Исследование структурообразовательных процессов в торфяных дисперсных системах фильтрационным методом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 274 1976

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТОРФЯНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ ФИЛЬТРАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

С. И. СМОЛЬЯНИНОВ, Г. Г. КРИНИЦЫН, В. А. ЛЮДОМИР

(Представлена научно-методическим семинаром яимикотехнологического факультета)

Начальным периодом формирования структуры торфа является образование системы коагуляционных контактов, происходящее в торфе, подвергнутом диспергированию и еще не потерявшем влаги. Степень развития коагуляционной структуры определяет поведение материала в процессе сушки и его физико-механические свойства после потери влаги. Введение в торфомассу тонкодисперсных окислов железа оказывает влияние на свойства и структуру торфяного материала, и эти изменения должны быть ощутимы на первом этапе—во время формирования коагуляционной структуры. Наиболее распространенным методом оценки структурных характеристик вязко-пластичных материалов является фильтрационный.

Приняв торфяной материал за систему вертикальных капилляров, величины, характеризующие пористость и кинетическую удельную поверхность, могут быть определены по формуле Козени-Кармана [1]:

т3 АР

^ Д/1

где V — скорость фильтрации;

т — значение активной пористости;

р — коэффициент формы пор;

т) — вязкость жидкости;

ДР

_— градиент напора.

Основными величинами, измеряемыми в зоне фильтрации, являются изменения концентрации индикатора в фильтрате и количество фильтрата, отнесенное ко времени.

Индикатором могут служить радиоактивные изотопы [1—3] или растворы веществ, обладающих малой сорбционной способностью по отношению к торфу. Согласно данным ряда авторов [4—6], хорошим индикатором для исследования торфа является сахароза.

Исследования проводились на приборе ФП-1 конструкции М. П. Воларовича и Н. В. Чураева [1]. Кассета для фильтрования строго соответствовала описанию. Отбор проб фильтрата осуществлялся через равные промежутки времени с помощью автоматического коллектора фракций марки 301В. Индикатором служила сахароза в концентрации 11%.

Исследованию были подвергнуты осоковый низинный торф Таганского месторождения Томской области, имеющий степень разложения

30—35%, содержание зольных компонентов 8,7%, рабочую влажность перед опытом 83,7%, и верховой пушице-сфагновый торф месторождения Песчаного со степенью разложения 15-—20%, влажностью 86%, зольностью 4,7%. Минеральными добавками служили окись железа Ре20з ч. д. а., закись железа РеО ч. д. а. и магнетитовый концентрат Абагур-ской аглофабрики[7]. Гранулометрический состав минеральных компонентов соответствовал данным, сведенным в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика гранулометрического состава окислов железа, использованных в работе

Объект исследования

Количество материала ушедшего под сито

0,075 I 0,063 | 0,044

Магнетитовый

концентрат 15,5 36,1 48,4

Окись железа 41,6 33,2 25,2

Первоначально были исследованы образцы торфа без добавок с различной степенью переработки. Результаты приведены в табл. 2.

Увеличение степени дисперсности торфа приводит к увеличению количества пор малого радиуса, наблюдается рост кинетической удельной поверхности. Сравнение однократно и трехкратно диспергированного

Рис. 1. Кривые ¡распределения пор по размерам низинного торфа (1) и торфа с добавкой 5% окислов железа (магнетитовый концентрат) (II)

Таблица 2

Характеристика структуры торфа и торфорудных материалов

Объект исследования Степень переработки Максимальный диаметр пор Минимальный диаметр пор п Активная пористость ' Ь Гидра в л и-ческий радиус пор Расход фильтрата Количество добавки в % Тип добавки

Верховой 1 9,59 1,56 0,928 0,20 2289 0,87 0,037

торф 3 6,85 1,06 0,91 0,30 4712 0,63 0,038 — —

2 5,48 1,30 0,96 0,157 2405 0,65 0,021 5 Ге203

4 4,7 1,00 0,91 0,33 6072 0,49 0,032 5 Ре203

2 4,8 0,76 0,89 0,141 3463 0,389 0,035 10 Ре203

2 3,22 0,53 0,86 0,116 4194 0,270 0,030 15 Ре203

2 2,98 0,50 0,92 0,37 11640 0,210 0,020 10 Рез04

Низинный 1 14,5 1,19 0,90 0,27 3850 0,714 _ — _

торф 2 10,8 1,08 0,89 0,37 6693 0,550 — —

3,42 0,68 0,925 0,57 14433 0,395 — — —

1 4,32 0,9 0,90 0,244 3800 0,64 — 5 Ре304

9 4,32 0,8 0,88 0,289 6460 0,445 — 5 Ре304

3 2,85 0.55 0,912 0.300 8100 0,372 — 5 Ре304

торфа показывает, что активная пористость у последнего возросла на 25%, а кинетическая удельная поверхность увеличилась более чем вдвое.

Введение в торфомассу окислов железа отражается на фильтрационных характеристиках. Характер кривых распределения пор по размерам указывает на смещение преобладающего радиуса в сторону понижения. Если преобладающим размером пор в торфе без добавок является 1,2 мк, то добавка 5% доводит эту величину до 0,84 мк (рис. 1).

