CC BY
25
© А.И. Жигульская, 2012
УЛК 662. 641: 634. 0. 332 А.И. Жигульская
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОБАВОК НА ОСНОВЕ ТОРФА И ЕГО ДРЕВЕСНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФОРМОВАННОЙ ПРОДУКЦИИ
Добавки на основе торфа и волокнистых масс из древесных включений торфяной залежи существенно влияют на физико-механические свойства и качественные характеристики получаемой на их основе продукции. Исследовано исходное сырье, процентное соотношение компонентов смеси исследуется с целью регулирования заданных технологических параметров работы оборудования при размоле и сокращения энергозатрат.
Ключевые слова: физико-механические свойства, волокнистая масса, торф, качественные характеристики, заданные технологические параметры, процентное соотношение компонентов, структурообразование
Лобавки на основе торфа и его древесных включений в целом следует отнести к классу многокомпонентных полифракционных полуколлоидно-высокомолекулярных соединений, обладающими признаками полиэлектролитов и микромозаичной гетерогенности.
Основу торфа составляют структуры переплетения остатков растений— торфообразователей, надмолекулярные комплексы продуктов распада и вещества органического и минерального происхождения, находящиеся в равновесии сводным раствором низко- и высокомолекулярных соединений.
Высокомолекулярные составляющие торфа (целлюлозы, гемицеллю-лозы, гуминовые вещества, фульво-кислоты и другие) придают ему специфические особенности, отличающие торф от типичных гетерогенных двухфазных систем. Основу макроструктуры торфа или основу структурного каркаса составляют переплетенные между собой растительные остатки. Растительные неразло-жившиеся волокна сосуществуют в
торфе полуколлоидно-высокомолекулярной составляющей, которая может быть непосредственно связана с грубодисперсной фракцией или может механически заполнять ячейки структурного каркаса. В свою очередь, растительный каркас состоит из растворимых, легкогидро-лизуемых, трудногидролизуемых и негидролизуемых веществ, процентное содержание которых зависит от типа растений и степени разложения торфа. Микроструктура самих растительных волокон представлена заполненными водой клетками, стенки которых армированы ориентированными (преимущественно линейно) цепями макромолекул целлюлозы, образующими фибриллы, боковые поверхности которых заполнены ге-мицеллюлозой и лигнином. Последний является инкрустирующим веществом, придающим вместе с продуктами распада прочность системе после удаления влаги. Гибкость цепей макромолекул, а следовательно, и растительных волокон в целом определяется затратами энергии на ком-формационные изменения. Во всех
случаях гибкость грубодисперсной фракции торфа растет с ростом степени гидратации активных групп целлюлозы. По данным В.Е. Раковского [1] содержание целлюлозы в растительных остатках характеризуется следуюшими данными: сфагновые — 12—17 %, травянистые — 14—25 %, древесные — 50—57 %. В процессе распада растений — торфообразова-телей содержание целлюлозы сушест-венно уменьшается, причем особенно быстро и наиболее полно протекает этот процесс в низинном торфе. Чем больше степень разложения торфа, тем меньше в нем целлюлозы. Содержание целлюлозы увеличивается от низинного торфа к верховому, а в пределах типа — от древесных к моховым видам. Из обширных исследований [2, 3] следует, что среднее содержание целлюлозы в низинном торфе равно 2,6 %, в переходном — 3,3 %, в верховом — 6,5. Максимальное количество целлюлозы обнаружено в сфагново—мочажинном — 10,6 (3,8—17,4 %) и фускум 8,9 (0,9—17,7 %) видах торфа. В переходном типе среднее по видам содержание целлюлозы изменяется от 4,6 (древесный торф) до 4,9 % (сфагновый торф), а в низинном от 1,1 (древесный торф) до 5,8 % (сфагновый торф).
