Исследование форм связи влаги в рапсе методом термогравиметрического анализа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ВестпикВТУИТ/Proceedings of VSUET, Т. 81, № 1, 2019-

Оригинальная статья/Original article_

УДК 663.933

DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-1-27-31

Исследование форм связи влаги в рапсе методом _термогравиметрического анализа_

Сергей В. Шахов 1 [email protected] Игорь А. Саранов 1 [email protected] Абилхан К. Садибаев 2 [email protected] Асет А. Малибеков 2 [email protected] Евгений В. Литвинов 1 [email protected] _Павел В. Груздов 1 [email protected]_

1 Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

2 Таразский государственный университет имени М.Х. Дулати, ул. Ниеткалиева, 1, Тараз, Казахстан

Аннотация. В работа рассмотрен метод термогравиметрического анализа, представляющий собой один из немногих абсолютных методов анализа, что делает его одним из наиболее точных методов. В данном исследовании проведен термогравиметрический анализ рапса, который позволил определить температурные зоны, соответствующие влагоудалению с различной энергией связи, что дает возможность прогнозировать режимные параметры процесса влагоудаления и выбирать наиболее эффективный способ их дегидратации. Исследования проводились в лаборатории центра коллективного пользования «Контроль и управление энергоэффективных проектов» ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» на приборе синхронного термического анализа модели STA 449 F3 (NETZSCH, Германия) Прибор фиксирует изменение массы вещества и различие теплового потока в тигле, содержащем образец, и тиглем содержащем эталонное вещество. Принцип работы анализатора основан на постоянной регистрации зависимости изменения массы материала от времени или температуры при его нагревании в соответствии с заданной температурной программой в установленной газовой атмосфере. Одновременно регистрируется выделение или поглощение тепла образцом, обусловленное фазовыми переходами или химическими реакциями. Исследования проводили при следующих режимах: давление - атмосферное, максимальная температура 413 К, скорость изменения температуры 5 К/мин. Для опыта использовали алюминиевые тигли с общей массой навески 12 мг. Для построения полученных зависимостей TG и DTG использовалось программное обеспечение NETZSCH Proteus. Полученные зависимости позволил выделить периоды дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на рапс, а также выявить

The research of moisture forms in the rape by the thermogravimetric _analysis method_

Sergey V. Shakhov 1 [email protected] Igor A. Saranov 1 [email protected] Abilhan K. Sadibaev 2 [email protected] Aset A. Malibekov 2 [email protected] Eugene V. Litvinov 1 [email protected] _Pavel V. Gruzdov 1 [email protected]_

1 Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

2 Taraz state University named after M.Kh. Dulati, Nietkaliev str., 1, Taraz, Kazakhstan_

Abstract. The paper considers the method of thermogravimetric analysis, which is one of the few absolute methods of analysis, which makes it one of the most accurate methods. In this study, a thermogravimetric analysis of rapeseed was carried out, which allowed to determine the temperature zones corresponding to moisture removal with different binding energy, which makes it possible to predict the regime parameters of the process of moisture removal and to choose the most effective way of their dehydration. Studies were conducted in the laboratory of the center for collective use "Control and management of energy efficient projects" of the "Voronezh State University of Engineering Technologies" on the device of synchronous thermal analysis model STA 449 F3 (NETZSCH, Germany) the Device records the change in the mass of matter and the difference in the heat flow in the crucible containing the sample, and the crucible containing the standard of the test substance. The principle of operation of the analyzer is based on the constant recording of the dependence of the change in the mass of the material on time or temperature when it is heated in accordance with a given temperature program in the established gas atmosphere. At the same time, heat release or absorption by the sample due to phase transitions or chemical reactions is recorded. The study was performed in the following modes: pressure is atmospheric, the maximum temperature of 413 K, the rate of change of temperature of 5 "C/min. For the experiment using aluminum crucibles with a total weight of 12 mg. NETZSCH Proteus software was used to build the resulting Tg and DTG dependencies. The obtained dependences allowed to identify the periods of water dehydration and conversion of dry substances under thermal effects on rapeseed, as well as to identify the temperature zones that correspond to the release of moisture with different forms and binding energy. Keywords: rape, relationship of moisture, thermogravimetric analysis

Введение

Термогравиметрический (ТГА) анализ является прецизионным методом анализа и совершенным экспериментальным методом, который заключается в измерении зависимости массы образца от температуры среды в которую он помещен при постоянной скорости изменения температуры.

