Реферат: Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры Химической технологии топлива и химической кибернетики ипр «23» июня 2011 г

министерство образования и науки российской федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


Утверждаю

Заведующий кафедрой ХТТ


А.В. Кравцов

« » 2011 г.


В.С. Архипов


Определение адсорбционной способности торфа по метиленовому голубому

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Химическая технология первичной и глубокой переработки нефти и газа» специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»


Издательство

Томского политехнического университета

2011


УДК 662.62

ББК 6П7.43


^ Архипов В.С.

Определение адсорбционной способности торфа по метиленовому голубому.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Химическая технология первичной и глубокой переработки нефти и газа» специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 28 с.


УДК 662.62

ББК 6П7.43


Методические указания рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры
Химической технологии топлива и химической кибернетики ИПР

« 23 » июня 2011 г.


Зав. кафедрой ХТТ,

профессор, доктор техн.наук __________А.В. Кравцов


Председатель учебно-методической

комиссии __________^ Н.В. Ушева


Рецензент

Профессор, д.т.н. В.В. Коробочкин


© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011
© Архипов В.С., 2011
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2011


^ Методические указания

Применение торфа для очистки сточных вод


По современным представлениям торф является природным ионообменником и сорбентом. В нашей стране исследования сорбционных свойств торфа проводятся с середины прошлого века. Установлено повышенное сродство к ионам тяжёлых металлов - Си, Zn, Co, Ni [1]. По ёмкости обмена (100 - 250 мг-экв/100г сухого вещества) торф относится к группе ионообменников с высокой степенью поглощения [2]. В последнее время большое внимание уделяется использованию торфа для очистки сточных вод (СВ) - промышленных и бытовых. В частности, ведутся работы по очистке техногенных вод от нефтепродуктов (НП), поглощению токсичных веществ и обезвреживанию СВ свиноферм, скотобоен, рыбоперерабатывающих заводов, красильных производств, очистке от моющих средств. В Западной Сибири использование торфа в процессах очистки СВ особенно перспективно в связи с его доступностью, дешевизной и высоким уровнем механизации торфодобычи.

Среди проводимых работ по очистке торфом СВ можно выделить два основных направления, существенно различающихся по своей физико-химической природе:

Очистка высококонцентрированных стоков, например, при аварийных разливах нефти и НП в процессах добычи, переработки и транспортировки этих продуктов;

Доочистка или глубокая очистка СВ до санитарных норм перед их выпуском в открытые водоёмы.

В первом случае загрязнитель присутствует в водной среде в объёмной фазе и может составлять значительную долю её объёма. При этом стоит задача сбора и удаления вещества-загрязнителя именно в его объёмном состоянии. Эффективность очистки определяется величиной контактной поверхности поглотителя (сорбента) и её сродством к веществу-загрязнителю. В частности, для поглощения НП наиболее пригодны гидрофобные материалы. Качество поглотителя оценивается величиной нефтеёмкости, которая может доходить до 30-40 кг нефти на 1кг сухого поглотителя [3].

Второе направление ориентировано на стационарные очистные сооружения и представляет собой последнюю завершающую стадию очистки СВ многих производств: нефтепереработки, металлообработки, сельхозкомплексов, пищевых производств. При этом концентрация вредных примесей низка (менее 100мг/дм3), а их состояние варьирует от ионной формы до ассоциатов различной сложности, включая эмульсии различного состава (НП, жиры, красители, ПАВ). Адсорбционная очистка на этой стадии наиболее эффективна, т.к. позволяет достичь любой степени очистки. Для адсорбционной очистки СВ могут быть использованы разнообразные природные и искусственные сорбенты. Наиболее известны активные угли (АУ). Однако их использование ограничено в связи с высокой стоимостью этих сорбентов. Поэтому ведутся поиски более дешёвых материалов, таких как отходы горно-рудного производства, отходы деревообработки и различные целлюлозосодержащие отходы. Торф в этом отношении особенно перспективен, т.к. является природным сорбентом, а торфяная залежь выполняет функции естественного фильтра, защищая поверхностные и грунтовые воды от загрязнения промышленными и сельскохозяйственными стоками. В природе существует более 40 видов торфа, отличающихся как по составу, так по физико-химическим свойствам. Для выбора подходящего торфа как адсорбента для очистки сточных вод от нефтепродуктов и отходов органического происхождения на кафедре химической технологии топлива ТПУ разработана методика 4, основанная на адсорбции красителя метиленового голубого из водного раствора. Среди известных сорбентов торф выделяется своей высокой пористостью (п=0,85-0,98), гидрофильностью и структурными особенностями, унаследованными от растений-торфообразователей [5]. В традиционных зернистых сорбентах (АУ, силикагели, цеолиты) пористая структура является важнейшей характеристикой, определяющей их адсорбционные свойства [6]. Пористой структуре торфа свойственна нерегулярность и изменчивость пористого пространства под влиянием внешних условий [5]. Учёт этих особенностей необходим для успешного внедрения торфа в технологию очистки СВ.


