Исследование зависимости прочности мелкокускового торфа

От влажности

Прочность – это свойство тел сопротивляться разрушению. Прочность кускового торфа определяет качество готовой продукции и зависит от содержания сухого вещества в единице объема и энергии связи между частицами. Она зависит от его физико-химической природы и технологических факторов. На нее влияют степень разложения, содержание гуминовых веществ, тип их надмолекулярных структур, состав и содержание неорганической части, интенсивность переработки, режим сушки и др. Как правило, при прочих равных условиях прочность торфа повышается при уменьшении интенсивности испарения влаги, т.е. при мягком режиме сушки. Это достигается, например, при теневой сушке. 

Наибольшего значения прочность торфа достигает тогда, когда усадка образца при сушке идет в темпе обезвоживания, т.е. когда изменение объема образца ΔV равно изменению его массы Δm. В этом случае фронт капиллярных менисков в течение большого периода сушки остается на поверхности образца, а усадка в объеме проходит более равномерно, т.е. без внутренних перенапряжений в элементах структуры. 

Для соблюдения равенства ΔV=Δm необходимо понизить сопротивляемость структуры торфа капиллярным силам, обусловливающим его усадку на первом этапе сушки. На практике это достигается оптимальными условиями переработки. 

В торфяной залежи с низкой степенью разложения ответственным за ее прочность является растительный каркас, создающий структуру переплетения (срастания). При высокой степени разложения и переработке торфа прочность определяют в основном силы, действующие между частицами: капиллярные, межмолекулярного взаимодействия и водородная связь. 

Капиллярныесилы возникают на поверхности раздела жидкость – газ и связаны с наличием у жидкости поверхностного натяжения. За счет капиллярных сил из насыщенного водой торфа не вытекает жидкость. Капиллярные силы являются первой энергетической составляющей в определении прочности торфа при сушке. 

Капиллярным давлением называется часть внутреннего молекулярного давления на жидкой поверхности, зависящего от кривизны этой поверхности. Капиллярное давление определяется по формуле Лапласа:

,                                               (1)

где σ – поверхностное натяжение воды; r ₁ и r ₂ – радиусы двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности воды.

Капиллярное давление положительно у несмачивающих жидкостей и отрицательно в случае смачивающих. Если радиус капилляра и радиус мениска равны, то r ₁ = r _{2 .}  Тогда: .                                                                                  (2)

Значит, чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление и тем выше поднимается жидкость в капилляре.

Энергия капиллярных сил невелика и составляет около 0,4 кДж/моль. Однако капиллярные силы во многом определяют течение структурообразовательных процессов в торфе при сушке и усадку торфяной залежи при осушении.

Межмолекулярныесилы – взаимодействие заряженных частиц. Межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса) справедливы, в основном, для реальных газов и показывают, насколько поведение реальных газов отличается от идеальных. Силы Ван-дер-Ваальса определяются ориентационным, индукционным и дисперсионным эффектами. 

Ориентационный эффект наблюдается в системах, имеющих молекулы с постоянным жестким дипольным моментом и проявляется тогда, когда диполи располагаются друг к другу противоположными знаками. Энергия ориентационного эффекта обратнопропорциональна шестой степени расстояния между диполями. 

Индукционный эффект возникает, когда в частице одни молекулы несут дипольный момент, а другие способны его получать вследствие индукции. В этом случае речь идет о наведенном дипольном моменте. Вклад индукционного эффекта в межмолекулярное взаимодействие составляет около 5%.

Дисперсионный эффект объясняется с позиций квантовой механики и связан с тем, что в какой-то момент времени нарушается равновесие между электронной плотностью двух взаимодействующих молекул вещества. Это взаимодействие зависит от частоты вращения электронов и возникает при их асимметричном распределении. Он имеет место почти во всех системах и является основным в межмолекулярном взаимодействии. Межмолекулярное взаимодействие считается дальнодействующим и проявляется на расстоянии около 100 .

Е.М. Лифшиц развил макроскопическую теорию ван-дер-ваальсовых взаимодействий в конденсированных связях, рассматривая эти силы как результат взаимодействий флуктуаций электромагнитного поля. Вследствие корреляции флуктуаций в каждом атоме появляется наведенный диполь. Энергия межмолекулярных сил составляет около 4 кДж/моль.

Водороднаясвязь (Н-связь) имеет решающее значение в обеспечении прочности и физико-химических свойств торфа, целлюлозы и других природных полимеров. Она возникает между атомами водорода и электроотрицательными атомами, например О, S, F, N, Cl и обозначается ХН…Х (здесь Х – электроотрицательный атом). Это короткодействующая связь и проявляется на расстоянии не более 3 . В торфе существует множество таких связей, т.к. составляющие компоненты торфа имеют большое количество СООН и ОН – активных функциональных групп. При этом атом водорода протонизирован. Энергия водородной связи составляет 17-30 кДж/моль. Электронная плотность атома водорода Н смещена к атому О, в результате образуется водородная связь по схеме:

                     

где R – радикал торфа или группа макромолекул вещества. 

Подобным образом, водородная связь может быть и между макромолекулами, имеющими другие активные функциональные группы, например, ОН.

Взаимодействие между частицами торфа может происходить и через молекулы воды по схеме:

Здесь возникает три водородные связи. Таким образом, благодаря водородным и другим связям, макромолекулы взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуется агрегат торфа, т.е. возникает надмолекулярная структура.

Гетерополярное взаимодействие в торфе возникает при «сшивке» макромолекул через многовалентные ионы, например Ca²⁺, и осуществляется по схе-

ме R–COO–Ca–OOC–R. Иногда это взаимодействие называют «солевой сшивкой». 

Ионное взаимодействие характерно для крупных частиц, несущих заряд. 

