CC BY
28
УДК 628.336.32
КИНЕТИКА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ САПРОПЕЛЕЙ
Тамара Александровна Иванова, к. техн. н., д. с.-х. н., профессор
ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки
Обосновывается концепция экологизации сельского хозяйства. Особая роль принадлежит озерным отложениям - сапропелям Северо-Западного региона. Представляло значительный интерес выяснение фундаментальных закономерностей трансформации органического вещества в водных экосистемах с учетом взаимодействия компонентов ландшафта при антропогенном воздействии на природную среду.
Известно, что ухудшение экологической обстановки сопряжено с загрязнением вод, почвы, растительности, приземного слоя воздуха радионуклеидами, тяжелыми металлами, пестицидами и другими токсическими веществами, принявшим угрожающие для здоровья людей масштабы [9].
Усиление антропогенного воздействия не могло не затронуть водные экосистемы -индикаторы всей площади водосбора.
Количество поступающих промышленных и других отходов становится соизмеримым, а иногда и превышает локальную буферную емкость гидросферы и биосферы, и поэтому нет их естественного обеззараживания и инактивации.
Ускорение озерной седиментации в гумидной зоне сопровождается накоплением органических веществ в отложениях. При достижении концентрации осадков, равной критической массе, биота не справляется с функциями биологического регулятора.
В настоящее время ситуация такова, что концентрация осадков в отдельных водоемах достигла критических значений, серьезно нарушено биосферное равновесие. Общие ресурсы сапропелей, включая резервы, на территории бывшего СССР оцениваются цифрами примерно от 200 до 250 млрд м .
Актуальность темы определяется необходимостью системного подхода к решению проблемы рационального природопользования регионов и выработки единой стратегии целенаправленной социально-экологической политики.
Предлагаемая концепция предусматривает разработку экологически обоснованного подхода к развитию водных экосистем с целью познания процессов формирования сапропе-лей Северо-Западного региона и поиска путей восстановления экологического равновесия водоемов [1-3, 11].
Ключевые слова: сапропель, интенсивность сушки, влагопроводность, гидрофиль-ность, надмолекулярные структуры, физико-химически связанная влага, многокомпонентная система, внутримолекулярные и межмолекулярные силы, экранизация, сорбция.
Введение
Разнообразие органо-мине-ральных комплексов, гетерополяр-ных производных гуминовых ве-
ществ и их значительная насыщенность реакционно-способными функциональными группами обеспечивают высокую сорбцию воды
ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОИ ГСХА 2017 №4
посредством водородных и внутримолекулярных связей. Большая часть влаги сапропелей находится в связанном состоянии. Поэтому они отличаются низкой влагопроводно-стью.
Интенсификация обезвоживания сапропелей - явление огромной теоретической и практической значимости [5, 10].
Многочисленными исследованиями доказано [4, 7, 8], что структура сапропелей весьма чувствительна к различного рода физическим и физико-химическим воздействиям, которые приводят к существенным изменениям гидрофильных и водных свойств. Наиболее значимо эти параметры проявляются в процессе обезвоживания, поскольку при дегидратации усиливаются межмолекулярные и внутримолекулярные химические связи между частицами.
Поэтому вопрос о влиянии глубокого высушивания сапропелей на их водные свойства, безусловно, представляет большой теоретический и практический интерес. Однако пока данных, которые бы отражали это влияние, нет.
Материал и методы
Объектами исследования выбраны образцы 5 типов сапропелей, наиболее характерных для Псковской области. Это:
- известковистый - №1 из озера Бор-Лазавское;
- смешанно-водорослевый -№2 и №4 из озер Купуй и Бельков-ское;
- песчанистый - №3 из озера Псово;
- железистый - №5 из озера Сосновское.
Методика массопереноса влаги в лабораторных условиях разработана нами впервые.