^ Структура торфа как гидрофильного адсорбента




Дисперсность торфа


Адсорбционные и ионнообменные свойства торфа тесно связаны с его структурными показателями. В естественном состоянии торф представляет собой совокупность частиц разных размеров и формы. В связи с этим торф считается полидисперсной (полифракционной) системой, поверхность которой складывается из поверхности состав­ляющих ее частиц. Вместе с тем торфяные частицы связаны друг с другом и образуют таким образом компактное тело, характеризующее­ся связнодисперсной структурой.

Структура торфа во многом определяется соотношением и харак­тером связей между основными составляющими его компонентами: не-разложившимися остатками растений - торфообразователей (их во­локнами), продуктами распада и минеральными включениями. Торф относится к исключительно гетеропористым (неоднородно-пористым) системам. В нем следует различать макро- и микроструктуры 2.

Макроструктура представляет собой эластичный каркас, образованный переплетениями волокнистых остатков растений – торфообразователей.

Макроструктура торфа зависит от динамики торфонакопления. Она различна для разных видов торфа и легко распознается с по­мощью микроскопа, Четко различаются восемь основных видов струк­тур 5:

Тонкозернистая пластичная связная структура у верховых
торфов высокой степени разложения (соснового, сосново-пушицевого).

Грубозернистая зернисто-комковатая слабосвязная структура
низинных лесных торфов возникает в результате распада древесины­
и коры деревьев. Как та, так и другая легко дробятся по трем направления (продольному, поперечному и тангенциальному), о чем свидетельствует преимущественно кубовидная или призматичная форма зерен, слагающих торф. Изредка в низинных лесных торфах встречаются пряди волокон, оставшихся от лубяной части ствола. Частицы гумуса располагаются рассеянно, не образуя сгустков. В связи с этим куски (формовки) низинного торфа имеют большую крошимость.

Ленточная или ленточно-слоистая структура особенно ярко
выражена у тростникового, вахтового и хвощового торфов. Как и у
всех других травяных торфов, их растительное волокно образовано,
в основном, из подземных органов растений - корневищ и корней.

Корневища, внедряясь в торф, располагаются в горизонтальной плоскости. В течение вегетационного периода и после отмирания они находятся во влагонасыщенном субстрате, не подвергаются столь сильному распаду и сохраняются в торфе, слагая его скелетную часть.

Надземные части растений и после отмирания находятся на по­верхности субстрата в аэробных условиях. Здесь они нацело раз­лагаются и поступают в торф в виде бесформенного детрита. По мере накопления новых слоев торфа корневища уплотняются и прини­мают вид длинных лент, переслоенных большим количеством гумуса, ежегодно отлагающегося за счет распада надземных частей расте­ний.

Войлочная структура свойственна осоковым торфам. Раститель­ное волокно их состоит в большей части из корней осок второго и третьего порядка, которые мало отличаются по размерам и в массе придают торфу довольно однородную структуру. В период роста кор­ни, разветвляясь, внедряются в субстрат во всевозможных направ­лениях, переплетаются и в совокупности составляют скелетную ос­нову торфа в виде войлока, состоящего из спутанных нитей.

Волокнистая структура характерна для пушицевого и шейхцериевого торфов слабой степени разложения, В пушицевом торфе ее образуют обладающие большой прочностью волокна пушицы, остаю­щиеся после распада оснований листьев з виде волокнистых прядей. В шейхцериевом торфе его волокнистая основа образована корневи­щами этого растения.

Чешуйчато-слоистая структура свойственна гипновым торфам. Стебли гипновых мхов, полегающие в общей массе горизонтально, почти всегда сохраняют большое количество лиственных стеблей, которые и сообщают структуре торфа дополнительную черту - чешуй-чатость.

