122 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Горные работы» ФИЗИКА И ХИМИЯ ТОРФА Лабораторный практикум Минск БНТУ 2010 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Горные работы» ФИЗИКА И ХИМИЯ ТОРФА Лабораторный практикум для студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» специализации 1-51 02 01-01 02 «Разработка торфяных месторождений» Минск БНТУ 2010 2 УДК 622.331(075.6) ББК 33.35я7 Ф 50 С о с т а в и т е л и : А.А. Головач, Г.А. Куптель, А.И. Яцковец Р е ц е н з е н т ы : Л.С. Лис, ведущий научный сотрудник лаборатории «Использование и охрана торфяных месторождений» Государственного научного учреждения «Институт природопользования» Национальной академии наук Беларуси кандидат технических наук; А.В. Лис, заведующий кафедрой «Газоснабжение и местные виды топлива» учреждения образования «Государственный институт повышения квалификации и переподготовки кадров в области газоснабжения «ГАЗ-Институт», кандидат технических наук Ф 50 Физика и химия торфа: лабораторный практикум для студентов специ- альности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископае- мых» специализации 1-51 02 01-01 02 «Разработка торфяных место- рождений» / сост.: А.А. Головач, Г.А. Куптель, А.И. Яцковец. – Минск: БНТУ, 2010. – 121 с. Лабораторный практикум служит руководством по самостоятель- ному определению студентами основных физических и химических свойств исходного торфа и готовой продукции. Издание предназначено для студентов высших учебных заведений по специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых», 1-36 10 01 «Гор- ные машины и оборудование» при изучении курса «Физика торфа». ISBN 978-985-525-422-6  БНТУ, 2010 3 Введение Развитие современного торфяного производства во многом определяется уровнем знаний о природе, составе и свойствах торфа. Прогресс в области механизации и автоматизации торфяного про- изводства, создание новых и совершенствование существующих технологических процессов добычи и переработки торфа, расшире- ние сфер его использования опирается на фундаментальные иссле- дования общетехнических, физико-химических и физико- механических свойств торфа и торфяных месторождений. Лабораторный практикум по физике и химии торфа является ру- ководством к лабораторным занятиям студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» спе- циализации 1-51 02 01-01 02 «Разработка торфяных месторожде- ний» при выполнении лабораторных работ по курсу «Физика и хи- мия торфа», а также может быть использован студентами специаль- ности 1-36 10 01 «Горные машины и оборудование» при изучении курса «Физика торфа». Выполняя лабораторные работы, студенты получают навыки в постановке и проведении экспериментальных исследований, свя- занных с определением физических и химических свойств торфа, что способствует лучшему усвоению теоретического курса. Сознательное, целенаправленное проведение эксперимента – за- лог успеха и гарантия правильности полученных результатов. По- этому студенты заранее должны изучить приведенные в каждой ра- боте теоретические положения, ознакомиться с приборами, методи- кой выполнения лабораторной работы и правилами техники безопасности. После ответов на контрольные вопросы студенты приступают к выполнению лабораторной работы. Выполнив работу, студент со- ставляет отчет, в котором приводится название работы и ее номер, цель работы, схема установки, расчетные формулы, таблица изме- ренных и расчетных величин. Законченный отчет должен быть под- писан студентом и преподавателем, принявшим работу. При подготовке лабораторного практикума по физике и химии торфа авторами были использованы результаты научных исследо- ваний, выполненных в области физико-химии торфа и опублико- ванных в монографиях, учебных пособиях и отдельных статьях. 4 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ТОРФЕ Общие сведения В естественных условиях торф содержит большое количество воды, удаление которой и является основной задачей технологии торфяного производства. Для количественной оценки содержания воды в торфе служит показатель влажности, причем различают относительную влаж- ность и абсолютную влажность. Относительная влажность – это выраженное в процентах от- ношение массы воды Мв, находящейся в торфе, к общей массе тор- фа М, т.е. 100â  Ì M w %. Относительная влажность изменяется от 0 до 100 %. Абсолютная влажность – это выраженное в процентах отношение массы воды, находящейся в торфе, к массе сухого вещества торфа Мс, т.е. 100 c â  Ì M W %. Абсолютная влажность изменяется от 0 до  . Последний показатель иногда выражают в долях единицы массы, который носит в этом случае название «влагосодержание» и имеет размерность кг/кг (читается: столько-то килограмм воды на кило- грамм сухого вещества). Таким образом, влагосодержание – это вы- раженное в долях единицы массы отношение массы воды, находя- щейся в торфе, к массе сухого вещества торфа c â Ì M U  кг/кг. 5 В общем случае масса образца торфа М состоит из массы сухо- го вещества Мс и массы воды Мв (массой газовой фазы пренебре- гаем). Тогда взаимосвязь между w и W принимает вид W W w   100 100 и w w W   100 100 . Относительная влажность используется в расчетах по техноло- гии торфяного производства, причем термин «относительная» обычно опускается. В расчетах по сушке и в физике торфа предпо- чтение отдается абсолютной влажности или влагосодержанию. Для заданного количества торфа М, используя формулу относи- тельной влажности, можно определить массу содержащейся в нем воды 100 wÌ Ì â   кг, а также массу сухого вещества торфа 100 )100( wÌ ÌÌM âñ   кг. Отсюда находим связь между массой торфа и его относительной и абсолютной влажностями w Ì Ì ñ    100 100 и 100 )100( WM M c   кг. При изменении влажности образца торфа изменяется и его общая масса, а количество сухого вещества остается постоянным. Поэтому для пересчета массы торфа М1 с влажностью w1 на массу торфа М2 с влажностью w2 можно записать следующее равенство 100 )100( 100 )100( 2211 wMwÌÌ ñ     , 6 откуда 2 11 2 100 )100( w wM M    кг. Эта формула известна под названием формулы пересчета массы торфа с одной влажности на другую и весьма часто используется в практике. Из нее можно найти выражение для влажности )100(100 1 2 1 2 w M M w  %, часто используемое в лабораторной и исследовательской практике для расчета влажности образца по его массе М2 при условии, что начальные значения М1 и w1 точно установлены. Из формулы пересчета массы торфа с одной влажности на дру- гую может быть получена важная в технологических расчетах фор- мула для определения выхода воздушно-сухого торфа (готовой продукции) Мв.с.. Выходом воздушно-сухого торфа называется ко- личество торфа условной влажности, полученное из 1 м3 торфа в залежи. Если некоторый объем торфа в залежи V м3 содержит М кг торфа с влажностью w %, то масса торфа при условной влажности Мусл будет óñë óñë w wÌ Ì    100 )100( кг. Следовательно, из 1 м3 получим óñë óñë ñâ w w V M V Ì M    100 100 .. кг/м 3. Так как  V M – плотность торфа, то выход воздушно-сухого будет рассчитываться по формуле 7 óñë ñâ w w M    100 100 ..  кг/м 3. Следует иметь в виду, что в технологии торфяного производ- ства для обозначения относительной влажности торфа в различных характерных его состояниях установилась определенная термино- логия: - естественная влажность wе – влажность торфа в неосушенной залежи. Обычно она колеблется от 86 до 95 %; - эксплуатационная влажность wэ – влажность торфа в разраба- тываемом слое осушенной залежи. При проектировании добычи торфа степенью разложения R фрезерным способом wэ принима- ется по табл. 1.1. Таблица 1.1 Эксплуатационная влажность торфа при фрезерном способе добычи Годы эксплу- атации Тип залежи верховой, переходный низинный R < 20 % R > 20 % R < 15 % R > 15 % 1-й и 2-й последующие 84 81 82 79 82 80 78 75 - условная влажность wусл – условно принятое значение влажно- сти торфа для расчетов предприятия с потребителем и для техноло- гических расчетов. Для топливного фрезерного торфа условная влажность равна 40 %, кускового торфа – 33 %, торфоминеральных удобрений – 55 %, подстилки 1 категории – 40 %, II категории – 45 %, торфяных брикетов – 17 %; - рабочая влажность wр – влажность, характеризующая содер- жание влаги в торфе, используемого для различных целей. В расче- тах она принимается равной условной влажности; - кондиционная влажность wкон – влажность, характеризующая содержание влаги готовой продукции, не превышающая браковоч- ного предела. Торф с кондиционной влажностью называется товар- ным. Для различных видов торфяной продукции установлены бра- ковочные пределы по влажности. Для фрезерного торфа браковоч- 8 ным пределом является влажность 52 %, кускового – 48 %, фрезер- ной подстилки – 50 %, торфоминеральных удобрений – 60 %; - натуральная влажность wнат – влажность, которую имеет торф в данный момент. Существующие методы определения влажности торфа подраз- деляются на прямые и косвенные (физические). Прямые методы основаны на непосредственном разделении материала на сухое ве- щество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, функ- ционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зави- симости между влажностью материала и измеряемой физической величиной. К прямым методам относятся: - методы высушивания (типовой метод – сушка в сушильном шкафу при температуре 105–110 оС и ускоренные методы – сушка в сушильном шкафу при температуре 145–150 оС, с применением лампы-термоизлучателя, с применением электрических осветитель- ных ламп); - дистилляционные – исследуемы й образец подогревается в со- суде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой. Выделяющиеся пары воды вместе с парами жидкости под- вергаются отгонке и, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или масса воды; - экстракционные, основанные на извлечении влаги из исследу- емого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания; - химические – твердый материал обрабатывается реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащей- ся в образце. Количество воды в образце определяется по количе- ству жидкого или газообразного продукта реакции. Наиболее рас- пространенными химическими методами являются карбидный (га- зометрический) метод и применение реактива Фишера (метод К. Фишера). Косвенные методы по характеру измеряемого свойства, завися- щего от влажности, разделяют на электрические и неэлектрические. В основу электрических методов положено прямое измерение электрических параметров материала – проводимости материала на 9 постоянном токе и переменном токе промышленной или звуковой частоты (кондуктометрические влагомеры), комплексной диэлек- трической проницаемости и ее составляющих в диапазоне от звуко- вых до сверхвысоких частот (емкостные) и измерения на сверхвы- соких частотах (СВЧ-влагомеры). К важнейшим неэлектрическим относятся методы, основанные на использовании: теплофизических характеристик материала; гам- ма-лучей и нейтронов (радиометрические); родственным является метод, основанный на использовании рентгеновского излучения; акустических свойств материала; ядерного магнитного резонанса (ЯМР); видимого света и инфракрасного излучения – спектральные методы. Целью данной работы является определение содержания влаги в торфе типовым методом и ускоренным методом при помощи при- бора с лампой-термоизлучателем. Определение влажности торфа типовым методом Типовой метод заключается в высушивании навески торфа в сушильном шкафу при температуре 105–110 оС и определении по- тери массы взятой навески. Торф, досушенный при этой температу- ре до постоянной массы, называют сухим веществом. Аппаратура: сушильный шкаф; стаканчики (бюксы) стеклян- ные или алюминиевые с крышками; термометр химический до 120–150 оС; весы; эксикатор с осушающим реактивом (серная кис- лота или гранулированный хлористый кальций); шпатель, ложка, челнок для взятия навески, щипцы тигельные. Порядок выполнения работы 1. Два алюминиевых бюкса взвесить на весах с точностью до  0,01 г. 2. Лабораторную пробу торфа с размером частиц в 2–3 мм тща- тельно перемешать шпателем или ложкой и отобрать в бюксы две навески торфа массой 5–10 г (в зависимости от степени разложе- ния). Бюксы сразу же закрыть крышками. 10 3. Взвесить бюксы с навесками, открыть крышки и поместить бюксы в предварительно нагретый до температуры 105–110 оС су- шильный шкаф и сушить в течение 4 час. 4. Извлечь бюксы из шкафа, закрыть крышками и поместить в эксикатор для охлаждения до комнатной температуры, после чего определить их массу. 