Для цитирования

Шахов С.В., Саранов И.А., Садибаев А.К., Малибеков А.А., Литвинов Е.В., Груздов П.В. Исследование форм связи влаги в рапсе методом термогравиметрического анализа // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. № 1. С. 27-31. ао1:10.20914/2310-1202-2019-1-27-31

При этом влияние размера частиц на результаты термогравиметрического измерения довольно мало изучены. Размер частиц влияет на процесс диффузии выделяющихся газов, что сказывается на скорости реакции и соответственно на форме кривой. Чем меньше размер частиц, тем быстрее достигается равновесие и

For citation

Shakhov S.V., Saranov I.A., Sadibaev A.K., Malibekov A.A., Litvinov E.V., Gruzdov P.V. The research of moisture forms in the rape by the thermogravimetric analysis method. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2019. vol. 81. no. 1. pp. 27-31. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2019-1-27-31

тем больше для любой заданной температуры степень разложения.

Для нахождения рациональных режимов сушки семян рапса необходимы исследования форм связи влаги с материалом и определения температурных режимов, на которых происходит структурное изменение продукта. В основе данной работы лежит метод термограметриче-ского анализа, который позволяет получить данные о механизме влагоудаления, выявить температурные режимы, а также количество влаги, удаляемой из материала.

Материалы и методы

В представленном исследовании все измерения проводились на приборе синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter (NETZSCH, Германия) (рисунок 1, 2) с держателем образца типа S в алюминиевом тигле с проколотой крышкой, измерения проводились в среде азота класса 5,0 (расход активного газа 50 мл/мин, защитного - 20 мл/мин).

Рисунок 1. Прибор синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter

Figure 1. Simultaneous thermal analysis device STA 449 F3 model Jupiter

Используемый термоанализатор состоит из весовой системы, держателя образца, который размещается в камере печи и подъемного устройства печи. Запуск измерения, регистрация и контроль показаний массы, температуры и времени производились с помощью программного обеспечения Proteus, установленного на персональный компьютер. [1, 2, 5].

Принцип работы термического анализатора основан на непрерывной регистрации зависимости массы материала, изменяющейся во времени, от температуры при его нагревании в соответствии с заданной температурной программой в выбранной газовой атмосфере [1, 2, 5].

Исследования проводили при следующих режимах: давление - атмосферное, максимальная температура 413 K, скорость изменения температуры 5 °С/мин. [3] В опыте использовали алюминиевые тигли с общей массой навески 12 мг.

Рисунок 2. Внутреннее устройство прибора синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter

Figure 2. The internal structure of the device simultaneous thermal analysis model STA 449 F3 Jupiter

Temperature,

Рисунок 3. Экспериментальные зависимости изменения массы образца ТГ и скорости изменения массы ДТГ Figure 3. Experimental dependences of the mass change of the sample TG and the rate of mass DTG change

На рисунке 3 представлены результаты, полученные в ходе выполнения термогравиметрического анализа: кривая изменения массы материала ТГ, кривая скорости изменения массы ДТГ. Из графика кривой ТГ видно, что в процессе нагрева материала наблюдается монотонное уменьшение массы образца, что связано с потерей влаги. С целью получения зависимости степени изменения массы материала (степени превращения) а от температуры используется часть кривой изменения массы ТГ, соответствующей процессу дегидратации.

Степень изменения массы а рассчитывается как отношение изменения массы материала Лтобщ:

Ат

а = -

Построенная зависимость имеет S-образ-ный вид (рисунок 4), отражающий нелинейный характер взаимодействия влаги и сухих веществ в материале, и предполагает разные участки полученной кривой с различными скоростями дегидратации.

Для установления четких интервалов температур и получения подробного механизма удаления влаги, а также количества влаги, удаляемой из материала, используется кривая зависимости (-^ а) от величины 103/Т (рисунок 5).

Am,

общ

25 35 45 55 65 75 85 95 105 1 15 ---Рапс прошлогодний Last year's rape -Рапс свежий Fresh rapeseed

Рисунок 4. Зависимость степени изменения массы а от температуры T материала при нагревании со скоростью 5 °С/мин Figure 4. The dependence of mass а change degree on the temperature T of the material being heated with at 5 °C/min speed

2,0

1,8 L6 1,4

1,2

to

вд 1.0 ^

0,8 0,6 0,4 0.2 0,0

1

/

И у

■II

——¡11

2-4 2,5 2,6 2,1 2.8 2,9 3 3,1 3,2 -Рапс свежий Fresh rapseed ---Pane прошлогодний Last year rapeseed

3,3 3,4 1000/T , l/°C

Рисунок 5. Зависимость (-lg а) от величины 103/T при нагревании со скоростью повышения температуры 10 K/мин I,n,III - 1, 2 и 3 периоды сушки

Figure 5. The dependence of (-lg а) on the value of 103/T being heated with a rate of temperature rise of 10 K/min 1, 2 and 3 periods of drying

На рисунке 5 видно, что удаление влаги из рапса происходит ступенчато. Рассмотрим более подробно каждый из участков. На I этапе (интервал температур 301-315 K) материал нагревается и удаляется из двух образцов рапса равномерно физико-механически связанная влага, имеющая невысокую энергию связи с материалом. На II этапе (интервал температур 315-398 K) удаляется осмотически связанная влага, в свежем рапсе связь влаги с материалом слабее, чем в прошлогоднем. III этап (интервал температур 398-408 K) характеризуется освобождением адсорбционно-связанной влаги, в свежем рапсе адсорбционная связь сильнее, чем в прошлогоднем. При дальнейшем увеличении температуры начинается удаление химически связанной (полиадсорбцонной и моноадсорбционной) влаги, происходит деструкция материала с выделением газообразных составляющих.

