CC BY
133Исследования показали, что влаго-поглощаемостъ очень сильно зависит от степени дисперсности. Наиболее резко снизилась способность образцов к влаго-поглощению при добавке 25% мелкодисперсной массы к торфу, переработанному в конусном растирателе. Это объясняется тем, что в основной массе торфа были разрушены пустотелые клетки, заполненные водой, однако был сохранен каркас из волокнистых частиц, принимающих на себя наибольшие напряжения, а также имелось достаточное количество мелкодисперсных частиц, обладающих коллоидными свойствами. Коллоидные частицы при сушке претерпевают необратимые изменения и при высушивании до влажности менее 55% теряют способность впитывать воду. На поверхности куска образуется корка, которая препятствует проникновению влаги внутрь куска. Из исследуемых видов торфа наибольшее влагопоглощение наблюдается у тростникового торфа, что объясняется особенностями его ботанического состава.
Обращаясь к классическим работам признанных ученых, мы в очередной раз восхищаемся глубиной их исследований, которые сохранили свою актуальность и значимость и на рубеже XXI века.
Солопов С.Г.
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ НА СТРУКТУРУ И ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОРФА В СВЯЗИ С ЗАДАЧЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО КУСКОВОГО ТОПЛИВА ИЗ ЗАЛЕЖЕЙ С ПОНИЖЕННОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ
Впервые работа опубликована в Трудах Московского торфяного института (М.-Л., ГЭИ, 1958. В VIII. С. 140-166.)
В изыскании путей получения кускового торфяного топлив а с высокими физикомеханическими свойствами из залежей с пониженной эксплуатационной влажностью необходимое внимание должно быть уделено познанию торфа как в естественном состоянии, так и в последующих стадиях технологического процесса, в обработанном виде. Не подлежит сомнению, что только изучение структуры торфа, ее коллоидно-химических и водных связей создаст возможность объяснить физико-механические свойства твердого торфяного топлива и, что самое главное, изменять эти свойства в нужном для практических целей направлении.
Исключительное по важности место принадлежит здесь исследованию дисперсности торфа, ибо торф, являясь поли-дисперсной коллоидной системой, подчиняется, как будет показано далее, одному из основных положений коллоидной химии, заключающемуся в том, что с изменением степени дисперсности системы неразрывно связано изменение свойств самой системы.
Степень диспергирования торфа при его гумификации в первом приближении характеризуется величиной так называемой «степени разложения» торфа. Степень разложения в морфологическом смысле -это соотношение между гумусом и растительными остатками в торфе. С.Н. Тюремнов [1] определяет понятие о степени разложения следующим образом: «Под степенью разложения торфа понимается процентное содержание в нем бесструктурной массы, заключающей наряду с гуминовыми веществами также и мелкие частицы негумифицированных остатков». Микроскопический метод процентного определения степени разложения торфа заключается в определении в поле зрения под микроскопом процента площади, занятой темным веществом (гумусом), по отношению к общей площади, занятой частицами торфа.
Представляется интересным проследить, при какой степени дисперсности частиц определяется гумусовая часть торфа. В табл. 1. и 2 показаны микроскопические характеристики верхового (ме-
диум) и низинного (осоково-гипнового) торфа.
Таблица 1. Микроскопическая характеристика верхового (медиум) торфа. Степень разложения R=40%. Данные А.И. Шатенева из работы Е.П. Семенского [2]
Размеры частиц, мм Количество гумуса в поле зрения, % Ботаническая характеристика пробы
<0,01 45 Попадаются целые листочки сфагнума, пыльца ели и мелкие частицы растений
<0,005 75 Растительные остатки, изредка попадаются листочки сфагнума
<0,002 90 Мелкие остатки растений и пыльца древесных растений
<0,001 100 Растительные остатки, видимые лишь при большом увеличении, и пыльца
0,0005 100 Один очень мелкий гумус
Таблица 2. Микроскопическая характеристика осоково-топяного торфа, R=20% (из работы А.А. Березина)
Эквивалентный диаметр частиц, мм Ботаническая характеристика
>2,0 Форменные элементы растений (тростник, хвощ, осока и др.)
2,0-0,05 То же
0,05-0,002 Гумус больше половины поля зрения; неопределенные древесные остатки; немного остатков осок
0,002-и меньше Микроскопически пустая темноокрашенная жидкость, при полном испарении - гумус, изредка - неопределенные древесные остатки
Как видно из таблиц, для обоих видов торфа микроскопический метод дает следующую оценку: при диаметре частиц меньше 5 мкм в торфе содержится гумуса более 50%, при диаметре меньше 2 мкм -100%. Таким образом, позволительно считать, что единственно распространенный метод оценки степени разложения торфа -микроскопический - состоит, в сущности,
в оценке суммарного содержания в торфе частиц размером 2 мкм, но в оценке при-ближенной1.
Обследование имеющихся данных о влиянии степени разложения торфа на его физико-механические свойства показывает, что последние существенно изменяются с увеличением степени разложения. Так, например, первая критическая точка на кривых интенсивности испарения воды из торфа смещается в сторону меньших значений влажности [3], что ведет к увеличению средней интенсивности испарения; уменьшается влагоемкость и возрастает прочность торфа, увеличивается объемный вес воздушно-сухого кускового торфа (рис. 1-3). Поскольку степень разложения торфа указывает на количество в нем частиц размером менее 2 мкм, одной из причин столь значительного изменения свойств торфа является количественное содержание в нем тонко диспергированных коллоидных фракций. Вместе с тем приведенные данные обнаруживают большие различия между низинным и верховым торфами в характере изменений физико-механических свойств при увеличении степени разложения.
Особенно заметно это в изменениях объемного веса, на что еще в 1938 г. обратил внимание Е.П. Семенский [4]. Из рис. 2 видно, что зависимость объемного веса низинного торфа от степени разложения линейна, причем значительные изменения степени разложения приводят к сравнительно малым изменениям объемного веса, между тем как для верхового торфа зависимость объемного веса от степени разложения представляется круто поднимающейся кривой, пересекающей прямую низинного торфа.
Сходная картина наблюдается также в отношении механической прочности
1 Необходимо иметь в виду, что при определении степени разложения торфа под микроскопом к гумусу, т.е. к коллоидным частицам, относят и все темноокрашенные мелкие частицы, которые представляются глазу бесструктурными, но которые являются не собственно гумусом, а грубодисперсными частицами растений, окрашенными гуминовыми веществами в темный цвет. Поэтому действительное количество частиц размером <1 мкм будет всегда несколько меньше показателя степени разложения.
торфа (рис. 2). Все это говорит о наличии существенной разницы в структурах верховых и низинных торфов, которая не находит объяснения с позиций дисперсности торфа, если последнюю оценивать приближенно - по степени разложения. С другой стороны, это указывает на необходимость более детального изучения изменений дисперсности торфа при его гумификации с привлечением современных методов дисперсного анализа и научно обоснованных способов выражения результатов анализа.
Рис. 1. Изменение влагоемкости торфа в зависимости от степени разложения (по Е.П. Семенскому).
1 - верховой; 2 - низинный торф
Первые детальные исследования дисперсности торфа были проведены в 1932 г. Е.П. Семенским (Инсторф) [2]. При этом вся масса частиц сухого вещества им была разделена на 12 фракций. Первая фракция (10-2 мм) была выделена ситовым анализом, остальные 11 - методом пипетки по Робинзону. В результате этих исследований автор пришел к следующим выводам: а) верховые и низинные торфы и залежи представляют собой полидис-персную систему; б) низинный торф характеризуется более однородной дисперсностью, чем верховой; в) низинный торф обладает большей дисперсностью при малых степенях разложения, чем верховой, и наоборот, при высоких степенях разложения верховой торф имеет более высокую степень дисперсности, чем низинный.
В 1937 г. А.В. Думанским и М. Чапеком [5] было предпринято исследование дис-
персности торфа в связи с его искусственным обезвоживанием по методике, аналогичной той, которая применялась Е.П. Семенским. Ими было установлено, что: а) от термического воздействия на торф степень дисперсности торфа увеличивается; б) характер процесса отжатия воды зависит от степени дисперсности торфа; при преобладании частиц диаметром 0,05-2,5 мм создаются наиболее благоприятные условия отжимания воды из торфа в результате минимальных сопротивлений фильтрации воды при этих размерах частиц.
