Определение плотности сухого вещества торфа

 

   Плотность таких сложных (и многофазных) систем как торф недостаточно характеризовать одним показателем, по которому оценивается только объемная масса в целом. Необходимо также знать и плотность каждой фазы. Плотность воды r_в в торфе обычно принимается равной 1000 кг/м³, плотность газообразной фазы r_г в торфе из-за малости ее значения, как правило, не учитывается, а плотность сухого вещества r_с торфа определяется экспериментально.

Под плотностью сухого вещества торфа r_с понимают отношение массы сухого вещества (без пор) m_c к ее объему V_c, т.е.

, г/cм³; кг/м³.

Величина плотности твердой фазы торфа зависит от химического и минерального состава и определяется средней величиной плотностей компонентов, составляющих данную систему, и их относительным содержанием.

У торфов r_с  зависит от степени разложения и зольности, колеблется от 1400 до 1700 кг/м³. В технических расчетах принимают равной 1500 кг/м³.

   Плотность твердой фазы дисперсных материалов чаще всего определяют пикнометрическим методом. Метод основан на использовании пикнометра – мерного сосуда, позволяющего определить объем жидкости с большой точностью. Примером грубого пикнометра может служить простая мерная колба. Объем пикнометра равен 100 мл.

Установлено, что r_с зависит от размера молекул пикнометрирующей жид-кости, в качестве которой используют воду или неполярные жидкости ­­­– бензин, толуол, керосин и др. Связано это с тем, что рыхлые по своей структуре час-тицы торфа включают микропоры, в которые могут проникать молекулы не всех жидкостей. С уменьшением размеров молекул жидкости их проникающая способность увеличивается, значение V_с снижается, следовательно r_с возрастает.

Н.И. Гамаюнов и Н.Е. Ященко показали, что r_с находится в обратной зависимости от диаметра молекул пикнометрической жидкости. Экстраполируя на нулевой размер молекул жидкости, они нашли значение r_с равное 1700÷1800 кг/м³. Таким образом, определяемые величины плотности беспористого вещества торфа при какой-то одной жидкости дают значение в большей или в меньшей степени приближенные к истинному, и расхождение будет тем больше, чем больше диаметр молекул жидкости.

Важной вспомогательной операцией при определении плотности твердой фазы является удаление из нее воздуха. Для этой цели применяют кипячение пикнометров с образцом и жидкостью на водяной бане, вакуумирование или виброобработку (с различной частотой вибрации). Для определения r_с торфа также применим метод высоких давлений. 

Л.С. Амарян предложил метод определения истинной плотности твердой фазы путем прессования торфа в приборе УВД-3.

      

 С этой целью торф с влагой меньше 25 % помещается в прецизионную матрицу и сжимается до двухфазного состояния при давлении 500-1000 МПа. Далее, зная площадь матрицы и высоту отжатого торфа можно рассчитать

,

где S – площадь матрицы; h – высота брикета в сжатом состоянии; m – масса торфа;  ω – влажность торфа; r_в – плотность воды.

   Значение плотности сухого вещества необходимо для расчета его пористости, а также указывает на соотношение минеральной и органической составляющих дисперсной системы.

 Целью данной работы является определение плотности сухого вещества торфа пикнометрическим методом. Сущность метода заключается в определении объема твердой фазы вещества взвешиванием пикнометра с жидкостью (на основе закона Архимеда).

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Пустой пикнометр закрывают крышкой и взвешивают на аналитических весах с точностью до ±0,001 г.

2. Записывают характеристику торфа, имеющуюся на этикетке банки.

3. Встряхнув несколько раз содержимое банки с пробой, специальным пробоотборником берут порцию и засыпают в пикнометр, пользуясь стеклянной воронкой. Пикнометр вновь закрывают пробкой и взвешивают на аналитических весах. Определяют массу навески m.

4. Отобранную в пикнометр навеску торфа заливают водой до половины объема пикнометра. Содержимое пикнометра в течение 1-2 минут помешивают плавными круговыми движениями.

5. Пикнометр с открытой пробкой устанавливают в вакуум-эксикатор, последний герметично закрывают крышкой и включают на 5-10 минут вакуум-насос. За это время в вакуум-эксикаторе создается давление 160 мм рт. ст.

6. По истечении этого срока вакуум-эксикатор отключают краном от насоса и выключают последний. Пикнометры выдерживают под вакуумом в течение 10-15 минут до прекращения выделения пузырьков воздуха на поверхности жидкости.

7. Убедившись, что газовая фаза достаточно полно удалена (пузырьки воздуха не выделяются), плавно открывают кран вакуум-эксикатора, чтобы снять вакуум.

8. Снимают с эксикатора крышку, извлекают пикнометры и наполняют их дистиллированной водой до метки.

9. Пикнометры помещают на 10-15 минут в водяной термостат так, чтобы уровень жидкости в пикнометре и термостате практически совпадали. Температуру отсчитывают в конце выдержки в термостате по термометру, помещенному в стакан с аналогичной жидкостью, который также погружен в водяной термостат.

10. При помощи капельницы уровень жидкости в пикнометре доводят строго до метки.

11. Пикнометр закрывают пробкой, вытирают фильтровальной бумагой или полотенцем, взвешивают на аналитических весах и получают m₂.

12. Выливают содержимое пикнометра. Пикнометр промывают водой и заполняют дистиллированной водой до метки и помещают в термостат на 10-15 минут. Затем доводят уровень воды до метки и взвешивают пикнометр с водой m₁.

13. Плотность твердой фазы абсолютно сухого торфа рассчитывают по формуле

                                            _с =  ,                                      (1)

где m_с – масса навески абсолютно сухого вещества, г.

   Чаще приходится работать не с абсолютно сухой навеской, а с имеющей влажность w. В этом случае формула (1) видоизменяется:

,

где m – масса навески, г; r_в – плотность воды при температуре опыта, г/см³; ρ_ж – плотность пикнометрической жидкости, г/см³.

14. Результаты определения влажности торфа заносят в табл.1, а плотности сухого вещества – в табл. 2.

 

 

Температура опыта − ^оС;

Удаление газовой фазы − вакуумирование в течение 10 минут.

 

Таблица 1. Результаты определения влаги торфа

 

№ бюкса	Масса, г					Относительная влажность ω, %	Влагосодержание W, %
	пустого бюкса	бюкса с навеской	навески	бюкса с навеской после сушки	воды

 

Таблица 2. Результаты определения плотности твердой фазы торфа

 

№ пикно-метра	Масса пикнометра, г				Масса навески, г	ρс, г/см^3	ρс.ср, г/см^3
	с жидкостью	пустого	с навеской	с навеской и жидкостью

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое плотность твердой фазы дисперсной системы?

2. От чего зависит плотность сухого вещества торфа?

3. Методы определения плотности твердой фазы торфа. Их сущность.

4. Методы удаления воздуха из образцов.

5. Значение плотности твердой фазы для торфа.

6. Для чего необходимо знание плотности твердой фазы вещества?

 

 

Лабораторная работа № 8