CC BY
19
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.362.3
Использование солевых растворов для выделения спорыньи из зерна озимой ржи
Сысуев Василий Алексеевич, академик РАН, директор, Саитов Виктор Ефимович, доктор техн. наук, ст. научный сотрудник, Устюжанин Игорь Александрович, кандидат с.-х. наук, зам. директора, Саитов Алексей Викторович, механик ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока», Киров, Россия
Е-mail: vicsait-valita@ e-kirov.ru
Бункерный зерновой ворох, доставленный от зерноуборочных комбайнов на пункты послеуборочной обработки, представляет собой смесь полноценного зерна, сорных и вредных примесей, к которым относятся склеро-ции спорыньи. Использование воздушно-решетно-триерных машин, пневмосортировальных столов, фотосепараторов и других устройств не дает положительных результатов при очистке зернового материала от примесей спорыньи из-за близости их физико-механических свойств. Отделение склероций спорыньи от семян по их удельной массе возможно в растворах солей. Для разработки машины очистки зернового материала от склероций спорыньи по удельной массе мокрым способом и выполнения технологического процесса с надлежащей эффективностью проведены исследования по приготовлению солевых растворов необходимой плотности. Показатели растворимости в воде хлористого калия (KCl), хлористого натрия (NaCl) и хлористого кальция (CaCl2) позволяют довести плотность раствора до 1162,1203 и 1370 кг/м3 соответственно, что выше максимальной удельной массы склероций спорыньи, равной 1150 кг/м3. Плотность водного раствора сернокислого калия (K2S04) ниже максимальной удельной массы склероций спорыньи, что ограничивает возможность его использования для выделения спорыньи. Получены графические зависимости массы соли от объемов воды 0,1...1,0 л для приготовления раствора NaCl, CaCl2 и KCl, которые выражаются линейными уравнениями, удобны для практического использования, позволяют оперативно определять требуемую массу соли при приготовлении раствора необходимой плотности путем перерасчета кратно нужному объему воды.
Ключевые слова: зерновой материал, озимая рожь, злаковая культура, спорынья, ядовитая примесь, зерноочистительная машина, удельная масса зерна, раствор соли
Зерновой ворох, поступающий от комбайнов на зерноочистительные пункты, кроме полноценного зерна содержит различные сорные примеси. Одной из этих примесей являются склероции спорыньи, которые содержат ядовитые вещества, вызывающие различные заболевания у людей и животных [1].
Основные физико-механические свойства (скорость витания, толщина, ширина и длина) зерна основных зерновых культур (пшеницы, ячменя, ржи и овса) и склероций спорыньи схожи. Использование пневмосортировальных столов, воздушно-решетно-триерных машин и других устройств не дает положительных результатов при очистке зернового материала от данных примесей из-за близости их свойств со свойствами очищаемой культуры [2, 3].
Однако зерна основных зерновых культур имеют удельную массу 1200.. .1500 кг/м3, а склероции спорыньи - 900.1150 кг/м3. Поэтому очистка семян от склероций спорыньи, отличающихся от зерна плотностью, возможна в растворе соли [4, 5, 6].
Для разработки машины очистки зернового материала по удельной массе мокрым способом и выполнения технологического процесса с
надлежащей эффективностью выделения склероций спорыньи требуется приготовление солевого раствора необходимой плотности, обусловливающее определение массы соли.
Цель исследования - определение концентрации соли при приготовлении раствора для выделения склероций спорыньи из зернового материала.
Материал и методы. С целью выделения склероций спорыньи из озимой ржи мокрым способом были рассмотрены водные растворы хлористого натрия (NaCl), хлористого кальция (CaCl2), хлористого калия (KCl) и сернокислого калия (K2SO4). Данные неорганические соли для анализа водных растворов были выбраны исходя из легкой растворимости в воде, доступности их приобретения вследствие массового производства, а также отсутствия влияния токсичности на семенные и пищевые качества зерна.
Процентная концентрация соли в растворе или массовая доля шс растворенной соли - это отношение массы mc растворенной соли к общей массе m раствора, выраженное в процентах [7]:
m„
m
■ 100%.
