Изследователска статия том 2 брой 4

Мириам Рафаилович, 1

Проверете Captcha

Съжаляваме за неудобството: предприемаме мерки за предотвратяване на измамни подавания на формуляри от екстрактори и обхождане на страници. Моля, въведете правилната дума на Captcha, за да видите имейл идентификатор.

1 Еврейска академия в гимназия на окръг Насау, САЩ
2 Гимназия в района на Уилсън, Ийстън, САЩ
3 гимназия Plainedge, Massapequa, САЩ
4 Катедра по материалознание и химическо инженерство, Университет Стони Брук, САЩ

Кореспонденция: Мириам Рафаилович, Катедра по материалознание и химическо инженерство, Университет Стони Брук, 100 Nicolls Rd, Стони Брук, 11794, САЩ, тел. 1516 4589 011

Получено: 02 август 2018 г. | Публикувано: 20 август 2018 г.

Цитат: Vilkas J, Lam PH, Jacobsen N, et al. Динамика на изпарението и запалимостта на водата от обикновения лист „дрян“ (Cornus kousa). Forest Res Eng Int J. 2018; 2 (4): 233-238. DOI: 10.15406/freij.2018.02.00055

Листата на Cornus kousa (дрян) бяха специално анализирани за способността им да устоят на изгаряне при три различни условия: пресни, изсушени в пещ и естествено паднали листа. Анализът на различните повърхностни свойства на всеки от листата е от особено значение и специалните атрибути на слоя на епидермиса се определят с помощта на оптична водна контактна ъглова микроскопия, оптична микроскопия и конфокална микроскопия. Водните капчици бяха изместени върху повърхността на листата, измервайки всеки от контактните ъгли за определен период от време, докато настъпи изпарението, което спомогна за разбирането на хидрофобните и хидрофилните свойства на листата в различни условия. Оптичната и конфокалната микроскопия бяха използвани за изследване на топологията на листния епидермис, не само чрез микроанализ на структурите на епидермалния слой, но и чрез 3D модел на различния ход и съответно гладките повърхности. Проведени са пламъчни тестове, за да се противопоставят скоростите на пиролизиране на листата при трите условия. Разбиране на свойствата, специфични за Cornus kousa и по-специално динамиката на изпаренията и запалимостта на водата, което е полезно за многобройни приложения, вариращи от предотвратяване на горски пожари до градинарство.

Ключови думи: Cornus kousa, структура на листата, свойства на повърхността на листата, запалимост на листата

Характеризирането и изследването на различни свойства на дървесните листа са важното съображение в различни научни области. Познаването на механизма, по който листата изгарят, също е от решаващо значение при разглеждането при работа с листа при различни видове храсти. Тези свойства са особено важни при разработването на нови методи за смекчаване на горските пожари, тъй като физическите и химичните свойства на листата са основните стимулатори на изгарянето и разпространението на горски пожари. 1–4

Сред трите най-добри избора за американското национално дърво, според Фондация Arbor Day, дрянът е на трето място. Дървото е родом от Съединените щати и сега се счита за едно от най-красивите, цъфтящи дървета сред храстите на Америка. 11 Видът дрян, Cornus, е разделен на единадесет подвида, от които нашият експеримент е насочен към подвида Cornus kousa. 12,13 Този вид обитава обширна географска област и често се среща в източните, среднозападните и южните райони на Америка, както и в Китай, Япония и Корея. Расте добре както в жилищни, така и в градски условия, както и в селски и горски райони и следователно влиза в контакт с големи групи от градско и селско население, както и с фауна в защитени природни местообитания.

Направени са многобройни изследвания върху растения с листни повърхности, които са били суперхидрофобни или хидрофилни, като например лотосови листа, 14 но е направено малко за обикновени видове растителни листа, които имат по-голямо въздействие върху общата популация. Weiss 15 е изследвал ъгъла на контакт на водните капчици върху листата спрямо водния потенциал. Използвани са обаче листа от фасул с по-малко восък като Phaseolus vulgaris L. и Glycine max L. Merrill, като единственият използван относително восъчен лист на растението е люцерна (Medicago sativa L.). Въпреки че авторът твърди, че вероятно е да се предположи, че восъчната повърхност на листата на люцерна упражнява контрол върху водната капка на повърхността на листата, тя е оставена без допълнително проучване.

Класификация на листата и селекция

За измерване и сравнение са използвани три вида листа от натурална корнус куса (дрян): пресни листа, сушени листа във фурната и паднали листа (естествено изсушени листа). Пресните и паднали листа бяха подбрани на случаен принцип. Изсушени листа на фурна бяха направени чрез поставяне на пресни листа в CIT Alcatel 2004A Вакуумна фурна за 25 минути при 90 ℃ и 400 mTorr.

