Использование минеральных добавок для повышения гидрофильности торфяной продукции

© А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников, Д.В. Иванов, 2002

УДК 622.331:622.7

А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников, Д.В. Иванов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ГИДРОФИЛЬНОСТИ ТОРФЯНОЙ ПРОДУКЦИИ

При производстве различных видов товаров народного потребления на основе торфа приходится сталкиваться с двумя основными проблемами. Первая - это снижение водопоглощения торфа, для предотвращения его потерь при намокании и повышения качества энергетического и коммунально-бытового топлива. Вторая - увеличение гидрофильных и сорбционных свойств торфяной продукции, используемой для изготовления различных видов поглотителей. И если уменьшить содержание влаги в торфяном топливе можно, применяя сравнительно несложные технологические приемы, основанные на природных свойствах этого материала, то повышение гид-рофильности требует существенной модификации структуры сухого торфа.

Известные способы увеличения водопоглотительных свойств торфа предусматривают использование поверхностно-активных веществ, а также других видов химических реагентов. Однако использование таких соединений не всегда оправданно, особенно при применении их в качестве поглотителей и подстилочных материалов для домашних животных.

Таким образом, одной из задач современной науки о торфе является получение экологически безопасных материалов на его основе и изучение структурных особенностей такого вида продукции.

Повысить скорость и величину во-допоглощения можно, вводя в торфяную матрицу, природные минеральные материалы, в состав которых входят различные виды глин и глини-

стых минералов (глинистый мергель, минерализованные илы, сапропели и т. д.). Они обладают высокими гидрофильными свойствами, способностью к сорбции и ионному обмену [1], причем впитывание жидкости этими материалами по сравнению с торфом происходит практически мгновенно. Однако для разработки технологии их изготовления необходимо научное обоснование и прогнозирование структурных свойств торфоминеральных композиций.

Эксперименты проводились с торфяными кусками цилиндрической формы сформованными в шнековом перерабатывающем устройстве методом экструзии (придание формы экспериментальным образцам позволило с высокой степенью достоверности определить прочностные показатели при сушке последних).

Кроме того, для исследований водопоглоще-ния применялись шарообразные гранулы, полученные методом окатывания на тарельчатом грануляторе. Экспериментальные образцы получали из сфагнового торфа степенью разложения R = 5.. .10 % (подстилка первой категории,

РСТ 734-85), и торфоминеральных композиций, которые изготавливались из смеси торфа, каолиновой глины и глинистого мергеля в различных пропорциях по массе

сухого вещества. Сушка осуществлялась при конвективном теплоподводе, температуре 293+2 К и относительной влажности воздуха 70+10 %. В процессе обезвоживания определялись макроскопические структурные характеристики (плотность, максимальная разрушающая нагрузка при одноосном сжатии), а также изменение объема чистого торфа и торфоминеральных композиций. Для более детального изучения изменений, происходящих в структуре искусственных органоминеральных композиций при их обезвоживании, использовались са-пропели различной зольности (при-род-ный аналог последних).

Из анализа прочностных показателей материалов (рис. 1) следует, что величина прочности на сжатие при равновесном влагосодержании максимальна у органического сапропеля. С уменьшением содержания органического вещества в системе (карбонатный и кремнеземистый сапропели) прочность постепенно падает. Для сравнения здесь приведены зависимости прочности торфоминеральных композиций. При сопоставлении графиков 3 и 4 с остальными функциями видно, что на прочность системы влияет не только количество, но и «качество» органической составляющей. Таким об-

разом, у органических материалов с большим содержанием гуминовых веществ, структурные элементы предрасположены к возникновению между ними значительного числа водородных межмолекулярных взаимодействий.

Рис. 1. Зависимость натурального логарифма прочности 1п Я,

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ТОРФА И ТОРФОГЛИНИСТЫХ КОМПОЗИЦИЙ

№ Материал й 0^, МПа X 1 X 2 Ж е , кг/кг

1 Торф верховой, R = 5.10 % 5,18 0,46 3,70 1

2 Композиция торф и каолиновая глина (80:20) 5,66 0,68 3,76 0,85

3 Композиция торф и каолиновая глина (70:30) 6,05 1,03 3,79 0,75

4 Композиция торф и каолиновая глина (60:40) 6,23 1,13 4,84 0,5

5 Композиция торф и каолиновая глина (50:50) 9,12 1,83 6,27 0,4

Рис. 2. Кинетика водопоглощения В, % гранулированных торфа 1 и торфоглинистых композиций в различных пропорциях: 80:20

Процесс сушки формованных образцов из искусственных

(торф + глинистый материал) и естественных (сапропель) органоминеральных композиций (в исследованном диапазоне концентраций) разделяется сингулярной точкой Ш с на два периода структурообразования (рис. 1). Каждый из периодов обусловлен превалирующим действием ван-дер-ваальсовых (I период) или водородных межмолекулярных связей (II период) [2,

3].

