CC BY
14
О.В. Пухова, И.О. Королев
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НА ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ И ПРОДУКЦИИ
Представлены результаты экспериментов по механической переработке торфа, в процессе которой изменяются не только структурно-механические, но физико-химические свойства торфяной продукции. Показано изменение величины полной влагоемкости формованного торфа при его обезвоживании в конвективном, радиа-ционно-конвективном режимах сушки и различной дисперсности. Ключевые слова: торф, переработка, дисперсность, сушка, режим, полная влагоемкость, структура.
В подавляющем большинстве направлений использования торфа основу технологии составляют процессы, связанные с удалением значительного количества воды на различных стадиях производства и его диспергированием [1]. Способность торфа поглощать влагу связана с содержанием в нем волокнистых грубодисперсных частиц, которые имеют крупные полости, способные поглощать и удерживать большое количество воды. Диспергирование уменьшает объем таких полостей, и, следовательно, уменьшается полная влагоемкость торфа.
В торфе при полном водонасыщении вода представлена категориями воды слабой связи, механического и осмотического удерживания. Максимальное количество воды, отнесенное к массе сухого вещества, которое может удерживаться в торфе за счет сил различной природы (молекулярных, осмотических и др.), определяет его полную влагоемкость Ж. Полная вла-гоемкость является одной из основных показателей характеризующих исходное состояние торфа, определяется не только его структурными особенностями, но во многом зависит от состава, степени разложения и ряда других факторов. Поэтому для торфа одного и того же вида и степени разложения, но с различными значениями кислотности значения полной влаго-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 164-169. © 2017. О.В. Пухова, И.О. Королев.
УДК 622.331: 53.043
емкости неодинаковы, так как сказывается возраст торфяного месторождения [1]. Например, у верхового магелланикум торфа степенью разложения 10% и кислотностью рН 3,05 значение полной влагоемкости равно 18,5, а при рН 2,9 Wu = 18,8 и рН 2,85 Ж = 19,9, то есть с понижением рН величина Ж растет.
Согласно данных рис. 1 следует, что механическая переработка оказывает влияет на значения полной влагоемкости, и эта зависимость носит нелинейный характер [2]. До £0 = 350 м2/кг значения полной влагоемкости уменьшаются незначительно за счет частичного измельчения волокнистых грубодисперсных фракций.
Механическая переработка до = 500 м2/кг приводит к резкому снижению полной влагоемкости из-за практически полного разрушения грубодисперсных фракций. На третьем участке
> 500 м2/кг значения величины полной влагоемкости изменяются незначительно. Несколько иной характер исследуемой зависимости наблюдается для торфа высокой степени разложения (рис. 1, кривые 5, 6). Можно выделить только два участка, на которых происходит вначале резкое снижение, а затем незначительное изменение величины полной влагоемкости торфа в за-
Рис. 1. Зависимость изменения полной влагоемкости торфа Жп от степени его переработки Б (м2/кг): верхового магелланикум торфа степенью разложения R = 20 (1), 25 (2), 30 (3), 35 (4), 45 (5), 50 (6) % (а); низинного осокового торфа R = 25 (1), 30 (2), 35 (3), 45 (4), 50 (5) % (б)
висимости от его степени дисперсности. Изменение водно-физических свойств торфа происходит уже на уровне его коллоидной фракции. Следовательно, изменение полной влагоемкости должно приводить и к варьированию характеристик структуро-образования.
У верхового торфа степенью разложения 50% с переработкой S0 « 500 м2/кг кривая 6 плавно снижается, а затем происходит при незначительном изменении дисперсности заметное уменьшение влагоемкости. Для того чтобы получить хотя бы небольшое приращение дисперсности, исследуемый материал неоднократно пропускали через шнековый механизм, снабженный дополнительными ножами и решетками.
Анализ исследований показывает, что некорректно сравнивать образцы торфа по степени их дисперсности, так как при этом будут сравниваться материалы с заведомо различным физико-химическим составом. Поэтому следует вводить для характеристики структурных и физико-химических свойств торфа другие, более обобщающие параметры.
На полную влагоемкость влияние оказывают необратимые процессы, протекающие в коллоидно-высокомолекулярной составляющей торфа при его сушке. Из верхового торфа R = 25% с начальной влагой ~80% и дисперсностью 362, 460, 550 м2/кг формовали методом экструзии цилиндрические образцы с начальным размером 3 см и длиной 4,5 см. Часть образцов торфа помещали в сосуды, наполненные водой для набухания, а затем с помощью воронок Бюхнера определяли величину полной влагоемкости при влаге формования [1]. Остальные сушили при конвективном и радиационно-конвективном режимах [2]. Во время сушки контролировали текущее значение влагосодер-жания торфа и отбирали часть образцов для определения величины полной влагоемкости. Такая постановка экспериментов позволила проследить за процессами удаление — поглощение воды торфом, сможет ли торф после сушки и усадки опять впитать в себя и удержать такое же количество влаги, которое было изначально.
Многократная переработка торфа приводит к его механическому уплотнению и уменьшению содержания волокнистых грубодисперсных фракций, а также к значительному увеличению количества тонкодисперсных фракций (рис. 2). При этом высвобождается большое количество слабосвязанной влаги, превращая ее в капиллярную. Это увеличивает пластичность и улучшает деформационные свойства торфяной массы.