Плойчатая структура характеризует сфагновые торфа слабой степени разложения, уплотненные тяжестью вышележащих слоев.

Губчатая структура свойственна всей массе сфагновых тор­фов слабой степени разложения, слагающих верхние слабоуплотнен­ные слои залежи. Отдельные элементы растительного волокна лежат очень рыхло, едва соприкасаясь, при незначительном содержании гумуса.

Ячейки (полости) макроструктуры заполнены рыхлыми частицами (агрегатами или ассоциатами), возникшими на основе гуминовых веществ и углеводного комплекса торфа. Микроструктура характе­ризует внутреннее строение агрегатов (ассоциатов), которые относятся к типу коагуляционных, т.е. подвижных высокоэластичных структур. Взаимодействие между элементами агрегатов осуществ­ляется посредством молекул и прослоек воды, в основном, за счет водородных связей. По своей физико-химической природе агрегаты относятся к гидрофильным полуколлоидным системам. Их размеры не превышают 1 мкм и для них характерно равновесие:

истинный раствор золь гель.

Агрегаты неустойчивы: в зависимости от условий они могут разру­шаться в одном месте системы и возникать в другом. Их размеры и компактность зависят от влажности торфа, кислотности, содержания катионов к многих других факторов. Торфяной агрегат состоит из рыхло расположенных макромолекул органической природы и является водопроницаемым. По всей вероятности, агрегаты непроницаемы для транзитного потока влаги, а процессы переноса воды через них осуществляются диффузионным путем. Внутрь этого агрегата (так­же как и из него) могут диффундировать ионы. Гамаюновым Н.И. предложена модель частицы торфа, представляющейся матрицей (рис. 1). Матрицу образует пространственная сетка "сшитых" макро­молекул I, в ячейках которой находится внутриагрегатная вода 2, свободно сообщающаяся с внешним раствором 3. Темными и светлыми кружочками на модели соответственно обозначены "свободные" (диффундирующие) катионы и связанные анионы. Эта модель дает некоторое наглядное представление о микроструктуре торфа. В действительности же структура и характер взаимодействия между отдельными компонентами, входящими в состав набухшей или "сжи­мающейся" (подвижной) частицы, а иногда распадающейся вплоть до макромолекулярного уровня (состояние истинного раствора) или укрупняющейся в процессе коагуляции (состояние геля, золя, а в пределе и компактное агрегирование) в зависимости от кон­кретных условий, конечно, гораздо сложнее и многообразнее.

Для оценки дисперсности торфа используют мокрый ситовой, седиментометрический и электронно-микроскопический анализы: с помощью ситового анализа определяется содержание грубодисперсных волокнистых фракций более 250 мкм, седиментометрического - 250-1 мкм и электронно-микроскопического - содержание фрак­ций с размерами частиц не более I мкм.

В адсорбции и ионном обмене, по-видимому, участвуют все фракции торфа, но в разной степени. Можно ожидать, что наиболь­ший вклад дают высокодисперсные частицы, характеризующиеся развитой поверхностью. В какой-то мере оценить ее величину поз­воляет условная удельная поверхность S° по Солопову С.Г., т.е.



Рис.1

^ Модель частицы (ассоциата) торфа (по Н.И.Гамаюнову)




Рисунок 2. Кривые распределения расхода жидкости при фильтрации по размерам водопроводящих пор


а – комплексный верховой торф, R=5% - 1

магелланикум-торф, R=5% - 2

магелланикум-торф, R=15% - 3

магелланикум-торф, R= 25% - 4

б – верховой комплексный торф, R=20%

5 – исходный торф; 6,7,8,9 – при уплотнении под

давлением соответственно – 10; 17,5; 27,5; 43 кПа


поверхность частиц с размерами менее 4 мкм. Дисперсность торфов детально исследована Лиштваном И.И. и Королем Н.Т. 5. По со­держанию фракций 0-250 мкм верховой торф менее раздроблен, чем низинный и переходный, а по количеству высокодисперсных частиц (менее I мкм) он мало отличается от последних (табл. 1).


