陳 敏，段鵬軍，邵家源，劉振宇

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中030801)

0 引言

養(yǎng)殖業(yè)作為重要的產(chǎn)業(yè)之一，在規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖過程中，通常會(huì)產(chǎn)生其他有害產(chǎn)物。這些會(huì)降低畜禽的免疫能力、代謝能力及生產(chǎn)性能，甚至?xí)?dǎo)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(fēng)扇來改變環(huán)境不能完全去除惡臭氣體。其中，氨氣是公認(rèn)的應(yīng)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(dāng)前研究的重要課題?，F(xiàn)有技術(shù)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(xué)方法和化學(xué)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(nèi)空氣的熱量來降溫，吸熱后的水簾很容易會(huì)將吸收的氨氣再次釋放出來，所以水簾并不能達(dá)到徹底吸收氨氣的作用。因此，研究一種將雞舍內(nèi)的氨氣轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定存儲(chǔ)狀態(tài)的方法，可以有效降低養(yǎng)殖舍內(nèi)氨氣的濃度，提高畜禽的生長(zhǎng)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]。

1 構(gòu)建模型

1.1循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)氨氣的來源和特性設(shè)計(jì)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。雞舍內(nèi)的氣體經(jīng)過頂部的通風(fēng)系統(tǒng)作用后，通過管道進(jìn)入右側(cè)的氣體吸收系統(tǒng)內(nèi)，凈化處理后進(jìn)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(dá)到凈化氣體的目的[4]。循環(huán)系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.2氣體吸收系統(tǒng)

根據(jù)化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果——正電場(chǎng)可以促進(jìn)硫酸銅溶液與氨氣的反應(yīng)，研究設(shè)計(jì)了氣體吸收系統(tǒng)模型。作用原理如下。來自通風(fēng)系統(tǒng)的舍內(nèi)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入氣體吸收系統(tǒng)。氣體吸收系統(tǒng)為U型管狀結(jié)構(gòu)，不同位置分別有活性炭和硫酸銅溶液，并且布有相應(yīng)的電場(chǎng)?；钚蕴课挥谶M(jìn)氣口位置，對(duì)舍內(nèi)氣體進(jìn)行初步凈化處理，除去部分有害物質(zhì)；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(chǎng)作用，使經(jīng)過的舍內(nèi)氣體充分接觸硫酸銅溶液進(jìn)而達(dá)到充分吸收氨氣的效果[5]。處理后的舍內(nèi)氣體經(jīng)過換氣系統(tǒng)與外界空氣交換成分，最后補(bǔ)充氧氣等新鮮氣體，重新進(jìn)入舍內(nèi)環(huán)境，為舍內(nèi)的畜禽生長(zhǎng)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

1.3雞舍循環(huán)系統(tǒng)模型

根據(jù)如上分析，在雞舍設(shè)計(jì)整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)模型，如圖3所示。

2 試驗(yàn)裝置與操作

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(zhì)，采用物理化學(xué)相結(jié)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(duì)氨氣進(jìn)行吸收[7]。在雞舍裝有通風(fēng)扇的周邊位置設(shè)計(jì)合理的裝置。

圖3 雞舍循環(huán)系統(tǒng)模型Fig.3 Circulation system model of henhouse

2.1試驗(yàn)儀器和試劑

燒杯、玻璃棒、玻璃導(dǎo)管、橡膠管、分液器、加熱爐、鐵架臺(tái)、漏斗、濃氨水、硫酸銅晶體和氫氧化鈉粉末。

2.2試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

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(chǎng)環(huán)境下的氣液反應(yīng)，其中電場(chǎng)為高壓脈沖電源連接密閉線圈產(chǎn)生電場(chǎng)，液體為濃度約10%的硫酸銅溶液，使用玻璃導(dǎo)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?yàn)樗{(lán)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(chǎn)生較好的反應(yīng)效果[9]。產(chǎn)生電場(chǎng)的裝置如圖4～5所示。

1.塑料管架 2.絕緣子 3.導(dǎo)線圖4 供電密閉線圈產(chǎn)生電場(chǎng)Fig.4 Electric field produced by power supply closed coil

圖5 供電密閉線圈產(chǎn)生電場(chǎng)實(shí)物Fig.5 Physical diagram of electric field generated by power supply closed coil