5. Поместить открытые бюксы в сушильный шкаф на 30 мин. для контрольного подсушивания, охладить в эксикаторе и опреде- лить массу. 6. Рассчитать относительную и абсолютную влажность, а также влагосодержание. Подсчет результатов определения содержания влаги в торфе производят до сотых долей, а окончательные результаты округляют до десятых долей процента. Расхождение между параллельными определениями относи- тельной влажности допускается не более 0,5 %. 7. Результат анализа занести в табл. 1.2. Таблица 1.2 Дата_____________ Торф (тип, вид__________________, степень разложения_________) № б ю к са М ас са б ю к са , г М ас са б ю к са с т о р ф о м , г Н ав ес к а то р ф а, г Масса бюкса с торфом после сушки Масса воды, г w, % wср, % W, % U, кг/кг о сн о вн о й , г I к о н тр о л ьн о й , г II к о н тр о л ьн о й , г Определение влажности торфа ускоренным методом с применением лампы-термоизлучателя При необходимости влажность торфа (торфяной продукции) может быть определена менее точными ускоренными методами, 11 основанными на высушивании навески торфа до постоянной массы при температуре 140–150 оС и вычислением количества испарив- шейся при этом влаги. Хотя определения ускоренным методом ме- нее точны, однако они позволяют получать результаты значительно быстрее, что дает возможность использовать их в оперативном управлении производственными процессами. Определение влажности торфа ускоренным методом с примене- нием лампы-термоизлучателя производится при помощи прибора «ИЛ-3МА». Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с устройством и работой прибора «ИЛ-3МА». 2. В предварительно взвешенную чашку отобрать из лаборатор- ной пробы навеску торфа массой 5–10 г и взвесить. Взвешивание производить с точностью до  0,01 г. 3. Открыть дверцу прибора подняв, ее в верхнее или среднее положение и поставить чашку с навеской на подставку. 4. Нажимая вниз на рукоятку ворошилки движением ручки «от себя», довести ворошилку до чашки и плавно опустить. 5. Подвести термометр ко дну чашки. 6. Включить тумблер «мотор» и убедившись, что чашка враща- ется и перемешивание навески торфа происходит нормально, за- крыть дверцу и включить тумблер «лампа». 7. Заметить время включения лампы. 8. Через светофильтр в дверце наблюдать за процессом сушки торфа, который длится в среднем 5–10 минут (в зависимости от влажности торфа). Конец сушки характеризуется прекращением выделения паров воды. 9. По окончании процесса испарения выключить сначала лампу, а затем через 5–10 секунд выключить электродвигатель. 10. Открыть дверцу, отвести термометр в верхнее положение, поднять и отвести в сторону ворошилку. 11. Щипцами вынуть чашку и поставить ее на асбестовый лист. 12. Чашку накрыть холодным чистым стеклом. В случае кон- денсата паров воды на нижней поверхности стекла поставить чашку на подставку и досушить навеску торфа. 12 13. Высушенной навеске дать время для охлаждения до комнат- ной температуры, после чего приступить к взвешиванию. 14. Рассчитать относительную и абсолютную влажности, а так- же влагосодержание. Допускаемые расхождения между параллель- ными определениями относительной влажности не должны превы- шать 1,5 %. 15. Результаты анализа занести в табл. 1.3. Таблица 1.3 Дата__________ Торф (тип, вид____________________, степень разложения_______) № ч аш к и М ас са ч аш к и , г М ас са ч аш к и с т о р ф о м , г М ас са н ав ес к и то р ф а, г М ас са ч аш к и с то р ф о м п о сл е су ш к и , г М ас са во д ы , г г М ас са с у х о го в ещ ес тв а, г w, % wср, % W, % U, кг/кг Контрольные вопросы 1. Оценка содержания влаги в торфе (влажность и влагосодер- жание). 2. Связь между относительной и абсолютной влажностями. 3. Зависимость массы торфа от влажности. Пересчет массы тор- фа с одной влажности на другую. 4. Выход воздушно-сухого торфа. 5. Терминология по влажности. 6. Методы определения влажности торфа. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 2. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. –Минск: Наука и техника, 1983. – 232 с. 13 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОЛЬНОСТИ ТОРФА УСКОРЕННЫМ МЕТОДОМ Общие сведения Неорганическая часть торфа, представленная остатком после сжигания, называется золой. Содержание золы в торфе оценивается показателем зольности. Различают рабочую зольность Ар и золь- ность на сухое вещество Ас. Отношение массы минеральной части торфа (золы) Мз ко всей его массе М, выраженной в процентах, называется рабочей зольно- стью 100 M M A çp %. Отношение массы золы Мз к массе сухого вещества торфа Мс, выраженное в процентах, называется зольностью на сухое вещество 100 c çc M M A %. Так как масса сухого вещества торфа связана с общей массой и влажностью w соотношением 100 )100( wM M c   , а выражения Ар и Ас связаны между собой, то получим связь между зольностью на сухое вещество и рабочей зольностью w A A p c    100 100 %. 14 В качестве характеристики неорганической части торфа исполь- зуют зольность на сухое вещество, т.к. она не зависит от влажности торфа. В торфе различают первичную (или конституционную) золу и вторичную (или наносную). Источником поступления первичной золы в торф является минеральная часть растений – торфообразова- телей, а вторичной – атмосферная пыль, грунтовые и поверхност- ные воды. Различные типы торфа характеризуются следующими значения- ми конституционной зольности: верховой – 2,5–4 %, переходный – 4–6 %, низинный – 6–13 %. По содержанию золы торф подразделяется на: малозольный, Ас < 5 %; среднезольный, Ас = 510 %; высокозольный, Ас > 10 %. Зольность торфа не может превышать 50 %. Выше этого значе- ния торф переходит в разряд высокогумифицированных почв. При производстве различных видов торфяной продукции к сы- рью предъявляются строгие требования по содержанию золы. Бра- ковочные пределы по зольности для торфяной продукции следую- щие: фрезерный торф, идущий на топливо – Ас  25 %; фрезерный торф, идущий на брикетирование – Ас  15 %; торф, идущий на удобрение – Ас  30 %. Зольность торфа определяется типовым (стандартным) методом и различными модификациями ускоренного метода. Для оператив- ного контроля производства обычно используется ускоренный ме- тод. Кроме того разработан радиоизотопный метод определения зольности торфа, физической основой которого является зависи- мость интенсивности обратнорассеянного  -излучения от атомно- го номера рассеивающей среды. Целью данной работы является определение зольности торфа ускоренным методом с использованием муфельной печи. Сущность этого метода состоит в сжигании и озолении торфа, помещенного в фарфоровые глазурованные тигли, в муфельной пе- чи при температуре 800 25 оС с последующим определением мас- сы прокаленного остатка (золы). 15 Аппаратура: электрическая муфельная печь с устойчивой тем- пературой нагрева 800 25 оС; термопара для измерения темпера- туры до 850 оС с гальванометром; тигли глазурованные с крышкой № 5 или № 6; весы аналитические; щипцы тигельные, шпатель, ложка; эксикатор с осушающим реактивом; асбестовый лист; аппа- ратура для определения влажности торфа. Порядок выполнения работы 1. Взвесить два тигля на аналитических весах. 2. Из лабораторной пробы отобрать и поместить во взвешенные тигли навески торфа массой 1,0–1,5 г. Тигли с навесками взвесить на аналитических весах с точностью  0,0002 г. 3. Тигли с навесками торфа закрыть крышками и поставить на под муфельной печи (под печи заполнять не более, чем на полови- ну), разогретой до температуры 800 25 оС. Через 15 минут снять крышки с тиглей и продолжить прокаливание в закрытой муфель- ной печи до полного озоления нелетучего остатка (до прекращения искрения), но не менее 30 минут. 4. После прокаливания тигли с золой извлечь из муфельной пе- чи, охладить в течение 5 минут на воздухе на асбестовом листе, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвесить. 5. Рассчитать зольность торфа. Вычисления производить до со- тых долей и округлять до десятых, при этом доли менее 0,05 % от- брасывать, а равные или более 0,05 % считать за 0,1 %. Допустимые расхождения между результатами двух параллельных определений не должны превышать: 0,5 % – при Ар 15 % и 1,0 % – при Ар > 15 %. 6. Рассмотреть визуально остаток в тиглях. Наличие черного остатка – кокса свидетельствует о неполном озолении торфа. В про- токоле работы отметить вид золы, наличие несгоревших частиц и сделать в связи с этим вывод о достоверности полученных показа- телей зольности. 7. Результаты анализа записать в табл. 2.1. 16 Таблица 2.1 Торф (тип, вид____________________, степень разложения_____%, влажность ___________%) № ти гл ей М ас са п у ст о го ти гл я, г М ас са т и гл я с т о р ф о м , г М ас са н ав ес к и то р ф а, г М ас са т и гл я с зо л о й , г М ас са зо л ы , г Ар, % Ас, % Асср, % Контрольные вопросы 1. Зольность торфа. Первичная и вторичная зола торфа. 2. Основные источники накоплений неорганических соединений в торфе. 3. Классификация торфа по зольности. 4. Требования различных производств к содержанию золы в торфе. 5. Методы определения зольности торфа. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. – 232 с. 2. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. – Минск: Наука и техника, 1983. –232 с. 17 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗОЛЫ ТОРФА Общие сведения Химический состав неорганической части (золы) торфа обуслов- ливает ряд важнейших его физико-химических свойств. Основными источниками неорганической части торфа являются: водная миграция неорганических компонентов, поступающих с па- водковыми и грунтовыми водами; воздушная миграция и биогенная миграция. В результате этих явлений происходит накопление и пе- рераспределение неорганических соединений в торфе и частичный вынос их в процессе питания растений-торфообразователей. Валовой состав неорганической части отражает общее содержа- ние элементов торфа. Каждый же элемент находится в различных соединениях. Химические элементы неорганической части в торфе находятся в виде ионов, солей или комплексных соединений. В торфе различа- ют пять форм существования химических элементов: неорганиче- ские минералы торфа; неорганические компоненты торфяной воды; ионообменные гетерополярные органоминеральные комплексы; комплексно-гетерополярные органоминеральные соединения; ад- сорбционные комплексы органических веществ с минеральной ча- стью торфа. Неорганические минералы торфа. Минералы в торфе с гене- тических позиций разделяют на терригенные, аутигенные и биоген- ные. Терригенные минералы – обломочный материал пород и ми- нералов, поступающих на торфяное месторождение путем водной и воздушной миграции. К ним относятся такие минералы как кварц, полевой шпат, слюда, глинистые минералы и др. Аутигенные ми- нералы возникают в результате химического взаимодействия раст- воренных веществ друг с другом при изменении реакционной спо- собности среды. К ним относятся лимонит, вивианит, сидерит, пу- рит, гипс и др. Биогенные минералы возникают в растениях в про- цессе их отмирания и дальнейшего биохимического распада орга- нической части растительного материала. Минералами биогенного происхождения являются фитолиты (кремневые образования типа 18 опал) и вевелит (кальциевые образования). Содержание минералов увеличивается от верховых к низинным типам торфа, что также связано с большим количеством их источников поступлнения на низинные торфяные месторождения. На содержание и состав ми- нералов в торфе большое влияние оказывает геологическое окру- жение и удаленность от окрайковой зоны участка торфяного место- рождения. Основным минералом в торфе является кварц. Он состав- ляет 70–90 % от суммы всех минералов торфа. Общее содердание минералов в торфе верхового типа может колебаться от 1 до 30 %, а низинного от 1 до 50 % от зольности торфа. Неорганические компоненты торфяной воды. Эти вещества встречаются в ионной, молекулярной и коллоидной формах, а также в виде органоминеральных комплексов. Неорганическая часть торфяной воды представлена в основном катионами и анионами химических элементов. Из анионов в торфяной воде встречаются НСО  3 , NO  3 , C  , SO 24 . Среди катионов преобладают Са 2+, Mg2+, Fe3+, A  3+, K+, Na+. Общее содержание катионов в торфяной воде верхового торфа составляет 40–70 мг/л, переходного – 70–180, ни- зинного > 180 мг/л. Содержание катионов в