Процесс конвективной сушки изучали на лабораторном влагомере, оборудованном автоматическими весами, двумя электроподогревателями, вентилятором и электроконтактным термометром.
Текущие значения абсолютной, относительной влажности, вла-госодержания, концентрации абсолютно сухого вещества, интенсивности сушки определяли через интервал 30 минут в течение 15-18 часов для образцов каждого из пяти типов исследуемых сапропелей. Через каждые 30 минут в течение указанного времени регистрировали температуру теплоносителя и температуру образцов в трех точках: на поверхности, в центре и в донной части сапропелевых брусков площадью 30х30 см и высотой 10 см.
Результаты и обсуждение
ИК-спектроскопические исследования на наличие в образцах тяжелых металлов показали, что они присутствуют, но в незначительных концентрациях и лежат в пределах природных фоновых значений. Так, содержание марганца колеблется от 0,0008 до 0,0011%; содержание меди - от 0,0021 до 0 , 0037%; содержание цинка - от 0,0030 до 0,0040%; содержание свинца - от 0,0003 до 0,0005%. Кад-
мий и мышьяк во всех образцах отсутствуют.
Рисунок 1 иллюстрирует кривые интенсивности сушки сапропелей различных типов, обладающих различными значениями естественной влажности. Представленные кривые можно разбить на четыре характерных участка. Участок аб соответствует нагреванию образцов. Понятно, что интенсивность сушки резко повышается, а испаряется между тем очень малая доля свободной воды.
На участке бв, представленном в виде плато, интенсивность сушки сохраняется практически постоянной. При этом удаляется в основном масса свободной воды. Это может быть капиллярная, осмотически связанная или гравитационная влага. В итоге происходит уменьшение объема образцов, повышение их плотности и рост объемной массы скелета.
На участке вг, характеризующем начальный этап удаления прочно закрепленной, физико-химически связанной влаги наблюдается линейная зависимость снижения интенсивности сушки сапропелей от относительной влажности. Линейная зависимость указанных параметров объясняется небольшой долей затраты энергии на преодоление межмолекулярных водородных связей.
Поэтому в начальный период удаления этой категории воды интенсивность сушки плавно и очень медленно убывает.
На участке гд явно выражено отклонение графиков от линейности, что, в общем, вполне закономерно, поскольку доля энергии, затраченной на преодоление внутримолекулярных химических связей, существенно возрастает. Следовательно, не наблюдается резкого снижения интенсивности сушки.
Анализируя представленные на рисунке 1 кривые, особенно выделим участок бв. Именно на этом участке удаляется в основном свободная, не связанная влага. Рассмотрим положение первых критических точек К, полученных экстраполяцией до конечных значений влагосо-держания. Как следует из рисунка 1, координаты первых критических точек различны, но соответствуют вполне определенным значениям относительной влажности.
Данные экспериментов убедительно подтвердили, что при повышенных концентрациях органического углерода (53,5-54,5%) рост начальной исходной влажности обусловлен более высокой гидрофиль-ностью молекул и надмолекулярных структур. Разумеется, это приводит к увеличению доли физико-химически связанной влаги.
При относительно пониженных концентрациях органического углерода (52,3-52,4%) зольность образцов увеличивается, повышается и их плотность. Между тем снижается и доля прочно связанной влаги.
ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОИ ГСХА 2017 №4
1 - известковистый; 2 - смешанноводорослевый; 3 - песчанистый; 4 - смешанноводорослевый; 5 - железистый; W - влажность; С - интенсивность сушки; К - первые критические точки влажности Рисунок 1 - Кривые интенсивности сушки различных типов сапропеля
Установлено, что рН дисперсионной среды субстратов колеблется в широких пределах от 5,0 до 6,1 для группы среднезольных и повышеннозольных сапропелей и от 7,5 до 8,4 для группы малозольных сапропелей. Из рисунка 1 следует, что положение первой критической точки отвечает более высокой влажности у малозольных, то есть органических сапропелей, и более низкой относительной влажности у среднезольных и высокозольных са-пропелей.