(1)
Из формулы (1) следует, что общая масса т раствора - это масса растворенной соли плюс масса воды. Следовательно, для приготовления солевого раствора с различной плотностью р зависимость массы тс соли от объема Ув воды можно выразить по формуле:
100 -m
(2)
где Ve - объем (масса) воды для приготовления раствора, л (кг); юс - процентная концентрация или масса растворенной соли на 0,100 кг готового раствора, % (кг).
Плотность р водных растворов рассматриваемых неорганических солей и их процентных концентраций шс при температуре раствора 200С получена в виде массива дискретных значений согласно электронной справочной таблице [8, 9]. Обработка массива полученных дискретных значений зависимости плотности р водных растворов неорганических солей от их концентраций шс и определение зависимости массы mc соли от объема Ve воды для каждой плотности р раствора осуществлена с помощью стандартной программы по статистической обработке данных Microsoft Excel 2013.
Результаты и их обсуждение. В результате обработки массива дискретных значений зависимости плотности р водных растворов хлористого натрия (NaCl), хлористого кальция
10 15 20 (ос,% 30 а
(CaCl2), хлористого калия (KCl) и сернокислого калия (K2SO4) от массовой доли юс растворенной соли получены регрессионные модели:
pNaCl = 996,490 + 1,123т c, r = 0,999; (3) Рааг = 981,960 + 9,964юс, ркс1 = 996,13 + 6,803юс, Рк, so = 998,06 + 8,251ос,
r = 0,997; (4) r = 0,999; (5) r = 0,999. (6)
Данные регрессионные модели описываются линейными уравнениями. Коэффициенты г корреляции уравнений близки к 1,0, что свидетельствует о высоком приближении теоретических моделей к табличным данным.
Полученные зависимости (3), (4), (5) и (6) представлены на рисунке 1, из которого следует, что максимальная плотность р раствора хлористого натрия составляет 1203 кг/м3 при концентрации шс растворенной соли 26,3%, хлористого кальция - 1370 кг/м при тс = 37,3%, хлористого калия - 1162 кг/м3 при юс = 24,0%, сернокислого калия - 1081 кг/м3 при юс = 10,0%. Причем при одинаковой плотности р содержание соли в водных растворах сернокислого калия и хлористого кальция меньше, чем в водных растворах хлористого натрия и хлористого калия. Так, при плотности р водного раствора 1080 кг/м3 содержание соли в растворах сернокислого калия и хлористого кальция составляет 10,0 и 9,4% соответственно, в растворах хлористого натрия и хлористого калия 11,0 и 12,5% соответственно.
15 о»с, %
1000 800
1400
Р, кг/м3
1000 800
0 5 10 15 20 25 30 сос, %40
0
8 о)с,% 12
Рис. 1. Зависимости плотности р раствора от массовой доли юс растворенной соли: а - раствор хлористого натрия (КаС1); б - раствор хлористого кальция (СаС12); в - раствор хлористого калия (КС1); г - раствор сернокислого калия (К2804); - пределы варьирования удельной массы склероций спорыньи
тс =
б
в
г
Из этих показателей следует, что в водных растворах хлористого натрия, хлористого кальция и хлористого калия все склероции спорыньи, характеризующиеся удельной массой 900.1150 кг/м3, будут всплывать на поверхность раствора, а зерна зерновой культуры (озимой ржи), характеризующиеся удельной массой 1200.1500 кг/м3, тонуть и выпадать на дно емкости. Водный раствор сернокислого калия, имеющий максимальную плотность 1081 кг/м3, не способен выделять склероции спорыньи с удельной массой выше его плотности, а потому применение этого раствора ограничено.
Тогда, согласно выражению (2), с использованием дискретных значений, описываемых уравнениями (3), (4), (5) и (6), получен массив расчетных данных зависимости массы mc соли от объема Ув воды для различной плотности р (кг/м3) раствора NaCl, CaCl2 и KCl. Расчетные данные получены для объемов воды 0,1.1,0 л, что позволяет определять требуемую массу mc соли при приготовлении раствора необходимой плотности р путем перерасчета кратно нужному объему воды. Согласно расчетам на рисунках 2, 3 и 4 приведены номограммы для определения массы mc соли от объема Ув воды для различной плотности р (кг/м3) растворов NaCl, CaCl2 и KCl. Зависимости массы mc соли от объема Ув воды растворов характеризуются линейными уравнениями, их коэффициенты r корреляции равны 1,0, что свидетельствует о совпадении теоретических моделей расчетным дискретным табличным данным.
