Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения раствора пероксида водорода с требуемой концентрацией для стимулирования роста семян растений

Изобретение относится к способам обработки воды электрохимическими методами, а именно к способу контроля содержания пероксида водорода в активированной воде в процессе ее получения, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, где традиционно применяется активированная вода: в сельском хозяйстве для обработки семян и для полива растений, в качестве антибактериального средства в медицине и пищевой промышленности и др.

Известны различные способы и устройства для получения активированной воды с помощью электрохимических методов. Обычно воду активируют в диафрагменных электролизерах с раздельным выводом кислой и щелочной воды (Рогов В.М., Филипчук В.Л. Электрохимическая технология изменения свойств воды. Львов: Изд-во ЛГУ, 1989, с. 82; RU 2113411, C02F 1/46, 20.06.1998; RU 2170499, А01С 1/00, 20.07.2001). Известно устройство для получения активированной воды (кислой и щелочной), содержащее генератор радиочастотной плазмы для воздействия радиоволнами на обрабатываемую воду (RU 2272787, C02F 1/30, C02F 103/02, 27.03.2006).

В предлагаемом изобретении активированной водой является «плазменная» вода, получаемая авторами принципиально иным способом по сравнению с приведенными выше известными способами получения активированной воды, и существенно отличающаяся по своим свойствам.

«Плазменную» (далее без кавычек) воду получали по методу, разработанному в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН (Н.В. Бабурин, С.В. Белов и др. Гетерогенная рекомбинация в плазме водяных паров как механизм воздействия на биологические ткани. Доклады Академии наук. Физика. 2009, том 426, №4, с. 468-470; С.В. Белов, Ю.К. Данилейко и др. Особенности генерации низкотемпературной плазмы в высокочастотных плазменных электрохирургических аппаратах. Медицинская техника, №2, 2011, с. 26-32), следующим образом: в объеме водного раствора электролита (например, физиологический раствор) формировали электродный плазменный разряд с высокочастотной накачкой. Электродами плазменного разряда являлись с одной стороны погруженный в жидкость "горячий" металлический электрод, а с другой - жидкий квазиэлектрод на границе плазма-электролит. Формирование жидкого квазиэлектрода вокруг поверхности металлического электрода ведет к образованию однородного по толщине (~1.5⋅10^-4 м) плазменного слоя из паров воды с постоянной плотностью тока.

Возбуждение плазмы производили высокочастотным током с частотой следования импульсов ПО кГц при амплитудном значении напряжения на металлическом электроде до 300 В. Для замыкания электрической цепи использовался второй металлический электрод большей площади, также погруженный в жидкость. Исследование динамики падения силы тока, протекающего через металлический электрод, показало, что время вскипания электролита на острие электрода с образованием плазмы водяного пара (температура пара Т~150°С при атмосферном давлении) имеет величину (3-4)⋅10^-5 с. Энергетические параметры плазмы исследовались методом эмиссионной спектроскопии. На основании исследования эмиссионного спектра излучения плазмы и с учетом литературных данных оценивались энергетические параметры плазмы водяного пара, в частности, значение электронной температуры плазмы определено равным Те=4.8 эВ, энергии электронов - .

В эмиссионном спектре излучения наблюдались линии водорода, атомарного натрия, а также полосы излучения гидроксильных групп ОН. Энергетические потери горячих электронов (е) в плазме водяного пара при энергии ~4 эВ в основном определяются неупругими потерями за счет диссоциативного прилипания свободного электрона к молекуле воды с ее последующей диссоциацией с образованием иона Н^- и гидроксила ОН:

Дальнейшие плазмохимические реакции приводят к образованию в плазменной воде, в том числе, водорода и пероксида водорода (ПВ):

Анализ полученной плазменной воды на содержание ПВ (для анализа использовали количественный йодометрический метод, как наиболее чувствительный: А.В. Лобанов, Н.А. Рубцова, Г.Г. Комиссаров. Доклады Академии наук. Химия. 2008, том 421, №6, с. 773-776; RU 2477470, G01N 33/02, 10.03.2013) показал, что концентрация ПВ в плазменной воде составляет 1⋅10^-5-5⋅10^-5 М (3,4⋅10^-4-1,7⋅10^-3 г/л). При хранении полученной плазменной воды в течение 6 суток в темном сосуде при температуре +20°С изменения концентрации ПВ не наблюдалось.

