CC BY
26
--------------------------------------- © О.С. Мисников, А.Е. Тимофеев,
2006
УДК 622.331:551.312.2
О.С. Мисников, А.Е. Тимофеев
ИЗУЧЕНИЕ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛ НА ОСНОВЕ ТОРФОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Семинар № 16
Ж'Л дной из основных задач, стоящих перед торфяной отраслью в настоящее время, является разработка новых технологий, основанных на процессах глубокой переработки сырья. Использование этих технологий позволит получать новые виды продукции из торфяного сырья и его композиций с различными наполнителями. Сбалансированные, ресурсосберегающие технологии переработки биогенных материалов позволят повысить эффективность производств, отказавшихся от крупномасштабной добычи торфяного сырья, направив их деятельность на переработку и получение разнообразной продукции пользующейся платежеспособным спросом на внутреннем и мировом рынках. В связи с этим актуальна идея академика А.Е. Ферсмана о комплексности использования полезных ископаемых: «Комплексная идея есть идея экономическая, создающая максимальные ценности с наименьшей затратой средств и энергии, но это идея не только сегодняшнего дня, это идея охраны наших полезных богатств от их хищнического расточения, идея использования сырья до конца, идея возможного сохранения наших природных запасов на будущее» [1]. Таким образом, одним из перспективных направлений переработки торфа является производство композиционных материалов различного компонентного
состава, используемых при решении целого ряда задач, связанных с обеспечением топливом отдаленных потребителей, производством новых видов строительных материалов, расширением ассортимента удобрений, охраной окружающей среды.
На основе анализа литературных и патентных источников Н.В. Гревцевым была предложена структурная схема, разделяющая композиции на основе торфа на четыре основные группы: топливо, строительные материалы, продукция сельскохозяйственного и специального назначения. [2] Полный перечень торфяных композиций включает 46 наименований продукции. Материалы, предназначенные для сорбции, фильтрации и поглощения, изучаемые в ходе наших экспериментальных исследований, относятся к группе продукции специального назначения.
Создание и практическое использование торфяных сорбентов осложняется такими факторами, как необратимые явления в структуре при получении гидрофильных материалов, требующие последующей активации центров сорбции. Эти проблемы можно решить введением различных добавок (синтетические поверхностно-активные вещества, природные материалы), а также различными способами модифицирования материалов [3, 4].
Рис. 1. Экспериментальные образцы на основе торфоминеральных композиций: цилиндрические куски (слева) и сферические гранулы (справа)
Используемые в исследованиях методы повышения сорбционных свойств торфа направлены на изменение воднофизических характеристик в композициях с глинами, выражающиеся в интенсификации водопоглощения органоминеральных систем.
Эксперименты проводились с торфяными кусками цилиндрической формы диаметром 30 мм и длиной 45 мм, сформованными в шнековом перерабатывающем устройстве методом экструзии, и сферическими гранулами, полученными методом окатывания в тарельчатом грануляторе (рис. 1). Образцы изготавливались из предварительно раздробленного верхового пушицево-сфагнового торфа1 степенью разложения Я = 35 %, и его смесей с различными видами глинистых материалов: кембрийской глиной (Ленинградская обл., пос. Никольское), каолиновой глиной (Челябинская обл., месторождение «Кыштымское»), глинистым мергелем (Тверская обл., т/м «Терелесовско-Грядское»). Композиционные смеси на основе этих материалов изготавливались
Из торфа предварительно были удалены крупные древесные включения
в различных пропорциях, рассчитанных по массе сухого вещества.
Сушка экспериментальных образцов осуществлялась при конвективном (Т = 291-296 К), радиационно-конвективном теплоподводе (Т = 303...353 К) и относительной влажности воздуха ф = 70 ±10 %. В процессе обезвоживания определялись следующие водно-физические и структурные характеристики: среднее влагосодержание, изменение линейных размеров (усадка), локальное влагосо-держание в центральной и периферийной зонах, разрушающая нагрузка при одноосном сжатии, капиллярное давление в материале при сушке, полная вла-гоемкость, скорость водопоглощения и удельное сопротивление сжатию гранул в цилиндре.