Рис. 2. Зависимость прочности непереработанного торфа (при изгибе) от степени разложения (по Н.А. Галыбину): 1 - верховой; 2 - низинный торф
Л ^ В ,
Я
и хо и К О
50
«о
30
20
0.
"о
/
О
ь /
/
2- .
•
Содержание гумуса, %
Рис. 3. Зависимость объемного веса торфа от степени разложения (по Е.П. Семенскому).
1 - верховой; 2 - низинный торф
В 1945 г. дисперсность торфа исследовалась М.П. Воларовичем и
Т.М. Кузьминской [6] в связи с изучением вязко-пластичных свойств торфомассы.
При анализе полученных данных авторы пользовались кумуляционными кривыми (Е.П. Семенский) и кривыми распределения частиц по размерам (А.В. Думанский и М. Чапек, М.П. Воларович и Т.М. Кузьминская); оценка дисперсности производилась ими по размерам частиц. Следует отметить, что в первой работе имеется указание на большую правильность оценки дисперсности величиной удельной поверхности, т.е. величиной суммарной поверхности частиц, составляющих 1 г или 1 см3 сухого вещества, однако такая оценка дисперсности не получила развития как в работе самого автора, так и в последующих исследованиях.
В результате всех этих исследований была подтверждена весьма тесная связь физических свойств торфа со степенью дисперсности; получили некоторое освещение те явления, которые не находили объяснения при оценке дисперсности величиной степени разложения, и, что особенно важно подчеркнуть, наметилась потребность изучения влияния различных по степени дисперсности фракций торфа на его физические и технические свойства.
Последнее обстоятельство побудило нас предпринять дополнительное обследование ранее полученных данных [2]. При этом для оценки степени дисперсности торфа мы приняли величину удельной поверхности, а для изображения результатов дисперсионного анализа использовали кривые распределения частиц по размерам и удельной поверхности по фракциям. Основанием для выбора такой методики послужило известное положение физической химии о том, что характерные свойства дисперсных систем определяются избытком свободной поверхностной энергии, который пропорционален удельной поверхности раздела фаз в этих системах (акад. П.А. Ребиндер [21]).
Величина удельной поверхности для частиц каждой фракции подсчитывалась по известной формуле
Д50=6-Лт/<ф,
где ДБ - удельная поверхность данной фракции, т.е. суммарная поверхность всех тех частиц, размеры которых не выходят за некоторые предельные значения, см2/г;
Дт - масса всех частиц данной фракции, приходящаяся на 1 г сухого вещества торфа, г/г; d - средний эффективный диаметр частиц данной фракции, см; р - плотность сухого вещества торфа, г/см3 (при обработке данных принималось р=1,5 г/см3).
Полученные таким образом кривые распределения частиц и удельной поверхности по фракциям для сфагново-пушицевого торфа со степенью разложения 10-30-50-60-80% и осокового торфа со степенью разложения 10-60-80% показывают, что с повышением степени разложения торфа его удельная поверхность возрастает. Однако рост ее глубоко различен для верхового и низинного торфов. Удельная поверхность низинного торфа до степени разложения 50% больше, чем для верхового торфа; при степени разложения выше 50% она становится меньше (рис. 4). Так, для низинного торфа удельная поверхность, возрастая почти линейно, при степени разложения 80% достигает величины, превосходящей на 11% удельную поверхность при степени разложения 10%. Для верхового торфа при соответственном росте степени разложения удельная поверхность возрастает более чем в 7 раз.
Рис. 4. Изменение удельной поверхности и коэффициента диспергирования торфа (непереработанного) в зависимости от степени разложения:
1 - верховой торф; 2 - низинный торф
Если сравнить значения удельной поверхности этих типов торфа (рис. 4) и значения объемного веса (см. рис. 3), то
соответствие изменений объемного веса и удельной поверхности в ходе гумификации как для верхового, так и для низинного торфа становится очевидным. Аналогичное соответствие наблюдается между изменениями удельной поверхности и механической прочностью торфа с естественной структурой (не подвергавшегося механической переработке) при его гумификации (см. рис. 2).
Проведенный нами расчет распределения удельной поверхности по фракциям показал, что в образовании удельной поверхности в обоих видах торфа при всех значениях степени разложения исключительную роль играют коллоидные частицы (рис. 8). Все фракции больше 0,5 мкм в образовании удельной поверхности играют весьма малую роль (рис. 8). Так, например, от общей удельной поверхности частиц всех фракций на долю фракции
0,5-2 мкм приходится от 3% (верховой торф) до 7% (низинный торф), на долю фракции 2-10 мкм - от 2,8% (верховой торф) до 5,9% (низинный торф). Фракции с размером более 10 мкм в образовании удельной поверхности почти не участвуют; на их долю приходится менее 0,1% общей величины удельной поверхности.
Диаметр частиц
Рис. 5. Кривые распределения частиц по размерам для торфа разной степени разложения (торф непереработанный) процесса диспергирования в верховом и низинном торфах при их гумификации
Рассмотрение кривых распределения количества торфяных частиц по размерам (рис. 5 и 6) показывает следующее.
В процессе гумификации верхового торфа развивается неоднородность размеров его частиц и одновременно имеет место общее смещение системы в область коллоидных размеров. Поэтому с увеличением степени разложения верхового торфа весьма значительно возрастает масса частиц с размерами менее 0,5 мкм, что приводит к весьма интенсивному росту удельной поверхности верхового торфа в ходе его гумификации.
Совершенно иной характер имеет естественное диспергирование низинного торфа. В ходе гумификации здесь происходит выравнивание частиц по размерам и увеличение однородности системы. С увеличением степени разложения количество частиц с размером менее 0,5 мкм в низинном торфе практически не изменяется (рис. 6). Поэтому общая удельная поверхность частиц низинного торфа при высоких значениях степени разложения оказывается во много раз меньшей, чем верхового. Возрастание удельной поверхности (незначительное по абсолютной величине) в низинном торфе при его гумификации происходит главным образом за счет увеличения массы фракций 0,5-2 и 210 мкм. Количество частиц этих фракций увеличивается за счет интенсивного диспергирования крупных частиц низинного торфа (с размерами больше 10 мкм). Но именно это и приводит к уменьшению влагоемкости торфа. В подтверждение приведем микрометрические данные о тканях некоторых главнейших торфооб-разователей.
Рис. 6. Кривые распределения частиц по размерам для низинного торфа разной степени разложения
По исследованиям А.В. Пичугина, наибольшие размеры внутриклеточных полостей имеют сфагновые мхи, пушица, шейхцерия. Длина полостей клеток этих торфообразователей изменяется от 90 до 180 мкм при ширине полостей 10-46 мкм и толщине стенок клеток 0,4-1,5 мкм. Размеры внутриклеточных полостей у низинных торфообразователей значительно меньше. Так, осока и тростник имеют длину полостей 16-32 мкм и ширину 12-15 мкм при толщине стенок 0,5-1,1 мкм. Важно отметить, что отношение объема полостей к общему объему тканей для торфообразователей низинного торфа существенно меньше, чем для торфообразователей верхового торфа. Этими анатомическими особенностями растительных тканей объясняется не только различная влагоемкмость верховых и низинных торфов, но и особая роль внутриклеточных полостей в изменениях этого свойства. Последнее вытекает из данных проф.
А.А. Иванова [22], приводимых им по поводу влажности клеточных стенок и степени заполнения водой внутриклеточных полостей. Так, при заполнении водой полости клеток на 88,6% их объема их стенки имеют влажность 15,8%. Эта влажность остается почти без изменений (падает всего до 15,2%) и тогда, когда в полостях клеток количество воды уменьшается до
3,7% объема. Эти данные показывают, во-первых, что влагоемкмость растительных остатков и торфа в целом обусловливается влагосодержанием и объемом внутриклеточных полостей и, во-вторых, что вода, находящаяся в клеточных стенках, в процессе полевой сушки торфа не удаляется и на влажность готового топлива не влияет.
