CC BY
15
© И.О. Королев, О.В. Пухова, Е.Ю. Черткова, 2012
УЛК 622.331:53.043
И.О. Королев, О.В. Пухова, Е.Ю. Черткова
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ РАЗРАБОТКИ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Представлены результаты экспериментов по механической переработке торфа, в процессе которой изменяются не только структурно-механические, но физико-химические свойства торфяной продукции. Дана оценка физико-механических свойств торфяного сырья в процессах диспергирования и обезвоживания торфо-массы. Показано изменение величины полной влагоемкости формованного торфа при его обезвоживании в конвективном, радиационно-конвективном режимах сушки и различной дисперсности.
Ключевые слова: торф, переработка, дисперсность, сушка, режим, полная влаго-емкость, структура.
Основой технологии использования торфа являются 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 гру-бодисперсных частиц, которые имеют крупные полости, способные поглощать и удерживать большое количество воды. Диспергирование уменьшает объем таких полостей, и, следовательно, уменьшается полная влагоемкость торфа.
Вода в торфе при полном водона-сыщении 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 Шп. Полная влагоемкость является одной из основных показателей ха-
рактеризующих 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 влагоем-кости неодинаковы, так как сказывается возраст торфяного месторождения [3]. Например, у верхового магелланикум торфа степенью разложения 10 % и кислотностью рН = 3,05 значение полной влагоемкости равно 18,5, а при рН = 2,9 значение = 18,8 и рН = 2,85 значение Шп = 19,9, то есть с понижением кислотности величина полной вла-гоемкости растет.
Из анализа рис. 1 следует, что диспергирование влияет на значения полной влагоемкости, и эта зависимость носит нелинейный характер [4]. До условной удельной поверхности 350 м2/кг значения полной влагоемкости уменьшаются незначительно за
Рис. 1. Зависимость изменения полной влагоемкости торфа Шп от степени его переработки Б0 (м2/кг): а) верхового магелланикум торфа степенью разложения Я =20 (1), 25 (2), 30 (3), 35 (4), 45 (5), 50 (6) %; Ь) низинного осокового торфа Я =25 (1), 30 (2), 35 (3), 45 (4), 50 (5) %
счет частичного измельчения волокнистых грубодисперсных фракций.
Дальнейшее диспергирование до условной удельной поверхности 500 м2/кг приводит к резкому снижению полной влагоемкости из-за практически полного разрушения грубо-дисперсных фракций. На третьем
участке условная удельная поверхность более 500 м2/кг значения величины полной влагоемкости изменяются незначительно. Несколько иной характер исследуемой зависимости наблюдается для торфа высокой степени разложения (рис. 1, а, кривые 5 и 6; рис. 1, Ь, кривые 4 и 5). Можно выделить только два участка, на которых происходит вначале резкое снижение, а затем незначительное изменение величины полной влагоемкости торфа в зависимости 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 структурообразования.
Кривая 6 получена для верхового торфа степенью разложения 50 %. До условной удельной поверхности ~ 500 м2/кг кривая плавно снижается, а затем происходит при незначительном изменении дисперсности заметное уменьшение полной влагоемкости торфяного сырья. Водно-физические свойства торфа изменяются на уровне его коллоидной фракции [5]. Для того чтобы получить хотя бы небольшое приращение дисперсности, исследуемый материал неоднократно пропускали через шнековый механизм, снабженный дополнительными ножами и решетками.
При многократной переработке торфа происходят его механическое уплотнение и уменьшение содержания в торфе волокнистых грубодис-персных фракций и значительно увеличивается количество тонкодисперсных. Высвобождается большое количество слабосвязанной влаги, превращая ее в капиллярную. Это увеличивает пластичность и улучшает деформационные свойства торфяной
массы. В работе [6] показано, что механическое воздействие в аттритор-ном 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 ме-ханодеструкции целлюлозных молекул, и повышается содержание редуцирующих веществ в составе легко-гидролизуемой фракции. Выход ще-лочно-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 ассо-циаты при разрушении более крупных макроагрегатов и агрегатов, из которых состоит торф [7]. Они имеют большее количество свободных функциональных групп, чем до диспергирования.
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.
Существенное влияние на значение полной влагоемкости оказывают необратимые процессы, протекающие в коллоидно-высокомолекулярной составляющей торфа при обезвоживании. Из верхового торфа степенью разложения 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. Сразу после формования три-четыре образца торфа помещали в сосуды, наполненные водой для набухания, а потом по известной методике с помощью воронок Бюх-нера определяли величину полной влагоемкости при влаге формования (первая точка справа на рисунке). Остальные кусочки сушили при конвективном (в комнатных мягких условиях) и радиационно-конвектив-ном (жестком, в камере искусственного климата) режимах [4]. В процессе сушки контролировали текущее значение влагосодержания торфа и отбирали четыре-шесть кусочков 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.
На рис. 2 показано изменение величины полной влагоемкости 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 гидрати-рованы, 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 ассоциатах, что требует дополнительных затрат энергии на их удаление из торфа.
21
с^Г_,_,_Ш
12 3 4
Рис. 2. Изменение величины полной влагоемкости Wn верхового формованного торфа степенью разложения 25 % при его обезвоживании в конвективном (1, 2, 3), радиационно-конвективном (1', 2', 31 режимах сушки и различной дисперсности: 362 (1, 11, 460 (2, 21, 550 (3, 31 м2/кг
Молекула воды пеемешается там, где возникают свободные полости, соизмеримые или большего их размера. Число молекулярных связей между элементами структуры торфа воз-
1. Лиштван И.И. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И. Лиштван [и др.]. — Мн.: Наука и техника, 1983. — 232 с.
2. Справочник по торфу / под ред. канд. техн. наук A.B. Лазарева и д-ра техн. наук С.С. Корчунова. — М.: Недра, 1982. — 760 с.
3. Раковский В.Е. Химия и генезис торфа / B.E. Раковский, Л.В. Пигулевская. М.: Недра, 1978. — 231 с.
4. Пухова О.В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.15.05 / О.В. Пухова; Тверской государственный технический университет. — Тверь, 1998. — 20 с.
растает при усадке и снижается при набухании.
Как следует из анализа рис. 2, 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 удельной условной поверхностью 362 м2/кг начальная величина полной влагоем-кости равнялась 13,5 кг воды/кг сух. в. После сушки образцов торфа до влагосодержание 1 кг воды/кг сух. в при мягком режиме полная влагоем-кость составила 9 кг воды/кг сух. в, а жестком — 8,2 кг воды/кг сух. в.
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 торфа.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Лиштван И.И. Физические свойства торфа и торфяных залежей / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, В.И. Косов. Мн.: Наука и техника, 1985. — 240 с.
6. Кашинская Т.Я. Изменение физико-химических свойств торфа при механическом воздействии / Т.Я. Кашинская, А.П. Гаврильчик и др. // Органическое вещество торфа: Тез. докл. Международного симпозиума. — Мн.: ИПИПРЭ, 1995. — С. 1516.
7. Пухова, О.В. Сравнительный анализ процессов сушки различных видов торфяной продукции / О.В. Пухова, Е.Ю. Исаева. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, — 2006. — Т. 11. — С.225—230. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Королев И.О. — магистрант,
Пухова О.В. — кандидат технических наук, доцент, Черткова Е.Ю. — аспирант,
Тверской государственный технический университет, e-mail: [email protected]