В торфе содержатся углеводы — трудногидролизуемые и легкогидро-лизуемые. Последние в свою очередь разделяются на водорастворимые и гемицеллюлозы. К группе ве-шеств, растворимых в горячей воде, относятся крахмал и пектиновые вешества. С химической точки зрения пектиновые вешества являются ангидритами пентоз, гексоз и галак-тоурановой кислоты. Это группа вешеств может извлекаться из растительного материала без предварительного химического воздействия.
К легкогидролизуемым соединениям относятся гемицеллюлозы, которые могут быть извлечены из торфа путем гидролиза слабыми кислотами (2 и 4 % HCl) при нагревании до 100 °C. Гидролиз гемицеллюлоз приводит к получению простых углеводов: пен-тоз C5H10O5 и гексоз СбН120б. В состав гемицеллюлоз входят также по-лиуроновые кислоты, содержание которых в древесных гемицеллюлозах весьма значительно и колеблется в пределах 9—17 %. По своему характеру гемицеллюлозы занимают среднее положение между крахмалом и клейчаткой. Подобно целлюлозе ге-мицеллюлозы придают прочность растению. В то же время подобно крахмалу некоторые гемицеллюлозы в растениях являются резервными питательными веществами. По содержанию легкогидролизуемых углеводов обследованные виды торфа существенно отличаются друг от друга [2]. Наибольшее количество водорастворимых и легкогидролизуемых соединений (ВР + ЛГ) обнаружено в верховом торфе — 35,3 %. Низинный и переходный типы торфа мало отличаются по среднему содержанию ВР и ЛГ. Так, в низинном торфе ВР и ЛГ содержится 24,8 %, а в переходном — 22 %. Наибольшее количество ВР и ЛГ в низинном типе имеют сфагновый (31,4 %) и осоково—гипновый (30,1 %) виды торфа, а минимальное 19,1 % сосновый торф. В переходном типе среднее для видов содержание ВР и ЛГ находится в пределах 18,5 % (древесный торф) и 31,4 % (сфагновый торф). Фускум торф, в серии обследованных верховых видов, содержит максимальное количество ВР и ЛГ — 45,2 (30,9 — 57,5) %, а сосновый минимальное — 17,4 (10,3 — 24,7) % [2, 3].
Наиболее активной составляющей торфа являются гуминовые вещества.
Их содержание в торфе зависит от исходных растений — торфообразо-вателей и устойчивости отдельный растительных тканей к воздействию жидкой среды и анаэробных бактерий. В результате частичной деструкции тканей, их уплотнения, окисления и полимеризации создаются новые сложные органические соединения — гуминовые вещества. Степень гумификации приближенно соответствует широко известному понятию степени разложения. Гуминовые кислоты наименее изучены, имеются различные высказывания об их строении. По мнению В.Е.Раковского [1] гуминовые кислоты являются полимерами, мономеры которых содержат СООН группы и гидроксилы. По имеющимся данным молекулярный вес гуминовой кислоты — 1200—1400. Однако при таком весе гуминовую кислоту нельзя отнести к высокомолекулярным соединениям. Можно предположить, что в природных условиях гуминовые кислоты, соединяясь через слабые водородные и, возможно, химические связи, образуют рыхлые структуры, которые распадаются в период экстракции их из торфа. Устойчивость гуминовых к воздействию электролитов, также как и типичных коллоидных систем, может быть оценена по порогу структурообразования, который определяет характерные особенности гуминовых кислот как веществ, проявляющих одновременно свойства высокомолекулярных соединений и низкомолекулярных веществ с поверхностью раздела фаз.