Приведенные данные позволяют также утверждать, что для уменьшения влагоемкмости торфа необходимо диспергирование его крупных растительных остатков до размеров, меньших, чем размеры внутриклеточных полостей, т.е. примерно до 10 мкм. Такое диспергирование происходит при гумификации низинного торфа примерно с той же интенсивностью, что и при гумификации верхового торфа (рис. 5 и 6).
Таким образом, на основании дисперсного анализа и микрометрических данных о растительных тканях торфооб-
разователей можно заключить, что в области малых и средних величин степени разложения влагоемкмость у низинного торфа должна быть несколько меньшей, чем у верхового, но характер изменения влагоемкмости в этой области у обоих типов торфа должен быть сходным. Экспериментальные данные, представленные на рис. 1, достаточно хорошо подтверждают это заключение. В этой связи характерно еще следующее обстоятельство.
Из рис. 1 видно, что при степени разложения 60-70% влагоемкмости верхового и низинного торфа одинаковы. Если обратиться к рис. 7, то окажется, что при указанной величине степени разложения количество частиц размером менее 10 мкм (увеличение количества таких частиц вызывает уменьшение влагоемкмости) для верхового и низинного торфа также одинаково.
о4
О
V 7С
2 о
СЦ 2 со ПЗ Л
гг
К
Ь 39
ПЗ ^
т
§ Я
Степень разложения, %
Рис. 7. Зависимость между количеством частиц с размерами менее 10 мкм и степенью разложения торфа:
1 - верховой торф; 2 - низинный торф
Рассмотрение естественного диспергирования торфов при их гумификации убеждает нас в том, что в процессе торфо-образования с увеличением степени разложения растительного материала его удельная поверхность возрастает, играя определенную роль в изменении свойств торфа. В связи с этим является весьма важным проследить влияние механического диспергирования торфа на его удельную поверхность и свойства. Данные относительно дисперсности сфагново-пушицевого торфа со степенью раз-
ложения 50% и осокового торфа со степенью разложения 10% при переработке в мясорубке 1 и 5 раз [2] показывают следующее.
Характерным для обоих видов торфа после механического диспергирования является резкое уменьшение крупных фракций (при гумификации торфа это уменьшение идет постепенно). Одновременно с этим для обоих видов торфа наблюдается столь же значительное увеличение частиц мелкодисперсных фракций. Это относится главным образом к фракциям 10-0,5 мкм.
В отношении же количественного роста коллоидных частиц (меньше
0,5 мкм) при механическом диспергировании наблюдается та же закономерность, какая имеет место при диспергировании торфа в процессе гумификации его, т.е. в верховом торфе их количество увеличивается более значительно, чем в низинном. Так, исходный торф - как верховой, так и низинный - содержал количество частиц меньше 0,5 мкм 6,4%; после однократного пропуска через мясорубку оно увеличилось до 14,5% в низинном торфе, и до 25,4% в верховом; после пятикратной переработки оно увеличилось до 17,2% в низинном и до 37,3% в верховом. Таким образом, количество коллоидных частиц в низинном торфе увеличилось после однократной переработки в 2,3 раза, после пятикратной - в 2,7 раза, соответственно для верхового торфа - в 4 и в 5,8 раза.
Такое же отставание для низинного торфа имеет место и в отношении других мелкодисперсных фракций (меньше 2 мкм и меньше 10 мкм). Отсюда следует, что диспергирование торфа одним и тем же механизмом дает больший эффект для верхового торфа, нежели для низинного. Если оценить этот эффект удельной поверхностью, то получим, что удельная поверхность вне зависимости от числа пропусков через мясорубку для верхового торфа в 1,7-1,8 раза выше, чем для низинного. Очевидно, что причины этого являются в основном теми же, что и при гумификации, т.е. повышенная прочность растительного волокна в низинном торфе и большее содержание минеральных включений. Это обстоятельство позволяет считать, что при диспергировании низинного
торфа в целях получения развитой удельной поверхности необходимо создавать для осуществления деформации компонентов дисперсной фазы низинного торфа более высокие давления и усилия, нежели при диспергировании верхового торфа.
Влияние механического диспергирования торфа (переработки) на его свойства изучалось рядом исследователей. И.Д. Соколов (ВНИИТП) [7], проводивший работы с гидромассой и машиноформованным торфом, установил, что во всех случаях объемный вес и прочность воздушно-сухого торфа с увеличением переработки повышались. Это особенно отразилось на прочности низинного торфа (осоково-топяного). Так, при количестве «метрорезов», равном 1000-1200 тыс., прочность его по сравнению с воздушносухим торфом из непереработанной массы с той степенью разложения (15-20%) увеличилась в 19 раз. Аналогичные выводы получил и Н.А. Галыбин (Инсторф) [8]. По данным Е.П. Семенского, механическое диспергирование показывает резкое снижение влагоемкмости торфа [3]. Таким образом, из рассмотрения дисперсности верховых и низинных торфов следует, что с повышением степени разложения и степени механического диспергирования физико-механические свойства кускового торфа улучшаются, что находится в полном соответствии с ростом удельной поверхности.
Выше было отмечено, что в процессе гумификации наблюдается значительное отставание количественного роста высокодисперсных фракций в низинном торфе по сравнению с верховым, а следовательно, и в образовании новой удельной поверхности. В связи с этим представляется весьма важным сопоставить этот вывод со структурными особенностями того и другого торфа как в водонасыщенном состоянии, так после удаления воды. На основании микроскопических исследований структуры торфа, проведенных
А.В. Пичугиным [9], представляется возможным сделать следующие заключения:
а. Верховые торфа не только с высокой, но и с малой степенью разложения, обнаруживают губчатую, т.е. связную, структуру. В процессе сушки они принимают характер спекшейся массы, придаю-
щей верховому торфу большую связность
и, следовательно, большую прочность.
б. Низинные торфа вне зависимости от степени разложения и влажности показывают раздельнозернистую структуру. Для торфа с малой степенью разложения она является рыхлозернистой, с повышением степени разложения она получает некоторое уплотнение, сохраняя, однако, и в воздушно-сухом состоянии первоначальное рассеяние частиц, приводящее к снижению прочности низинного торфа.
в. Низинные торфа по мере удаления воды показывают тенденцию к возникновению трещин, распространяющихся от поверхности через корку к центру образца. Это явление может быть объяснено отсутствием необходимой степени связности частиц и локальной концентрацией напряжений в торфе при усадке. Отличительные особенности структуры верховых и низинных торфов могут объясняться различными условиями их генезиса и, в частности, физико-химическими явлениями, протекающими при этом процессе, находящими свое подтверждение в различном росте высокодисперсных фракций и удельной поверхности.
Таким образом, структурные исследования показывают, что с увеличением степени разложения и уменьшением влажности торфа сближение торфяных частиц и их уплотнение возрастают, т.е. с увеличением дисперсности (удельной поверхности) торфа пористость уменьшается. Как известно, пористость, показывающая объем пор или пустот в единице вещества, характеризует плотность его структуры и способность вещества к уплотнению под механическим воздействием.
Сравнивая пористость верхового торфа с низинным, мы приходим к важному заключению, подтверждающему принципиальные структурные различия того и другого торфа, описанные выше. Низинный торф - как ненарушенный, так и диспергированный - имеет больший объем пор с воздухом, но объем пор с водой он имеет меньший. Это свидетельствует о том, что низинный торф будучи по своей физической структуре раздельнозернистым веществом, обладает более разветвленной системой пор и пустот; в то же время поскольку влагоемкмость
растений-торфообразователей низинного торфа ниже, чем верхового, постольку объем пор, наполненных водой, у него меньше. Весьма важно подчеркнуть, что низинный торф сохраняет эти особенности в диспергированном виде, однако в количественном выражении эти различия с верховым торфом уменьшаются. Наряду с этим данные опытов подтверждают губ-чатость, сгущенность элементов структуры твердого вещества верхового торфа и его большую гидрофильность в отличие от растительного материала низинного торфа. Из данных следует, что пористость с увеличением степени разложения как верхового, так и низинного торфа уменьшается. Объясняется это уплотнением торфа, которое он получает в залежи (благодаря большей своей дисперсности) под действием внешней нагрузки в виде вышележащих слоев торфа. Этими же причинами, т.е. повышенными дисперсностью и давлением, создаваемым при формовании кускового торфа, объясняется пониженная пористость диспергированного торфа по сравнению с торфом ненарушенной структуры (из залежи). Из рассмотрения данных о пористости в зависимости от влажности торфа следует, что с понижением влажности пористость падает, но объем пор с воздухом непрерывно повышается для обоих видов торфа. Особенно значительной величины он достигает в ненарушенном торфе. Так, при влажности а = 80% при степени разложения К = 30% низинный ненарушенный торф имеет объем пор с воздухом Пвз = 28,5%; при степени разложения К = 60% Пвз=18%. Диспергированный торф соответственно имеет при R = 30% Пвз=10,5% и при К= 60% Пвз = 4%.