Для комплексной оценки процессов происходящих в органоминеральных смесях были изучены основные стадии технологического процесса производства и использования сорбентов, а именно грануляция, сушка и водопоглощение. В качестве критериев оценки материала на стадии окатывания использовались следующие показатели: скорость окатывания материала, влагосодержание и коэффициент формы гранул получаемой продукции.
При грануляции торфоминеральных смесей отмечено значительное увеличение скорости окатывания по сравнению с чистым торфом, и повышение качества сферических гранул (коэффициент формы не превышает 1,1). Объясняется это тем, что глина выступает в смеси в качестве связующего материала и на стадии окатывания проявляет себя как активный наполнитель. Она является гидрофильным компонентом, который внедряется в структуру торфа и взаимодействует с макромолекулами органического вещества торфа. При этом молекулы воды быстрее попадают в частицы торфа через этот гидрофильный «мостик», несмотря на противодействие гидрофобных участков органического вещества.
Оптимальное влагосодержание подготовленного для дробления торфа находится в диапазоне 0,9-1,2 кг/кг. Смачивание, производимое по мере окатывания, увеличивает значение этого показателя до 2-2,5 кг/кг [5]. При добавлении глин, обладающих хорошей связующей способностью, потребность в
увлажнении для образования окатышей значительно снижается и, вследствие это-го, влагосодержание органомине-раль-ных материалов на выходе уменьшается примерно в 1,5-2 раза (рис. 2). Снижение количества влаги на стадии получения гранул влечет за собой уменьшение затрат на последующую сушку и увеличивает эффективность производства в целом.
Такие же особенности формования
Рис. 3. Зависимость влагосодержания формования №ф, кг/кг от содержания (концентрации С, %) минеральных компонентов: 1 -
каолиновая глина, 2 - глинистый мергель, 3 -кембрийская глина
П 1
2,0-
с_> и “ *
1,5 ■
_о 4
1,0-
6 7 8 9 10 11 ^
органоминеральных материалов подтверждаются и при использовании метода экструзии (рис. 3). То есть возможно выполнение процесса фор-мования при влагосодержании меньшем по сравнению с исходным торфом. Величина этого снижения зависит от концентрации и вида минерального компонента. Более того, в органоминеральных композициях наблюдается улучшение качества продукции (отсутствие трещин при более «жестких» режимах сушки).
Исследование процесса сушки композиций позволило установить, что кривые изменения влагосодержания во времени и интенсивности сушки аналогичны кривым, которые свойственны торфяным системам [6, 7]. Средняя интенсивность испарения влаги в постоянном периоде при прочих равных условиях несколько уменьшается с увеличением доли минерального компонента.
В соответствии с зависимостью, полученной в работе [7], интенсив-
1,5 -I----------------1---------------1---------------1---------------1--------
0 10 20 /ЗО 4.0 С
ность испарения в числе других показателей процесса сушки определяет значение прочности материала при его одноосном сжатии
Я = • ехр
ЭтЧ с • 4
ЯТ
(1)
где Я 0Т - значение прочности кусков при Т ^ 0°С , Па; Е0 - значение потенциального барьера разрыва межмолеку-лярных связей (максимальная величина энергии активации, Дж/моль; а - удельная энергия активации процесса разрушения, Дж/[моль (кг/кг)]; Ж п - влагосо-держание поверхностного слоя куска, кг/кг; г с - интенсивность сушки для постоянного периода, кг/(м 2 с); ^ - начальный диаметр исследуемого образца, м; а т - коэффициент диффузии влаги в торфе, м 2 /с; у с - плотность сухой части торфа, которая вычисляется по формуле, кг/м 3 , Я* - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - температура сушки, К.
Таким образом, уменьшение интенсивности сушки при относительном постоянстве остальных параметров позволяет достигать увеличения прочности материала.