ЛИТЕРАТУРА

1 Шахов С.В., Вострикова А.Г., Ефременко Д.О. Дериватографический способ анализа видов связи влаги с материалом // Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). 2014. № 6-3 (6). С. 114-116.

2 Лощилов С.А., Коробейничев О.П., Масленников Д.А., Котова Ю.В. и др. Обработка экспериментальных данных термогравиметрии на основе интегральных оценок изменения скоростей реакции с ростом температуры // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. URL: http://www. science-education.ru/ru/article/view?id= 10792

3 Каминский ВА, Эпштейн СА, Широчин Д.Л., Тимашев С.Ф. Определение параметров кинетики разложения сложных веществ по данным термогравиметрии // Журнал физической химии. 2011. Т. 85. № 4. С. 637-643.

4 Галимуллин И.Н., Башкирцева Н.Ю., Лебедев Н.А. Анализ морфологической структуры и термогравимет-рия стабилизирующей добавки // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 13. С. 14-16.

5 Глотова И.А., Литовкин А.Н., Артёмов Е.С., Ермолова А.В. и др. Исследование процессов дегидратации биополимерных систем в составе птицепродуктов // Научный журнал КубГАУ. 2016. № 121. С. 801-812.

6 Panyawong S., Devahastin S. Determination of deformation of a food product undergoing different drying methods and conditions via evolution of a shape factor // Journal of Food Engineering. 2007. № 78 (1). P. 151-161.

7 Charles M., Rosselin V., Beck L., Sauvageot F. et al. Flavor release from salad dressings: Sensory and physicochemical approaches in relation with the structure // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2000. V. 48. № 5. P. 1810-1816.

8 Halder A., Dhall A., Datta A.K. Modeling transport in porous media with phase change: Applications to food processing // Journal of Heat Transfer. 2011. V. 133. № 3.

9 Staszczuk P. Thermogravimetry Q-TG studies of surface properties of lunar nanoparticles // Journal of Thermal Analysis and Calonmetry. 2011. № 106. Р. 853-857.

Заключение

Полученные данные термического анализа позволили нам определить температурные зоны удаления влаги из материала с различной формой и энергией связи, а также зоны превращения сухих веществ при повышении температуры, что позволит в дальнейшем прогнозировать режимные параметры процесса удаления влаги из материала и выбирать наиболее эффективные способы удаления влаги из материала.

Благодарность

Исследования проведены на приборе синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter в лаборатории центра коллективного пользования «Контроль и управление энергоэффективных проектов» ФГБОУ ВО "Воронежского государственного университета инженерных технологий" в рамках гос. задания 10.8678.2017/7.8

10 Kumar S., Krishnamurthy N. Thermogravimetry studies on ilmenite nitridation // Processing and Application of Ceramics. 2014. № 8 (4). Р.179-183.

11 Huang X., Rein G. Smouldering Combustion of Soil Organic Matter: Inverse Modelling of the Ther-mal and Oxidative Degradation Kinetics // Proceedings of the ЕСМ 2013. Sweden, 2013. P. 1-6.

REFERENCES

1 Shakhov S.V., Vostrikova AG., Efremenko D.O. Derivatografic method of analysis of the Association of mois-ture with a material. Evraziiskii souyz uchenykh [Eurasian Union of Scientists]. 2014. no. 6-3 (6). pp. 114-116. (in Russian).

2 Loshilov S.A., Korobeinichev O.P., Maslen-nikov D.A., Kotov Yu.V. et al. Analysis of the experimental data of thermogravimetry on the basis of the integral estimates of velocity change of reaction with increasing temperature. Sovramennye problemy nauki I obrazovaniya [Modern problems of science and education]. 2013. no. 6. Available at: http://www.science-ed-ucation.ru/ru/article/view?id=10792 (in Russian).

3 Kaminskii V.A., Epstein, S.A., Sirotin D.L., Timashev S.F. Determination of the parameters of the kinetics of decomposition of complex substances according to termogra-vimetry. Zhurnal fizicheskoi khimii [Journal of physical chemistry]. 2011. vol. 85. no. 4. pp. 637-643. (in Russian).