2.3試驗(yàn)操作步驟及現(xiàn)象

在組裝好反應(yīng)裝置后，每一次加入氨水，都需要檢查裝置的氣密性。在電場(chǎng)環(huán)境下，使用氫氧化鈉粉末點(diǎn)滴接觸氨水的方式產(chǎn)生氨氣模擬雞舍內(nèi)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(dǎo)管直接將氨氣通入硫酸銅溶液中模擬舍內(nèi)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?yàn)榘睔鈽O易溶于水，同時(shí)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(chǎng)與自然環(huán)境對(duì)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(chǎng)環(huán)境下，使用玻璃導(dǎo)管輸送氨氣，人為控制導(dǎo)管高度，要求導(dǎo)管沒入硫酸銅溶液，通入相同體積相同濃度的氨氣。在經(jīng)過1 min的反應(yīng)后，觀察反應(yīng)現(xiàn)象，通過生成物來判斷反應(yīng)速率。設(shè)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(chǎng)為正電場(chǎng)[10]。兩種環(huán)境條件下的反應(yīng)現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 正常環(huán)境與1 kV正電場(chǎng)環(huán)境下的反應(yīng)現(xiàn)象Fig.6 Reaction phenomena under normal environment and 1kV positive electric field

所形成的電場(chǎng)仍為正電場(chǎng)，改變電壓為2、4、6、8和10 kV，其他條件不變，繼續(xù)試驗(yàn)。在經(jīng)過1 min的反應(yīng)后，觀察反應(yīng)現(xiàn)象。以上5組的反應(yīng)現(xiàn)象類似圖6。

表1 正電場(chǎng)下不同電壓梯度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7 不同正電壓環(huán)境下Cu2(OH)2SO4沉淀量對(duì)比Fig.7 Precipitation comparison of Cu2(OH)2SO4 under different positive voltage environments

試驗(yàn)現(xiàn)象：正電場(chǎng)環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣反應(yīng)產(chǎn)生的淺藍(lán)色沉淀多，如圖7所示。

試驗(yàn)現(xiàn)象表明：對(duì)比正常環(huán)境，正電場(chǎng)環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣的反應(yīng)速率確實(shí)得到了加快，但對(duì)比5組正電場(chǎng)環(huán)境下的反應(yīng)速率，在相同時(shí)間內(nèi)得到的結(jié)果是類似的[9]。資源的損耗與得到的結(jié)果不是成正比例的，因此正電場(chǎng)的供電電壓控制在1 kV左右即可。

2.3.2負(fù)電場(chǎng)與自然環(huán)境對(duì)比

改變電場(chǎng)為負(fù)電場(chǎng)，其他條件不變，設(shè)置電壓為-1 kV，正常環(huán)境與負(fù)電場(chǎng)環(huán)境下反應(yīng)現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 正常環(huán)境與-1 kV負(fù)電場(chǎng)環(huán)境下的反應(yīng)現(xiàn)象Fig.8 Reaction phenomena under normal environment and -1kV negative electric field environment

所形成的電場(chǎng)仍為負(fù)電場(chǎng)，改變電壓為-10、-8、-6、-4和-2 kV，其他條件不變，繼續(xù)試驗(yàn)。在經(jīng)過1 min的反應(yīng)后，觀察反應(yīng)現(xiàn)象。以上5組的反應(yīng)現(xiàn)象類似圖8。

負(fù)電場(chǎng)下不同電壓梯度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。沉淀量計(jì)算方法同正電壓下的計(jì)算過程。

表2 負(fù)電場(chǎng)下不同電壓梯度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)現(xiàn)象：正常環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣反應(yīng)產(chǎn)生的淺藍(lán)色沉淀多，如圖9所示。

圖9 不同負(fù)電壓環(huán)境下Cu2(OH)2SO4沉淀量對(duì)比Fig.9 Precipitation comparison of Cu2(OH)2SO4 under different negative voltage environments

試驗(yàn)現(xiàn)象表明：對(duì)比正常環(huán)境，在負(fù)電場(chǎng)環(huán)境下硫酸銅溶液與氨氣反應(yīng)較慢，說明負(fù)電場(chǎng)對(duì)硫酸銅溶液與氨氣反應(yīng)產(chǎn)生了抑制作用，負(fù)電場(chǎng)對(duì)本研究沒有實(shí)用意義。

2.3.3多變量對(duì)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(chǎng)環(huán)境下，使用玻璃導(dǎo)管輸送氨氣，要求導(dǎo)管沒入硫酸銅溶液，通入相同體積相同濃度的氨氣。在經(jīng)過1 min的反應(yīng)后，觀察反應(yīng)現(xiàn)象，通過生成物來判斷反應(yīng)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(chǎng)為正電場(chǎng)，頻率為變量，其他條件不變。6組不同頻率的試驗(yàn)結(jié)果按頻率左小右大順序排列如圖10所示。

對(duì)比結(jié)果：沉淀量沒有太大差別，頻率對(duì)反應(yīng)過程影響比較??；部分溶液出現(xiàn)深藍(lán)色，可能因?yàn)橥ㄈ氚睔獾牧窟^多，導(dǎo)致生成四氨合銅配離子。