Таблица 1. Дисперсность торфа 2



Размер фракции, менее мкм

Содержание фракций, %

среднее значение пределы изменения

Низинный торф

I 14,2 2,1 – 26,9

5 24,9 3 – 45,7

10 29,7 9 – 46,2

20 34,7 10,6 – 70,8

250 63,9 24,6 – 89,3

Переходный торф

1 15,7 3,1 – 31,3

5 27 8,3 – 46,9

10 30,8 11,2 – 54,5

20 35 14,1 – 58,8

250 65,6 27 – 90,3

Верховой торф

1 14,8 0,7 – 27,4

5 24,1 2,5 – 57,3

10 27,6 2,6 – 64,9

20 30,6 3 – 69,7

250 55,3 7,4 – 89,7




^ Пористая структура


Количественные оценки пористой структуры торфа получены с помощью метода фильтрации меченой воды через водонасыщенные об­разцы торфа ненарушенной структуры. Фильтрация происходит при постоянном гидравлическом напоре и с постоянной скоростью; при этом концентрация вещества-индикатора (метки) в фильтрате пос­тепенно возрастает, достигая в конце концентрации в подаваемом растворе. Этот процесс трактуется как вытеснение чистой воды меченой из пор сначала самых крупных, а затем все более мелких. В результате получают кривую изменения концентрации от объема фильтрата. Принимая закон Пуазейля и модель пористого тела в виде системы параллельных капилляров разного диаметра, рассчи­тывают диаметр капилляров 5. Размеры пор торфов изменяются от 0,35 до 8,5 мкм, что позволяет отнести его к мезопористым грубодисперсным системам. При этом максимальные размеры водопроводящих пор колеблются в пределах 1,5-30 мкм, а минимальные - не опускаются ниже 0,1-0,15 мкм 5. Характер их распределения по раз­мерам не является нормальным (рис. 2). Максимум на кривых рас­пределения сдвинут в сторону меньших пор, в которых вода остает­ся неподвижной даже при больших напорах.

Пористая структура торфа зависит от его ботанического сос­тава и степени разложения. Форма пор в торфе, особенно в слабо-разложившемся, близка к щелевидной, так как при разложении рас­тительных остатков они приобретают плоскую форму. Торф в естест­венном состоянии обладает высокой пористостью (n =0,85-0,98). В процессе сушки пористость мало изменяется, имеет место, в ос­новном, только перераспределение соотношения объемов (пор), за­нятых водой и газом. При этом, в ходе сушки торфа влагонасыщенность уменьшается, а газонасыщенность увеличивается. Неизменность общей пористости с уменьшением влажности торфа малой степени разложения обусловлена высокой жесткостью его скелета. Наоборот, в торфе высокой степени разложения изменения пористости более значительны. Это связано с тем, что с увеличением раздроблен­ности торфа (с ростом R) сближение частиц при сушке стано­вится более заметным. С ростом степени разложения размеры водопроводящих путей значительно снижаются, а структура порового пространства становится более однородной, так как значительно уменьшаются интервалы между максимальными и минимальными диа­метрами пор. Низинные виды торфа более однородны по структурным характеристикам. Однако при одинаковой степени разложения они имеют поры более крупных размеров, большую активную пористость и меньшую величину удельной поверхности, чем верховые виды. Это обусловлено меньшим содержанием в низинных видах торфа связан­ной (неподвижной) воды и коагулированным состоянием их структу­ры за счет «сшивающего» действия поливалентных катионов 5.

Дополнительная информация о пористой структуре торфа естественной влажности получена с помощью пропитки его парафином и последующего стереологического анализа. Исследован шейхцериево-сфагновый торф 5. Твердое вещество его образует ажурную сетку. Агрегаты торфа малопрочны и пронизаны порами, геометрическая удельная поверхность его составляет 0,49м2/г. Дифференциальные кривые распределения объемов пор по размерам показывают, что основная часть пор имеет размеры 10-100 мкм в горизонталь­ном и 10-200 мкм в вертикальном сечении при среднем размере пор соответственно по сечениям 20,7 и 24,4 мкм.

^ Фильтрационные свойства торфа


С пористой структурой торфа тесно связано состояние насыщаю­щей его воды. Поскольку в естественном состоянии масса воды в торфе почти в 10 раз выше массы сухого вещества, многие техно­логически важные процессы определяются содержанием воды и фор­мами ее связи в веществом торфа. В настоящее время общепризнан­ной является классификация форм связи воды в торфе, основанная на схеме Ребиндера П.А., согласно которой можно различать хими­чески и физико-химически связанную воду, а также воду энтропийной связи (осмотическую) и механического удержания (табл. 2).