Полученные зависимости позволяют определять требуемую массу mc соли для различного объема Ув воды при подготовке раствора. Так, например, при подготовке водного раствора плотностью р = 1100 кг/м3, исходя из известных пределов варьирования удельной массы склероций спорыньи 900.1150 кг/м3, для объема Ув воды 0,5 и 1,0 литра масса mc хлористого натрия должна составлять 78,535-10"3 и 157,407-10"3 кг соответственно, масса mc хлористого кальция - 64,971-10"3 и 129,943-10"3 кг соответственно, а масса mc хлористого калия - 91,01510-3 и 182,030-10"3 кг соответственно.
Заключение. Показатели растворимости в воде хлористого калия, хлористого натрия и хлористого кальция позволяют довести плотность раствора до 1162, 1203 и 1370 кг/м3 соответственно, что выше максимальной удельной массы склероций спорыньи, равной 1150 кг/м3.
Плотность водного раствора сернокислого калия ниже максимальной удельной массы склероций спорыньи, что ограничивает возможность его использования для ее выделения.
400
100 200 300 400 500 600 700 800 10 л 1000
Рис. 2. Номограмма для определения массы mc соли от объема Ув воды для различной плотности р (кг/м3) раствора хлористого натрия (NaCl)
300
800 К, Ю л 1000
Рис. 3. Номограмма для определения массы тс соли от объема Ув воды для различной плотности р (кг/м3) раствора хлористого кальция (СаС12)
10 кг
100 200 300 400 500 600 700 800 V„ 10 л 1000
Рис. 4. Номограмма для определения массы тс соли от объема Ув воды для различной плотности р (кг/м3) раствора хлористого калия (КС1)
Номограммы для определения массы mc соли от объема VB воды для приготовления раствора NaCl, CaCl2 и KCl выражаются линейными уравнениями, удобны для практического использования, позволяют оперативно определять требуемую массу mc соли для различного объема VB воды при приготовлении раствора необходимой плотности с целью выделения склероций спорыньи из зернового материала (озимой ржи) мокрым способом.
Список литературы
1. Рукшан Л.В. Спорынья. Минск: Изд-во Центр БГУ, 2003. 216 с.
2. Дринча В.М., Борисенко И.Б. Применение и функциональные возможности пневмосортироваль-ных столов // Научно-агрономический журнал. 2008. № 2 (83). С. 33-36.
3. Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Качественные показатели работы фотосепаратора по фракционной технологии при разделении семян подсолнечника // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 1 (32). Ч. 3. С. 23-25.
4. Павловский Г.Т., Птицын С.Д. Очистка, сушка и активное вентилирование зерна. 2-е изд., ис-прав. и доп. М.: Высшая школа, 1972. 256 с.
5. Сысуев В.А., Саитов В.Е., Савиных П.А., Саи-тов А.В. Очистка зерна от спорыньи // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 6. С. 46-49.
6. Саитов В.Е., Суворов А.Н., Саитов А.В. Очистка зернового материала от склероций спорыньи в солевых растворах // Состояние и перспективы развития АПК Центрального Нечерноземья: сб. материалов Междун. заочной науч.-практ. конф., посвящ. 120-летию создания ФГБНУ Смоленской ГОСХОС. Стодо-лище: ФГБНУ Смоленская ГОСХОС, 2016. С. 238-243.
7. Концентрация растворов - Википедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru. wikipedia. org ^к1/Концентрация_растворов (дата обращения 06.04.2016).
8. Techemy - сайт химиков > справочник по химии. [Электронный ресурс]. URL: http://techemy com/handbook/tab0003.php (дата обращения 06.04.2016).
9. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. Мн.: Современная школа, 2005. 608 с.
