Исследование кинетики водопоглощения торфа

Способность торфа впитывать и удерживать определенное количество воды характеризует его влагоемкость W (%) и водопоглощаемость В. Максимальное количество воды m_в, отнесенное к массе сухого вещества m_с, которое может удерживаться в торфе за счет сил различной природы (капиллярных, молекулярных, осмотических и др.) определяет его полную влагоемкость. Этот показатель чаще всего оценивается влагосодержанием U_{п.в .}= ,  или   

  W_{п.в .}= , %.

Отношение массы воды, поглощенной образцом торфа за время намокания, к первоначальной его массе, выраженное в %, называется водопоглощаемостью В_t. Ее определяют через 0,5; 2; 6; 24 и 48 ч намокания и рассчитывают по формуле

%,                                           (1)

где  m _t – масса образца торфа после намокания в течение времени t, кг; m _н –начальная масса образца торфа, кг.

Водопоглощаемость торфа всегда меньше его полной влагоемкости, особенно торфа, подвергшегося переработке, что объясняется необратимыми структурными изменениями и частичным обезвоживанием.

Водопоглощение сухого торфа связано с предварительной сорбцией молекул воды на активных центрах, т.е. гидратацией активных центров твердого вещества. Вслед за сорбцией происходит капиллярное впитывание влаги структурами переплетения, клетками остатков растений–торфообразователей и надмолекулярными структурами продуктов распада. Таким образом, поглощение влаги торфом происходит в две основные стадии (рис. 1). На первой сорбционно-капиллярной стадии (I) происходит гидратация активных центров и капиллярное впитывание влаги торфом. На этой быстротекучей стадии поглощается до 90% воды от максимального водопоглощения. После быстрого заполнения ячеек поровой макроструктуры торфа впитывание воды и набухание его замедляется. На переходной стадии (II) вода проникает в микропоры и менее доступные участки макро- и отдельно микроструктуры торфа. На третьей, заключительной (энтропийно-осмотической) стадии (III) происходит медленное (в основном диффузионное) впитывание влаги торфом. Здесь идет процесс энтропийного набухания надмолекулярных структур продуктов распада и растительных остатков вследствие диффузии макромолекул органических компонентов торфа в среду.

Водопоглощаемость (влагоемкость) определяется не только его структурными особенностями, но и во многом зависит от состава, степени разложения, дисперсности, начальной влажности, температуры и других факторов. С увеличением степени разложения R, как и начальной влажности, водопоглощаемость уменьшается.

Рис. 1. Кинетика поглощения влаги торфом

 

В процессе впитывания влаги сухим торфом его объем увеличивается за счет набухания отдельных компонентов твердого вещества.

Большую  информацию  о  механизме  впитывания  влаги  торфом  можно получить  из  рассмотрения  кинетики  водопоглощения,   т.е. зависимости  В = f (t)  (рис. 1).

Скорость водопоглощения  можно представить:

,                                              (2)

где К – константа водопоглощения; В_m – предельное (максимальное) водопоглощение.

После интегрирования уравнения (2) получим:

или                               (3)

Для расчета важной характеристики – константы водопоглощения К обычно строят график в координатах

 f (t).                                                  (4)

Для однородных систем, т.е. для систем, когда механизм водопоглощения не меняется, по тангенсу угла наклона прямой (пунктирная линия) определяют К, как  (рис.2).

0

lg

Рис. 2. Схема определения констант водопоглощения

 

Так как механизм поглощения воды торфом отличается большой сложностью и не является одностадийным, график  f (t) для торфа - ломаная линия, для каждого отрезка которой имеются свои константы, характеризующие скорость впитывания влаги на первой (К₁) и на третьей (К₂) стадиях.

Константа К₁ < 5. Она характеризует процесс гидратации активных центров и капиллярное впитывание, а константой К₂ = 0,1-0,2 определяется скорость энтропийного поглощения влаги торфом. Значения К₁ уменьшаются при понижении влажности торфа, т.е. до влаги, при которой торф из вязкопластичного состояния переходит в полутвердое. При влаге торфа ниже 70% начинают проявляться необратимые взаимодействия отдельных элементов коагуляционных структур, что служит одной из причин уменьшения скорости водопоглощения на первой стадии. При этом первая стадия набухания заканчивается через 20 минут, а третья – продолжается 2-5 сут.

Методы определения водопоглощаемости торфа

 

1. Водопоглощающая способность кускового торфа оценивается количеством влаги, поглощенной за 48 часов намокания:

%,                                         (5)

где m_k – конечная масса торфа, т.е. после намокания.

Так как в процессе намокания может происходить разрушение образцов торфа, то последние помещаются в специальные сосуды с небольшими отверстиями.

2. Водопоглощаемость фрезерного торфа также определяется отношением количества впитанной воды к начальной массе пробы. Имеется два метода определения водопоглощаемости фрезерного торфа. По первому – навеска фрезерного торфа помещается в предварительно смоченный марлевый мешочек. Во втором – намокание торфа происходит в воронке Бюхнера. Во всех случаях количество впитанной торфом влаги определяется через 0,5; 2; 6; 24 и 48 часов.

В данной работе исследуется кинетика водопоглощения фрезерного торфа. Опыты проводятся с использованием установки (рис.3).

 

 

Рис. 3. Схема установки для определения водопоглощаемости торфа

1 – воронка Бюхнера; 2 – фрезерный торф; 3 – емкость с сетчатым дном и крышкой для размещения фрезерного торфа; 4 – бутыль с водой; 5 - питатель;

6 – кран

 

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Смачивают емкость 3 без торфа и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г.

2. Емкость 3 наполняют воздушно-сухим торфом (лучше моховым) и взвешивают.

3. Емкость 3, заполненную торфом, помещают в воронку 1. Питатель 5 устанавливают на штативе таким образом, чтобы уровень воды в нем был выше торца воронки Бюхнера.

4. Открывают кран 6 и включают секундомер. Кран 6 перекрывают, когда уровень воды станет несколько выше верхней сетки емкости 3.

5. По истечении 5 минут извлекают емкость 3 с торфом из воронки 1 и, предварительно стряхнув, взвешивают ее. По разности между этой массой и предыдущей определяют количество впитавшейся за 5 минут воды и рассчитывают В₅ по формуле (1) и влагосодержание U₅ по следующей формуле:

кг/кг,                                        (6)

где w_н и U_н – соответственно начальные влажность и влагосодержание  кг/кг.

6. В такой же последовательности определяют В и U через 10, 20,30 и 50 минут от начала опыта.

7. Результаты опытов заносят в табл.1. Затем по этим данным на миллиметровой бумаге строят графики В (t) и U (t), а также график

 f (t),

из которого определяют константы водопоглощения на первой (К₁) и третьей (К₂) стадиях.

 

Таблица 1. Результаты наблюдений

 

Показатель	Время от начала опыта (мин)
	0	5	10	20	30	50
Масса торфа, кг
Водопоглощаемость Вt, %
Влагосодержание Ut

 

8. Оформляют и защищают работу.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое водопоглощаемость торфа? Механизм поглощения воды торфом.

2. Чем отличается водопоглощаемость от полной влагоемкости?

3. Что влияет на водопоглощаемость торфа?

4. Что такое константы водопоглощения? Как они определяются?

5. Методы определения водопоглощаемости торфа.

 

Лабораторная работа № 12