陈 敏，段鹏军，邵家源，刘振宇

(1.山西农业大学农业工程学院，山西 晋中030801； 2.山西农业大学信息科学与工程学院，山西 晋中030801)

0 引言

养殖业作为重要的产业之一，在规模化、集约化养殖过程中，通常会产生其他有害产物。这些会降低畜禽的免疫能力、代谢能力及生产性能，甚至会导致饲养员和周围居民患呼吸道疾病。在封闭环境下的畜禽养殖业，仅仅使用通风扇来改变环境不能完全去除恶臭气体。其中，氨气是公认的应激源，是畜禽养殖过程中最有害的气体之一[1]。因此，有效合理地处理氨气是当前研究的重要课题。现有技术中处理氨气等恶臭气体主要采用植物吸收与隔离法、吸附剂吸附法、热力学方法和化学吸收法等[2]。目前鸡舍处理氨气的方法主要采用水帘吸收法，水帘的主要功能是吸收鸡舍内空气的热量来降温，吸热后的水帘很容易会将吸收的氨气再次释放出来，所以水帘并不能达到彻底吸收氨气的作用。因此，研究一种将鸡舍内的氨气转化为稳定存储状态的方法，可以有效降低养殖舍内氨气的浓度，提高畜禽的生长速度和料肉比，降低畜禽的发病率，节约企业的成本，并且可以为解决氨气外排造成的环境污染提供帮助[3]。

1 构建模型

1.1循环系统

根据氨气的来源和特性设计循环系统结构。鸡舍内的气体经过顶部的通风系统作用后，通过管道进入右侧的气体吸收系统内，净化处理后进入换气系统，与空气交换得到新鲜的空气，3部分连通作用达到净化气体的目的[4]。循环系统流程如图1所示。

1.2气体吸收系统

根据化学试验结果——正电场可以促进硫酸铜溶液与氨气的反应，研究设计了气体吸收系统模型。作用原理如下。来自通风系统的舍内气体从进气口进入气体吸收系统。气体吸收系统为U型管状结构，不同位置分别有活性炭和硫酸铜溶液，并且布有相应的电场。活性炭位于进气口位置，对舍内气体进行初步净化处理，除去部分有害物质；硫酸铜溶液位于下方类似U型管的位置并充满底部管道，下部有电场作用，使经过的舍内气体充分接触硫酸铜溶液进而达到充分吸收氨气的效果[5]。处理后的舍内气体经过换气系统与外界空气交换成分，最后补充氧气等新鲜气体，重新进入舍内环境，为舍内的畜禽生长提供新鲜的空气[6]。气体吸收系统连接换气系统模型如图2所示。

图1 循环系统流程Fig.1 Flow chart of circulation system

图2 气体吸收系统模型Fig.2 Model of gas absorption system

1.3鸡舍循环系统模型

根据如上分析，在鸡舍设计整个循环系统模型，如图3所示。

2 试验装置与操作

根据氨气易溶于水，并且比空气密度小，通常位于鸡舍空间上层的物理性质，采用物理化学相结合的方法，利用硫酸铜溶液呈酸性、氨水溶液呈碱性的特性，遵循酸碱中和原理对氨气进行吸收[7]。在鸡舍装有通风扇的周边位置设计合理的装置。

图3 鸡舍循环系统模型Fig.3 Circulation system model of henhouse

2.1试验仪器和试剂

烧杯、玻璃棒、玻璃导管、橡胶管、分液器、加热炉、铁架台、漏斗、浓氨水、硫酸铜晶体和氢氧化钠粉末。

2.2试验装置设计

采用固液分离装置制备氨气，其中固体为氢氧化钠粉末，液体为氨水。电场环境下的气液反应，其中电场为高压脉冲电源连接密闭线圈产生电场，液体为浓度约10%的硫酸铜溶液，使用玻璃导管将制备的氨气通入硫酸铜溶液[8]。其中硫酸铜溶液选用10%是因为蓝色沉淀随着硫酸铜溶液浓度的降低而逐渐减少，选择浓度为10%，可以产生较好的反应效果[9]。产生电场的装置如图4～5所示。

1.塑料管架 2.绝缘子 3.导线图4 供电密闭线圈产生电场Fig.4 Electric field produced by power supply closed coil

图5 供电密闭线圈产生电场实物Fig.5 Physical diagram of electric field generated by power supply closed coil