圖10 改變頻率對(duì)反應(yīng)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(chǎng)環(huán)境下，使用玻璃導(dǎo)管輸送氨氣，要求導(dǎo)管沒入硫酸銅溶液，通入相同體積相同濃度的氨氣。在經(jīng)過1 min的反應(yīng)后，觀察反應(yīng)現(xiàn)象，通過生成物來判斷反應(yīng)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(chǎng)為正電場(chǎng)，占空比為變量，其他條件不變。3組不同占空比的試驗(yàn)結(jié)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(duì)反應(yīng)過程的影響Fig.11 Effect of changing duty ratio on reaction process

對(duì)比結(jié)果：沉淀量依次減少，占空比對(duì)反應(yīng)過程呈負(fù)比例影響；部分溶液出現(xiàn)深藍(lán)色，可能因?yàn)橥ㄈ氚睔獾牧窟^多，導(dǎo)致生成四氨合銅配離子。

2.3.4驗(yàn)證分析

正電場(chǎng)能加快硫酸銅溶液與氨氣反應(yīng)的原因?yàn)榘睔庠谡妶?chǎng)環(huán)境下可能電離產(chǎn)生了某種物質(zhì)[11]。根據(jù)氮元素的化合價(jià)和氨化合物的穩(wěn)定性，猜想氨氣在正電場(chǎng)環(huán)境下產(chǎn)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(yīng)，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(chǎng)環(huán)境下和正常環(huán)境下的酸性高錳酸鉀溶液中，一段時(shí)間后觀察酸性高錳酸鉀溶液的變化。

試驗(yàn)現(xiàn)象表明，正電場(chǎng)環(huán)境下通入氨氣的酸性高錳酸鉀溶液對(duì)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(chǎng)環(huán)境下電離產(chǎn)生了亞硝酸根。

2.4小結(jié)與討論

(1)向CuSO4溶液中通入氨氣，得到淺藍(lán)色的堿式銅鹽Cu2(OH)2SO4，反應(yīng)方程式為

2CuSO4+2NH3H2O=(NH4)2SO4+Cu2(OH)2SO4↓

其反應(yīng)機(jī)理為

NH3·H2O=OH-+NH4+

Cu2++OH-=[CuOH]+

2[CuOH]++SO42-=Cu2(OH)2SO4↓

由于NH3·H2O是弱電解質(zhì)，電離出的OH-離子濃度很小。當(dāng)Cu2+離子與OH-離子結(jié)合生成[CuOH]+后，沒有足夠的OH-離子與[CuOH]+結(jié)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(lán)色溶液，這是因?yàn)樯闪怂陌焙香~配離子[9]。反應(yīng)過程如下

Cu2(OH)2SO4+8NH3=2[Cu(NH3)4]2++SO42-+2OH-

通過多組對(duì)比試驗(yàn)得到，正電場(chǎng)能促進(jìn)反應(yīng)，負(fù)電場(chǎng)會(huì)抑制反應(yīng)，電壓的大小對(duì)反應(yīng)速率沒有實(shí)質(zhì)性的影響，頻率對(duì)反應(yīng)速率沒有影響，占空比對(duì)反應(yīng)速率的影響呈反比例關(guān)系。為了減少能源的消耗，設(shè)計(jì)去除氨氣的裝置時(shí)，電壓設(shè)為1 kV，頻率為50 Hz，占空比為25%，以此來促進(jìn)硫酸銅溶液與氨氣的反應(yīng)，達(dá)到高效吸收氨氣的目的。

3 結(jié)論

主要采用物理化學(xué)相結(jié)合的方法，針對(duì)雞舍內(nèi)的氨氣進(jìn)行吸收處理，進(jìn)而達(dá)到凈化空氣、減少環(huán)境污染、利于肉雞養(yǎng)殖生產(chǎn)的目的。

(1)在雞舍設(shè)計(jì)的循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)于往常雞舍內(nèi)僅有的通風(fēng)扇，可以更好地改善雞舍內(nèi)的環(huán)境，有效降低雞舍內(nèi)氨氣的濃度，提高畜禽的生長(zhǎng)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(yàn)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(jià)格實(shí)惠，易于得到，硫酸銅溶液在空氣中穩(wěn)定易保存，可以長(zhǎng)時(shí)間放置。硫酸銅溶液與氨氣反應(yīng)比較迅速，用于吸收氨氣是一種比較有效的方式。同時(shí)在1 kV電壓下搭建的正電場(chǎng)環(huán)境，能夠加快該反應(yīng)的速率，進(jìn)而更有效地吸收氨氣。將該循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于雞舍環(huán)境中，應(yīng)該定時(shí)每?jī)蓚€(gè)月添加一次硫酸銅溶液，以便更好、更有效地吸收氨氣。

4 結(jié)束語

本研究通過增加脈沖電場(chǎng)影響進(jìn)而改進(jìn)對(duì)氨氣的吸收處理，可以有效降低養(yǎng)殖舍內(nèi)氨氣的濃度，提高畜禽的生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖基地與農(nóng)業(yè)基地的有效結(jié)合，具有較好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。