Таблица 2. Формы связи воды в торфе 5

Обозна-чение

Категория влаги


Энергия

связи,

А103, Дж/моль

Среднее

содержание,

% от U


Uх

Uфх


Uм

Uосм

Uмех

Uкап

Uвнк

Uимм

Uстр

U

U

Химическая связанная

Физико-химическая связанная,

в том числе прочносвязанная

Вода моносорбции

Осмотическая (энтропийносвязанная)

Вода механического удержания

В том числе капиллярная

внутриклеточная

иммобилизованная

структуро-захваченная

Общее содержание воды в торфе

40-400

20-60



до 60

2

-

0,8

-

-

-


0,4

4,9


1,6

7,1

88

67,5

15,5


5

100

Химически связанная вода (Uх) входит в состав кристаллогидратов минеральной части торфа. Воды этой категории очень мало (0,4% от U) и она практически не удаляется даже при термостат­ной сушке.

Физико-химически связанная вода (Uфх) включает в себя воду моно- и полимолекулярной сорбций. К моносорбированной (Uм) от­носится влага, связанная за счет водородных связей и других сил с активными функциональными группами твердых органических и не­органических компонентов торфа, т.е. для торфа характерен "объ­емный" и специфический механизм сорбции.

Uфх снижается, хотя и мало, от низинных к переходным и верховым видам торфа и составляет соответственно 4,96; 4,69; 4,67% от общего содержания воды в торфе U. Высокая степень гидрофильности торфа объясняется, очевидно, преобладанием в нем по­лярных активных групп СООН, ОН и др. Величина Uфх определяется главным образом компонентным химическим составом и структурой химических соединений.

Энтропийно-связанная вода (осмотическая Uосм) удерживает­ся в торфе осмотическими силами внутри ассоциатов. Это влага набухания гидрофильных компонентов торфа (гуминовые вещества, гемицеллюлозы и др.). Осмотическими ячейками в торфе являются не только клетки форменных элементов растений торфообразователей, но и все полости, в которых находится раствор органических и минеральных веществ. Стенки клеточных полостей вместе с покры­вающей их гуминовой массой и другими продуктами распада-синтеза, составляющих торфа, являются как бы полупроницаемыми перегород­ками, пропускающими через себя воду, но удерживающими более крупные молекулы растворенных веществ, находящихся внутри агре­гатов. Поэтому во внутриагрегатной жидкости имеется более высо­кая концентрация растворенных органических веществ и ионов, чем во внешнем растворе. Осмотическую воду в торфе трудно отделить от иммобилизованной. Осмос обусловливает появление внутренних напряжений в структурной сетке набухающих гелей. В верховом торфе содержание Uосм. более высокое. Часто эту воду не выде­ляют в отдельную категорию, а подразумевают под иммобилизован­ной водой также и осмотическую.

В отличие от минеральных грунтов высокое содержание в торфе частиц растительного происхождения и гидрофильных коллоидов, а также особенности его макро- и микроструктуры приводят к удер­живанию им наряду с осмотической значительного количества воды механической связи. К последней относятся капиллярная ( Uкап.), внутриклеточная (Uвнк.), иммобилизованная (Uимм.) и структурнозахваченная вода (Uстр.). Механическая связь не является специфической, так как удерживаемая вода мало отличается по своим свойствам от свободной. Оценка ее содержания представляет особый интерес для процессов очистки воды от загрязнений так как, в основном, эта категория воды участвует в процессе фильт­рации через слой торфа. Экспериментально установлено, что со­держание Uфх. доходит до 2,5-6,5% от общего объема воды в торфе, Uвнк. – до 8-30%, Uимм. –до 6-10%, Uстр. –до 3-31% и Uкап. – до 40—85% 2.

Капиллярная вода в торфе (Uкап.) предполагает тот же физический смысл, что и в осадочных горных породах 8 и в грунтах 9. Это вода, удерживаемая в порах, трещинах капиллярными силами (пе­реходная между связанной и свободной водой). Обычно к капилляр­ной воде относят воду, заполняющую капиллярные поры с диаметров менее I мм. По размерам капиллярные поры разделяют на 3 группы /10/:

Сверхкапиллярные (поры размером больше 500 мкм);

Капиллярные (поры 500-0,2 мкм);

Субкапиллярные (поры менее 0,2 мкм).

