
(1)在雞舍設計的循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)于往常雞舍內僅有的通風扇,可以更好地改善雞舍內的環(huán)境,有效降低雞舍內氨氣的濃度,提高畜禽的生長性能、代謝能力和免疫力,降低畜禽的發(fā)病率,節(jié)約畜禽養(yǎng)殖業(yè)的成本,減少飼養(yǎng)員患呼吸系統(tǒng)疾病的感染源,為周邊居民提供更好的生活環(huán)境[12-13]。
(2)試驗中使用的硫酸銅溶液是由硫酸銅晶體和水配置而成,硫酸銅晶體價格實惠,易于得到,硫酸銅溶液在空氣中穩(wěn)定易保存,可以長時間放置。硫酸銅溶液與氨氣反應比較迅速,用于吸收氨氣是一種比較有效的方式。同時在1 kV電壓下搭建的正電場環(huán)境,能夠加快該反應的速率,進而更有效地吸收氨氣。將該循環(huán)系統(tǒng)應用于雞舍環(huán)境中,應該定時每兩個月添加一次硫酸銅溶液,以便更好、更有效地吸收氨氣。
本研究通過增加脈沖電場影響進而改進對氨氣的吸收處理,可以有效降低養(yǎng)殖舍內氨氣的濃度,提高畜禽的生長速度和料肉比,降低畜禽的發(fā)病率,節(jié)約企業(yè)的成本,解決氨氣外排造成的環(huán)境污染。本研究實現(xiàn)了養(yǎng)殖基地與農業(yè)基地的有效結合,具有較好的社會效益、經濟效益和生態(tài)效益。