Отметим, что верховой диспергированный торф имеет при К= 30% Пвз= 10%;
при R = 60% Пвз=1%.
Следовательно, уменьшение объема пор с воздухом зависит от степени дисперсности торфа. С повышением дисперсности воздухоемкмость торфа падает. Поэтому при разработке торфяных месторождений пониженной эксплуатационной влажности для получения механически прочного кускового топлива большое значение приобретает диспергирование торфа, и в особенности торфа с малой степе-
нью разложения, и низинных торфов вообще.
Под механической прочностью того или иного тела понимает способность его сопротивляться разрушению, т.е. разделению на части. Неизменность формы и целость твердого тела обеспечиваются сцеплением элементов, составляющих тело. За меру сцепления (прочности) в твердых телах обычно принимают величину напряжения, при которой происходит разделение тела на части. В связанных сцеплением торфяных дисперсных системах подобно грунтам частицы удерживаются друг около друга силами молекулярного притяжения и капиллярным давлением. В связи с этим по аналогии с глинистыми грунтами можно различать в торфе два вида сцепления: истинное и кажущееся. Истинное, или структурное, сцепление вызывается молекулярным притяжением частиц друг к другу, создающим особую связность в присутствии естественных связующих веществ в соответствии с микроструктурой торфов. Кажущееся сцепление вызывается действием поверхностного натяжения воды между частицами торфа, т.е. силами капиллярного давления, развивающимися при его усадке, те. при высыхании.
Как можно заметить, в том и другом случаях сцепление (связность) частиц проистекает от взаимодействия фаз в дисперсной системе. Так как всякое взаимодействие между частицами твердой фазы и окружающей их дисперсной средой -жидкой фазой - возможно лишь на границе соприкосновения, т.е. на границе раздела их, то становится вполне понятным то чрезвычайное значение, которое приобретает фактор поверхности в дисперсных системах, и в частности в торфяных. Ранее мы видели, что поверхность раздела в торфе (удельная поверхность) растет по мере увеличения степени диспергирования. Вместе с этим было показано, что увеличение поверхности приводит к изменениям физико-механических свойств торфа (объемный вес, прочность, влаго-емкмость). Последнее объясняется тем, что развитие поверхности приводит к усилению адсорбционных процессов. Так как явление адсорбции, представляющее собой «уплотнение (концентрирование
молекул среды на поверхности дисперсной фазы), является результатом сил притяжения, действующих со стороны поверхности тела» (акад. П.А. Ребиндер [10]), то коллоидные системы как обладающие наиболее развитой внутренней поверхностью, отличаются и наибольшей адсорбционной способностью. В частном случае, когда дисперсионной средой является вода, частицы твердой фазы вследствие действия адсорбционных сил покрываются тонкой водяной пленкой.
Выше было сказано, что истинное сцепление может получить особое усиление при наличии в дисперсной системе естественных связующих веществ. На это впервые было указано акад. И.В. Гребенщиковым [11]. При исследовании кремнекислых соединений он установил, что в ряде явлений существенную, а иногда и решающую роль играют коллоидные пленки кремнекислоты, образующиеся на поверхности природных или искусственных силикатов (стекол, кварца, полевых шпатов), в особенности в высокодисперсном состоянии. По этому поводу акад. И.В. Гребенщиков писал: «Свойство кремнекислых соединений (полученных из расплавленного состояния в природе или в технике) покрываться коллоидной пленкой кремневой кислоты может объяснить схватываемость и цементацию их в измельченном состоянии. Всякая горная порода, будучи тщательно измельчена в сухом состоянии, должна обладать свойствами цемента. На поверхности отдельных зерен должны образовываться коллоидные пленки, которые будут слипаться между собой и в которых медленно будут проходить процессы минерализации. Даже кварц, измельченный чрезвычайно тонко, схватывается при действии на него воды. Такие же явления могут протекать и в почве».
Как отмечают акад. П.А. Ребиндер и проф. Н.Я. Денисов [12], образование подобных пленок делает возможной цементацию частиц различной крупности, протекающую аналогично схватыванию обычных вяжущих веществ (цемента). Подобно другим клеям, коллоидные пленки кремнегеля обеспечивают связность пород и восстанавливают ее в случае сжатия породы в интервале влажности, лежащем
примерно между пределом усадки и нижним пределом текучести, поэтому в данном случае всякое сжатие частиц влечет за собой их уплотнение с повышением связности породы. Если же сжатие частиц (сопровождающееся разрушением связей) происходит при влажности ниже предела усадки, связность не восстанавливается. В этом случае коллоидные пленки могут возникнуть вновь под действием влаги, и тогда сближение частиц будет сопровождаться схватыванием. Вместе с этим акад. П.А. Ребиндер и проф. Н.Я. Денисов указывают, что основное значение в возникновении связности глинистых пород имеют физико-химические процессы на границе поверхности соприкосновения твердой и жидкой фаз. «Наиболее существенным результатом взаимодействия воды с гидрофильными минеральными частицами является образование на поверхности не пленок чистой воды в обычном состоянии, как это часто предполагают, исходя из обычных, чисто физических представлений, а пленок коллоидного раствора, в большей или меньшей степени структурированного. Необходимый для этого материал вода извлекает из обычно разрыхленного поверхностного слоя частиц. Такие пленки сами способны к застудневанию, что и является причиной их клеящего действия».
Приведенные коллоидно-химические представления о связности глинистых пород могут служить достаточно близким аналогом связности торфов. Обратимся к доказательству. По определению Г.Л. Стадникова [13], торфяная масса с химической точки зрения представляет собой сложную систему, состоящую из различных органических гелей и пропитывающего их коллоидного раствора (гидрозоля). В естественном торфе коллоидный раствор содержит относительно мало сухого вещества (около 5% всего содержащегося в торфе сухого вещества). Золь гидромассы по исследованиям А.В. Думан-ского [13], содержит 30-35% сухого вещества. Золи торфа, особенно при высокой степени его гумификации, являются весьма высокодисперсными системами. Так, по определению А.В. Думанского и
В. Разборщиковой [14] золь гумуса имеет 24% фракции с частицами радиусом
0,4-0,5х103 мкм и 76% - радиусом 1,0-1,3х103 мкм.
Как показывают химические исследования сухого вещества торфа, преобладающее значение в его составе принадлежит гуминовой кислоте. Так, по данным П.К. Мэля (Инсторф) [14] гуминовая кислота в торфе составляет до 50% всего органического вещества. Исследования, проведенные В.Н. Малютиным (Инсторф) [15], показывают, что содержание гумино-вых веществ сопровождается с увеличением степени разложения торфа. Из данных исследований вытекает, что для хорошо разложившегося верхового торфа количество гуминовых веществ (с лигнином) в сухом веществе доходит до 59,6%.
Таким образом, гуминовые кислоты, являясь количественно преобладающим основным элементом в органическом веществе торфов, неминуемо должны являться и определяющим фактором их технологических свойств; они должны играть ту же роль, какую они, по замечанию доктора хим. наук Т.А. Кухаренко [16], играют в почвах. Заметим также, что гуминовые кислоты органически связаны с кремне-кислотой. А. Шмук [17] указывает, что зола гуминовой кислоты содержит в своем составе 18,21% кремнекислоты.