2.3试验操作步骤及现象

在组装好反应装置后，每一次加入氨水，都需要检查装置的气密性。在电场环境下，使用氢氧化钠粉末点滴接触氨水的方式产生氨气模拟鸡舍内氨气的来源。其中氨气的气流大小受氨水滴加速度影响。使用玻璃导管直接将氨气通入硫酸铜溶液中模拟舍内气体通过充满硫酸铜溶液的管道状吸附装置，直接通入硫酸铜溶液是因为氨气极易溶于水，同时为了减少氨气因密度小飘向上空造成环境污染。

2.3.1正电场与自然环境对比

配置10%的硫酸铜溶液，取两份50 mL的硫酸铜溶液分别置于正常环境和电场环境下，使用玻璃导管输送氨气，人为控制导管高度，要求导管没入硫酸铜溶液，通入相同体积相同浓度的氨气。在经过1 min的反应后，观察反应现象，通过生成物来判断反应速率。设置高压脉冲电源电压1 kV，频率50 Hz，占空比25%，所形成的电场为正电场[10]。两种环境条件下的反应现象如图6所示。

图6 正常环境与1 kV正电场环境下的反应现象Fig.6 Reaction phenomena under normal environment and 1kV positive electric field

所形成的电场仍为正电场，改变电压为2、4、6、8和10 kV，其他条件不变，继续试验。在经过1 min的反应后，观察反应现象。以上5组的反应现象类似图6。

表1 正电场下不同电压梯度试验结果对比

图7 不同正电压环境下Cu2(OH)2SO4沉淀量对比Fig.7 Precipitation comparison of Cu2(OH)2SO4 under different positive voltage environments

试验现象：正电场环境下硫酸铜溶液与氨气反应产生的浅蓝色沉淀多，如图7所示。

试验现象表明：对比正常环境，正电场环境下硫酸铜溶液与氨气的反应速率确实得到了加快，但对比5组正电场环境下的反应速率，在相同时间内得到的结果是类似的[9]。资源的损耗与得到的结果不是成正比例的，因此正电场的供电电压控制在1 kV左右即可。

2.3.2负电场与自然环境对比

改变电场为负电场，其他条件不变，设置电压为-1 kV，正常环境与负电场环境下反应现象如图8所示。

图8 正常环境与-1 kV负电场环境下的反应现象Fig.8 Reaction phenomena under normal environment and -1kV negative electric field environment

所形成的电场仍为负电场，改变电压为-10、-8、-6、-4和-2 kV，其他条件不变，继续试验。在经过1 min的反应后，观察反应现象。以上5组的反应现象类似图8。

负电场下不同电压梯度试验结果对比如表2所示。沉淀量计算方法同正电压下的计算过程。

表2 负电场下不同电压梯度试验结果对比

试验现象：正常环境下硫酸铜溶液与氨气反应产生的浅蓝色沉淀多，如图9所示。

图9 不同负电压环境下Cu2(OH)2SO4沉淀量对比Fig.9 Precipitation comparison of Cu2(OH)2SO4 under different negative voltage environments

试验现象表明：对比正常环境，在负电场环境下硫酸铜溶液与氨气反应较慢，说明负电场对硫酸铜溶液与氨气反应产生了抑制作用，负电场对本研究没有实用意义。

2.3.3多变量对速率的影响

配置10%的硫酸铜溶液，取6份50 mL的硫酸铜溶液分别置于电场环境下，使用玻璃导管输送氨气，要求导管没入硫酸铜溶液，通入相同体积相同浓度的氨气。在经过1 min的反应后，观察反应现象，通过生成物来判断反应速率，其中电压为1 kV，频率分别为50、100、150、200、250和300 Hz，占空比为25%，所形成的电场为正电场，频率为变量，其他条件不变。6组不同频率的试验结果按频率左小右大顺序排列如图10所示。

对比结果：沉淀量没有太大差别，频率对反应过程影响比较小；部分溶液出现深蓝色，可能因为通入氨气的量过多，导致生成四氨合铜配离子。

图10 改变频率对反应过程的影响Fig.10 Effect of changing frequency on reaction process

配置10%的硫酸铜溶液，取3份50 mL的硫酸铜溶液分别置于电场环境下，使用玻璃导管输送氨气，要求导管没入硫酸铜溶液，通入相同体积相同浓度的氨气。在经过1 min的反应后，观察反应现象，通过生成物来判断反应速率，其中电压1 kV，频率50 Hz，占空比分别为25%、50%和75%，所形成的电场为正电场，占空比为变量，其他条件不变。3组不同占空比的试验结果按占空比左小右大顺序排列如图11所示。