торфяной воде (особенно Са2+) влияет на кислотность среды, определяет концентрацию растворенных орга- нических соединений. Например, в жестких водах торфяных зале- жей низинного типа, где много кальция и магния, содержание рас- творенного органического вещества меньше, чем в водах торфяных залежей верхового типа. Это связано с тем, что свободные органи- ческие кислоты образуют нерастворимые соли, выпадающие в оса- док. С другой стороны кальций способствует эмульгированию би- тумов, что приводит к обогащению битумами торфяной воды зале- жей низинного типа (табл. 3.1). Таблица 3.1 Содержание органического вещества в торфяной воде, мг/л Тип залежи Сумма органиче- ского вещества Битумы Гуминовые кислоты Верховой Низинный 280–520 100–350 4,0 50,0 23,6 21,6 19 Ионообменные гетерополярные органоминеральные ком- плексы. Они образуются при взаимодействии функциональных групп органических кислот с катионами сильных оснований (каль- цием, магнием, натрием, калием). Механизм образования сводится к обменной реакции между водородом функциональных групп ор- ганических кислот и катионами. Комплексы образуются на основе ионообменных реакций активных групп гуминовых веществ с кати- онами торфяной воды. Примером образования ионообменных гете- рополярных органоминеральных комплексов может быть следую- щая схема: R – COO – Ca – R Комплексно-гетерополярные органоминеральные соедине- ния. Они образуются при совместном проявлении ионной и кова- лентной или ионной и координационной связей между катионами и молекулами органического вещества. Среди органоминеральных соединений наибольшее значение имеют внутрикомплексные со- единения, называемые хелатами (от греческого слова «хела» – клешня). Хелатообразование рассматривают как равновесную реак- цию между ионами металла и органической молекулой, при кото- рой между компонентами образуются более чем одна связь. В ре- зультате хелатообразования формируется циклическая структура, замкнутая координационными связями концевых атомов. В хелате чаще всего имеются два вида связей: - ионная связь осуществляет взаимодействие между водородом функциональных групп (-СООН, -ОН) и катионом; - координационная связь (донорно-акцепторная связь) дополни- тельно связывает металл с атомами или группами атомов органиче- ской молекулы (-СО, -ОН, -NH2). Металл как бы втягивается во внутреннюю сферу молекулы, входя в состав сложного иона моле- кулы (чаще в состав аниона). Примером такого типа хелата является гликолят меди. В ряде случаев возможно образование хелата только при участии координационной связи, при этом сложный ион сохраняет положи- тельный знак заряда. Учитывая способность хелатных соединений к обменному по- глощению ряда катионов, их следует рассматривать как комплекс- 20 но-гетерополярные соли, в которых часть металла сохраняет спо- собность к обменным реакциям, часть фиксируется прочно. Хелаты обладают различной степенью устойчивости и подвижности в зави- симости от активности среды, что предопределяет миграцию (пере- мещение) и аккумуляцию (накопление) в торфяных залежах раз- личных металлов и оранических веществ. Адсорбционные комплексы органических веществ с мине- ральной частью торфа. Эти соединения изучены недостаточно. Из целой гаммы таких комплексов можно выделить органические пленки на минералах, образующиеся в результате адсорбции гуми- новых веществ, и нерастворимые комплексы гуминовых веществ с не силикатными формами полуторных окислов (Fe2O3, A 2O3). При образовании нерастворимых продуктов основным механизмом является адсорбция гуминовых веществ на гелях полутораокисей. Возможно формирование комплексов из минеральных коллоидов и гуминовых веществ за счет взаимодействия через катионы, в первую очередь через ионы железа. Различные формы существования неорганических компонентов в торфе указывают на сложный механизм взаимодействия неорга- нической части с органическим веществом торфа. Знание механиз- ма этих взаимодействий позволяет направленно изменять ряд физи- ко-химических свойств торфа. Целью данной работы является освоение химических методов определения валового содержания следующих элементов в виде окислов: - кремниевой кислоты SiO2; - полуторных окислов R2O3 и фосфора P2O5; - окиси кальция CaO; - окиси магния MgO; - окиси щелочных металлов K2O+Na2O. Аппаратура: тигли фарфоровые большие; тигли платиновые; фарфоровые чашки; стаканы химические; промывалка; колба мер- ная на 500 мл; эксикатор; щипцы; муфельная печь; сушильный шкаф; агатовая ступка; шелковое сито; баня водяная; стеклянная банка с притертой пробкой на 100 мл; штативы; треножники; горел- 21 ки; весы аналитические с набором гирь; безводная углекислая соль кальция; безводная углекислая соль натрия; соляная кислота; хло- ристый аммоний; азотная кислота; аммиак; уксусная кислота; щаве- левый аммоний; углекислый кальций; фосфористый натрий; плати- новохлористоводородная кислота; азотнокислое серебро; дистилли- рованная вода; беззольные фильтры; стеклянные палочки и крючок. Методика определения химического состава золы торфа Подготовка к анализу. Необходимую для анализа золу (4–5 г) получают в больших фарфоровых тиглях путем озоления исследуе- мого торфа. Полученную золу растирают в агатовой ступке до крупности, которая обеспечивала бы прохождение всей золы без остатка через шелковое сито (900 отверстий на 1 см2). Подситовую фракцию помещают в стеклянную банку с притертой пробкой. Для анализа золы берут навеску около 1,5 г, тщательно переме- шивают ее в платиновом тигле с пятикратным количеством смеси безводных углекислый солей калия и натрия. Перемешивают золу стеклянной палочкой, которую затем тщательно вытирают беззоль- ным фильтром, и этот фильтр кладут в тигель. Сверху смесь засы- пают небольшим слоем углекислый солей. Первую стадию сплав- ления необходимо проводить с осторожностью ввиду вспучивания и возможного выбрасывания смеси из тигля. Поэтому тигель ставят в холодный муфель и лишь постепенно нагревают его до темпера- туры 1273 оК. Когда смесь будет расплавлена и прекратится выде- ление пузырьков СО2, нагревание продолжают еще 10–20 мин., по- сле чего сплавление заканчивают. После этого тигель в горячем состоянии щипцами переносят в стакан с холодной дистиллированной водой и погружают на три четверти его высоты. При охлаждении сплав отстает от стенок тиг- ля, а при опрокидывании легко выпадает из него. Сплав сразу кла- дут в фарфоровую чашку, а тигель и крышку обмывают над этой чашкой сначала горячей водой, а затем 10 %-ным раствором соля- ной кислоты, прибавляя последнюю до сильно кислой реакции. В полученном растворе часть кремниевой кислоты будет находиться в виде хлопьев. Определение содержания кремниевой кислоты. Содержимое фарфоровой чашки выпаривают досуха на водяной бане. Получен- 22 ный в чашке остаток обрабатывают концентрированной соляной кислотой (10–15 мл, плотность 1190 кг/м3) и чашку снова ставят на баню для выпаривания. Так повторяют 2–3 раза, затем остаток про- сушивают в шкафу при температуре не выше 398–423 оК в течение 1 ч., после чего прибавляют к нему 100 мл однопроцентного рас- твора НС  . Кремниевая кислота, переведенная предыдущими опе- рациями по выпариванию и обработке кислотой в нерастворимое состояние, оседает на дно чашки. Через 10–20 мин. после обработки соляной кислотой осадок процеживают и переносят на беззольный фильтр, где продолжают его промывать до получения в промывной воде отрицательной реакции на хлор. Отсутствие хлора проверяют прибавлением к промывной воде (подкисленной НNО3) азотнокис- лого серебра. Осадок с фильтром помещают в платиновый тигель, высушивают и прокаливают в муфельной печи до постоянной мас- сы. Количество SiO2 , которое при этом получается в тигле, в про- центах относят к навеске золы SiO2 = à â 100 %, где в – масса прокаленного остатка SiO2 , г; а – масса навески золы, г. Определение содержания полуторных окислов и Р2О5. Филь- трат от кремниевой кислоты переносят в мерную колбу емкостью 500 мл и доводят его дистиллированной водой точно до метки. Взяв из колбы в стакан 100 мл раствора, прибавляют к нему 10 мл насы- щенного NН4С  , две-три капли НNО3 и возможно малый избыток NН4С  до резкого запаха. После этого содержимое стакана кипятят до удаления излишка аммиака. Выпавший при нейтрализации НС  осадок содержит в себе сумму Fе2О3, А  2О3 и Р2О5. Осадок перено- сят на беззольный фильтр, промывают горячей водой до отрица- тельной реакции на хлор, высушивают, прокаливают в платиновом тигле вместе с фильтром при температуре 1273–1373 оК и по охла- ждении в эксикаторе взвешивают. Фильтрат вместе с промывными водами оставляют для определения СаО. Полученную в тигле массу 23 полуторных окислов и Р2О5 умножают на 5 и в процентах относят к массе навески R2О3 + Р2О5 = à â 1005  %, где в – масса осадка R2О3 + Р2О5, г; а – масса навески золы, г. Определение содержания окислов кальция. Фильтрат от полу- торных окислов, слабо подкисленной уксусной кислотой, упарива- ют на водяной бане, нагревают до кипения и осаждают кипящим раствором щавелево-кислого аммония. После осаждения (через 4–12 часов) жидкость ставят на кипящую баню и через 4 часа де- кантируют ее через беззольный фильтр. Осадок промывают горячей водой до исчезновения реакции на хлор и вместе с фильтром пере- носят в платиновый тигель, высушивают на слабом пламени, осто- рожно озоляют и затем в течение 20 мин. прокаливают. Содержание СаО подсчитывают так же, как и содержание полуторных окислов. Определение содержания окиси магния. Фильтрат от щавеле- вого кальция упаривают на водяной бане приблизительно до 150 мл, остужают, прибавляют к нему около 10 мл фосфорнокисло- го натрия, нагревают до кипения и подливают 10 %-ного аммиака в количестве, равном одной трети первоначального объема жидко- сти. Через 24 часа осадок фосфорнокислой аммонийно-магниевой соли Мg(NH4)PO4 переносят на фильтр и промывают 2,5 %-ным аммиаком до полного удаления хлора и прокаливают в таком же порядке, какой был указан для определения СаО. При прокаливании магниевая соль переходит в пирофосфат магния Mg2P2O7. Для под- счета MgО массу пирофосфата следует умножить на 0,3621 и полу- ченную величину, умножив затем еще на 5, отнести в процентах к навеске золы MgО = à â 1003621,05  %, 24 где в – масса осадка Mg2P2O7, г; а – масса навески золы, г. Определение содержания окиси щелочных металлов. Содер- жание окиси щелочных металлов K2O+Na2O обычно определяют по разности. Непосредственное определение содержания в золе К и Na проводится по следующей методике. Навеску золы в 1 г в агатовой ступке смешивают с таким же количеством хлористого аммония и растирают до тонкого порошка. Затем прибавляют 3 г углекислого кальция, снова растирают и переносят смесь в платиновый тигель. Чтобы очистить ступку и пестик от оставшихся там частиц золы, в нее помещают 1 г СаСО3 , растирают, а затем переносят в тот же тигель, куда заложена навеска. Тигель закрывают крышкой и нагре- вают его на небольшом пламени. По окончании выделения аммиа- ка, что бывает минут через 20 после начала нагревания, смесь в те- чение 1 часа прокаливают на полном пламени горелки. После охла- ждения спекшуюся массу при помощи горячей воды переносят в стакан, который затем нагревают, а твердые частицы массы во вре- мя нагревания раздавливают стеклянной палочкой. Когда осадок превратится в порошок, жидкость декантируют че- рез фильтр и промывают горячей водой. Осадок на фильтре испы- тывают на растворимость в соляной кислоте. Он должен раство- риться, за исключением остатка, состоящего из чистой SiO2. Фильтрат нагревают до кипения, прибавляют к нему аммиак и осаждают раствором углекислого аммония. Образовавшийся осадок углекислого кальция фильтруют и промывают. Подставив под во- ронку стакан, в котором растворялась спекшаяся масса, осадок на фильтре растворяют в соляной кислоте и вновь осаждают углекис- лым аммонием в присутствии аммиака. Это делают для того, чтобы удалить из осадка оставшиеся там небольшие количества щелочи. После отфильтровывания СаСО3 и его промывки полученный филь- трат прибавляют к основному и выпаривают его на водяной бане досуха, а затем просушивают в шкафу при 423 оК и ставят под сла- бое пламя горелки, чтобы удалить из осадка аммониевые соли. По- сле охлаждения остаток смачивают НС  , растворяют в небольшом количестве воды, нейтрализуют аммиаком и снова осаждают следы кальция щавелевокислым аммонием. Через 12 часов осадок (щаве- 25 левокислый кальций) отфильтровывают, фильтрат в тигле частями выпаривают досуха, остаток прокаливают, дают ему остыть и сма- чивают небольшим количеством НС  , чтобы разложить образо- вавшиеся карбонаты и превратить их в хлориды. После этого осадок снова выпаривают, прокаливают и взвешивают. Таким образом находят сумму хлоридов щелочных металлов. Растворив их в воде, определяют содержание в золе калия путем осаждения его раство- ром Н2(РtС  6). К выпаренному затем на водяной бане досуха остат- ку прибавляют несколько миллилитров спирта – ректификата, рас- тирают остаток в тонкий порошок и фильтруют через смоченный алкоголем фильтр. Остаток на фильтре промывают алкоголем до тех пор, пока он не будет проходить через фильтр совершенно бес- цветным. Осадок высушивают и взвешивают. Для подсчета содер- жания калия сначала переводят хлорплатинат в калий путем умно- жения полученной массы на 0,3056, а затем массу калия в процен- тах относят к навеске золы К = à â 1003056,0  %, где в – масса хлорплатината калия, г; а – масса навески золы, г. После окончания анализов составляется сводная таблица хими- ческого состава золы торфа. Контрольные вопросы 1. Формы существования неорганических компонентов в торфе. 