По сверхкапиллярным порам и трещинам происходит свободное движение воды под влиянием силы тяжести и напорного градиента, по капиллярным - при значительном участии капиллярных сил. Поро­ды с субкапиллярными порами и трещинами (глины, глинистые слан­цы и др.) являются практически непроницаемыми для жидкостей 10. Капиллярная вода (собственно капиллярная) передает гидростатичес­кое давление, однако она в общем случае не передвигается под действием силы тяжести и по ряду своих свойств существенно от­личается от свободной гравитационной воды. В частности, она не замерзает при температуре ниже 0°С, а в наиболее мелких порах тонкодисперсных пород (глины, суглинки) капиллярная вода замер­зает при температуре ниже -12°С 8.

В торфе трудно четко определить содержание капиллярной воды. Это связано с тем, что капиллярами в торфе являются поры между предельно набухшими ассоциатами. Поэтому картина капиллярных явлений здесь существенно осложняется, и высота, до которой под­нимается вода в колонке торфа ни в коем случае не является од­нозначным отражением только одних капиллярных сил. В связи с этим определение капиллярной воды имеет относительный характер. Эта вода размещается в крупных порах и сообщающихся ячейках торфа 2. В настоящее время содержание капиллярной воды в торфе находят по разности между величиной полной влагоемкости и количеством неподвижной (связанной) воды, определяемой методом отрицательной адсорбции индикатора 5. Следует отметить услов­ность получаемых результатов, так как не выполняется основная предпосылка метода отрицательной адсорбции - нерастворимость сахара в связанной воде торфа.

На малую подвижность воды в торфе по сравнению с минераль­ными грунтами указывает отношение общей пористости к активной (т.е. степень подвижности влаги), которое изменяется в пределах 1,7-2,0. Это объясняется значительным количеством в нем непод­вижной воды к которой относят 5 физико-химически связанную, внутриклеточную, иммобилизованную и структурно-захваченную.

Фильтрация воды в торфе осложнена особенностями его струк­туры, приводящими к постоянному участию в истечении рыхлосвязанной (пленочной) воды. Режим течения такой воды в гидрогеоло­гии подучил название вязкопластичного 11, характерного для тонко дисперсных сред с субкапиллярными порами и значительным количеством физически связанной воды (слабопроницаемые глинис­тые грунты). В режиме вязкопластичного движения имеет место отклонение от основного закона фильтрации - закона Дарси при малых значениях гидравлического напора. Это аномалия особенно быстро нарастает при сравнительно небольшом уплотнении торфа под воздействием механической нагрузки величиной 30-60 КПа /5/. Рост нагрузки сопровождается существенным изменением мак­роструктуры торфа, связанным с уменьшением пор, изменением их формы, из-за деформирования и относительного сдвига элементов легкоподвижного каркаса.

До уплотнения торфа фильтрация воды из-за наличия крупных пор чаще всего протекает без аномалий по закону Дарси /5/.





где: Vф - объем профильтровавшейся жидкости; Кф - коэффициент

фильтрации, м/ч; S - сечение фильтрации, м2; t - время филь­трации, ч; J - гидравлический градиент напора (безразмерная величина).

В ходе уплотнения может наступить такой момент, когда торф становится проницаемым только лишь при определенном значении J, превышающим так называемый начальный градиент напора J°. Экспериментально установлено, что в сильно уплотненном и дис­пергированном торфе значения начальных градиентов напора могут доходить до 15 и более. В области малых давлений между коэффициентами фильтрации Кф и пористости торфа e наблюдается экспо­ненциальная зависимость 2.


Kф=Кфexp-ф(ен-е)


где: K и ен - начальные (до уплотнения) значения коэффициентов соответственно фильтрации и пористости торфа; ф - коэффициент, характеризующий уменьшение водопроницаемости торфа при увеличе­нии его плотности.

Значения, Кф для различных видов ненарушенного торфа определены экспериментально (табл. 3); значения ф - и ен приведены в монографии /5/.