Низинные виды торфа в большинстве случаев содержат большее количество гуминовых кислот, чем верховые. Гуминовые кислоты составляют в низинном торфе 39,1 %, в переходном — 37,7 %, в верховом — 24,5 % органической части. Исследования [2] показывают, что большему содер-
жанию гуминовых кислот соответствует меньшее количество легкогидро-лизуемых и водорастворимых углеводов. По максимальному содержанию гуминовых кислот типы торфа практически не отличаются, в то время как переходные и низинные образцы торфа с содержанием гуминовых кислот меньше 25 % практически не встречаются. В верховых видах торфа фактическое колебание содержания гуминовых кислот составляет 5,2—50 %. В серии наиболее распространенных видов низинного типа максимальное содержание гуминовых кислот обнаружено в древесном —
44.8 %, ольховом — 42,1 %, сосновом — 42,3 % и тростниковом — 42,1 % видах торфа. Наименее гу-мифицированными в этом типе являются сфагновый — 31,3 % и шейхце-риевый — 35,8 % виды торфа. В переходном типе максимальное количество гуминовых кислот обнаружено в древесном — 40,7 % и гипновом — 44,3 % видах, а минимальное: в сфагновом — 30,5 % и шейхцерие-вом — 35,8 % торфах. Верховой торф наиболее неоднороден по содержанию гуминовых кислот. Среди верховых видов торфа встречаются, с одной стороны — высокогумифици-рованные виды — сосновый — 43,1 %, сосново-пушицевый — 36,5 %, а с другой стороны — виды с низким содержанием гуминовых кислот — сфагново-мочажинный — 18,8 %, комплексный — 19,7 %, фускум —
16.9 % [2].
При соответствующей переработке из торфа можно получить формованное изделие, обладающее в сухом виде довольно высокой прочностью. Однако чтобы противостоять давлению питательного грунта на стенки горшочков, сохраняя их целостность и для получения продукции требуемого качества по базовой технологии в
состав массы для формования горшочков необходимо вводить связую-ший компонент — бурую древесную массу (картон марки В). В данной работе после многочисленных исследований предложена в качестве свя-зуюшей добавки древесноволокнистая масса из пнёвой древесины торфяной залежи, применение которой позволит комплексно использовать местные сырьевые ресурсы.
Волокнистая масса из древесных включений торфяной залежи после размола имеет неоднородный характер и состоит из древесных волокон, сучков волокон, мелких и крупных «спичек», частиц волокон, перерезанных или раздавленных вдоль и поперёк. Древесноволокнистая масса грубого помола характеризуется малой разработкой волокон и содержит много пучков волокон. Масса тонкого помола преимушественно состоит из фибриллированных волокон, которые приобрели большую гибкость и способность плотного формования на сетке.
Наилучшей оценкой качества свя-зуюшей добавки является непосредственное изучение ее структуры через микроскоп и измерение при помоши специальных приборов длины, диаметра и удельной поверхности волокон. Однако этот метод, широко применяемый при ведении исследовательских работ, мало используется в производственных условиях, где требуется оперативная оценка качества получаемого волокна. Для оценки качества волокнистой массы наибольшее распространение получил прибор «Дефибратор—секунда». Этот прибор построен с учётом того, что градус помола массы выражается в способности массы к обезвоживанию в единицу времени. Обозначается градус помола ДС. Исследования показали, что лучшей оценкой качества
волокнистой массы является обоб-шением двух характеристик: фракционного состава (в процентах по массе) и удельной поверхности фракции (см /г). Создание технологий для размола нового исходного сырья — пневой древесины торфяной залежи и выбор методов оценки качества получаемых древесноволокнистых масс и торфяных горшочков невозможны без проведения исследований и экспериментов в лабораторных и промышленных условиях, согласно разрабатываемой методике.
Одной из проблем, от успешного решения которых зависит дальнейшее развитие овошеводства и лесоводства, является вырашивание рассады. Увеличение урожайности, приживаемости саженцев и расширение ассортимента, получение продукции в более ранние сроки, экономное использование теплично-парниковых смесей, плошадей теплиц и лесных посадок, снижение трудоемкости и повышение уровня механизации производственных процессов — все эти задачи могут быть решены лишь при условии постоянного совершенствования технологии вырашивания рассады овошных, цветочных, лесных и других культур. Однако методы, применяемые для этих целей в настояшее время, имеют сушественные недостатки и не отвечают требованиям современного производства.