4 Galimullin I.N., Bashkirtseva N. Yu., Lebedev N.A. Analysis of the morphological structure and thermogravimetry stabilizing additives. Vestnik tekhnollogicheskogo universiteta [Bulletin of technological university]. 2015. vol. 18. no. 13. pp. 14-16. (in Russian).

5 Glotova I.A., Litovkin, A.N., Artemov E.S., Ermolova A.V. et al. Study of the processes of dehy-dration of biopolymer systems consisting of poultry products. Nauchnui zhurnal KubGAU [Scientific journal of KubSAU]. 2016. no. 121. pp. 801-812. (in Russian).

6 Panyawong S., Devahastin S. Determination of deformation of a food product undergoing different drying methods and conditions via evolution of a shape factor. Journal of Food Engineering. 2007. no. 78 (1). pp. 151-161.

7 Charles M., Rosselin V., Beck L., Sauvageot F. et al. Flavor release from salad dressings: Sensory and physicochemical approaches in relation with the structure. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2000. vol. 48. no. 5. pp. 1810-1816.

8 Halder A., Dhall A., Datta A.K. Modeling transport in porous media with phase change: Applications to food processing. Journal of Heat Transfer. 2011. vol. 133. no. 3.

9 Staszczuk P. Thermogravimetry Q-TG stu-dies of surface properties of lunar nanoparticles. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2011. no. 106. pp. 853-857.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Сергей В. Шахов д.т.н., профессор, кафедра машин и аппаратов пищевых производств, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, [email protected] Игорь А. Саранов к.т.н., инженер, Центр коллективного пользования «Контроль и управление энергоэффективных проектов», Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036 , [email protected]

Абилхан К. Садибаев к.т.н., доцент, кафедра технологии продовольственных продуктов, перерабатывающих производств и биотехнологии, Таразский государственный университет имени М. Х. Дулати, улица Ниеткалиева, 1, Тараз, Казахстан, [email protected] Асет А. Малибеков аспирант, кафедра технологии продовольственных продуктов, перерабатывающих производств и биотехнологии, Таразский государственный университет имени М. Х. Дулати, улица Ниеткалиева, 1, Тараз, Казахстан, [email protected]

Евгений В. Литвинов к.т.н., доцент, кафедра технической механики, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, [email protected]

Павел В. Груздов студент, факультет пищевых машин и автоматов, Воронежский государственный университет инженерных технологий, р-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, [email protected]

КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА Сергей В. Шахов предложил методику проведения эксперимента и организовал производственные испытания Игорь А. Саранов провёл эксперимент, выполнил расчёты Абилхан К. Садибаев, Евгений В. Литвинов консультация в ходе исследования

Асет А. Малибеков написал рукопись, корректировал её до подачи в редакцию и несёт ответственность за плагиат Павел В. Груздов обзор литературных источников по исследуемой проблеме, выполнил расчёты

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ПОСТУПИЛА 25.12.2018 ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 29.01.2019

10 Kumar S., Krishnamurthy N. Thermogravimetry studies on ilmenite nitridation. Processing and Application of Ceramics. 2014. no. 8 (4). pp. 179-183.

11 Huang X., Rein G. Smouldering Combustion of Soil Organic Matter: Inverse Modelling of the Ther-mal and Oxidative Degradation Kinetics. Proceedings of the ECM 2013. Sweden, 2013. pp. 1-6.

INFORMATION ABOUT AUTHORS

Sergey V. Shakhov Dr. Sci. (Engin.), professor, machines and apparatus of food production department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected] Igor A. Saranov Cand. Sci. (Engin.), engineer, Center for Collective Use "Monitoring and Management of Energy Efficient Projects", Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]

Abilhan K. Sadibaev Cand. Sci. (Engin.), associate professor, food technology, processing industries and biotechnology department, Taraz state University named after M. Kh. Dulati, Niet-kaliev str., 1, Taraz, Kazakhstan, [email protected]

Aset A. Malibekov graduate student, food technology, processing industries and biotechnology department, Taraz state University named after M. Kh. Dulati, Nietkaliev str., 1, Taraz, Kazakhstan, [email protected]

Eugene V. Litvinov Cand. Sci. (Engin.), associate professor, technical mechanics department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]

Pavel V. Gruzdov student, food machines and automatic machines department, Voronezh state university of engineering technologies , Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]

CONTRIBUTION Sergey V. Shakhov proposed a scheme of the experiment and organized production trials

Igor A. Saranov conducted an experiment, performed computations Abilhan K. Sadibaev, Eugene V. Litvinov consultation during the study

Aset A. Malibekov wrote the manuscript, correct it before filing in editing and is responsible for plagiarism Pavel V. Gruzdov review of the literature on an investigated problem, performed computations

CONFLICT OF INTEREST The authors declare no conflict of interest. RECEIVED 12.25.2018 ACCEPTED 1.29.2019