Известно, что ПВ является нетоксичным, экологически безопасным и уникальным по многим свойствам регулятором роста растений (Корзинников Ю.С. Экологически безопасные средства защиты растений. Вестник РАСХН. 1997, №2, с. 44-47; Апашева Л.М., Комиссаров Г.Г. Влияние пероксида водорода на развитие растений. Изв. РАН, сер. биол. 1996, №5, с. 621-623; RU 2142707, 20.12.1999; RU 2172099, 20.08.2001). Установлено, что ПВ стимулирует образование крахмала в процессе фотосинтеза высших растений (RU 2253235, 10.06.2005), позволяет защищать растения от засухи (RU 2423813, 20.07.2011), повышает их морозоустойчивость (RU 2264070, 20.11.2005), увеличивает жизнеспособность зеленых черенков картофеля (RU 2584417, 20.05.2016), стимулирует образование хлорофилла в процессе развития высших растений (RU 2578531, 27.03.2016). Обработка растворами ПВ растений в период вегетации или почво-грунтов является наиболее щадящим методом стимулирования роста, сохраняющим жизнеспособность почвенной микрофлоры.

Плазменная вода в качестве стимулятора роста растений до настоящего времени не исследовалась.

Проведенные при создании заявляемого изобретения испытания ростстимулирующих свойств плазменной воды показали, что плазменная вода значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы ПВ соответствующей концентрации (см. примеры 1-4), что предположительно можно объяснить, во-первых, тем, что применяемые в медицине и сельском хозяйстве растворы ПВ, как и в приведенных нами контрольных примерах, обязательно содержат стабилизаторы, снижающие активность ПВ, и во-вторых, присутствием помимо ПВ микропримесей из материалов металлических электродов, неизбежно появляющихся в плазменной воде. Возникает необходимость контроля за содержанием ПВ в плазменной воде в процессе ее получения, так как наиболее целесообразно получать плазменную воду непосредственно на месте ее применения, в том числе в полевых условиях (достаточно лишь иметь воду практически любой чистоты и доступ к источнику электроснабжения).

Задачей изобретения является разработка способа получения раствора ПВ с требуемой концентрацией для стимулирования роста растений, включающего контроль содержания ПВ в активированной (плазменной) воде в процессе ее получения, что позволит повысить эффективность ее использования и производства.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом получения раствора пероксида водорода с требуемой концентрацией для стимулирования роста семян растений, включающим контроль содержания пероксида водорода в активированной воде в процессе ее получения воздействием плазмы водяного пара на водный раствор электролита с одновременным определением количества выделившегося водорода посредством установленного датчика с калибровочным графиком, связывающим

количество выделившегося водорода с концентрацией пероксида водорода в активированной воде, и добавление воды до содержания пероксида водорода в растворе от 5⋅10^-7 М до 5⋅10^-5 М.

Как видно из уравнений плазмохимических реакций (2), на одну молекулу выделившегося водорода синтезируется одна молекула ПВ, то есть, зная количество выделившегося водорода, можно рассчитать концентрацию ПВ в получаемой воде.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Для перевода значений количества выделившегося водорода в соответствующие значения концентрации пероксида водорода в активированной воде используется калибровочный график.