Приведенные материалы дают основание считать, что в результате взаимодействия частиц торфа и дисперсионной среды, представляющей собой гуминовый высокодисперсный золь, частицы торфа покрываются не водяными пленками, а коллоидными пленками гуминовых веществ, обеспечивающих связность по-лидисперсных торфяных систем, подобно рассмотренным выше кремнекислым коллоидным пленкам кремнегеля, сообщающим связность глинистым породам. Мысль об образовании на поверхности частиц гелеобразных структурированных пленок в торфяных дисперсных системах была впервые высказана доцентом Московского торфяного института
А.А. Березиным (1939 г.). Однако можно ли утверждать, что в любой разновидности торфа образование подобных пленок будет происходить в одинаковой степени и прежде всего в таких различных типах торфа, как низинный и верховой? Очевидно, нет, имея в виду, что образование пле-
нок обусловливается обязательным наличием высокой дисперсности твердой фазы. Ранее было показано, что дисперсность того и другого торфа - как ненарушенного, так и механически диспергированного - совершенно различна.
Это различие для низинного торфа выражается и в значительном уменьшении удельной поверхности и в уменьшении количества коллоидных частиц по сравнению с верховым торфом. И, кроме того, как показывают данные полидис-персного анализа, с увеличением гумификации низинного торфа происходит агрегация его высокодисперсных частиц. Так, при степени разложения К=10% количество частиц меньше 0,5 мкм равно 6,4%, при К = 60% - 5,0%) и при К = 80% - 4,4%; между тем в верховом торфе количество коллоидных частиц по мере увеличения степени гумификации непрерывно растет. Так, при степени разложения К = 10% количество частиц меньше 0,5 мкм равно 3,2%, при К = 60% оно повышается до 15,2% и при R = 80% - до 44,7%. Именно увеличение массы коллоидных частиц обусловливает резкое увеличение общей удельной поверхности верхового торфа (рис. 8).
Фракции,определяющие Фракции, определяющие
5.5
5.0 *,5
4.0
3.5
3.0
г,5
2.0
1.5 1,0 0,5
О
Рис. 8. Кривые распределения удельной поверхности по фракциям для верхового торфа разной степени разложения (торф непереработанный)
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в низинной залежи происходит процесс коагуляции коллоидных частиц, т.е. самопроизвольный процесс
— —^
деляющиі мность //
полную длагое Но, У а Л*
/ >*
// И=60
/?=10
У
’ >1
Сз
са
су,
СЭ ^ ^
са 53 ^
55 С? с?
¥
Диаметр частиц, см і *ї >*ї
£ с? 1 1
уменьшения степени дисперсности. Как известно, коагуляция коллоидной системы наступает при взаимодействии разноименно заряженных коллоидов, т.е. когда электрический заряд дисперсной фазы утрачивается совершенно. Очевидно, в низинном торфе нейтрализация отрицательно заряженных торфяных частиц происходит при взаимодействии с положительно заряженными частицами кальция, содержание которого в низинном торфе в среднем равняется 4% (на сухое вещество), в то время как в верховом торфе его содержится 0,25-0,35%. Вместе с этим можно предполагать, что действие ионов-стабилизаторов, стремящихся сохранить устойчивость коллоидного раствора в низинном торфе, носителем которых являются отрицательно заряженные мицеллы гуминовой кислоты, проявляется значительно слабее, нежели в верховом, ибо в низинном торфе, как нами было уже показано, коллоидных частиц, несущих заряд и в диспергированном, и в ненарушенном виде, в несколько раз меньше, чем в верховом. Кроме того, гуминовые кислоты, как установлено чл.-корр. АН БССР
В.Е. Раковским и М.А. Раковской [18], у верховых торфов содержатся в высокодисперсных фракциях, а у низинного, наоборот, максимум гуминовых кислот наблюдается у крупных частиц. Так, в пушице-вом торфе со степенью разложения R=50% в частицах >1,0 мм гуминовой кислоты содержится 10,4%, а в низинном (тростниково-лесном) с R=45% - до 36,8% (при общем количество содержания гуминовых кислот на органическое вещество в верховом торфе 24,1% и в низинном, принимаемом за 100%, 20,6%).
Низинный торф в сравнении с верховым имеет, с одной стороны, склонность к явлениям коагуляции, а с другой - обнаруживает более слабые внутренние связи, т.е. коллоидно-химические и водные. Вследствие: а) уменьшенной удельной поверхности из-за малого содержания коллоидных частиц; б) пониженного адсорбционного эффекта твердой фазы; в) уменьшенного суммарного заряда твердой фазы; г) пониженного содержания в тонко диспергированных фракциях гуминовой кислоты, несущей одноименный (отрицательный) заряд; д) увеличен-
ного содержания кальция, несущего противоположный (положительный) заряд. Этими причинами можно объяснить и раздельнозернистое строение низинного торфа, и пониженную прочность его в сравнении с верховым торфом в воздушно-сухом состоянии.
Различие прочности внутренних связей между твердой фазой и дисперсионной средой в этих торфах подтверждается работами доцентов Московского торфяного института Н.Н. Кулакова и
К.И. Самариной [19], исследовавших вязкость верхового и низинного торфов. Из этих работ следует, что при одном и том же содержании сухого вещества вязкость верхового пушицево-сфагнового торфа со степенью разложения К = 35% выше, чем низинного осоково-лесного со степенью разложения К = 45%. Эти данные показывают, что прочность связей выше в верховом торфе и ниже в низинном. При этом в обеих системах с повышением влажности прочность связей (вязкость) падает.
Из указанных данных следует также, что верховой торф является более гидрофильным коллоидом, нежели низинный, поскольку вязкость является характеристическим показателем гидрофильности коллоидных систем.
На основании всех этих данных, свидетельствующих о различии торфяных коллоидов, мы вправе считать, что и процессы коагуляции и образования внутренних связей в этих торфах происходят по-разному, а именно в верховых торфах как в системах более гидрофильных процесс коагуляции сопровождается явлениями желатинирования (застудневания) системы в целом, т.е. перехода всей дисперсной системы без видимого разделения фаз в студнеобразное сильно овод-ненное вещество - гель. В низинных же торфах как в системах менее гидрофильных процесс коагуляций сопровождается явлениями седиментации с явным отделением дисперсной фазы от дисперсионной среды при слабом оводнении осадка с одновременным уменьшением степени дисперсности системы. Эти явления (и по крайней мере их характер) подтверждаются при микроскопическом исследовании срезов верхового и низинного торфов.
Таким образом, в результате рассмотрения вопроса связности торфов истинным (структурным) сцеплением, в частности торфов при пониженной влажности, характеризующихся повышенным количеством пор, наполненных воздухом, мы приходим к следующему весьма важному практическому выводу. Для увеличения внутренних связей, обусловливающих истинное сцепление частиц торфа, то есть его прочность, необходимо, с одной стороны иметь развитую удельную поверхность твердой фазы, а с другой - чтобы расстояние между частицами было достаточно малым, учитывая предельный радиус действия сил притяжения (молекулярных): 0,25-0,5 мкм (Н.М. Герсеванов) [20, 23]. И то и другое может быть достигнуто при интенсивном механическом диспергировании торфа и сближении частиц путем соответствующего давления в процессе формообразования торфа.
Оба эти положения сохраняют свое значение и для развития кажущегося сцепления, вызываемого действием поверхностного натяжения воды между частицами, то есть силами капиллярного давления. Последние, согласно формуле Лапласа, возрастают по мере уменьшения радиуса кривизны менисков. Своего максимального значения капиллярное давление достигает тогда, когда радиус кривизны достигает своего минимального значения, то есть когда он становится равным радиусу пор. Очевидно, что чем меньше частицы твердой фазы, тем меньше и радиус кривизны. Проф. Г.И. Покровский [24] принимает радиус кривизны равным примерно 0,1 среднего диаметра частицы. На зависимость капиллярных сил от степени дисперсности указывает Н.М. Герсеванов [20], подчеркивая при этом, что капиллярные явления могут иметь практическое значение лишь в грунтах, диаметр частиц которых во всяком случае не превышает 0,1 мм. Таким образом, кажущееся сцепление и обусловливаемая им прочность торфяного куска также зависят от степени дисперсности торфа-сырца. С увеличением последней или, иначе, уменьшением диаметра пор связность частиц торфа, обусловленная кажущимся сцеплением, будет возрастать.