Рис. 2. Фракционный состав верхового магелланикум торфа степенью разложения 30%
В работе [3] показано, что механическое воздействие в аттри-торном механизме приводит не только к изменению структуры торфа, но и вызывает изменение его группового и химического состава. Так, при диспергировании торфа сокращается содержание трудногидролизуемых соединений, что свидетельствует о механодеструкции целлюлозных молекул, и повышается содержание редуцирующих веществ в составе легкогидролизуе-мой фракции. Выход щелочно-растворимых веществ увеличивается на 35...70%, а гуминовых кислот на 75...130%.
Экспериментально установлено, что при активном механическом воздействии шнековым механизмом на торф возникают свободные ассоциаты при разрушении более крупных макроагрегатов и агрегатов, из которых состоит торф. Они имеют большее количество свободных функциональных групп, чем до диспергирования.
На рис. 3 показано изменение величины полной влагоемко-сти формованного торфа в зависимости от степени обезвоживания материала, обусловленное структурными колебаниями. Процесс сушки начинается с набухшего состояния торфа, при котором ассоциаты находятся в объемно-растянутом состоянии.
В этом состоянии функциональные полярные группы полностью гидратированы, а полости между макромолекулами и их агрегатами заполнены влагой. При удалении ее происходит усадка торфа, растет плотность и снижается его проницаемость, что осложняет перемещение молекул влаги из ассоциатов. Поэтому наблюдается своеобразное удерживание молекул влаги в
Рис. 3. Изменение величины полной влагоемкости Жп верхового формованного торфа R = 25% при его обезвоживании в конвективном (1, 2, 3), ра-диационно-конвективном (1', 2', 3') режимах сушки и различной дисперсности: 362 (1, 1), 460 (2, 2), 550 (3, 3) м2/кг
ассоциатах, что требует дополнительных затрат энергии на их удаление из торфа.
Молекула воды перемещается там, где возникают свободные полости, соизмеримые или большего их размера. Число молекулярных связей между элементами структуры торфа возрастает при усадке и снижается при набухании.
Как следует из анализа рис. 3, процесс сушки с самого начала необратимо изменяет структуру торфа. Особенно на водно-физические свойства торфа влияет режим сушки. При более жестком режиме обезвоживания степень необратимости структуры выше. Так, например, для торфа с = 362 м2/кг начальная величина полной влагоемкости равнялась 13,5 кг/кг. После сушки образцов торфа до влагосодержание 1 кг/кг при мягком режиме WIl составила 9 кг/кг, а жестком — 8,2 кг/кг.
Таким образом, из проведенных экспериментов следует, что механическая переработка торфа изменяет не только структурно-механические, но физико-химические его свойства. Величину полной влагоемкости можно использовать в качестве одного из основных показателей, определяющих совокупность различных характеристик торфяного сырья и готовой продукции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мисников О. С., Пухова О. В., Черткова Е. Ю. Физико-химические основы торфяного производства. — Тверь: ТвГТУ, 2015. — 168 с.
2. Пухова О. В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.05. Тверской государственный технический университет. -Тверь, 1998. - 20 с.
3. Кашинская Т. Я., Гаврильчик А. П. и др. Изменение физико-химических свойств торфа при механическом воздействии / Органическое вещество торфа: Тез. докл. Международного симпозиума. — Мн.: ИПИПРЭ, 1995. — С. 15—16. ЕИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Пухова Ольга Владимировна1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Королев Илья Олегович1 — аспирант, 1 Тверской государственный технический университет.
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 164-169. O.V. Puhova, I.O. Korolev
INFLUENCE OF MECHANICAL PROCESSING ON WATER-PHYSICAL PROPERTIES OF PEAT PRODUCTS AND RAW MATERIALS
The results of experiments are present on the mechanical processing of peat, which changed not only the structural and mechanical, but the physico-chemical properties of peat products. Demonstrates how to change the values of full capacity molded peat when its dewa-tering in convective, radiation and convective drying regimes and different dispersion.
Key words: peat, recycling, dispersion, drying, mode, full capacity, structure.
AUTHORS
Puhova O.V}, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Korolev I.O.1, Graduate Student, 1 Tver State Technical University, 170026, Tver, Russia.
REFERENCES
1. Misnikov O. S., Puhova O. V., Chertkova E. Ju. Fiziko-himicheskie osnovy torfjanogo proizvodstva (Physicochemical principles of peat production), Tver, TvGTU, 2015, 168 p.
2. Puhova O. V. Zakonomernosti izmenenija fizicheskih svojstv torfa pri ego pererabotke i sushke (Regularities of variation in physical properties of peat under processing and drying), Candidate's thesis, Tver, 1998, 20 p.
3. Kashinskaja T. Ja., Gavril'chik A. P. Organicheskoe veshhestvo torfa: Tezizy doklada Mezhdunarodnogo simpoziuma (Organic matter of peat: International symposium paper head-notes), Minsk, IPIPRJe, 1995, pp. 15-16.
UDC 622.331: 53.043