Торф чрезвычайно чувствителен к изменениям внешних условий, приводящим к смещению динамического, ионно-дисперсионного равновесия, как в сторону агрегирования, так и химического диспергиро­вания коллоидно-высокомолекулярной составляющей. Большое коли­чество и разнообразие факторов, влияющих на водопроницаемость торфа, приводит к непостоянству его свойств, что затрудняет рас­чет различных процессов с использованием фильтрационных харак­теристик. Среди физико-механических факторов можно отметить сле­дующие: деформация пористой структуры торфа гидродинамическими силами: степень уплотнения ж диспергирования торфа; набухание компонентов торфа; закупорка пор водорастворимыми веществами и коллоидными структурами; наличие защемленного и растворенного газа; температурно-вязкостные эффекты; наличие сдвиговой прочности в поровой влаге и др. /2/.

Существенное влияние на водопроницаемость торфа оказывают и коллоидно-химические причины, сопровождающие фильтрационные процессы. Сюда можно отнести: взаимодействие дисперсионной среды и твердого вещества торфа, температурно-осмотические, структурно-образовательные, электрокинетические и другие явления, возникающие при фильтрации. Они связаны, в основном, с изменчивостью свойств коллоидной высокодисперсной фракции торфа в за­висимости от внешних условий,

Кроме структурообразовательных процессов на формирование фильтрационного потока в порах малых размеров существенное влияние оказывает действие осмотических сил. В этом случае передвижение воды в торфе происходит под влиянием градиентов химического, электрического и температурного потенциалов. Вследствие этого крайне осложняется учет всех факторов, влияющих на передвижение воды в торфе.



Тип и вид торфа

Степень

разложе-

ния R, %

Диспер-

ность,

Р250мкм, %

Общая пористость,

n, %

Полная

влаго-ёмкость,

Uпв, кг/кг

а.-с. торфа

Коэффициент фильтрации

Kф105,

м/с

Kф103,

м/ч

Kф,

м/сут

Низинный

Древесный

Древесно-осоковый

Древесно-тростниковый

Тростниковый

Осоковый

Осоково-гипновый

Шейхцериевый

Гипновый

42

36

40


46

28

22

29

26

70,1

65,7

76,3


81,3

68,6

65,0

69,9

70,5

90,1

89,8

91,0


89,1

92,1

93,7

90,6

92,7

8,8

9,4

7,7


7,7

10,4

11,7

7,5

10,4


4,32

2,17

2,21


1,02

1,72

2,91

1,31

1,23

155

78,1

79,6


36,7

61,9

105

47,2

44,3

3,72

1,87

1,91


0,88

1,49

2,52

1,13

1,06

Переходный

Древесный

Древесно-осоковый

Древесно-сфагновый

Шейхцериевый

Осоковый

Осоково-сфагновый

Сфагновый

44

39

35


26

28

28


17

78,6

75,7

78,8


66,4

66,7

66,1


50,6

89,7

91,0

91,7


92,4

92,4

93,2


94,4

7,6

9,8

8,9


10,7

10,2

11,1


18,0

3,61

1,79

1,77


1,58

0,42

0,56


1,60

130

64,4

63,7


56,9

15,1

20,2


57,6

3,12

1,55

1,53


1,37

0,36

0,48


1,38

Верховой

Сосново-пушицевый

Сосново-сфагновмй

Пушицевый

Шейхцериевый

Пушицево-сфагновый

Шейхцериево-сфагновый

Фускум

Магелланикум

Комплексный

Сфагново-мочажинный

39


27

32


28

31


23


16

16

18,


9

81,5


69,1

69,6


60,2

73,5


68,5


60,0

45,8

46,6


37,2

93,9


93,2

93,2


93,2

93,5


93,8


94,2

94,9

94,8


95,3

11,2


9,8

10,2


10,3

11,2


10,3


12,8

13,5

12,5


17,0

0,02


0,58

0,69


0,34

0,38


0,40


0,63

0,62

0,49


1,12

0,72


20,9

24,9


12,2

13,7


14,4


22,7

22,3

17,6


40,3

0,017


0,50

0,59


0,29

0,33


0,35


0,54

0,53

0,42


0,97
^ Таблица 3. Водно-физические свойства различных торфов Нечерноземной зоны России 5

ПРИМЕЧАНИЕ: образцы торфа ненарушенной структуры изучены в лабораторных условиях КПИ в 1972-1988гг.