Use of saline solutions for the isolation of ergot of rye grain Sysuev V.A., academician, director;
Saitov V.E., DSc in technical sciences, senior researcher;
Ustyuzhanin I.A., PhD in agriculture, deputy director; Saitov A.V., mechanical North-East Agricultural Research Institute, Kirov, Russia
Bunker grain heap delivered from combine harvesters to postharvest processing items is a blend of full grain, weeds and harmful impurities, which include ergot sclerotia. Using air-sieve-indented machines, pneumatic sorting tables, sorter and other devices do not give positive results when cleaning the grain material from impurities ergot because of the proximity of their physical and mechanical properties. Selection of ergot sclerotia from seed on their specific weight may be done in salt solutions. To develop cleaning machine grain material from ergot sclerotia on the specific weight of the wet process and the implementation process with the proper performance studied for the preparation of salt solutions required density. The solubility in water of potassium chloride (KCl), sodium chloride (NaCl) and calcium chloride (CaCl2) allow to bring the mud density to 1162, 1203 and 1370 kg/m3, respectively, higher than the maximum specific gravity sclerotia ergot equal to 1150 kg/m3. The density of the aqueous solution of potassium sulfate (K2SO4) is below the maximum specific gravity of ergot sclerotia, which limits the possibility of its use for the isolation of ergot. We obtain a graph of the mass of salt water volume 0.1...1.0 liters for the preparation of sodium chloride solution (of NaCl), calcium chloride (of CaCl2) and potassium chloride (KCl), which are expressed by linear equations, suitable for practical use, allow quickly determine the required weight of the salt solution in the preparation of the required density by recalculating a multiple of the required volume of water.
Key words: grain material, winter rye, cereals, ergot, a poisonous impurity, grain cleaning machine, the specific weight of the grain, salt solution
References
1. Rukshan L.V. Sporyn'ya. [Ergot]. Minsk: Izd. Tsentr SOU, 2003. 216 p.
2. Drincha V.M., Borisenko I.B. Primenenie i funk-tsional'nye vozmozhnosti pnevmosortiroval'nykh stolov. [Application and functionality of pneumo-sorting tables]. Nauchno-agronomicheskiy zhurnal. 2008. no. 2 (83). pp. 33-36.
3. Shaforostov V.D., Priporov I.E. Kachestvennye poka-zateli raboty fotoseparatora po fraktsionnoy tekhnologii pri razdelenii semyan podsolnechnika. [Qualitative indicators of action of photoseparator at fractional technology for the separation of sunflower seeds]. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2015. no. 1 (32). part 3. pp. 23-25.
4. Pavlovskiy G.T., Ptitsyn S.D. Ochistka, sushka i aktivnoe ventilirovanie zerna. 2-e izd., isprav. i dop. [Cleaning, drying and active ventilation of grain. 2 nd ed., Corrected. and ext.]. Moscow: Vysshaya shkola, 1972. 256 p.
5. Sysuev V.A., Saitov V.E., Savinykh P.A., Saitov A.V. Ochistka zerna ot sporyn'i. [Cleaning grain on the ergot]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2015. no. 6. pp. 46-49.
6. Saitov V.E., Suvorov A.N., Saitov A.V. Ochistka zernovogo materiala ot sklerotsiy sporyn'i v solevykh rastvorakh. [Cleaning grain material from ergot sclerotia in salt solutions]. Sostoyanie i perspektivy razvitiya APK Tsentral'nogo Necherno-zem'ya: sb. materialov Mezhdunarod. zaochnoy nauch.-prakt. konf., posvyashchennoy 120-letiyu sozdaniya FGBNU Smolenskoy GOSKhOS. [Condition and prospects of development of agrarian and industrial complex of the Central Black Earth Region: sat. the International materials correspondence scientific-practical conf., dedicated to the 120-th anniversary of the FGBNU Smolensk GOSKHOS]. Stodolishche: FGBNU Smolenskaya GOSKhOS, 2016. pp. 238-243.
7. Kontsentratsiya rastvorov - Vikipediya. Available at: https://ru.wikipedia.org/wiki/Kontsentratsiya_rastvorov (accessed 06.04.2016).
8. Techemy - sayt khimikov > spravochnik po khimii... Available at: http://techemy.com/handbook/ tab0003.php (accessed 06.04.2016).
9. Volkov A.I., Zharskiy I.M. Bol'shoy khimicheskiy spravochnik. [Large chemical reference]. Minsk: Sovremennaya shkola, 2005. 608 p.