По данным [3], на начальном этапе сушки органических коллоидных капиллярно-пористых материалов, их коагуляционная структура упрочняется из-за сближения и уплотнения частиц под действием капиллярных сил, возникающих вследствие удаления влаги из относительно крупных меж-частичных пор и пор частиц. Затем происходит отставание темпа обезвоживания от темпа усадки. Влага удаляется из более узких пор, частиц, слагающих кусок, и переносится через межчастичное поровое пространство в окружающую среду. Возникающее капиллярно-осмотическое давление в

пределах таких частиц приводит к их дальнейшей усадке.

Известно, что прочность дисперсных материалов обусловлена двумя основными факторами: увеличением числа контактов и повышением энергии связи индивидуального контакта. Внесение глинистого материала в слаборазложившийся торф несколько повышает конечную прочность композиций, причем ее прирост прямо пропорционален количеству вносимой глины. Эта закономерность объясняется повышением концентрации высокодисперсной среды в композиции за счет глинистого материала. Другими словами, происходит увеличение плотности скелета твердой фазы за счет интенсивной усадки, что вызывает увеличение числа контактов между частицами, слагающими кусок, и, соответственно, рост прочности системы в целом. По этой же причине с увеличением содержания минеральных компонентов, второй период структурообразования начинает проявляться при более высоких прочностных показателях торфа и торфоминеральных композиций. Это хорошо заметно при анализе положения сингулярной точки Ж с (рис. 1, таблица).

Необходимо отметить, что прочностные показатели коллоидных капиллярно-пористых тел, сформованных из органоминеральных материалов биогенного происхождения, напрямую зависят от усадочных процессов, протекающих в них при сушке.

Анализ кривых водопоглощения исследуемых материалов (рис. 2) по-

казывает, что добавки каолиновой глины повышают сорбционные свойства торфа. Кроме того, наблюдается стойкая тенденция к интенсификации водопоглотительного процесса в композициях. Это вызвано структурными изменениями, происходящими при внесении минеральных глинистых добавок в торфяную гранулу. Мелкодисперсные частицы глины препятствуют образованию водородных взаимодействий непосредственно между активными центрами органического вещества торфа. Поэтому молекулы воды свободно сорбируются на функциональных группах, то есть не нужно дополнительных затрат энергии и времени для разрыва водородных связей между последними.

При соприкосновении глинистых материалов с растворами слабых электролитов (а именно таковым является торфяная вода) качество поверхности минералов существенно меняется и появляются дополнительные адсорбционные центры. Этот процесс обусловливается спецификой кристаллохимического строения минералов, а также свойствами окружающего порового раствора (концентрация, заряд ионов, рН и др.) [1, 4].

Это обстоятельство проявляется тем в большей степени, чем выше во-допоглощение, т. е. для композиций по сравнению с торфом. В нашем случае при соотношении торф - глина (60:40) (рис. 2, график 4) имеется максимум водопоглощения. Исходя из этого, процесс водопоглощения будет неодинаков у торфа и его композиций, и определяются он состоянием пористой структуры тел при прочих одинаковых условиях [5].

Таким образом, полученные в исследованиях результаты служат основой для выпуска широкого ассортимента водопоглотительных материалов высокой прочности, различной

степени гидрофильности без использования химического модифицирования структуры торфа. Кроме того, в

технологическом процессе существенно снизятся затраты тепла на сушку сорбентов, так как внесение глиня-

ных материалов позволяет существенно снижать начальную влагу формования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. - М.: МГУ, 1969. 173 с.

2. Афанасьев А.Е. Физические процессы тепломассопереноса и структурообразования в технологии торфяного производства: дис. ... д-ра техн. наук. Калинин, 1984. - 611 с.

3. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. - М.: Недра, 1992. 288 с.

4. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. М., 1968. 427 с.

5. Физика и химия торфа / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов, АА. Терентьев. - М.: Недра, 1989. 304 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Афанасьев А.Е, Мисников О. С., Иванов Д.В. — Тверской государственный технический университет.