2. Методика определения химического состава золы торфа. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 2. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. – Минск: Наука и техника, 1983. – 232 с. 26 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ТОРФА Общие сведения Нагревая торф без допуска воздуха до температуры 1073 25 оК, из него выделяют (кроме паров воды) так называемые летучие ве- щества – газообразные продукты термического распада органиче- ской массы. В состав летучих веществ входят углеводороды, метан, окись и двуокись углерода, частично азот, содержащийся в торфе. Остаток после выхода летучих веществ называется коксом. Выход летучих веществ торфа характеризуют выраженным в процентах отношением массы летучих веществ Мл к массе соответ- ственно аналитической навески М, сухого вещества Мс и горючей массы Мг. Выход летучих веществ на аналитическую навеску Vл а, % под- считывают по формуле aêëà ë w Ì ÌÌ Ì Ì V    100)( 100 , где Мк – масса кокса, г; wa – влажность аналитической пробы торфа, %. Выход летучих на сухое вещество Vл с и на горючую массу Vл г подсчитывают по формуле a à ë a ë c ëc ë w V wÌ Ì Ì Ì V       100 100 100 )100( 100 100 %, ñ à ë ñ ñ ë ã ëã ë À V ÀÌ Ì Ì Ì V       100 100 100 )100( 100 100 %, где Ас – зольность торфа на сухое вещество, %. Величина выхода летучих на горючее вещество Vл г используется при рассмотрении термической прочности твердых горючих иско- 27 паемых (каустобиолитов). Так, в генетическом ряду углей (отмер- шие растения  торф  бурый уголь  каменный уголь  ан- трацит) наименьшую термическую прочность имеют растения- торфообразователи и торф (Vл г до 85 %), а наибольшую – антрацит (Vл г = 2–10 %). Для определения выхода летучих веществ торфа обычно приме- няют метод единичных определений с использованием тигельной печи или метод массовых определений, в котором используется муфельная печь. Определение выхода летучих веществ заключается в выдерживании аналитической навески торфа, помещенной в ти- гель с притертой крышкой, в течение 420 с в тигельной или му- фельной печи, разогретой до температуры 1073 25 оК. Расхожде- ние между параллельными навесками не должно превышать 0,5 %. Навеску торфа около 1 г перед испытанием спрессовывают на руч- ном лабораторном прессе в брикет. Цель данной работы заключается в определении выхода лету- чих веществ торфа методом массовых определений. Аппаратура: печь муфельная с подставкой для тиглей из жаро- прочного материала; термопара с гальванометром; фарфоровые гла- зурованные тигли с крышками (высота тиглей – 40–44 мм, верхний диаметр – 33–36 мм); пресс лабораторный; весы аналитические; эк- сикатор с осушающим реактивом; щипцы тигельные. Порядок выполнения работы 1. Тигель с притертой крышкой взвесить на аналитических весах с точностью до  0,0002 г. Его номер и массу записать в таблицу. 2. Специальным пробоотборником отобрать навеску торфа, за- сыпать ее в матрицу ручного пресса и спрессовать в брикетик. 3. Брикетик поместить в тигель с притертой крышкой и взвесить на аналитических весах. 4. Тигель в закрытом виде установить на подставку, быстро по- местить в разогретую муфельную печь и включить секундомер. 5. Через 420 с тигель извлечь, в течение 300–480 с охлаждать на воздухе, а затем в эксикаторе и взвесить. 28 6. Рассчитать выход летучих веществ на аналитическую навеску, на сухое вещество и горючую массу. Результаты записать в табл. 4.1. 7. Оформить и защитить работу. Таблица 4.1 Характеристика торфа (тип, вид_______________________, степень разложения ________, влажность_________, зольность __________) № тиг- лей Масса тигля, г Навес- ка торфа, г Масса тигля с кок- сом, г Масса кокса, г Vл а, % Vл с, % Vл г, % пу- сто- го с тор- фом Контрольные вопросы 1. Летучие вещества торфа и их состав. 2. Что называется торфяным коксом? 3. Методы определения летучих веществ торфа. 4. Генетический ряд каустобиолитов. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. – 232 с. 2. Раковский, В.Е. Общая химическая технология торфа / В.Е. Раковский. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1949. – 363 с. 29 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ ТОРФА ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Общие сведения Кислотность – одна из важнейших характеристик торфа. Она играет большую роль при изучении природных особенностей тор- фа, его генезиса, является одним из факторов интенсивности мик- робиологической деятельности, роль которой в торфообразователь- ном процессе общеизвестна. По кислотности можно судить о степе- ни насыщенности поглощающего комплекса торфа кальцием. Она более точно, чем ботаническая характеристика, может служить при- знаком типовой принадлежности торфа. Под термином кислотность подразумевается реакция водной среды торфа, которая определяется активностью ионов водорода (Н+) и численно равна отрицательному десятичному логарифму из активности Н+. рН = – í ga . При показателе рН < 7 – реакция среды кислая, при рН = 7 – нейтральная, а при рН > 7 – щелочная. В торфе различают активную и потенциальную кислотность. Активная кислотность торфа характеризуется активностью во- дородных ионов в торфяном растворе или водной вытяжке из торфа и является следствием частичной диссоциации составляющих его компонентов. Другими словами – это кислотность торфа непосред- ственно в залежи, когда торф не подвергается никаким воздействиям. Потенциальная кислотность измеряется количеством ионов водорода и алюминия, находящихся в поглощающем комплексе торфа в скрытом (поглощенном) состоянии. Потенциальная кислот- ность включает в себя обменную и гидролитическую. Более подвижная часть ионов водорода и алюминия торфа, кото- рая может быть переведена в раствор при обработке торфа избыт- ком нейтральной соли хлористого калия, представляет собой об- менную кислотность. Таким образом, кислотность в солевой хлор- калиевой вытяжке называется обменной кислотностью. Остальная, 30 менее подвижная часть ионов водорода и алюминия, переходящая в раствор при дальнейшей обработке торфа солями, дающими в вод- ном растворе в результате гидролиза щелочную реакцию, называет- ся гидролитической кислотностью. Наибольшее практическое значение имеет обменная кислот- ность. Различные типы торфа характеризуются следующими значе- ниями обменной кислотности: верховой 2,6–3,2; переходный 3,4–4,2; низинный 4,8–5,6. Значения рН торфа измеряют в водной и солевой вытяжках. Водная вытяжка – это вода, отжатая из торфа. Для получения соле- вой вытяжки навеску сухого торфа массой 2–3 г помещают в фар- форовый тигель № 6 или стеклянный стакан емкостью 100 мл и за- ливают 1н раствором КС  с рН = 5,5–6,0. Количество жидкости (раствора) должно быть 2,5 объема по отношению ко взятому объе- му торфа (при получении водной вытяжки из сухого торфа необхо- димо взять такое же количество дистиллированной воды). Содер- жимое тигля или стакана перемешивают в течение 5 мин. до полно- го смачивания материала. Затем отжимают или отфильтровывают жидкость и определяют рН при помощи рН-метра. Цель данной работы заключается в определении активной и обменной кислотности торфа электрометрическим методом. Сущность электрометрического метода заключается в измерении электродвижущей силы в торфяной суспензии. Ее величина связана с активностью ионов водорода или с показателем кислотности рН. Аппаратура: рН-метр; промывалка с дистиллированной водой; фильтровальная бумага; стакан емкостью 100 мл; 1н раствор КС (рН = 5,5–6,0); буферные растворы. Порядок выполнения работы 1. Подготовить рН-метр к измерениям (в соответствии с ин- струкцией по эксплуатации). 2. Получить солевую и водную вытяжки из низинного и верхово- го торфов. Для этого навеску сухого торфа массой 3 г тщательно 31 перемешать в течение 5 мин. с 75 мл раствора КС  или дистилли- рованной воды. Затем суспензию отжать или отфильтровать. 3. Провести измерения рН полученных проб с двукратной по- вторностью с точностью до 0,02 рН. Окончательные результаты округлить до десятых долей. 4. Результаты анализа записать в табл. 5.1. Таблица 5.1 Тип, вид и сте- пень разложе- ния торфа Вытяжка Значение рН первое определение второе определение среднее водная солевая Контрольные вопросы 1. Что такое рН торфа? 2. Активная, обменная и гидролитическая кислотность торфа. 3. Классификация торфов по кислотности. 4. Сущность электрометрического метода определения рН. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 2. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. –Минск: Наука и техника, 1983. – 232 с. 32 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СУХОГО ВЕЩЕСТВА ТОРФА ПИКНОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Общие сведения Плотностью сухого вещества торфа  называется отношение массы сухого беспористого вещества к его объему c c V M  кг/м3, где Мс – масса сухого вещества торфа; Vс – объем сухого вещества торфа. В объем сухого вещества торфа не входит объем пор, занятых водой или воздухом. Значения плотности сухого вещества торфа необходимы для определения пористости торфа, скорости осаждения твердых ча- стиц торфа в воде и пр. Для определения плотности сухого вещества торфа применяют пикнометрический метод и метод высоких давлений на установке УВД. Целью данной работы является определение плотности сухого вещества торфа пикнометрическим методом. Пикнометр – это калиброванный стеклянный сосуд с узким гор- лышком емкостью 50 или 100 см3. Сущность пикнометрического метода заключается в определении объема сухого вещества торфа путем взвешиваний пикнометра с жидкостью с торфом и без торфа. Схема, поясняющая возможность расчета объема сухого беспори- стого вещества торфа по результатам взвешиваний пикнометра, представлена на рис. 6.1. На рисунке показан пикнометр с жидко- стью, налитой до метки 1, состояние жидкости в пикнометре при введении в него сухого вещества торфа 2 и пикнометр с сухим ве- 33 ществом торфа и жидкостью, налитой до метки 3. Состояние 3 от- личается от состояния 2 на величину массы вытесненной жидкости. Рис. 6.1. Схема к расчету объема твердой фазы торфа пикнометрическим методом Cледовательно, масса вытесненной жидкости будет Мж = М1 + Мс – М2. Зная плотность пикнометрической жидкости æ , найдем ее объем, равный объему сухого вещества торфа æ ñ æ æ cæ ÌÌÌM VV  21  . Таким образом, плотность сухого вещества торфа можно рассчи- тать по формуле 21 ÌÌÌ M V M ñ æc c c      . 