Мониторинг на изпарението в три групи

Капчица дейонизирана вода беше изместена върху предната и задната външност на всяка прясна, изсушена в пещта и паднала листа. След това листата бяха поставени на измервател на оптичен ъгъл на KSV и държани на гониометъра, докато капката се изпари напълно. Лявият и десният ъгъл на капчицата при изпаряването й върху повърхността на листа се наблюдават на всеки 3 минути. Измерването спира, когато уредът не може да продължи да извършва точно измервания. Процесът се повтаря за предната и задната страна на всеки лист.

Изследване на микро ниво на повърхността на три групи

3D лазерният микроскоп VK – X250K Keyence е използван за получаване на оптични и 3D картиращи изображения на листни повърхности на пресни, изсушени в пещ и паднали листа. Снимките са направени както отпред, така и отзад на три вида листа при увеличение 10 x и 20 x.

Тест с пламък

Три пресни, три изсушени във фурната, три паднали листа бяха държани под пламъчна горелка с пропаново гориво, използвайки 2–3 cm пламък в продължение на 5 секунди. След това пламъкът е отстранен и е записано времето, необходимо за потушаване на пожара.

Инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR)

FTIR изображенията са направени както от предната, така и от задната страна на пресни, изсушени във фурната и паднали листа с спектрометър Perkin Elmer Frontier FT-IR. Използван е и атенюиран аксесоар за пълно отражение. Всеки спектър е усреднен от 32 сканирания.

Статистически анализ

Резултатите представляват тестване на най-малко 5 листа във всяка категория, от която са изчислени стандартните отклонения. Нивата на значимост, деноминирани чрез p стойностите, са изчислени с помощта на двустранен t-тест на ученици. Анализът на хи квадрат беше използван, за да се приспособят обемните и контактните ъглови промени на капчиците към линейни функционални форми и да се изведат грешките, свързани със скоростта на промяната. .

Изпаряване на капка вода върху предната и задната повърхност на листата

От измерванията на ъгъла на контакта се забелязва, че предната страна на пресния лист е хидрофилна, докато задната страна е по-хидрофобна. И предната, и задната страна на падналите листа бяха хидрофилни. Като се има предвид, че тези два вида листа са двата естествено срещащи се вида, това откритие на повърхностните енергийни характеристики доказа, че разработването на водна основа за забавяне на горенето за предотвратяване на разпространението на горски пожари е много обещаващо. Въз основа на резултатите, разтворът може лесно да се намокри и да се абсорбира от предната страна на пресните листа, както и от двете страни на падналите листа. Капката върху пресен лист се дължи на восъчното покритие в горната и долната част на епидермиса на листа. Тъй като падналият лист е имал подобен „прикрепен“ ефект, вероятно е восъчният слой да присъства и върху лист, подложен на разлагане.

Важно беше да се отбележат наблюдения, сравняващи резултатите като група. Въпреки че водната капчица върху изсушените листа във фурната представлява хидрофобно свойство на повърхността, тя се различава от „закрепения“ ефект на водните капчици върху пресните и паднали листа. 16 Това вероятно означава, че на всеки от листата има различни дебелини на слоя восъчна кутикула. Тази теория беше възможно обяснение защо падналите листа са имали хидрофилен ъгъл на контакт с вода, както и все по-голяма средна скорост на изпаряване на капчици вода. С други думи, тъй като падналото листо се разлага, то вече не попълва восъчния си слой на кутикула и следователно не е в състояние да контролира количеството на приема на вода, както пресните и изсушени във фурната листа. От друга страна, свежият лист току-що бе откъснат от дървото по-малко от 24 часа преди това и симулира много точно представяне на ъгъла на воден контакт на лист, все още прикрепен към дървото му. Следователно, фактът, че задната страна на пресните листа е по-хидрофобна и може

Маса загуба на вода при сушене във фурна

Пет пробни листа с различни размери на листа бяха използвани за оценка на количеството вода в стандартен лист, средното тегло на листа преди и след изсушаване бяха показани в Таблица 3, а стандартните отклонения бяха изчислени и показани на Фигура 3А. Установено е обаче, че средно листата са съставени от 68,28% вода. Промяната на водното съдържание може да се види и от FTIR спектъра. Върхът на около 3400 cm –1, което съответства на водата, е открит 17 и за трите вида листа. Интензивността на този пик е установена най-висока както от предната, така и от задната страна на пресни листа, което предполага най-високото съдържание на вода в пресните листа. Изсушените във фурната листа имат подобно водно съдържание от двете страни на листа, тъй като са изсушени в контролирана и екстремна среда. Що се отнася до падналото листо, въпреки че предната страна има малко по-високо съдържание на вода от задната страна, и двете бяха значително по-малко в сравнение с пресните листа. Таблица 3 изигра важна роля в резултатите от 5.1, като помогна да се разберат повърхностните свойства на изсушеното във фурната листо. Освен това количеството загуба на вода би спомогнало за разпознаването на структурите в 5.3.