图11 改变占空比对反应过程的影响Fig.11 Effect of changing duty ratio on reaction process

对比结果：沉淀量依次减少，占空比对反应过程呈负比例影响；部分溶液出现深蓝色，可能因为通入氨气的量过多，导致生成四氨合铜配离子。

2.3.4验证分析

正电场能加快硫酸铜溶液与氨气反应的原因为氨气在正电场环境下可能电离产生了某种物质[11]。根据氮元素的化合价和氨化合物的稳定性，猜想氨气在正电场环境下产生了亚硝酸根。

高锰酸钾是一种氧化剂，能与亚硝酸根在酸性条件下发生氧化还原反应，表现为亚硝酸根使酸性高锰酸钾溶液褪色，而氨气和其他氨化合物则不能。将氨气分别通入正电场环境下和正常环境下的酸性高锰酸钾溶液中，一段时间后观察酸性高锰酸钾溶液的变化。

试验现象表明，正电场环境下通入氨气的酸性高锰酸钾溶液对比正常环境下通入氨气的酸性高锰酸钾溶液发生了褪色。氨气在正电场环境下电离产生了亚硝酸根。

2.4小结与讨论

(1)向CuSO4溶液中通入氨气，得到浅蓝色的碱式铜盐Cu2(OH)2SO4，反应方程式为

2CuSO4+2NH3H2O=(NH4)2SO4+Cu2(OH)2SO4↓

其反应机理为

NH3·H2O=OH-+NH4+

Cu2++OH-=[CuOH]+

2[CuOH]++SO42-=Cu2(OH)2SO4↓

由于NH3·H2O是弱电解质，电离出的OH-离子浓度很小。当Cu2+离子与OH-离子结合生成[CuOH]+后，没有足够的OH-离子与[CuOH]+结合生成Cu(OH)2沉淀，只能生成溶解度较大的碱式铜盐(如[Cu2(OH)2SO4])沉淀。

(2)在含有碱式铜盐沉淀的溶液中继续通入氨气，得到深蓝色溶液，这是因为生成了四氨合铜配离子[9]。反应过程如下

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

通过多组对比试验得到，正电场能促进反应，负电场会抑制反应，电压的大小对反应速率没有实质性的影响，频率对反应速率没有影响，占空比对反应速率的影响呈反比例关系。为了减少能源的消耗，设计去除氨气的装置时，电压设为1 kV，频率为50 Hz，占空比为25%，以此来促进硫酸铜溶液与氨气的反应，达到高效吸收氨气的目的。

3 结论

主要采用物理化学相结合的方法，针对鸡舍内的氨气进行吸收处理，进而达到净化空气、减少环境污染、利于肉鸡养殖生产的目的。

(1)在鸡舍设计的循环系统优于往常鸡舍内仅有的通风扇，可以更好地改善鸡舍内的环境，有效降低鸡舍内氨气的浓度，提高畜禽的生长性能、代谢能力和免疫力，降低畜禽的发病率，节约畜禽养殖业的成本，减少饲养员患呼吸系统疾病的感染源，为周边居民提供更好的生活环境[12-13]。

(2)试验中使用的硫酸铜溶液是由硫酸铜晶体和水配置而成，硫酸铜晶体价格实惠，易于得到，硫酸铜溶液在空气中稳定易保存，可以长时间放置。硫酸铜溶液与氨气反应比较迅速，用于吸收氨气是一种比较有效的方式。同时在1 kV电压下搭建的正电场环境，能够加快该反应的速率，进而更有效地吸收氨气。将该循环系统应用于鸡舍环境中，应该定时每两个月添加一次硫酸铜溶液，以便更好、更有效地吸收氨气。

4 结束语

本研究通过增加脉冲电场影响进而改进对氨气的吸收处理，可以有效降低养殖舍内氨气的浓度，提高畜禽的生长速度和料肉比，降低畜禽的发病率，节约企业的成本，解决氨气外排造成的环境污染。本研究实现了养殖基地与农业基地的有效结合，具有较好的社会效益、经济效益和生态效益。