Принципиальная технологическая схема цеха, оборудованная одной линией по производству торфяных горшочков ЛТГ—1 проектной мошно-стью 25 млн горшочков в год представлена на рис. 1.
Торф в цех поступает в вагонах узкой колеи и может разгружаться в приемный бункер или штабель около цеха.
8 9 10 11 П 13 « 15 16 17 18 19 20 21
Рис. 1. Технологическая схема производства торфяных горшочков
Конвейером 1 торф подается на вибрационный грохот 2 ГВ-06. Просеянный торф попадает в бункер-дозатор 3 и, после накопления необходимого его количества, конвейер 1 и грохот автоматически отключаются, а торф перегружается конвейером 4 в ванну гидроразбивателя 6. Одновременно туда же загружается древесная масса (ДМ), предварительно отвешенная на весах В2, засыпаются заранее расфасованные минеральные компоненты (МК) удобрения, взвешенные на весах и заливается вода. В гидроразбивателе происходит роспуск древесной массы на отдельные волокна, насыщение водой тор-фянык частиц и растворение минеральных компонентов, в результате чего образуется однородная торфо-древесная масса, содержащая необходимые питательные вещества. Из гидроразбивателя насосом 5 масса перекачивается (по стрелке А) в бак 9, откуда затем насосом 10 подается в коническую мельницу 11. Задвижка, установленная на мельнице, регулируется таким образом, чтобы обеспечить получение необходимой степени переработки массы за один проход
через мельницу. Переработанная масса поступает в бак 12. Как только бак заполняется до верхнего уровня, насос 10 и коническая мельница автоматически выключаются и включаются снова только после опорожнения бака 12 до минимального уровня. Насосом 13 масса из бака 12 закачивается в бак 25, расположенный непосредственно у формующей машины 23. В баке 25 происходит разбавление массы водой (по стрелке В) из водопровода или из бака 8 до концентрации сухого вещества — 2 %, необходимой для формования горшочков. Из бака 25 насосом 24 масса перекачивается непосредственно в поддон формующей машины, при переполнении которого избыгток массы сливается обратно в бак 25. Все баки (9, 12, 25) снабжены перемешивающими устройствами для обеспечения однородности торфодревесной массы и предотвращения выпадения осадка.
Формование горшочков происходит при создании разряжения во всасывающих формах. Необходимое разрежение создается вакуумным насосом 19. Отсасываемая при формовании вода поступает в вакуумные ре-
зервуары 17 и 18, откуда насосом 16 перекачивается в резервуар 8. Оборотная вода из бака 8 насосом 7 подается в гидроразбиватель 6. Отделение горшочков со съемных форм осушествляется сжатым воздухом, который поступает к формуюшей машине от воздуходувки 21 через ресивер 20. Для обеспечения эффективной работы всасываюших форм они автоматически промываются водой перед началом каждого цикла, подаваемой насосом 15 из бака 14. Сформованные горшочки сбрасываются на сетчатый конвейер сушильной установки 22. После сушки до влажности 15— 25 % готовая продукция упаковывается в картонные коробки.
Часть оборудования цеха (фор-муюшая машина, сушильная установка, резервуары для массы, воды, вакуума и сжатого воздуха) специально спроектирована ВНИИТП для производства торфяных горшочков, а другое оборудование (гидроразбиватель, коническая мельница, насосы для перекачки массы и воды, вакуум— насос, воздуходувка, грохот) серийно выпускается отечественной промышленностью.
Использование торфяных горшочков и плит для лесоводства позволяет в течение всего периода вырашива-ния рассады производить регулярный полив растений, благодаря чему горшочки и плиты поддерживаются в увлажненном состоянии. Через определенный промежуток времени, который для определенных культур может колебаться от нескольких недель до нескольких месяцев, растения вместе с горшочками или плитами высаживаются в грунт на постоянное место.