Особенно велика роль кажущегося сцепления в прочностных свойствах торфяных кусков из низинного торфа. При пониженной интенсивности коллоиднохимических связей для возникновения истинного сцепления между частицами низинного торфа обходимо весьма значительное внешнее давление на эти частицы, которое сблизило бы их до необходимых минимальных расстояний. Таким внешним давлением (по отношению к частицам внутри куска) при формовании низинного торфа-сырца с влажностью, превосходящей границу пластичности, является капиллярное давление жидкой среды в менисках на границе с внешней атмосферой. По мере высыхания куска капиллярное давление, сжимающее частицы торфа в куске, развивается, вызывает необходимую усадку, и обеспечивает возникновение прочного истинного сцепления между частицами.
При формовании торфяных кусков при значениях влажности торфа, меньших границы пластичности, в случае как верхового, так и низинного торфа вследствие пониженной влажности всей системы капиллярная связность между частицами оказывается ослабленной. Здесь необходимо применение внешнего механического давления такой интенсивности, при которой восстановились бы капиллярные связи между частицами куска.
Выполнение указанных требований в отношении повышения степени дисперсности и уплотнения частиц имеет особое значение при разработке на кусковое топливо поверхностных слоев торфяных месторождений, характеризующихся, как известно, не только пониженной эксплуатационной влажностью, но и наибольшим количеством крупных частиц в виде неразложившихся параллельных элементов, а также наименьшим количеством образовавшихся гуминовых кислот. Как было выяснено ранее, при отсутствии соответствующей степени дисперсности и уплотнения частиц такое стечение неблагоприятных факторов неминуемо приведет к ослаблению внутренних связей в системе, то есть к понижению прочности и ухудшению других физико-механических свойств кускового торфа.
Итак, роль диспергирования торфа в получении качественного кускового торфяного топлива весьма велика. В связи с этим возникает важный практический вопрос: каким же условиям должно удовлетворять механическое диспергирование торфа? Ответ, очевидно, будет дан, если будут установлены связи между размерами торфяных частиц и главнейшими физико-механическими свойствами, характеризующими качество кускового топлива: влагоемкостью и прочностью, то есть истинными и кажущимися сцеплениями частиц.
Ранее было показано, что влагоем-кость торфа с повышением степени разложения при механическом диспергировании уменьшается с уменьшением количества частиц размером больше 10 мкм.
Следовательно, первое условие,
предъявляемое к механическому диспергированию («переработке»), должно заключаться в уменьшении количества частиц размером более 10 мкм. Это снижает вла-гоемкость торфа.
Исследование вопроса о прочности кускового торфа показало, что это весьма важное свойство зависит от развития в торфяной дисперсной системе капиллярных и молекулярных явлений, приводящих к кажущемуся и истинному сцеплениям. Какие же размеры обусловливают интенсивное развитие этих явлений?
Н.М. Герсеванов [20] указывает: «Капиллярные явления могут иметь практическое значение лишь в мелкозернистых грунтах, диаметр частиц которых, во всяком случае, не превышает 0,1 мм (100 мкм)». Это указание, поскольку торф с точки зрения механики дисперсных систем можно рассматривать как грунт, дает нам возможность установить второе условие, предъявляемое к механическому диспергированию торфа: с уменьшением количества частиц размером более 100 мкм увеличивается кажущееся сцепление. Что же касается истинного сцепления частиц, то это свойство, как известно, присуще только коллоидным частицам, то есть частицам размером до 5 мкм (проф.
В.А. Приклонский). Отсюда вытекает
третье условие, предъявляемое к механическому диспергированию торфа: с увеличением количества коллоидных частиц (до
5 мкмJ увеличивается истинное сцепление.
Следует заметить, что в результате интенсивного развития капиллярных и молекулярных сил и последующего уплотнения частиц объемный вес системы в целом будет более высоким. В свете выявленных связей между размерами торфяных частиц с главнейшими физикомеханическими свойствами представляется возможность наметить классификацию фракций торфяных дисперсных систем (табл. 3). Надо сказать, что представленные в классификации свойства, характеризующие дисперсии, недостаточно полны, и только с развитием специальных исследований физических и химических свойств отдельных фракций (реологические свойства, содержание гуминовых кислот и т.д.), что является весьма важным и неотложным для получения высококачественного кускового торфяного топлива, представленная классификация примет исчерпывающий вид.
Таблица 3. Классификация фракций торфяных дисперсных систем
Название фракций Размер частиц, мкм Характеристика
Грубые дисперсии >100 Наличие форменных элементов. Удельная поверхность ничтожна. Капиллярное поднятие практически отсутствует. Очень влагоемки
То же 100-10 Удельная поверхность совсем незначительна. Капиллярное поднятие мало. К коагуляции не способны. Влагоемки
То же 10-4 Удельная поверхность мала. Капиллярное поднятие большое. Коагуляция возможна. Влагоемкость низка
Тонкие дисперсии <4 Удельная поверхность большая. Капиллярное поднятие высокое. Способны к коагуляции и адсорбции. Количество гумуса в поле зрения -75%
В целях подтверждения изложенных представлений нами были поставлены экспериментальные исследования. Задачами этих исследований являлись:
1. Выявить влияние удельной поверхности и уплотнения переработанного торфа с пониженной эксплуатационной влажностью на главнейшие физикомеханические свойства готовой продукции.
2. Проверить связь влагоемкости торфа и его прочности (истинного и кажущегося сцеплений) с торфяными фракциями по предложенной классификации.
Для исследований были взяты два вида торфа: верховой (медиум) со степенью разложения 30% и низинный (осоко-во-гипновый) со степенью разложения 25%. Оба вида торфа были подвергнуты диспергированию в следующих механизмах: а) мясорубка; б) спирально-конусный пресс; в) коллоидная мельница. Кроме того, были исследованы образцы коллоиди-рованных смесей торфа, искусственно составленных: один образец - из 50% торфа, диспергированного в мясорубке, и 50% в коллоидной мельнице, а другой - из 25% в мясорубке и 75% в мельнице.
Все образцы торфа изучались при различных исходных влажностях, степенях дисперсности (удельной поверхности) и уплотнении его ручным формованием и копром Клебе. Уплотняющая работа А, производимая последним, определялась по формуле
А=К-И-д,
где К - число ударов; И - высота падения груза; д - вес груза.
Во всех случаях число ударов давалось до стабилизации осадки торфа, что являлось свидетельством перехода торфа из трехфазного состояния в двухфазное («грунтовой массы» - по Н.М. Герсеванову). Всего была проведена 21 серия опытов с низинным и верховым торфом пониженной влажности, из них: 8 серий были проведены при ручном формовании и 13 - с копром; 7 серий из числа последних были проведены с торфом при нижнем пределе пластичности или несколько ниже, а другие 6 - при влажности 75-78%, то есть на 4-6% ниже предела пластичности, при явных признаках трехфазного состояния торфа. В каждой серии уплотнению подвергались 15-20 образцов торфа.
Таким образом, для выявления количественных показателей по каждому физическому свойству испытывались три и более образцов. Определение физикомеханических свойств готовой продукции (при ю = 33%), а именно: объемного веса, прочности (временного сопротивления
изгибу и сжатию), крошимости и влагоемкости, производилось по установленной в торфяной промышленности методике лабораторных анализов. Дисперсионная характеристика торфа, подвергнутого диспергированию в указанных механизмах, а также торфа в искусственных коллоиди-рованных смесях, была получена седимен-тометрическим методом, состоящим, как известно, в экспериментальном определении скорости оседания частиц дисперсной фазы, суспендированных в жидкой среде. Прибором, на котором производились дисперсионные анализы, служил се-диментометр для торфяных суспензий. В данном седиментометре использован принцип непрерывного взвешивания осадка на чашечке, разработанный проф.