Изследване на микро ниво на повърхността на три групи

3D изображението на топографията на повърхността на листата доказа, че има различни нива на восъчни кожички върху епидермиса на различни листа. Както е показано на Фигура 4, формата и повърхностната структура на трихрома останаха еднакви и при трите вида листа. По този начин трихромната структура на листата не е била засегната нито от процеса на сушене във фурната, нито от естествения процес на разпадане. И на фигура 5А, и на фигури 6А структурите, които приличаха на подутини и шипове, бяха восъчни кутикули. 18,19 Освен това беше доказано, че Фигура 6А прилича на по-активни структури, което корелира с твърдението в 5.1, че в задната част на листа Cornus kousa е характерно да има восъчни кутикули, отколкото на предната му страна. Освен това беше очевидно, че процесът на сушене във фурната води до изпаряване на водата от мезофилния слой, принуждавайки листа да се компресират и да образуват кратерите, видени на Фигура 5С, които наподобяват останалата венозна структура на ксилемите и равномерното покритие на останалата восъчна кутикуларен слой. 20 Освен това беше в рамките на тази теория, че восъчният кутикуларен слой на падналото листо беше частично разложен и следователно беше и жизнеспособен анализ поради частично наблюдаваните текстури, които приличаха на восъчните кутикули и структурите на кратера на ксилема на Фигура 5Е.

Тест с пламък

Тестовете за изгаряне показаха, че изсушените във фурната листа и падналите листа изгарят със същата скорост, както се вижда в Таблица 4. Пресните листа са много по-устойчиви на пламъка от предишните две. В случай на изсушен лист във фурната и естествено изсушен лист, 5.2 и 5.3 демонстрират, че и двамата са загубили вода. Следователно и в двата случая беше показано, че останалата вода е напълно загубена за секундите, започващи горенето. От резултатите от изпитването на пламъка се вижда, че водата е важна в механизма на огнеустойчивост на листа. Водата съставлява над 68,28% от масата на листата и следователно корелира със свойствата на огнезащитните вещества на листа (Фигура 7).

запалимостта

Фигура 1 Измервания на ъгъла на контакт при процеса на DI изсушаване на водата върху листните повърхности: (A) и (B) бяха предната и задната страна на пресните листа; (C) и (D) са отпред и отзад на сушени листа от фурната; (E) и (F) бяха предната и задната страна на падналите листа. Жълтите линии показват височината и радиуса на капката вода DI.

Фигура 2 Промяна на обема на капчиците и ъгъла на контакт с течение на времето върху различни листни повърхности: (A) и (C) бяха предната страна на листата; (B) и (D) бяха задната страна на листата; (E) стълбовидна диаграма на намаляващата скорост на обема на капчиците; (F) стълбовидна диаграма на намаляващата скорост на ъгъла на контакт с вода.

Фигура 3 (А) Линейна графика за тегло на листата преди и след изсъхване; (B) FTIR спектър, взет от предната и задната страна на пресни, изсушени във фурната и паднали листа.

Фигура 4 Оптични микроскопски изображения на трихром върху три вида листа: (A) пресни листа; (B) сушени листа във фурна; и (В) паднал лист.

Фигура 5 Оптични микроскопски изображения и 3D карти на лицевата страна на листните повърхности: (A) и (B) са за пресни листа; (C) и (D) са за сушени листа във фурна; (E) и (F) бяха за паднали листа.

Фигура 6Изображения с оптичен микроскоп и 3D карти на задната страна на листните повърхности: (A) и (B) са за пресни листа; (C) и (D) са за сушени листа във фурна; (E) и (F) бяха за паднали листа.

Фигура 7 Стълбовидна диаграма, показваща времето преди изгаряне на пресни, изсушени във фурната и опали листа.

Намаляваща скорост на обема на капката
(мL/min)

Намаляваща скорост на ъгъл на контакт
(градус/мин)