34 Так как практически приходится работать не с абсолютно сухим торфом, а имеющим некоторую влажность w, то и формула для это- го случая будет иметь вид              âæ wÌMMM wM   100 100 )100( 21 , где М – масса навески торфа в пикнометре; w – влажность навески торфа; â – плотность воды при температуре опыта. При определении плотности сухого вещества торфа пикномет- рическим методом в качестве пикнометрической жидкости исполь- зуют воду или неполярные жидкости: керосин, бензин, толуол и пр. Применяя этот метод, следует иметь в виду, что плотность сухо- го вещества торфа зависит от размера молекул пикнометрической жидкости. С уменьшением размера молекул последней, плотность сухого вещества торфа возрастает. Объясняется это тем, что рыхлые по своей структуре частицы торфа имеют микропоры, в которые могут проникнуть не всякие молекулы жидкости. Для проведения массовых определений плотности сухого веще- ства торфа наиболее пригодной пикнометрической жидкостью яв- ляется керосин. В учебных целях обычно используют воду. Плот- ность воды â при различной температуре t приведена в табл. 6.1. Таблица 6.1 t, oC â , г/см 3 t, oC â , г/см 3 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 0,9991 0,9990 0,9990 0,9989 0,9988 0,9987 0,9986 0,9985 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 23,5 0,9982 0,9981 0,9980 0,9979 0,9978 0,9977 0,9976 0,9974 35 19,0 19,5 0,9984 0,9983 24,0 24,5 0,9973 0,9973 При определении плотности сухого вещества торфа важной вспомогательной операцией является удаление из него воздуха. Для этой цели может применяться кипячение пикнометров с торфом и жидкостью на водяной бане, вакуумирование или виброобработка. Аппаратура: пикнометр емкостью 50 или 100 см3; весы анали- тические с разновесами; водяная баня; термометр; промывалка; ка- пельница; стакан на 100 см3; бутыль с дистиллированной водой; полотенце, фильтровальная бумага; воронка. Порядок выполнения работы 1. Взвесить два пустых пикнометра на аналитических весах (все взвешивания производить с точностью до  0,0002 г). 2. Отобрать из лабораторной пробы торфа две навески массой по 8–10 г при объеме пикнометров 100 см3 или 4–5 г при объеме пик- нометров 50 см3 и, пользуясь стеклянной воронкой, засыпать их в пикнометры, а затем взвесить. 3. Одновременно отобрать навески торфа массой 5–10 г и опре- делить их влажность ускоренным методом. 4. Залить пикнометры с торфом дистиллированной водой до 1 / 2 их объема. При заливке смыть со стенок пикнометра прилипшие частицы торфа. 5. Поместить пикнометры в водяную баню и кипятить в течение 20–30 минут для удаления из торфа воздуха. Воздух считается уда- ленным тогда, когда частицы торфа в пикнометре осядут на дно, а вода в верхней части станет достаточно прозрачной. 6. После удаления воздуха пикнометры охладить до комнатной температуры, долить дистиллированной водой (тоже комнатной температуры) до метки на горлышке и взвесить. 7. Вылить содержимое пикнометров, вымыть их, затем налить до метки дистиллированной водой комнатной температуры и взвесить. 36 8. Рассчитать плотность сухого вещества торфа и результаты анализа записать в табл. 6.2. Допустимое расхождение в параллель- ных определениях  составляет  0,02 г/см3. Таблица 6.2 № пик но- мет ров Масса пустого пикно- метра, г Масса пикно- метра с торфом, г Масса навес ки торфа, г Масса пикно- метра с торфом и водой, г Масса пикно- метра с водой, г  , г/см3  ср, кг/м3 Контрольные вопросы 1. Плотность сухого вещества торфа и методы ее определения. 2. Сущность пикнометрического метода определения плотности сухого вещества торфа. 3. Вывод формулы для расчета плотности сухого вещества торфа. Литература 1. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. –Минск: Наука и техника, 1983. – 232 с. 2. Прочность и деформируемость торфяных грунтов / Л.С. Ама- рян. – М.: Недра, 1969. – 191 с. 37 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОРФА Общие сведения Плотность торфа  – это отношение массы торфа к его объему V M  кг/м3, где М – масса торфа, кг; V – объем торфа, м3. Масса торфа состоит из массы сухого вещества Мс и массы во- ды Мв, а объем торфа включает в себя объем сухого вещества Vс, объем воды Vв и объем воздуха (газа) Vг. Таким образом, структур- ная формула плотности торфа будет иметь вид ãâc âc VVV MM    . Плотность торфа – важный показатель качественной характери- стики торфа и торфяной продукции. Он входит в основные техно- логические расчеты, связанные с определением запасов торфа, цик- ловых сборов, производительности машин и т.п. Во всех случаях торф находится в различных состояниях, в зависимости от которых пользуются различными методами определения его плотности. Почти все методы определения плотности торфа и получаемой из него продукции отличаются между собой лишь приемами опре- деления объема. Так, для торфа в залежи применяется метод режу- щего кольца: для переработанного торфа-сырца – метод мерного 38 цилиндра; для кускового торфа – метод волюменометра; для мелко- кускового торфа – метод гидростатического взвешивания; для фре- зерного торфа – несколько видоизмененный метод мерного цилин- дра (при помощи пурки). Для определения насыпной плотности фрезерного торфа в нава- лах и валках используется метод мерных ящиков, заключающийся в многократном наполнении мерного ящика фрезерным торфом с по- следующим взвешиванием. Расчет производится по формуле nV M i     , где  iM – сумма массы торфа при единичных определениях: V – объем мерного ящика; n – число определений. Для определения плотности фрезерного торфа в штабелях ис- пользуется метод радиобуров, принцип которого заключается в ре- гистрации интенсивности рассеянного гамма-излучения, пропорци- ональной плотности вещества. Целью работы является определение плотности кускового торфа при помощи волюменометра и насыпной плотности фрезер- ного торфа методом мерного цилиндра. Определение плотности кускового торфа при помощи волюменометра Волюменометр – это прибор, состоящий из цилиндрического сосуда с сообщающейся стеклянной трубкой, снабженной шкалой, и металлической сетки, в которой образец торфа опускается в во- люменометр, заполненный на 1/3 его высоты керосином. Если до погружения образца отсчет по шкале волюменометра будет 1 , а после погружения – 2 , то его объем можно найти по формуле 39 ÊV  )( 12  , где К – цена деления шкалы волюменометра, см3/дел. (т.е. объем, приходящийся на одно деление. Аппаратура: волюменометр; весы; бутыль с керосином. Порядок выполнения работы 1. Образцы торфа взвесить по отдельности с точностью до 1 г и поместить в керосин для пропитки (до прекращения выделения пу- зырьков воздуха). 2. Определить объем образца при помощи волюменометра, для чего погрузить сетку в керосин и взять отсчет по шкале. Затем в поднятую сетку поместить образец, вновь погрузить в керосин и взять второй отсчет. По разности отсчетов уровней керосина в во- люменометре рассчитать объем образца торфа. 3. Рассчитать плотность торфа. 4. Результаты опыта записать в табл. 7.1. Таблица 7.1 Характеристика образца торфа (тип, вид, степень разложения, влажность). Цена деления шкалы волюменометра К = _____. № об- разцов Масса образца до пропитки М, г 1 2 V, см3  , г/см3 ñð , кг/м3 Определение насыпной плотности фрезерного торфа методом мерного цилиндра Насыпная плотность фрезерного торфа определяется при помо- щи прибора, называемого пуркой. Пурка состоит из трех цилин- дров, которые в рабочем состоянии устанавливаются один на дру- гой. Верхний цилиндр (загрузочный) служит для загрузки исследу- емого торфа. При помощи среднего цилиндра (наполнителя) заполняют торфом нижний цилиндр известного объема, который 40 называется меркой. Трехступенчатая система обеспечивает стан- дартное заполнение мерного цилиндра. Аппаратура: пурка; весы; совок, щетка. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с устройством прибора и собрать его. 2. Закрыв заслонку загрузочного цилиндра, заполнить его фре- зерным торфом (на 2 см ниже его верхнего края) и установить на цилиндр-наполнитель. 3. Открыть заслонку, чтобы фрезерный торф поступил в ци- линдр-наполнитель. 4. Извлечь из мерки нож. Торф вместе с падающим дном пере- мещается в мерку. Вставить торф в прорезь мерки, отделив тем са- мым излишек торфа. Порожний загрузочный цилиндр снять. 5. Удалить излишек торфа с ножа опрокидыванием мерки с наполнителем. Наполнитель убрать, а мерку взвесить с точностью до 1 г. 6. Повторить определение три раза с тем же торфом. 7. Результаты опытов записать в табл. 7.2, рассчитать среднее значение массы торфа, а затем насыпную плотность торфа. Таблица 7.2 Характеристика торфа (тип, вид, степень разложения R = %, влажность w = %) Объем мерного цилиндра V, см3 Масса фрезерного торфа, г Насыпная плот- ность торфа, кг/м3 М1 М2 М3 Мср Контрольные вопросы 1. Что называется плотностью торфа? 2. Методы определения плотности кусковой торфяной продук- ции. 3. Методы определения насыпной плотности фрезерного торфа. Литература 41 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 2. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. –Минск: Наука и техника, 1983. – 232 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ МЕЛКОКУСКОВОГО ТОРФА И ТОРФЯНЫХ БРИКЕТОВ Общие сведения Прочность – это свойство тел сопротивляться разрушению. Прочность тел характеризуют напряжениями, возникающими в ма- териале в момент разрушения. Прочность является одной из важнейших характеристик каче- ства торфяной продукции, зависящей от содержания сухого веще- ства в единице объема и энергии связи между частицами. В есте- ственном состоянии ответственным за прочность торфа является растительный каркас. При разрушении растительного каркаса в ре- зультате переработки торфа или с ростом степени разложения прочность определяется, в основном, силами, действующими меж- ду частицами. Основными силами, ответственными за прочность торфа, явля- ются капиллярные, межмолекулярные и водородная связи. Энергия капиллярных сил невелика и равна примерно 0,419 кДж/моль, энер- гия межмолекулярных сил или сил Ван-дер-Ваальса – 4,19 кДж/моль, энергия водородной связи – 16,76–29,33 кДж/моль. Механизм формирования прочной структуры готовой продук- ции весьма сложен, так как на прочность оказывает влияние не только физико-химическая природа торфа (степень разложения, со- держание гуминовых веществ, тип их надмолекулярных структур и др.), но и технологические факторы (интенсивность переработки, режим сушки и др.). При испарении влаги из куска торфа под действием капилляр- ных сил происходит его усадка, что приводит к увеличению содер- жания сухого вещества в единице объема, а следовательно, и числа межмолекулярных и водородных связей и, в конечном счете, к ро- 42 сту прочности торфа. Наибольшая прочность торфа получается при достижении им влажности, соответствующей содержанию моно- сорбированной влаги. Для торфа характерны следующие виды испытаний на проч- ность: прочность на сжатие; прочность на изгиб; ударная прочность (крошимость). Выбор типа испытания на прочность определяется тем, какие силы в реальных условиях вызывают разрушение мате- риала. Целью данной работы является определение прочности мелко- кускового торфа и брикетов на сжатие и изгиб. Аппаратура: ручной гидравлический пресс; штангенциркуль; ножовка, нож. Определение прочности торфа на сжатие Для определения прочности на сжатие берут кубические или цилиндрические образцы торфа. Последние должны иметь отноше- ние высоты к диаметру не ниже 1:1. Образец устанавливают на плиту гидравлического пресса (рис. 8.1) и определяют показание манометра в момент разрушения образца. Рис. 8.1. Схема установки образца торфа для определения прочности на сжатие Прочность образца торфа на сжатие рассчитывается по формуле F Ð cæ  Па, где Р – разрушающая нагрузка; 43 F – площадь поперечного сечения. Порядок выполнения работы 1. Вырезать образец кубической или цилиндрической формы и определить его размеры при помощи штангенциркуля. 2. Установить образец на плиту пресса. Подавая масло в ци- линдр пресса, зафиксировать по манометру давление в момент раз- рушения образца. Рассчитать разрушающую нагрузку путем умно- жения показания манометра на площадь поршня пресса. 3. Рассчитать прочность на сжатие. 4. Результаты испытаний записать в табл. 8.1. Таблица 8.1 Площадь поршня пресса_______ № образ- ца Размеры образца Показа- ния мано- метра пресса, кгс/см2 Разру- шающая нагрузка, кгс Проч- ность на сжа- тие, Па При- ме- ча- ние высота, м диа- метр, м площадь попереч- ного сечения, м2 Определение прочности торфа на изгиб Образец торфа в виде прямоугольного бруса устанавливают в гидравлический пресс (рис. 8.2) и определяют разрушающую нагрузку. Рис. 8.2. Схема установки образца торфа для определения прочности на изгиб При этом различают два положения образца: плашмя и на ребро. 44 Прочность торфа на изгиб при положении образца плашмя рас- считывают по формуле 2 5,1 hb Ð èçã      Па, а при положении на ребро – по формуле hb Ð èçã    2 5,1   Па, где Р – разрушающая нагрузка;  – расстояние между опорами (принимается равным 0,7 длины образца); b, h – соответственно ширина и высота образца. Порядок выполнения работы 1. Вырезать образец в виде бруса, причем длина должна быть в три раза больше его высоты. Измерить размеры образца. 