^ Адсорбционные свойства торфа


Основу торфа составляют остатки растений-торфообразователей – твердых высокополимеров целлюлозной природы и продукты их распада. Кроме органической части, в торфе содержатся минеральные компоненты, неорганическая часть представлена нерастворимыми минералами разной природы, адсорбционными образованиями минералов с гуминовыми веществами и другими продуктами распада, неорганическими компонентами торфяной воды, ионообменными гетерополярными органоминеральными соединениями и комплексно-гетерополярными производными. В целом в торфе весь этот органоминеральный комплекс находится в динамическом равновесии с водным раствором низко- и высокомолекулярных веществ – с торфяной водой 5.

Твердое вещество торфа, формирующееся в результате биохимического распада растений, состоит из высокомолекулярных соединений различной химической природы: целлюлозы, гемицеллюлозы, гуминовых веществ, лигнина и др. Этот химически разнородный комплекс в торфообразовательном процессе претерпевает ряд сложных изменений и превращений, в результате которых продуцируются гуминовые вещества. Гуминовые вещества, водорастворимые, легко- и трудногидролизуемые углеводы, а также лигнин (негидролизуемый остаток) составляют гидрофильную часть торфа. Гидрофобными являются битумы торфа. Твердые компоненты торфа в естественных условиях имеют агрегатное (ассоциатное) строение из органических и органоминеральных комплексов. Объединение макромолекул в ассоциаты осуществляется посредством химических, межмолекулярных, капиллярных сил и главным образом водородных связей 5. Большое количество и ра
^ 3.3. Проведение испытания


Перед началом испытаний необходимо освободить соединительные трубки от воды и промыть их рабочим раствором МГ. Концентрация рабочего раствора МГ принята равной 1000 мг/дм3. Это значение ниже, чем принятое в ГОСТ 4453-74, т.к. при более высокой концентрации ухудшается смачиваемость торфа раствором МГ. Ячейка должна быть промыта дистиллированной водой и высушена. Испытания проводятся в двух параллельных пробах. Необходимо добиться хорошего смачивания раствором МГ навески торфа. Для этого заливают в ячейки по 10 мл раствора МГ при подсоединенной отводящей трубке и поджатой панели насоса. Засыпают в ячейки через воронку по 1 г торфа крупностью частиц менее 3 мм. Момент засыпки торфа в ячейки считается началом замачивания торфа, которое продолжается в течение 10 минут. Для удобства смачивания закрывают ячейки резиновыми пробками и покачивают их в наклонном положении, добиваясь перехода частиц торфа с поверхности и со стенок ячейки в объем раствора. Затем добавляют в ячейки еще по 15 мл раствора МГ, смывая со стенок ячейки прилипшие частицы торфа с помощью стальной проволоки. Затем опускаем концы подающих трубок в ячейки и заполняем трубки раствором МГ, освобождая прижимную планку насоса. Спустя 10 мин после засыпки торфа в ячейки включаем насос и прокаливаем раствор МГ через ячейки в течение 20 мин. Таким образом, общее время контакта торфа с раствором МГ составляет 30 минут. По окончании прокачивания опускаем концы подающих трубок в стаканчики ёмкостью 50 мл и сливаем раствор МГ при работающем насосе. Удаление раствора из ячеек прекращают при появлении в трубках мелкодисперсной торфяной взвеси (мути). Затем замеряем оптическую плотность растворов МГ на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М. Условия измерения: длина волны 400 нм (синий светофильтр № 3) с рассеивателем. Неподвижная кювета с дистиллированной водой. Предварительно рабочая (правая) кювета должна быть промыта небольшой порцией анализируемого раствора. Необходимо соблюдать чистоту кювет при замерах. Капли раствора с внешних поверхностей удаляют перед измерением фильтровальной бумагой. После замера на ФЭК первой параллельной пробы пустую кювету споласкивают дистиллированной водой и ставят вверх дном на фильтровальную бумагу для стока избытка воды. Перед замером второй параллельной пробы обязательна промывка кюветы небольшой порцией анализируемого раствора.

По завершении работы вымыть ячейки, вытеснить раствор МГ из подводящих трубок, и промыть их с помощью насоса дистиллированной водой. В перерывах между испытаниями концы трубок, заполненных водой опускают в стакан с дистиллированной водой. Кюветы также хранят в стакане с дистиллированной водой, тщательно вымыв их в теплой воде с содой.


^ 3.4. Построение градуировочного графика фотоэлектроколориметра по МГ


Приготавливают рабочий раствор МГ с концентрацией 1000 мг/дм3. При эт