Очевидно, с повышением рН и преобладанием щелочной среды катионы зольной фракции могут связывать полярные молекулы воды, взаимодействуя с различными функциональными группировками макромолекул органических соединений. При этом возможно формирование ассоциатов и надмолекулярных образований. Вероятно, поэтому содержание связанной влаги с ро-
стом рН увеличивается. Об этом свидетельствуют данные дифференциально-термического анализа и группового состава органического вещества исследуемых образцов сапропелей [6].
Отклонение закономерности имеет место только в одном случае -у образца №1. Установлено, что в зольной части карбонатного сапропеля высокая концентрация кальция 69,79%, ионы которого, как известно, обладают повышенной активностью структурирующих агентов. В итоге происходит инактивация сорбции.
В заключение отметим, что влажность, соответствующая первой критической точке, указывает на долю свободной воды в сапропелях и, следовательно, определяет их влаго-проводность. По характеру зависимости графиков с = сапропели относятся к многокомпонентным коллоидным системам [5].
Выводы
Итак, по положению критических точек влажности можно прогнозировать соотношение между свободной и связанной влагой, а также изучать влияние на влагопе-ренос сапропелей различных методов воздействия. Это, в конечном счете, позволит реализовать более эффективные режимы обезвоживания различных видов и групп.
Однако, по нашему мнению, совершенно необходимо сконцентрировать материал, касающийся принудительной сушки природных дисперсных объектов, особенно сильнообводненных сапропелей и торфов, систематизировать и обобщить его, так как остается еще очень много участков, требующих дополнительных исследований.
Библиографический список
1. А.с. 1057482 СССР. Способ получения сапропелевого удобрения / Т.А. Иванова -опубл. 1983, бюл. №44.
2. А.с. 1278347 СССР. Способ получения сапропелевого удобрения / Т.А. Иванова -опубл. 1986, бюл. № 47.
3. А.с. 1554792 СССР. Способ мелиорации переувлажненных земель / Т.А. Иванова -опубл. 1990, бюл. №13.
4. Иванова Т.А. Базовые модели переработки полимерных и природных высокомолекулярных материалов / Т.А. Иванова, А.М. Вознесенский, Е.А. Кучинская. - СПб, 2003. -192 с.
5. Иванова Т.А. Водно-физические свойства сапропелей / Т.А. Иванова // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации: материалы Всерос. конф., посв. 60-летию кафедры физики и мелиорации почв и 250-летию Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. - М., 2003. - С.2-3.
6. Иванова Т.А. Комплексное использование сапропелей: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук / Т.А. Иванова. - Великие Луки, 1995. - 32 с.
7. Иванова Т.А. Механизм массопереноса влаги в плоском слое сапропеля в технологическом процессе обезвоживания / Т.А. Иванова // Инновации в машиностроении: сб. тр. III Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза, 2003.
8. Иванова Т.А. Минерализация сапропелей Северо-Западного региона / Т.А. Иванова // Агрохимия. - 1996. - №11. - С.108-111.
9. Иванова Т.А. Химия окружающей среды и техника ее защиты // Т.А. Иванова. - Великие Луки, 1999. - 228 с.
10. Керечанина Е.Д. Вытеснение водных растворов из порового пространства сапропелей неорганическими электролитами / Е.Д. Керечанина, Т.А. Иванова // Молодые ученые в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК»: сб. науч. тр. - Уфа, 2006. -С.69-70.
11. Пат. №2252205. Способ приготовления компоста из осадков сточных вод / В.Х Гришин., Ю.И. Волошин, Т.А. Иванова, П.В. Гришин. - заявл. 25.04.2003; опуб. 20.05.2005.
E-mail: ivtamara2012@yandex.ru
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина, д. 2, ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА»
Тел.: +7 (81153) 7-16-22