2. На нижней плите пресса установить две опоры симметрично оси пресса на расстоянии между ними, равном двойной высоте об- разца, и на них положить образец. На середину образца установить третью опору, располагая ее строго параллельно нижним опорам. 3. По показанию манометра пресса в момент разрушения образ- ца и площади поршня пресса рассчитать разрушающую нагрузку. 4. Рассчитать прочность на изгиб. 5. Результаты испытаний записать в табл. 8.2. Таблица 8.2 № об- раз- ца Размеры образ- ца, м Расстоя- ние меж- ду опора- ми, м Показания манометра пресса, кгс/см2 Разру- шающая нагруз- ка, кгс Проч- ность на из- гиб, Па При ме- ча- ние ши- рина высота Контрольные вопросы 1. Какие силы ответственны за прочность торфа? 45 2. Какие факторы влияют на прочность торфа? 3. Методы определения прочности торфа. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ ТОРФА Общие сведения Влагопоглощаемостью называется способность торфа впиты- вать и удерживать в себе влагу. На отдельных стадиях торфяного производства, в процессе хранения готовой продукции, при непо- средственном использовании некоторых ее видов происходит взаи- модействие торфяного вещества с водой. Количественно влагонасыщенность характеризуется выражен- ным в процентах отношением массы поглощенной торфом за опре- деленный промежуток времени влаги к первоначальной массе торфа %100   í í Ì MM B  , где Ì – масса торфа к моменту времени  ; Мн – начальная масса торфа. Так как показатель B не дает представления об изменении в процессе поглощения влаги влагосодержания торфа, то последнее рассчитывают по формуле í í w  UU   100   кг/кг, 46 где íw и íU – соответственно начальные влажность и влагосодер- жание торфа. í í í w w U   100 кг/кг. При рассмотрении процесса поглощения влаги торфом наибольший интерес представляет кинетика водопоглощения, т.е. зависимость )(fB  (рис. 9.1), дающая возможность проследить за количеством влаги, поглощенной торфом за определенный отре- зок времени, а также определить максимальное количество погло- щенной влаги. Рис. 9.1. Кинетика поглощения влаги торфом Механизм поглощения влаги торфом отличается большой сложностью, что связано прежде всего с крайне неоднородной его структурой. С одной стороны, происходит поглощение влаги расти- тельными остатками – дисперсиями высокополимеров целлюлозной природы, а с другой – продуктами распада – гуминовыми веще- ствами и их солями. Оба явления на начальной стадии процесса со- четаются с третьим – заполнением влагой ячеек порового простран- ства. Влагопоглощение сухого торфа связано с предварительной сорбцией молекул воды на активных центрах и интенсивным впи- тыванием влаги за счет капиллярных явлений. Таким образом, в процессе поглощения влаги торфом можно выделить две стадии. На первой, сорбционно-капиллярной стадии (а в), происходит гидрата- ция активных центров и капиллярное впитывание влаги, а на второй 47 (в с) – поглощение влаги растительными остатками и продуктами распада. Наиболее интенсивно происходит поглощение влаги торфом на первой стадии. Процесс поглощения влаги растительными остатка- ми и продуктами распада торфа происходит со значительной мень- шей скоростью. Скорость влагопоглощения подчиняется уравнению )(   BBK d dB m  , где К – константа влагопоглощения; Вm – максимальное влагопоглощение. Константа К, характеризующая скорость поглощения влаги торфом, получается после интегрирования уравнения, приведенно- го выше  BB B nK m m    1 . Перейдя к десятичному логарифму, будем иметь     3,2 K BB B g m m , откуда следует, что константа влагопоглощения 3,2 tgK , где  – угол наклона прямой )(  f BB B g m m    к оси абсцисс. Для определения констант влагопоглощения обычно строят график (рис. 9.2), откладывая по оси абсцисс  , а по оси ординат - BB B g m m   . 48 Для систем с однородной структурой получается одно значение К. Для торфа зависимость )(  f BB B g m m    имеет изгиб, что свидетельствует о двух стадиях влагопоглощения, характеризую- щихся различными значениями К (рис. 9.2.). Рис. 9.2. Схема определения констант влагопоглощения торфа Определение влагопоглощаемости торфяной продукции состоит в погружении воздушно-сухих образцов в воду на 48 часов и фик- сации изменения их массы. Образцы кускового торфа помещают в предварительно смоченные и взвешенные капроновые или метал- лические цилиндры с сетчатым дном и крышкой, а фрезерного тор- фа – в марлевые мешочки. Цилиндры с торфом осторожно погру- жают в сосуд с водой. При этом необходимо следить, чтобы при погружении цилиндров из них вышел воздух (на что указывает пре- кращение выделения пузырьков). Для улучшения проникновения воды в цилиндры на дно сосуда следует положить решетку. Слой воды над цилиндрами должен быть около 5 см. Момент погружения отмечают как начало анализа. После пребывания определенного времени в воде цилиндры с торфом вынимают, ставят наклонно на решетку подноса (рис. 9.3) и выдерживают, периодически повора- чивая, до прекращения стекания воды. 49 Рис. 9.3. Установка цилиндра в подносе для стекания воды: 1 – цилиндр; 2 – решетка; 3 – поднос; 4 – подставка Для предотвращения испарения влаги из торфа при отстаивании цилиндры необходимо накрывать влажной марлей (или более плот- ной материей). Когда вода из цилиндров перестанет стекать даже при их осторожном покачивании (встряхивание недопустимо), сет- ки дна и крышек вытирают полотенцем и определяют массу цилин- дров. Рассчитывают влагопоглощаемость торфа. Расхождение в ре- зультатах параллельных определений не должно превышать 5 %. Целью данной работы является исследование кинетики влаго- поглощения кускового торфа. Аппаратура: сосуд с водой для погружения цилиндров с тор- фом; капроновые или металлические цилиндры; весы; поднос для стекания воды из цилиндров; аппаратура для определения влажно- сти торфа ускоренным методом. Порядок выполнения работы 1. Опустить пустой цилиндр в воду на 60–120 с. Затем извлечь его, поставить наклонно на решетку подноса и выдержать до пре- кращения стекания воды. 2. Образец торфа определенной массы и влажности поместить в цилиндр, закрыть крышку и определить их общую массу (с точно- стью до 0,01 г), а по разности и массу самого продукта. 3. Погрузить цилиндр с образцом торфа в сосуд с водой на 60 с. Извлечь, дать стечь воде и определить массу. По формулам рассчи- тать влагопоглощаемость В и влагосодержание U за это время. 50 4. В такой же последовательности определить В и U через 120, 300, 600, 1200, 3000 и 3600 секунд от начала опыта. Результаты за- писать в табл. 9.1. 5. По полученным данным на миллиметровке построить графи- ки )(),(  UB и BB B g m m   = )(f . Используя график, рассчитать константы влагопоглощения на первой и второй стадиях. Таблица 9.1 Торф (тип, вид_______________, степень разложения R =_______%, влажность w = ________%) Время от начала опыта, с Масса ци- линдра с образцом торфа, г Масса образца торфа, г B % U, кг/кг BB B m m  BB B g m m   1 2 3 4 5 6 7 60 120 300 600 1200 1800 2400 3000 3600 Контрольные вопросы 1. Что называется влагопоглощаемостью торфа и как она коли- чественно выражается? 2. Каков механизм поглощения воды торфом? 3. Как определить константы влагопоглощения торфа? 51 Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 2. Физико-химические основы технологии торфяного производ- ства / И.И. Лиштван [и др.]. –Минск: Наука и техника, 1983. – 232 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В ТОРФЕ МЕТОДОМ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ АДСОРБЦИИ ИНДИКАТОРА (САХАРА) Общие сведения В торфе часть воды находится в свободном состоянии, а часть связана с твердым веществом. По современной классификации форм связи воды в торфе, разработанной М.П. Воларовичем и Н.В. Чураевым на базе энергетической классификации воды в дисперс- ных материалах акад. П.А. Ребиндера, различают: - химически связанную воду; - физико-химически связанную воду; - энтропийно связанную или осмотическую воду; - воду механического удерживания. Химически связанная вода – Wх представлена молекулами во- ды кристаллогидратов торфа, входящих в состав минералов торфа. В торфе Wх удерживается химическими силами и не удаляется в процессе сушки даже при 105–110 оС. Энергия ее связи с сухим ве- ществом торфа составляет 41,9–419 кДж/моль. Физико-химически связанная вода – Wф х представлена сор- бированными молекулами воды на активных центрах твердого ве- щества торфа. В ее состав входит вода моносорбции Wм и вода по- лисорбции Wп , т.е. Wф х = Wм + Wп. Энергия связи этой категории воды колеблется от 20 до 67 кДж/моль. Физико-химически связан- 52 ная вода практически не удаляется из торфа в процессе естествен- ной сушки. Энтропийно-связанная или осмотическая вода – Wосм в торфе удерживается осмотическими силами. Энергия ее связи доходит до 2,0 кДж/моль. Вода механического удерживания – Wмех. В торфе она состоит из: капиллярной воды Wкап; иммобилизованной воды Wимм, находя- щейся внутри агрегатов торфа, не являющихся осмотическими ячейками; внутриклеточной воды Wвнк; структурно-захваченной во- ды Wстр, находящейся в тупиковых и замкнутых порах, т.е. Wмех = Wкап + Wимм + Wвнк + Wстр. При сушке в первую очередь удаляется вода крупных капилля- ров, затем структурно-захваченная, иммобилизованная, внутрикле- точная и осмотическая. Определение содержания связанной воды в торфе методом от- рицательной адсорбции сахара, разработанного А.В. Думанским, основано на том, что связанная вода является плохим растворите- лем по сравнению со свободной водой. Измеряя объем воды, не растворяющей введенный в систему индикатор (сахар), принимают его равным количеству связанной воды. Использование сахара в качестве индикатора обусловлено его инертностью по отношению к дисперсной фазе коллоидных систем. Измеряемые количества свя- занной воды уменьшаются с ростом начальной концентрации саха- ра, что связано с проникновением молекул растворенного вещества в связанную воду при повышении концентрации индикатора. При начальной концентрации сахара больше 12,5 % измеряемое количе- ство связанной воды остается практически постоянным. Его и при- нимают равным количеству физико-химически связанной воды в исследуемом образце торфа. Для определения количества связанной воды методом отрица- тельной адсорбции сахара берут навеску торфа М с влажностью w. К навеске торфа прибавляют Мс.р. раствора сахара точно установ- ленной концентрации С1 и хорошо перемешивают полученную суспензию для равномерного распределения индикатора во всем растворяющем объеме. Затем суспензию фильтруют и определяют равновесную концентрацию сахара в фильтрате С2. Так как количе- 53 ство сахара, внесенного в систему, остается постоянным (при усло- вии, что он не вступает в химические реакции с дисперсной фазой), можно записать выражение: 2 2 .... 1 .. 100100 100 100100 Ñ Ñ MM CwMC M âcpcpc             , где Мс.в. – количество связанной воды в образце торфа. Из этого равенства можно определить количество связанной во- ды: 2 12 .... 100 C CC M wÌ M pcâc     , где первый член соответствует общему содержанию воды в образце торфа, а второй – содержанию воды, растворяющей сахар. Процентное содержание связанной воды в торфе будет: 100....  ñ âc âc Ì M W %, где 100 )100( wÌ Ì ñ   – содержание сухого вещества в образце торфа. Концентрация сахара определяется обычно путем измерения показателя преломления раствора при помощи специального при- бора-рефрактометра с использованием табл. 10.1. Таблица 10.1 Определение содержания сахара С в растворе по показателю преломления n при t = 20 оС n С, % n С, % n С, % 1 2 3 4 5 6 1,3330 1 3 0,0 0,1 0,2 1,3350 1 3 1,4 1,5 1,6 1,3371 3 4 2,8 2,9 3,0 54 4 6 7 8 1,3340 1 2 4 5 7 8 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 5 6 7 9 1,3361 2 3 5 7 8 9 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 5 7 8 1,3380 1 2 4 5 7 8 9 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 Продолжение табл. 10.1 1 2 3 4 5 6 1,3391 3 4 5 7 9 1,3400 1 3 5 6 7 9 1,3411 2 3 5 7 8 9 1,3421 3 4 5 7 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 7 8 1,3450 1 3 4 6 8 9 1,3461 2 4 5 7 9 1,3470 1 3 5 6 7 9 1,3481 2 3 7,9 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10,0 10,1 10,2 10,3 4 5 7 8 1,3510 2 3 5 6 8 1,.3520 1 3 4 6 7 9 1,3531 2 3 5 7 8 9 1,3541 11,6 11,7 11,8 11,9 12,0 12,1 12,2 12,3 12,4 12,5 12,6 12,7 12,8 12,9 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 13,6 13,7 13,8 13,9 14,0 55 9 1,3430 1 3 5 6 7 9 1,3441 2 3 5 6,7 6,8 6,9 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 5 7 8 9 1,3491 3 4 6 7 9 1,3500 2 10,4 10,5 10,6 10,7 10,8 10,9 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 3 4 6 7 9 1,3551 2 4 5 7 9 1,3560 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7 14,8 14,9 15,0 15,1 15,2 Окончание табл. 10.1 1 2 3 4 5 6 2 3 5 7 8 1,3570 1 3 5 6 8 1,3580 2 3 5 7 15,3 15,4 15,5 15,6 15,7 15,8 15,9 16,0 16,1 16,2 16,3 16,4 16,5 16,6 16,7 16,8 8 1,3590 2 3 5 6 8 1,3600 1 3 4 6 8 9 1,3611 2 16,9 17,0 17,1 17,2 17,3 17,4 17,5 17,6 17,7 17,8 17,9 18,0 18,1 18,2 18,3 18,4 4 6 7 9 1,3620 2 4 5 7 9 1,3631 2 4 6 7 9 18,5 18,6 18,7 18,8 18,9 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 19,5 19,6 19,7 19,8 19,9 20,0 Целью данной работы является освоение метода отрицатель- ной адсорбции сахара для определения содержания связанной воды в торфе. Аппаратура: рефрактометр; химический стакан; стеклянная палочка; пипетка; весы; воронка, фильтровальная бумага; аппарату- ра для определения влажности торфа. 