Последовательность проявления взаимодействий между макромолекулами и частицами торфа можно представить схемой

F = F _к + F _м + F _г + F _э + F _в + F _х ,

где F _к – капиллярные силы; F _м – силы межмолекулярного взаимодействия; F _г – силы гетерополярного взаимодействия; F _э – электрические силы; F _в – водородная связь; F _х – химическая связь.

В формировании прочности торфа важное значение имеют тонкие пленки жидкости и связанное с ними расклинивающее давление. Понятие «расклинивающее давление» было введено Б.В. Дерягиным в 1935 году. При утончении прослойки жидкости, разделяющей поверхности двух твердых тел или двух любых адсорбирующихся ионов тел, между поверхностями этих тел возникают силы взаимодействия двоякого рода. Это силы, зависящие от притяжения между молекулами обоих тел и силы электрической природы между телами. Следовательно, основной вклад в величину расклинивающего давления вносят молекулярные силы и ионно-электростатическая составляющая.

Приблизительно по такой схеме проявляются силы при обезвоживании торфа, например, в процессе его сушки. Чем больше в единице объема насчитывается контактов взаимодействия, тем выше прочность торфа.

Зависимость между прочностью торфа σ и степенью разложения R имеет максимум. Наибольшая прочность наблюдается при оптимальном соотношении в торфе частиц больших и малых размеров. При преимущественном содержании крупных частиц наблюдается значительная сопротивляемость каркаса торфа усадке. Усадка в объеме при этом происходит неравномерно. В процессе сушки в торфе появляется большое количество дефектов – трещин. Наоборот, при преимущественном содержании мелких частиц ухудшаются условия сушки вследствие появления на поверхности образца водонепроницаемого слоя.

Прочность кускового торфа зависит от его влажности . С уменьшением влажности на участке АВ (рис. 1) прочность торфа увеличивается в результате повышения концентрации сухого вещества в единице объема при усадке под влиянием капиллярных сил, а следовательно, и увеличения числа межмолекулярных и прежде всего водородных связей.

Максимальной прочностью обладает торф при такой влажности, которая соответствует содержанию в нем моносорбированной влаги. Как только при сушке удаляются молекулы воды, связывающие отдельные макромолекулы твердого вещества, сразу же нарушается связь между частицами, а прочность торфа уменьшается (участок ВС). Прочность кускового торфа можно повысить физико-химическим модифицированием его структуры, например, введением различных реагентов или другими воздействиями. 

На количество и энергию связей, определяющих прочность торфяных брикетов, так же как и торфа естественной структуры, влияют природа торфа (вид, степень разложения, состав и содержание органической и минеральной частей), гранулометрический состав и форма частиц, температура, давление, продолжительность прессования и т.д. Поэтому существует комплекс оптимальных условий для прессования конкретного вида торфа.

Рис. 1. Зависимость между прочностью σ и влажностью ω

мелкокускового торфа

 

Прочность кускового торфа определяется как временное сопротивление изгибу, сжатию или разрыву. Для определения прочности кускового торфа и торфяных брикетов используется также метод, основанный на применении ультразвука. О прочности торфа в этом случае судят по скорости распространения через образец ультразвуковых волн. Скорость ультразвуковых волн прямопропорциональна плотности материала, которая дает информацию о числе контактов между частицами в единице объема, т.е. характеризует прочность. 

В данной работе прочность образцов мелкокускового торфа различной влажности определяется на сжатие. Для испытания на сжатие готовятся заранее цилиндрические образцы торфа разной влажности. 

Испытание на сжатие производится на гидравлическом прессе, схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема гидравлического пресса: 1 – плунжер; 2 – нижняя опора;

3 – образец торфа; 4 – верхняя опора; 5 – манометр; 6 – масляный насос;

7 – штурвал

Характеристика торфа

 

Тип торфа…………………………     

Вид торфа……………………………….

Степень разложения R =………%      

Влажность при формовании =…….%

 

Таблица 1. Результаты определения прочности мелкокускового торфа

 

№ образцов	Масса образца при формовании m ф , г	Масса образца перед испытанием m, г	Влажность образца при формовании ωф, %	Влажность образца перед испытанием ω, %	Диаметр образца d к, см	Диаметр поршня d п, см	Давление в момент разрушения Р m ах, кг/см^2	Давление холостого хода Р min, кг/см^2	Прочность образца σсж , кг/см^2

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Образцы мелкокускового торфа различной влажности взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г.

2. Влажность образцов рассчитывают по формуле

,

где m _ф – масса образца торфа при формовании, г; m – масса образца торфа перед испытанием, г; – влажность торфа при формовании, %.

3. Штангенциркулем измеряют диаметр образца торфа в среднем сечении в сантиметрах и ставят на подставку гидравлического пресса.

4. Подавая масло в цилиндр пресса путем вращения штурвала 7, определяют по манометру 5 давление холостого хода Р_min. 

5. Испытывая образцы поочередно, фиксируют по манометру давление в момент их разрушения Р_maх.

6. Определяется разрушающая нагрузка по формуле

где d _п – диаметр поршня пресса, d _п = 8 см.

7. Прочность образцов торфа на сжатие рассчитывают по формуле

,

где d_к – диаметр образца торфа, см.

8. Результаты опытов заносят в табл. 1

9. На основании полученных данных строят график зависимости прочности от влажности мелкокускового торфа.

 

Оформляют и защищают работу.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие силы ответственны за прочность мелкокускового торфа?

2. Схема водородных связей в торфе.

3. Каков механизм упрочнения кускового торфа в ходе сушки?

4. Какие факторы оказывают влияние на прочность торфа?

5. Методы определения прочности торфа.

6. Энергия взаимодействия отдельных связей.

 

 

Лабораторная работа № 11