Сушка коллоидных капиллярно-
пористых тел, к которым относятся торф и композиции на его основе, сопровождается изменением их линейных размеров, то есть их усадкой. Этот процесс, возникающий вследствие перепада ка-пиллярно-осмотичес-кого давления [3, 7,
Рис. 4. Зависимость градиента влагосодер-жания УЩ, кг/(кг-м) от среднего влагосо-держания Щ кг/кг по объему образца при различные концентрациях каолиновой глины: 1 - 9 %, 2 - 16 %, 3 - 23 %
8], определяет деформацию элементов структуры и межструктурного пространства и, следовательно, оказывает влияние на массообменные и структурообразовательные процессы. Для всех исследуемых материалов отмечается линейное возрастание коэффициента усадки при увеличении концентрации минеральной составляющей.
Распределение влаги в объеме органоминеральных материалов в процессе их сушки свидетельствует о снижении градиента влагосодержания УЖ с увеличением доли минеральной составляющей (рис. 4).
Величина УЖ имеет особое значение при изучении характеристик внутреннего объемно-напряженного состояния системы, поскольку связана с градиентом капиллярно-осмо-тического давления в центральных и поверхностных слоях. В работе [7] было отмечено, что для получения качественной продукции необходимо снижение перепадов полей влагосодержания и температуры, что обеспечивает формирование относительно однородной прочной структуры. Это условие следует из выражения, согласно которому прочность слоя торфяного образца Я, по отношению к прочности соседнего слоя Яг+1 :
К = К+1 ехр| -а^
(2)
где - градиент влагосодержания
по сечению образца, кг/(кг-м).
Из анализа кривых (рис. 4) следует, что распределение влагосодержания для композиционных образцов соответствует требованиям повышения качества, выражающееся в снижении доли некондиционной продукции (куски торфа размером ё < 25 мм). Однако градиенты этих величин относятся к термодинамическим движущим силам, определяющим протекание процессов перераспределения тепла и массы в теле. При их снижении возможно уменьшение потока влаги из центральных слоев к поверхности зоны испарения в соответствии с соотношением [5]
I = -зтч СУ1^, (3)
где У'М - градиент влагосодержания по сечению образца, кг/(кг-м).
Как следует из анализа выражения (3), величина УЖ определяет интенсивность испарения наряду с другими структурными характеристиками. Поскольку на кривых распределения вла-госодержания в композициях относительное изменение максимального значения градиента может достигать 64 % (при сопоставлении кривой 1 и 3, рис. 4), то факт такого резкого уменьшения У Жтах не позволяет полностью объяснить небольшое снижение интенсивности испарения. Отсюда следует, что при рассмотрении механизма сушки торфоминеральных смесей необходимо проводить анализ изменения структурных характеристик, определяющих массоперенос, а также вид (агрегатное
состояние) потока (жидкое или газообразное).
Исследования изменения структурных характеристик подтвердили наличие двух периодов структурообразова-ния для всех композиционных материалов, что характерно как для торфяных, так и для некоторых других органических систем [7].
При использовании торфоминеральных композиций в качестве сорбционных материалов исследование их свойств сводится к установлению зависимостей между концентрацией составляющих компонентов и основными физико-химическими характеристиками - скоростью поглощения и максимальным водопогло-щением.
Для сферических гранулированных образцов были получены кривые зависимости водопоглощения В от времени контакта сорбента с поглощаемой жидкостью, а также водопоглощение через 48 часов В48, условно соответствующее максимально возможному [3].
Из анализа графика зависимости В48 от концентрации каолиновой глины (рис. 5) следует, что тенденция к увеличению данного показателя наблюдается практически для всех фракций до С = 40 %, после чего структура материала изменяется и емкость сорбции резко падает.
Поскольку для большинства сорбционных материалов практический интерес представляет поглощение в начальный период времени (не до состояния полного насыщения), то при рассмотрении процесса исследовался начальный период и соответствующая ему константа к\. Эта величина характеризует изменение скорости поглощения по мере насыщения материала влагой.