56 Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с инструкцией и проверить работу рефракто- метра, измерив показатель преломления чистой воды. При этом по- казание рефрактометра должно быть равно n = 1,3330. 2. Измерить начальную концентрацию сахарного раствора С1 с помощью рефрактометра. 3. Взять навеску торфа массой М = 7–10 г с относительной влажностью w (влажность определить ускоренным методом) и по- местить в химический стакан. Массу навески определить взвешива- нием на технических весах с точностью до 0,01 г. 4. К навеске торфа прилить Мс.р. = 8–10 г сахарного раствора и тщательно перемешать его с торфом. Через 3–5 мин. поместить со- держимое стакана в воронку на бумажный фильтр. Первые капли, если они содержат взвеси, отбросить. Из фильтрата отобрать сред- нюю пробу и измерить равновесную концентрацию С2 с помощью рефрактометра. 5. Рассчитать количество связанной воды в торфе Мс.в.. Полу- ченное значение Мс.в. перевести в процентное содержание связан- ной воды в торфе (в процентах на сухое вещество). 6. Результаты опыта занести в табл. 10.2. Таблица 10.2 Торф (тип, вид_______________, степень разложения R =_______%, относительная влажность w = ________%) № Начальная концентра- ция сахар- ного раство- ра С1, % Навеска торфа М, г Кол-во сахарного раствора Мс.р., г Равно- ценная концен- трация С2, % Содержание связанной воды в торфе Мс.р., г по формуле Wс.в., % 1 2 3 Среднее значение С1 =_____%, среднее значение С2 =_____%. Контрольные вопросы 57 1. Какие формы связи влаги можно выделить в торфе? 2. В чем сущность метода определения связанной воды в торфе методом отрицательной адсорбции сахара? 3. Как влияет величина начальной концентрации сахара на из- меряемое количество связанной воды в торфе? Литература 1. Физика и химия торфа: учеб. пособие для вузов / И.И. Лиштван [и др.]. –М.: Недра, 1989. – 304 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ТОРФА ПРИ ПОМОЩИ СОКРАЩЕННОГО АНАЛИЗА Общие сведения Как правило, торф является многофазной системой, состоящей из твердого вещества, воды и воздуха. Твердое вещество представ- лено частицами всевозможного размера и поэтому является поли- дисперсной системой. Кроме того, частицы имеют непостоянный химический состав, зависящий от размеров. Максимальный раз- мер частицы торфа условно принят 7 мм, а минимальный – мо- лекулярный. Поэтому определить дисперсность торфа, т.е. найти процентное содержание его отдельных фракций каким-то одним методом не удается. (фракцией называется совокупность частиц в узком интервале размеров). Для получения дисперсности торфа применяется три вида ана- лизов: ситовой, седиментометрический и электронномикроскопиче- ский. Ситовой анализ делится на два вида: сухой и мокрый. Сухой ситовой анализ применяется для пылевидного торфа и проводится путем рассева навески (100 г) торфа в наборе сит. Мокрый ситовой анализ проводится для влажного торфа путем размыва на ситах. Минимальный размер в этом случае 250 мкм. Седиментометриче- ский анализ позволяет определить состав фракций от 250 до 1 мкм. Размеры частиц < 1 мкм и их содержание определяется на элек- тронном микроскопе. 58 Дисперсность торфа принято характеризовать содержанием следующих фракций: > 3000 мкм; 3000–1000; 1000–500; 500–250; 250–100; 100–50; 50–20; 20–10; 10–5; 5–2; 2–1; < 1 мкм. Содержание фракций больше или меньше какого-то размера называется сум- марным содержанием. Между суммарным содержанием фракций для торфа В.Д. Копенкиным установлены эмпирические зависимо- сти, позволяющие определить их содержание по одной фракции. В качестве такой базовой фракции выбрана фракция < 250 мкм, обо- значаемая в дальнейшем Р250. Она определяется по результатам си- тового анализа, а остальные – расчетным путем по уравнениям или по номограммам (рис. 11.1 и 11.2). Рис. 11.1. Номограмма для расчета дисперсионного состава низинного торфа по результатам ситового анализа 59 Рис. 11.2. Номограмма для расчета дисперсионного состава верхового торфа по результатам ситового анализа 60 Цель работы заключается в определении дисперсного состава переработанного и непереработанного торфа сокращенным методом и оценки величины охвата переработкой. Порядок выполнения работы 1. Берутся два образца торфа (переработанный и неперерабо- танный). 2. Из каждого образца торфа отбирают две навески массой по 10 г каждая. 3. Одна из этих навесок помещается в сушильный шкаф, где сушится до постоянной массы при t = 105–110 оС. Другая помеща- ется в стакан и заливается водой. После 5 минут замачивания и встряхивания навеска переносится на сито 0,25 мм и промывается в водопроводной воде. Обычно делают 4–5 промывок. Контролирует- ся чистота промывки по наличию мути в воде. 4. Остаток на сите после промывки собирается в бюкс и ставит- ся на сушку. Сушится до постоянной массы. 5. По массе абсолютно сухого остатка и сухой неразмытой навески определяют содержание фракций < 250 мкм. Определение ведется по формуле 100250    o o m mm P %, где mо – масса неразмываемой навески после сушки в термостате; m – масса сухого остатка на сите после сушки. 6. По номограммам определяют содержание остальных фракций и результаты записывают в табл. 11.1. Пример выполнения работы Магелланикум торф R = 3035 %. Непереработанный: № Масса Масса Масса бюкса Масса 61 бюкса пустого бюкса, г навес ки, г с торфом после сушки, г сухого вещества, г Примечание 018 019 26,31 23,84 10 10 28,31 24,58 2,00 0,74 вся проба фракция 250мкм 63100 2 74,02 250   íP % Переработанный: 020 021 22,46 23,10 10 10 24,50 23,47 2,04 0,28 вся проба фракция > 250мкм 86100 04,2 28,004,2 250   ïP %. По номограмме для верхового торфа определить содержание фракций. Для переработанного и непереработанного торфа можно пользоваться одной номограммой. Таблица 11.1 Исходный Переработанный Охват переработ- кой М, % размер, мкм  iP , % интервал размеров, мкм   iP , %  iP , %   iP , % - 250 100 50 20 10 5 2 1 - 63,0 44,5 38,5 34,0 30,0 26,5 20,5 15,5 7000-250 250-100 100-50 50-20 20-10 10-5 5-2 2-1 1 37,0 18,5 6,0 4,5 4,0 3,5 6,0 5,0 15,5 - 86,0 61,5 53,0 47,0 39,5 35,0 27,0 20,5 14,0 24,5 8,5 6,0 7,5 4,5 8,0 6,5 20,5 - 23,0 + 6,0 + 8,5 + 1,5 + 3,5 + 1,0 + 2,0 + 1,5 + 5,0 1000 100,0 - 23 + 23 62 Охват переработкой характеризует процент исчезнувших фрак- ций в результате переработки. Показатель М вычисляется по фор- муле     ii PPM , где   iP – количество фракций в данном интервале до переработки;   iP – после переработки. Знак «+» характеризует приобретенные фракции в процессе пе- реработки; «-»– исчезнувшие. Количество фракций со знаком «+» равно количеству фракций со знаком «-». В данном случае охват переработкой равен 23 %. Контрольные вопросы 1. Что называется дисперсной системой? 2. К каким дисперсным системам относится торф? 3. Что называется фракцией? 4. Какие виды анализов включает полный дисперсионный ана- лиз торфа? 5. Сущность сокращенного анализа дисперсности торфа. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 63 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 12 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПЛАСТИЧНОСТИ И ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ОТ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ТОРФЕ Общие сведения В зависимости от влагосодержания торф может иметь три типа консистенций (состояний): текучий, пластичный, твердый. Влаго- содержание, при котором торф из текучего состояния переходит в пластичное, называется границей текучести или верхней границей пластичности, а влагосодержание, при котором торф из пластично- го состояния переходит в твердое – нижней границей пластичности. При производстве кускового или мелкокускового торфа наибольшее значение имеет пластичное состояние. В этом состоя- нии торф способен деформироваться под действием сравнительно небольших усилий без разрушения и сохранять приданную ему форму после их снятия. Свойство торфа необратимо изменять свою форму под влияни- ем внешней нагрузки без нарушения сплошности называется пла- стичностью. Пластичность торфа обычно характеризуется показателем пла- стичности. Показатель пластичности – отношение диаметра дефор- 64 мированного при одноосном сжатии цилиндрического образца к его первоначальному диаметру. í ê d d K  , где dк – диаметр образца после деформирования; dн – начальный диаметр образца. О консистенции торфа можно судить и по величине предельно- го напряжения сдвига. Предельное напряжение сдвига – мини- мальное касательное напряжение, вызывающее сдвиг. Известно, что при однородном напряженном состоянии одноос- ного сжатия теория упругости устанавливает весьма простые соот- ношения между нормальными  и касательными  напряжения- ми. Согласно принципу Сен-Венана при одноосном сжатии каса- тельные напряжения в образце материала, находящегося в пластичном состоянии, равны половине нормальных. Отсюда, для состояния равновесия величина предельного напряжения сдвига  будет 22 24 2 1 2 1 êê d Ð d P       , где Р – постоянная осевая нагрузка на образец; dк – диаметр образца после деформации. Предельное напряжение сдвига можно выразить через показа- тель пластичности 22 2 ídK P     . При постоянной осевой нагрузке на образец, принимаемой для торфа-сырца равной 19,62 Н, и начальном диаметре образца 0,03 м будем иметь 65 4 2 10 39,1  K  Па. Численно границы пластичности выражают через влажность или влагосодержание торфа. Приближенно верхняя граница пластичности соответствует полной влагоемкости торфа. Для нахождения нижней границы пластичности определяют по- казатели пластичности при разной влажности торфа и строят гра- фик зависимости )(wfK  . Зависимость )(wfK  имеет точку перегиба, которая свидетельствует о переходе торфа из пластичного в твердо-пластичное состояние. Для разных видов торфа эта точка лежит в пределах 73–81 % относительной влажности. Значения показателя пластичности и предельного напряжения сдвига торфа методом одноосного сжатия определяют при помощи пластиметра, конструкция которого разработана И.Д. Беловидовым и В.Г. Горячкиным. Пластиметр состоит из покоящегося на трех винтовых опорах основания, несущего две направляющие стойки с подшипниками для вала с кулачком, кулачка с валом и рукояткой, подвижной рамы с площадкой для груза и штампом, непосредственно давящим на образец. Целью работы является выяснение зависимости показателя пластичности и предельного напряжения от влажности торфа. Торф с разной влажностью готовят путем добавления к нему некоторого количества воды. Влажность определяют расчетным путем по формуле )100(100 1 2 1 2 w M M w  %, где М1 – масса торфа при влажности w1; М2 – масса торфа после добавления воды. 66 Аппаратура: пластиметр; цилиндр и поршень для приготовле- ния образца; секундомер; шпатель, линейка, вощеная бумага; стек- лянная пластинка; аппаратура для определения влажности торфа. Порядок выполнения работы 1. Приготовить 5 проб торфа различной влажности. 2. Из торфа определенной влажности приготовить цилиндриче- ский образец. Для этого полый цилиндр заполняют торфом. По торцам цилиндр очищается от излишков торфа шпателем и при по- мощи поршня образец выдавливается из цилиндра на стеклянную пластинку. 