Н.А. Фигуровским и конструктивно измененный инж. Н.В. Чураевым (научный руководитель - проф. М.П. Воларович) в связи со спецификой седиментометрического анализа торфяных суспензий.
Полученные данные подтвердили возможность существенного изменения распределения удельной поверхности низинного торфа по фракциям, а также общего увеличения ее в данном торфе путем механического диспергирования (рис. 9).
Франции,
Фракции.
определяющие
% 60 $0 из 30
го
10
о
Ат ? 1 /79/СЦ Ц Г
ПО 4
- >
п /
о..
—^
* І I
^ са' «а
Диаметр части и. елг
Рис. 9. Распределение частиц осоково-гипнового торфа степени разложения Д=25% в зависимости от методов механического диспергирования:
1 - торф переработан в мясорубке;
2 - коллоидированная смесь (10% переработано в мясорубке и 50% - в коллоидной мельнице);
3 - коллоидированная смесь (25% переработано в мясорубке и 75% - в коллоидной мельнице);
4 - торф переработан в коллоидной мельнице
Из полученных данных для обоих видов торфа мы находим достаточно убедительное подтверждение того положения, что с увеличением удельной поверхности качество воздушно-сухого торфа повышается.
Если расположить исследуемые торфа (например, низинного типа) по удельной поверхности в возрастающем порядке, то будем иметь: торф после мясорубки -удельная поверхность 50=3500 см2; после спирально-конусного пресса 50=5 1 00 см2; смесь №1 (50% - мясорубка и 50% - коллоидная мельница) 50= 5 0 0 0 см2; смесь № 2 (25% мясорубка и 75% -коллоидная мельница) 50=5700 см2 и коллоидная мельница 50=6 1 00 см.2. При этом соответственно были получены их объемные веса: 0,985; 1,091; 1,091; 1,184 и 1,195. Влаго-емкмость за 48 ч намокания: 58,6%; 57,1%; 46,4%; 30,1% и 31,6%. Крошимость (в барабане): 2,49%; 2,45%; 0,68%; 0,98% и 2,73%.
Исходная влажность исследуемых образцов была 80-79%. Сушка производилась в лабораторных (комнатных) условиях. Конечная влажность была 30-35%. Полученные данные, характеризующие качество торфа, значительно превышают подобные показатели производственных и лабораторных кирпичей при эксплуатационной влажности 88,5% (данные канд. техн. наук С.А. Сидякина). Зависимость, существующая между удельной поверхностью и физико-механическими свойствами торфа, была подтверждена и для верхового торфа, причем она мало отличается от зависимости для низинного торфа. Это свидетельствует о том, что для получения качественного кускового торфа из низинных залежей необходимо иметь развитую удельную поверхность, которая отсутствует при современных торфоперерабатывающих машинах. Как показывают экспериментальные данные, наилучший кусковой торф, верховой и низинный, получается при удельной поверхности 50=7000-6000 см2 (при подсчете удельной поверхности по фракциям в соответствии с классификацией).
Экспериментальные данные также подтвердили существование связи между определенными фракциями и такими физическими свойствами, как влагоемкмость
и истинное и кажущееся сцепления, что дает право считать действительными предъявленные выше три условия к механической переработке торфа.
При изучении свойств диспергированного торфа с влажностью 75-80%, то есть значительно ниже предела пластичности, было применено формование в копре при затрате уплотняющей работы до приведения массы в двухфазное состояние. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Все образцы торфа с меньшей удельной поверхностью (в мясорубке), несмотря на одинаковые условия уплотнения, имеют худшие показатели, чем торф с большей удельной поверхностью (спирально-конусный пресс). При этом для уплотнения до двухфазного состояния первого торфа требуется затрата большего количества уплотняющей работы, чем второго. Для торфов с меньшей влажностью также требуется большее количество работы. Однако в этом случае при увеличении удельной поверхности количество работы значительно уменьшается. Затрата удельной работы на уплотнение торфяной массы до двухфазного состояния в зависимости от удельной поверхности 50 и влажности ю может быть выражена с достаточно близким приближением линейной функцией:
для 50= 3 5 0 0 см2 (мясорубка);
ю = 79-75%;
А = 4,53-0,054ю кгм/см2;
для 50=5100 см2 (спирально-
конусный пресс);
ю=80-75%;
А = 2,61-0,03ю кгм/см2.
Коллоидированные смеси оказались практически несжимаемыми. В результате изучения влияния удельной поверхности и уплотнения на усадку низинного и верхового торфа были получены следующие выводы:
1. С увеличением удельной поверхности усадка обоих видов торфа увеличивается. Это свидетельствует об интенсификации действия капиллярных сил в системах с большей дисперсностью. Данный вывод объясняет влияние степени
разложения и переработки торфа на его усадку.
2. Торф пониженной влажности имеет усадку не меньшую, а даже большую по сравнению с торфом повышенной влажности, если его дисперсность не ниже дисперсности последнего и если он предварительно уплотнен до двухфазного состояния (до возникновения кажущегося сцепления).
Таким образом, интенсивность развития усадки, или, иначе, капиллярной связности торфа, обусловливается, с одной стороны, дисперсностью его, а с другой - полным насыщением пор водой; это достигается либо повышенной влажностью, либо предельным уплотнением его при низких влажностях (до состояния «грунтовой массы»). Этот вывод еще раз указывает на то, что задача получения качественного кускового топлива при разработке торфяных месторождений пониженной влажности заключается в повышенном диспергировании торфа и уплотнении его при формовании с приведением в двухфазное состояние.
При этом, как мы видели, приведение торфяной дисперсной системы в двухфазное состояние совершается тем легче, чем выше его степень дисперсности, или, иначе, «степень переработки». Оба эти термина мы вправе считать синонимами, ибо переработка торфа - это измельчение (диспергирование) компонентов твердой фазы с целью увеличения внутренней поверхности раздела на границе с окружающей средой (т.е. удельной поверхности).
Такое определение «переработки» торфа является наиболее достоверным, так как «наиболее характерным признаком дисперсной системы является внутренняя поверхность раздела на границе обеих образующих систему фаз - дисперсной фазы и дисперсионной среды. С увеличением степени дисперсности эта поверхность возрастает, причем свойства дисперсной системы все в большей степени определяются поверхностным явлением - «совокупностью специфических физико-химических свойств поверхностных слоев на внутренней поверхности раздела» (акад. П.А. Ребиндер).
В связи с подтверждаемым положением, что удельная поверхность является критерием не только для оценки переработки торфа, но и для суждения о физикомеханических свойствах его, представляется весьма важным для практики изыскать быстрый и удобный метод определения удельной поверхности при проведении полидисперсного анализа торфа. Такой метод аналитически представляется возможным получить при намеченной классификации фракций торфяных дисперсных систем. Так как грубые дисперсии дают весьма незначительную удельную поверхность, то в предлагаемом методе учитывается в качестве основной определяющей величины удельная поверхность тонких дисперсий, а именно частиц размером 4 мкм и менее.
В этом случае получаемая формула для определения удельной поверхности всей торфяной системы в целом приобретает простейший вид. При выводе данной формулы удельный вес сухого вещества торфа предполагается равным
50= 20000Лтс(1+К),
где Лтс - масса частиц размером 4 мкм и менее, содержащихся в 1 г сухого вещества; К - коэффициент, зависящий от величины Лтс.
Для К можно принимать следующие приближенные значения: К=0,2 при
Лтс=0,2^0,3; К=0,15 при Лтс=0,3^0,5; К=0,1 при Лтс >0,5.
Полученная формула исключает трудоемкие вычисления и дает возможность определить удельную поверхность торфяной дисперсной системы тотчас же по установлении массы коллоидной фракции (Лтс) при дисперсионном анализе, что в производственных лабораториях и тем более при многочисленных исследованиях значительно упростит и облегчит их проведение.
В связи с особой значимостью в технологии добывания кускового топлива величины удельной поверхности, определяющей качество его, появляется насущная необходимость в дисперсионной характеристике торфа, находящегося в залежи, ибо, зная его удельную поверхность и оптимальную удельную поверхность,
соответствующую качественному твердому топливу, можно управлять процессом переработки торфа путем регулирования работы торфоперерабатывающих машин (например, числа оборотов и т. д.).