S4d
1 s5 Й---,-----,-----,-----,------,--
И 10 Щ ЗО 4В Ш С
Рис. 5. Зависимость водопоглощения через 48 часов В48 от концентрации С, % минеральной составляющей (каолиновая глина) для гранулированных торфоминеральных образцов: 1 - d« 11 мм, 2 -1,5 мм, 3 - 5 мм
Зависимости kl от концентрации минеральной части (рис. б) показывают, что константа водопоглощения растет с увеличением содержания глинистого материала. Необходимо отметить, что эта тенденция справедлива для всех образцов вне зависимости от вида глинистой добавки и технологии формования.
На основании изучения рассмотренных выше величин, был получен критерий оптимальности процесса поглощения, который равен произведению к1-Втах. Физический смысл данного критерия - скорость в начальный момент процесса поглощения, то есть максимально возможная для данной системы V
max
Поскольку технологическая схема производства сорбционных материалов неразрывно связана с процессом сушки, то при анализе сорбционных характеристик органоминеральных материалов
1. Ферсман А.Е. Проблемы минерального сырья. - М.: Наука, 1976.
2. Гревцев Н.В. Научные основы технологии торфяных композиционных материа-лов. Дис.... д-ра техн. наук. Тверь: 1998.
0 10 20 30 40 50 С
Рис. 6. Зависимость константы водопоглощения к1, 1/мин сферических гранул от концентрации С, % каолиновой глиші: 1 -
d= 5 мм, 2 -7,5 мм, 3 - 11 мм
необходимо уделять особое внимание влиянию температурного фактора на их изменение.
Анализ свойств композиционных материалов, высушенных при различных температурных режимах, показывает, что чем выше температура сушки, тем сильнее проявляются необратимые процессы в структуре и тем более гидрофобным становится материал. Предварительные эксперименты позволяют установить, что повышение температуры сушки резко снижает сорбционные свойства всех органоминеральных композиций.
Таким образом, исследование свойств гидрофильно-модифициро-
ванных композиционных материалов позволяет решить задачи, связанные с необходимостью поглощения различных водных сред при сравнительно небольших затратах на их производство. -------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Физико-химические основы технологии торфяного производства/И.И. Лиштван, А.А. Терентьев, Е.Т. Базин, А. А. Головач. - Мн.: Наука и техника, 1983. - 232 с.
4. Афанасьев А.Е., Мисников О.С., Иванов
Д.В. Исследование физико-механических
свойств органоминеральных композиций // Технология и комплексная механиз. торф. производства. Сб. научн. тр. / Тверь: ТГТУ, 2000. С. 84-89.
5. Непша В.Г. Исследование процесса гранулирования торфа методом окатывания в тарельчатом грануляторе. Дис.... канд. техн. наук. Тверь: 1981.
6. Антонов В.Я, Малков Л.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки торфа. - М.: Недра. 239 с.
7. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. - М.: Недра, 1992. 288 с.
8. Гамаюнов Н.И., Гамаюнов С.Н. Сорбция в гидрофильных материалах. -Тверь: ТГТУ, 1997. 160 с.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------
Мисников О.С., Тимофеев А.Е. - Тверской государственный технический университет, г. Тверь.
-------------------------------------------- © Е.Ю. Исаева, О.В. Пухова,
2006
УДК 662.331:622.31:812
Е.Ю. Исаева, О.В. Пухова
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОРФЯНОЙ ПРОДУКЦИИ
Семинар № 16
ЖЭ условиях рыночных отноше--Я-М ний и непрерывного изменения требований, предъявляемых к технологии торфяного производства, а также широкого разнообразия торфа развитие отрасли сдерживается отставанием темпов совершенствования и разработки новых технологий добычи, переработки и использования торфа. Ускорение технического прогресса в торфяной отрасли может быть достигнуто в результате
практической реализации глубоких тео-ре-тических разработок, доведенных до инженерных решений. В соответствии с этим постановка задачи по изучению закономерностей изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке становится актуальной в связи с решением проблем прогнозирования физико-химических свойств торфа и направленного регулирования ими с целью более полного и эффективного