При внесении добавок в верховой торф изменение пористой структуры характеризуется следующими значениями преобладающего размера пор. При внесении 5% добавки—1,5 мк, 10%—1 мк, 15%. — 0,6 мк. Причиной изменения диаметра пор в сторону уменьшения может быть как интенсификация структурообразования в присутствии окислов железа, так и внедрение тонкодисперсных частиц минеральных добавок в поры, приводящее к уменьшению объема порового пространства (табл. 2, рис. 3).

Проведение фильтрационных опытов с выдержкой в течение 48 и 84

1 — смесь после приготовления; 2 — выдержка 48 часов; 3 — выдержка 84 часа.

воздействиям, происходит изменение пористой структуры. Это обстоятельство указывает на протекание в образце торфа структурообразова-тельных процессов, сущность которых, по-видимому, сводится к увеличению числа контактов в коагуляционной сетке-

Вероятно, количество контактов может быть оценено через величину площади их поверхности, пропорциональную числу контактных взаимодействий. Величина площади поверхности частиц систем может быть определена при известном среднем радиусе частиц и истинном удельном весе материала по формуле [8]

где (1 — диаметр частиц;

ií

di)

S

О

1 л /г \

il

\\

Т X

1 2 3 k 5 DjKtí

Рис. 3. Распределение пор по размерам ib образцах верхового торфа с различным количеством минеральных добавок: 1. Fe2Ós — 5%; 2. Fe2Oa — 10%; 3. Fe203 — 15%.

D — истинный удельный вес;

S — площадь поверхности частиц.

Средний диаметр частиц рассчитывался по данным седиментацион-иого анализа. Истинный удельный вес определялся экспериментально.

Средние значения диаметров частиц, определенных для торфа, переработанного однократно, двукратно и трехкратно, равны соответственно 0,0423; 0,0313 и 0,0220 мм. Этим размерам глобулярных частиц соответствуют следующие площади поверхности при плотности торфа равной

1,45

10340

CMZ

13793

CM¿

СМ° ' СМ* " " " " см3 ' см"

Значения кинетической удельной поверхности, полученные при фильтрационных опытах, соответственно равны:

20689

см4

,3 »

4336

см*

СМ'

3 '

5015

см2

см°

9849

CMZ

см3

Площадь контактов, равная разности между значениями поверхности, определенными различными способами, составляет соответственно

6000

CMZ

8800

CMZ

см*' см3 ' см*

Добавка окислов железа приводит к тому, что средний диаметр частиц торфа изменяется. Площадь контактов, подсчитанная с учетом поверхности минеральных частиц, внесенных в систему, составляет

9849

см-*

6500

СМ".

10540

си"

11767

см^

см° см* см°

Согласно этим данным, минеральные добавки интенсифицируют процесс образования контактов между частицами. Результаты фильтра-

78

ционных испытаний образцов с различным содержанием добавок Ре203 (рис. 3) подтверждают это. Наличие роста площади контакта, согласно представлениям Г. И. Кужмана [9] и С. Г. Солопова [9, 10], благоприятно отражается на физико-механических свойствах материала.

ЛИТЕРАТУРА

2. В ол ар о-в «ч, М. П., Чур а ев Н. В. Исследование свойств торфа и протекающих в нем процессов при помощи радиоактивных изотопов. М., «Наука», 1960.

2. Чур а ев Н. В. Методы исследования водных свойств и структуры торфа с помощью радиоактивных индикаторов. В кн.: «Новые физические методы исследования торфа». М.— Л., Госэнергоиздат, 1960, с. 125.

3. В о л а р о в и ч М. П., Ч у р а е в Н. В., М и н к о в Б. Я* Исследование свойств торфа 'при помощи, радиоактивный: -изотопов. ДАН СССР, т. 114, № Б, 1957.

4. Ж и те цк а я Ф. Д. Методы определения связанной воды в торфе. В кн.: «Новые физические методы исследования торфа». М. — Л., Госэнергоиздат, 1960, с. 138.

5. Кужман Г. И. Теоретические основы .и процесс получения мелкоку-скового торфяного топлива для элергохимического использования. М., Госэнергоиздат, 1961.

6. Житедкая Ф. Д. Сопоставление результатов определения связанной ¡воды в торфе различными методами. Труды Калининского торфяного института. Вып. 11, 1960, с. 183—190.

7. Сир авочн и к доменщика. М., «Металлуршя», т. 2, 1967.

8. Карнаухов Л. П. Глобулярная модель пористых тел. «Кинетика -и катализ», т. XII, вьш. 5, 1971, с. 1235.

9. Куж'ман Г. И., Новичков С. Н. Исследование процесса сушки и увлажнения мелкокускового торфа. «Инженерно-физический журнал», т. 5, № 3, 1962, с. 33—38.

10. Со л о-по в С. Г. Технологические принципы производства качественного кускового топлива при разработке торфяных месторождений пониженной эксплуатационной влажности. Научные доклады высшей школы. «Горное дело», 1958, № 1, с. 41—49.