На первый взгляд, казалось бы, что поскольку геоботаническая характеристика торфа «степень разложения» не соответствует дисперсионной характеристике - «удельной поверхности», постольку первое понятие и термин, по крайней мере в данной части, следовало бы заменить вторым. Однако, учитывая исключительно глубокое внедрение понятия «степень разложения» в науку и практику торфяного дела, входящего важнейшим и определяющим параметром в технологию торфяного производства вообще, является, очевидно, не только желательным, но и необходимым его сохранить. Но в этом случае возникает сложная и весьма актуальная задача, заключающаяся в необходимости отразить в «степени разложения» удельную поверхность торфа, находящегося в залежи. Сложность решения поставленной задачи заключается не только в новизне вопроса, но и в необходимости проведения для этого обширных исследований многообразных видов торфа на разных стадиях гумификации и получения данных, характеризующих их дисперсность. Располагая в настоящее время подобными данными по видам торфа сфаг-ново-пушицевый со степенью разложения К=10; 30; 60 и 80% и осоковый с К = 10, 60 и 80% (рис. 10), мы попытались в качестве первого приближения установить зависимость между «степенью разложения» и «степенью дисперсности» для верховых и низинных торфов и выразить в математической форме, что дало бы возможность решать необходимые инженерные задачи в области механизации и технологии добывания кускового торфа. Полученная зависимость 50=/(Я) различна для верхового и низинного торфов, но в обоих случаях имеет вид линейной функции:
для низинного торфа 50 = 3870+33К
для верхового торфа:
а) при К=10 ^50%
50=1460 + 44К;
б) при К = 50^80%
50 = 15 1 00 + 3 7 5Я.
Произведенная проверка полученных зависимостей, в частности на данных А.В.Думанского, по полидисперсному анализу гипново-осокового торфа со степенью разложения К = 25%, дает расхождение менее 10%. Однако, несмотря на эти более или менее удовлетворительные результаты, необходима в дальнейшем организация глубокого изучения дисперсности многообразных видов торфа в залежи и уточнения намеченной функциональной зависимости удельной поверхности от степени разложения.
к ^
О =
ПЗ 2
^ гд
§ X ь §
ї а 5 £
5 пз
Ьй а
/
/
V
/
г / г
( /. _
ю 0 '} 0 і 0 Л 0 5 0 ? д к
Степень разложения, %
Рис. 10. Зависимость между количеством частиц с размерами менее 2 мкм и степенью разложения торфа:
1 - верховой торф; 2 - низинный торф
Выводы
1. Предлагается характеризовать дисперсность торфа величиной удельной поверхности частиц сухого вещества, распределением удельной поверхности и массы частиц по фракциям различных размеров.
2. Анализ имеющихся данных о дисперсности низинного и верхового торфа с различной степенью разложения при помощи принятых характеристик позволил установить глубокие различия в характере естественного диспергирования торфов этих типов при гумификации.
3. Выявлена тесная связь степени и характера дисперсности торфа с его физико-механическими свойствами: вла-гоемкостью, прочностью, объемным весом, усадкой.
4. Рассмотрены различия в условиях процесса гумификации верховых и ни-
зинных торфов и выражение этого различия в характере и степени дисперсности торфа.
5. Рассмотрены факторы, определяющие истинное и кажущееся сцепления в торфе, и связь этих факторов со степенью и характером дисперсности торфа.
6. Предложена классификация фракций торфяных дисперсных систем. В качестве классификационного признака положена связь между размерами частиц и влагоемкостью торфа и прочностью его структуры (истинным и кажущимся сцеплениями).
7. Определены основные требования к характеру механического диспергирования торфа-сырца в целях повышения качества кускового торфяного топлива.
8. Показано, что для получения качественного кускового торфа при снижении влажности торфяной залежи ниже границы пластичности (нижнего предела) необходимыми условиями являются: а) увеличение удельной поверхности твердой фазу торфа путем механического диспергирования;
б) уплотнение торфяной массы до максимального уменьшения объема пор, занятых газовой фазой, и возникновения кажущегося сцепления (приведение торфомассы в двухфазное состояние).
9. Установлено, что количество уплотняющей работы А для приведения массы в двухфазное состояние зависит от удельной поверхности 50 и влажности ю. С увеличением 50 и ю количество потребной работы падает. Зависимость между величинами А и ю при данной величине удельной поверхности близка к линейной.
10. Предложен простой аналитический метод определения величины удельной поверхности торфяных дисперсных систем.
11. Установлена в приближенном виде функциональная зависимость удельной поверхности торфа в залежи от степени его разложения.
12. Подтверждено, что торф, являясь по-лидисперсной коллоидной системой, подчиняется одному из основных положений коллоидной химии, заклю-
чающемуся в том, что с изменением степени дисперсности неразрывно связано и изменение свойств самой системы.
Библиографический список
1. Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения и их разведка, Госэнергоиздат, 1948.
2. Семенский Е.П. Дисперсность торфа, «Труды Инсторфа», вып. 11, 1932.
3. Горячкин В.Г. Технология добычи и сушки торфа, Госэнергоиздат. 1948.
4. Семенский Е.П. Качество кускового торфа в зависимости от вида строения торфяной залежи и переработки торфа-сырца, «Труды Инсторфа», вып. 18,
1939.
5. Думанский А.В., Чапек Н., Буравлев Г., Шурыгина Е. Коллоидно-химическое исследование водных свойств торфа (2-е сообщение), «Коллоидный журнал», т. III, вып. 2, 1937.
6. Кулаков Н.Н. Введение в физику торфа, Госэнергоиздат, 1948.
7. Соколов И.Д. К вопросу о механической переработке торфа-сырца и гидромассы, «Труды ВИМТ», вып. III, 1939.
8. Галыбин Н.А. Основы контроля торфяного производства, ГОНТИ, 1934.
9. Пичугин А.В. Структура торфа и ее значение в технологии торфяного производства, «Труды МТИ», вып. II, 1953.
10. Дубинин М.М., Физико-химические основы сорбционной техники, Госхимиз-дат, 1932.
11. Гребенщиков Н.В., Химические реакции на поверхности силикатов, «Известия ОТН АН СССР», 1937, № 1.
12. Ребиндер П.А., Денисов Н.Я. О коллоидно-химической природе связности глинистых пород, Доклады АН СССР, 1946, т. 54, № 6.
13. Липатов С.М. Физико-химия коллоидов, Госхимиздат, 1948.
14. Мэль П.К. Гуминовые кислоты, «Труды Инсторфа», вып. 1, 1928.
15. Малютин В.Н. О химическом составе торфа в различных стадиях его образования, «Труды Инсторфа», вып. 1, 1928.
16. Кухаренко Т.А. Гуминовые кислоты торфов и особенности их структуры,
«Труды Института торфа», т. III, Изд. АН БССР, Минск, 1954.
17. Седелецкий Н.Д. Строение и свойства гуминовой кислоты, Изд. АН СССР, 1937.
18. Раковский В.Е., Раковская М.А. Разделение торфа механическими методами, Сборник трудов Института торфа АН БССР, вып. 1, Минск, 1951.
19. Самарина К.И. Методика расчета вязкости и предела текучести торфомассы из измерений в ротационном вискозиметре, Заводская лаборатория, 1946.
20. Герсеванов Н.М., Полин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практические применения, Стройиз-дат, 1948.
21. Наумов В. Химия коллоидов, ГНТИ, Ленхимсектор, 1932.
22. Иванов А. Подготовка торфяных болот к разработке, «Вестник торфяного дела», 1914, № 4.
23. Филатов М.М. Основы дорожного грунтоведения, Гострансиздат, 1936.
24. Покровский Г. И. К вопросу о механизме пластичности глины, «Почвоведение»,
1940, № 8.
25. Приклонский В.А. Общее грунтоведение, Геологиз, 1943.
Иванов Т.Н.
ЯДЕРНОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТОРФА И ТОРФЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Предисловие к работе Михаила Павло вича Воларовича и Николая Владмиро-овича Чураева «Разработка методов наблюдения за движением воды в торфяной залежи при помощи радиоактивных индикаторов»