Торфяные горшочки и плиты для лесоводства можно производить в промышленных цехах круглогодично, их удобно транспортировать и хранить. Они не содержат болезнетвор-
ных организмов, позволяют значительно экономнее использовать питательные смеси, при окончательном использовании они обогашают почву органическим вешеством. Применение обеспечивает благоприятные условия для развития растений (хорошая аэрация, накопление влаги в плите и стенках горшочка с постепенной ее отдачей) и позволяет осушествлять пересадку их в грунт без повреждения корневой системы. Благодаря этому практически исключаются потери рассады, обеспечивается хорошая приживаемость растений, они не задерживаются в росте и дают ранние и более высокие урожаи.
Использование торфяных горшочков и плит для лесоводства создает условия для механизации операций при вырашивании рассады и высадке ее в грунт, также способствует улучшению условий труда и повышению культуры производства в лесных и теплично-парниковых хозяйствах.
Эффективность применения данной продукции для вырашивания рассады определяется ее качественной характеристикой. Она должна отвечать целому ряду требований, предъявляемых к ее качеству условиями производства и применения. Торфяные полые горшочки и плиты для лесоводства должны обладать довольно высокой механической прочностью, как в сухом, так и во влажном состоянии, и сохранять первоначальную форму в течение периода, необходимого для развития рассады. Вместе с тем они должны иметь хорошую вла-гопоглашаюшую способность, не оказывать значительного сопротивления прорастанию через них корневой системе растений и после высадки в грунт должны полностью разложиться в почве. Масса, предназначенная для формования горшочков и прессования плит не должно содержать ве-
шеств, способствуюших появлению и развитию болезнетворных микроорганизмов, плесени и т.п.
Среди перечисленных требований особую сложность представляет обеспечение необходимой прочности влажных горшочков, стенки которых при очень маленькой толшине (2...2,5 мм) и довольно высоком влагосодержании (около 85 %) должны в течение длительного периода выдерживать давление засыпанного в них грунта Прочность формованной продукции из торфа обеспечивается, как известно, благодаря связям, которые возникают между торфяными частицами в результате действия различных сил молекулярной природы и развиваются в процессе сушки. Если в после-дуюшем высушенную продукцию подвергнуть увлажнению, эти связи будут в значительной мере разрушены. При этом основную роль в сохранении целостности и первоначальной формы влажного изделия играют силы трения, возникаюшее в результате механического переплетения частиц, что возможно лишь при волокнистой структуре материала. В связи с этим важным требованием, к исходному
1. Раковский В.Е. Общая химическая технология торфа. - М.: Госэнергоиз-дат, 1949.
2. Лиштван И. И. Исследования физико-химической природы торфа и процессов структурообразования в торфяных системах с целью регулирования их
сырью для производства формованной продукции является его волокнистое строение. Получение длинноволокнистой торфодревесной массы обеспечивается правильным процентным соотношением исходных компонентов и применением размольного оборудования во вновь создаваемых технологических схемах, позволяюшего получать добавки без сушественного укорочения длины и рубяшего воздействия на волокна.
Выполненные экспериментальные работы по обессмолеванию пневой дробленки, получению различных партий волокнистых масс, изготовлению опытных партий торфяных горшочков и проведению агротехнического эксперимента по вырашиванию рассады овошных культур доказали возможность использования древесных включений торфяной залежи в производстве новых связуюших добавок для торфяных полых горшочков и другой формованной продукции, используя любой из вариантов предлагаемых технологий в зависимости от качественных характеристик исходного сырья.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
свойств. Дисс. докт. техн. наук. Калинин: КПИ, 1969.
3. Тарало В.Н. Исследование основных закономерностей регулирования структуро-образования и водных свойств торфа при сушке. Дисс. канд. техн. наук. Калинин: КПИ, 1972. КЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Жигульская А.И. — кандидат технических наук, доцент, Тверской государственный технический университет, доцент кафедры «Торфяные машины и оборудование».