Как видно из уравнений плазмохимических реакций (2), на одну молекулу выделившегося водорода синтезируется одна молекула ПВ, то есть, зная количество выделившегося водорода, можно рассчитать концентрацию ПВ в получаемой плазменной воде.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Схема процесса представлена на чертеже. Сосуд (1) заполняют водным раствором электролита, на «горячий» металлический электрод (2) и второй металлический электрод (3) большей площади с генератора (4) подают высокочастотное напряжение и формируют жидкий квазиэлектрод вокруг поверхности «горячего» металлического электрода (2) с образованием однородного по толщине плазменного слоя из паров воды для воздействия на водный раствор электролита. Одновременно с генерированием плазмы водяного пара с помощью датчика (5) (Мегакон 10К, тип: электрохимический, производитель: Тарусский филиал ИОФ РАН) производят измерение количества выделившегося водорода и определяют содержание в получаемой плазменной воде ПВ - датчик (5) запрограммирован в соответствии с калибровочным графиком. Из сосуда (1) плазменная вода с известной концентрацией ПВ поступает в смеситель (6), в который подается требуемое количество воды для получения рабочего раствора с заданной концентрацией ПВ. Рабочий раствор из смесителя (6) направляется для применения или в накопитель (7).

Приводим примеры испытаний ростстимулирующих свойств плазменной воды. Тест-объектами были выбраны представители разных семейств с/х растений (что существенно при определении возможной универсальности применения плазменной воды): Огурец сорт «Конкурент» и «Дальневосточный», семейство тыквенных; Редис сорт «18 дней», семейство капустных; сафлор сорт «Заволжский», семейство астррвых.

Анализ степени воздействия получаемой воды на растения вели на ранних стадиях их развития с помощью морфологических тестов.

Учитывали:

а) количество проросших семян;

б) вступление растений в очередную фазу развития по количеству растений с появившимся первым листом;

в) развитие корневой системы; j

г) количество жизнеспособных растений к определенному времени эксперимента.

Пример 1.

Семена огурца сорт «Дальневосточный» замачивали в чашках Петри - в контроле в дистиллированной воде и в растворах ПВ, в опыте - в растворах плазменной воды, которую получали, активируя водные растворы солей NaCl и KCl (концентрация 0,9%). Чашки с семенами помещали в термостат при температуре +20°С. На третьи сутки определяли количество проросших семян. Результаты приведены в таблице 1 - плазменная вода значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы ПВ соответствующей концентрации. Заметных отличий при использовании хлорида натрия или калия при получении плазменной воды по степени воздействия на прорастание семян огурца не наблюдается.

Пример 2.

Опыт проводили аналогично примеру 1, но с семенами огурца сорт «Конкурент». В качестве соли использовали только NaCl. Через 48 часов определяли количество проросших семян, через 72 часа учитывали количество семян с длиной корня, равной или большей 8-9 мм. Результаты приведены в таблице 2 - плазменная вода значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы ПВ соответствующей концентрации.

Пример 3.

Семена редиса сорт «18 дней» замачивали в чашках Петри - в контроле в дистиллированной воде и в растворах ПВ, в опыте - в растворах плазменной воды, которую получали, активируя физраствор (0,9% NaCl). Через 20 часов семена высаживали в культуральные сосуды с песком, который однократно увлажняли соответствующими растворами. Растения подращивали в культуральном шкафу с ритмом освещения 12-12. На 6-е сутки эксперимента учитывали количество растений с раскрытым семядольным листом. Результаты приведены в таблице 3 - плазменная вода значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы ПВ соответствующей концентрации.

Пример 4.

Опыт проводили аналогично примеру 3, но с семенами сафлора, которые замачивали в чашках Петри в течение 4 часов и затем помещали в культуральные сосуды с увлажненным песком. На седьмые сутки измеряли высоту надземной части растений. Результаты приведены в таблице 4 - плазменная вода значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы ПВ соответствующей концентрации.

Таким образом, разработан способ контроля содержания ПВ в активированной (плазменной) воде в процессе ее получения воздействием плазмы водяного пара на водный раствор электролита, что существенно повысит эффективность ее использования и производства. Проведенные испытания ростстимулирующих свойств плазменной воды показали практическую значимость решаемой данным изобретением задачи.