3. Пластинку с образцом установить в центре столика пласти- метра. При этом подвижная рамка прибора должна находиться в крайнем верхнем положении. На верхний торец образца положить листочек белой (вощеной) бумаги. После этого подвижную рамку опустить на кулачок так, чтобы ролик находился на самом гребне кулачка. При таком положении необходимо, чтобы штамп касался бумаги, покрывающей образец. На площадку поставить груз, заме- тить время и быстрым движением ручки прибора по ходу часовой стрелки повернуть кулачок так, чтобы штамп опирался на образец и деформировал его. Через 5 секунд движением ручки в том же направлении рамку поднять по кулачку, снимая нагрузку с дефор- мированного образца. 4. Извлечь пластинку с образцом, осторожно снять с него бума- гу, на которой остается отпечаток. При помощи линейки измерить диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлени- ях. Результаты этих двух измерений не должны отличаться больше, чем на 1 мм. Для каждого исследуемого торфа проделать не менее двух испытаний, расхождения между которыми допустимы не бо- лее 1 мм. После замера образец торфа со стеклянной пластинки со- бирают и используют его для определения влажности. 5. Рассчитать показатель пластичности и предельное напряже- ние сдвига. Результаты испытаний записать в табл. 12.1. 6. Построить графики зависимости К и  от w и U. Таблица 12.1 67 Торф (тип, вид_______________, степень разложения R =_______%) № пп Влажность w, % Влагосодержание U, кг/кг Диаметр образца, м К  , Па dн dк Контрольные вопросы 1. Типы консистенции торфа. 2. Что называется пластичностью торфа? 3. Чем характеризуется пластичность торфа? 4. Метод определения показателя пластичности. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 13 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ТОРФА МЕТОДОМ КОНИЧЕСКОГО ПЛАСТОМЕТРА Общие сведения Реологические исследования торфа-сырца и торфа пониженной влажности показали, что он может рассматриваться как вязко- пластичное тело. Одной из важнейших характеристик вязко- пластичного тела является предельное напряжение сдвига – напря- жение, выше которого тело начинает течь или деформироваться не- обратимо. Величина предельного напряжения сдвига весьма чув- ствительна к изменениям состава и структуры дисперсных матери- алов. Так, например, при снижении влажности торфа на 4–5 % его предельное напряжение сдвига возрастает в 2–3 раза. Одним из наиболее простых и точных методов определения предельного напряжения сдвига  является метод погружения ко- нуса, предложенный акад. П.А. Ребиндером. Величина  определя- ется по формуле 68 2h P K Па, где Р – приложенное усилие, Н; h – глубина погружения конуса, м; К – константа прибора, зависящая от угла раствора конуса (К = 0,959 для  = 30о; К = 0,416 для  = 45о и К = 0,214 для  = 60о). Для определения величины предельного напряжения сдвига торфа методом погружения конуса М.П. Воларовичем и С.М. Мар- ковым сконструирован прибор, получивший название конического пластометра. Использование конического пластометра дает возможность определить значения предельного напряжения сдвига, необходимые для расчетов перерабатывающих и формующих устройств и оце- нить степень переработки торфа в различных механизмах. Оценка степени переработки торфа может быть сделана на ос- новании значения предельного напряжения сдвига исходного и пе- реработанного торфа при одинаковой влажности И = 100  o no   %, где  о – предельное напряжение сдвига непереработанного торфа;  п – то же для торфа, переработанного тем или иным механиз- мом. Целью работы является определение предельного напряжения сдвига торфа различной влажности и степени переработки методом конического пластометра. Аппаратура: конический пластометр; секундомер; шпатель; аппаратура для определения влажности торфа. Порядок выполнения работы 69 1. Приготовить 5 образцов торфа различной влажности (в пре- делах 70–80 %), переработанного в шнековом механизме 1, 3 и 10 раз. 2. Исследуемый торф плотно (без пустот) уложить в цилиндри- ческий сосуд вровень с краями. Поверхность торфа разравнять шпателем. 3. Установить прибор по уровню, регулируя его положение установочными винтами. 4. Сосуд с торфом поставить на подъемный столик, который микрометрической гайкой поднять вверх до соприкосновения по- верхности торфа с острием конуса. Шток индикатора подвести под первую упорную пластину. Установить стрелку индикатора в нуле- вое положение. 5. Нажать пусковую кнопку, освобождая штангу с конусом, и включить секундомер. Через 180 с произвести замер глубины по- гружения конуса по шкале индикатора. В каждый образец торфа в разных местах произвести 3–5 погружений конуса и для расчета взять среднеарифметическую величину. Результаты измерений за- нести в табл. 13.1. 6. Рассчитать предельное напряжение сдвига торфа. 7. Построить графики зависимости предельного напряжения сдвига торфа от величины влажности для разной степени перера- ботки торфа. 8. Рассчитать степень переработки торфа. Таблица 13.1 Торф (тип, вид_______________, степень разложения R =______%). Масса конуса и штанги_______кг. Угол раствора конуса_________). Кратность переработки торфа Влажность w, % Масса груза, кг Глубина погружения конуса, м  , Па h1 h2 h3 h ср Контрольные вопросы 1. Определение предельного напряжения сдвига. 70 2. Принцип измерения предельного напряжения сдвига торфа с помощью конического пластометра. 3. Оценка степени переработки торфа по величине предельного напряжения сдвига. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПРЕССИОННЫХ СВОЙСТВ ТОРФА Общие сведения Приложение к торфу нагрузки приводит к его деформированию. При этом изменяется не только форма, но и объем. Для водонасы- щенных образцов изменение объема связано с удалением воды из порового пространства. Сжимаемость сухого вещества торфа и во- ды чрезвычайно мала и практически их можно считать несжимае- мыми. Поэтому уплотнение торфа при приложении внешней нагрузки связано с изменением пористости. Закономерность изме- нения пористости от внешней сжимаемой нагрузки называется компрессионными свойствами. Эти свойства определяются в при- борах одноосного сжатия при отсутствии бокового расширения. Пористостью называется отношение объема пор к объему об- разца и определяется по следующей зависимости 71 100 100 1 w n     , где n – пористость в долях единицы;  – плотность торфа, кг/м3;  – плотность сухого беспористого вещества торфа, принимае- мая в расчетах равной 1500 кг/м3; w – влажность торфа, %. На практике для оценки компрессионных свойств обычно поль- зуются коэффициентом пористости е, представляющим отношение объема пор к объему сухого вещества. Т. к. объем сухого вещества величина постоянная (масса несжимаема), то коэффициент пори- стости линейно зависит от изменения объема пор. Между коэффи- циентом пористости и пористостью существует зависимость n n e   1 или обратно e e n   1 . Пористость может меняться от 0 до 1; е – от 0 до  . Для двух- фазного состояния (торф + вода) коэффициент пористости равен )100( w w e â      , где â – плотность воды (можно принимать равной 1000 кг/м 3). Если торф находится в трехфазном состоянии, то давление вос- принимается скелетом, поровой водой и воздухом. Деформация идет за счет удавления воздуха и воды – наиболее сложный вид де- формации. При нагружении водонасыщенного торфа скорость уплотнения будет зависеть от скорости удаления воды и от способности к тече- нию самого скелета. Математически степень сжимаемости характе- ризуется производной dP de , где Р – давление. Эта величина, взятая с обратным знаком, называется коэффициентом компрессии 72 a dP de  или dPade  . Последнее уравнение называется уравнением Терцаги. Коэф- фициент «а» не является константой, а есть величина переменная, зависящая от Р. Уравнение Терцаги может быть решено, если из- вестна функция изменения е от Р. Сжимаемость торфа зависит от состояния нагруженности струк- туры, от степени разложения и влажности. Наибольшую сжимае- мость имеют торфы малой степени разложения, коэффициент пори- стости их доходит до 25. При нагрузке 10 кПа е этих торфов может уменьшиться вдвое. Для торфов высокой степени разложения (R = 40 %) при той же нагрузке е с 7–10 уменьшается до 6–8. Если образец торфа поместить в сосуд с жесткими стенками и выдерживать под вертикальной нагрузкой, то он будет давать осад- ку вследствие уменьшения пористости. Каждому определенному давлению соответствует определенная пористость. Графически эта зависимость выражается компрессионной кривой (рис. 14.1). Рис. 14.1. Компрессионная кривая: 1 – кривая сжатия; 2 –кривая разуплотнения (разгрузочная) Следует отличать понятие компрессия от более общего – сжа- тие. В первом случае боковое расширение исключено за счет при- менения жестких обойм. При испытании на сжатие боковая по- верхность свободна (одноосное сжатие) либо подвергается давле- нию (трехосное сжатие). Если образец после уплотнения начать разгружать ступенями, то объем образца начнет увеличиваться. Однако, кривая равновес- ной пористости при данной нагрузке при разуплотнении будет ле- 73 жать ниже кривой сжатия (рис. 14.1, кривая 2). Это происходит за счет того, что в образце появились остаточные деформации. Если нагрузки невелики, то компрессионную кривую можно за- менить прямой. Тогда Paee o  , где ео – коэффициент пористости при внешнем давлении Р = 0; а – коэффициент компрессии, который имеет размерность об- ратную Р. В зависимости от величины «а» грунты (по Н.А. Цытовичу) де- лятся: - на сильносжимаемые а > 10-6 м2/Н; - среднесжимаемые а  10-7 м2/Н; - малосжимаемые а < 10-8 м2/Н. Для проведения испытаний используется компрессионный при- бор, состоящий из жесткой гильзы, в которую помещается образец торфа, поршня с дренажным диском для отвода отжимаемой воды и телескопического загрузочного рычага для передачи нагрузки на поршень. Начальная пористость и коэффициент пористости определяются расчетным путем по значениям влажности и плотности торфа. В ходе уплотнения, замеряя по индикатору величину деформа- ции образца h , определяют изменение коэффициент пористости )1( o o e h h e    , где hо – начальная высота образца; ео – начальный коэффициент пористости. Текущее значение е определяется eee o  . Порядок выполнения работы 74 1. По инструкции ознакомиться с конструкцией прибора и си- стемой отсчета по индикатору. 2. Определить начальный коэффициент пористости. 3. Установить гильзу с торфом в прибор и закрепить верхнюю часть прибора с поршнем. Поршень привести в соприкосновение с торфом и закрепить шток поршня зажимным винтом. 4. Уравновесить загрузочный рычаг с помощью грузов. 5. Положить на подвеску первый груз 0,98 Н (100 г). Размеры в приборе подобраны таким образом, что при максимально выдвину- тых штангах рычага от массы груза 100 г создается давление порш- ня на торф 9,8.104 Па. Отпускают зажимной винт поршня и первый отсчет берут через 5 минут. Уплотнение – длительный процесс. За условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия, не превышающую 0,01 мм: - для песчаных грунтов – за 30 мин.; - для супесей – за 3 ч.; - для суглинков, глин и торфа – за 12 ч. После стабилизации уплотнения прикладывают новую нагрузку. В нашем случае будем условно считать, что стабилизация де- формации произойдет через 5 мин. 6. Дальнейшие нагрузки с выдержками по 5 мин давать: 196, 294, 392, 490, 588, 686, 785, 883, 9800 кПа, что соответствует мас- сам гирь 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6;0,7; 0,8; 0,9; 1,0 кг. Отсчеты по инди- катору заносятся в табл. 14.1. 7. Рассчитать коэффициенты пористости. 8. Построить компрессионную кривую в координатах е – Р . Таблица 14.1 Тип торфа___________, степень разложения __________, начальная влажность_________, плотность торфа__________, начальный ко- эффициент пористости____________, высота образца___________. № Внешние нагрузки Рв, кПа Показа- ние индика- тора Абсо- лютная дефор- мация h , Относи- тельная деформа- ция Изменение коэффициент пори стости Значение коэффици- ента пори- стости е 75 мм h h e 1 2 … 10 98 196 … 9800 Контрольные вопросы 1. Что такое компрессия торфа и чем она отличается от сжатия? 2. Какие применяются уравнения для описания компрессионных кривых? Литература 1. Амарян, Л.С. Прочность и деформируемость торфяных грун- тов / Л.С. Амарян. – М. – Недра, 1969. – 191 с. 2. Цытович, Н.А. Механика грунтгов: Учеб. пособие для вузов / Н.А. Цытович. – 4-е изд. – М.: ВШ, 1983. – 288 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ТОРФА МЕТОДОМ ФИЛЬТРАЦИИ МЕЧЕНОЙ ВОДЫ Общие сведения Пористая структура торфа (характер расположения составляю- щих его частиц в объеме образца, их взаимная ориентация и спосо- бы ее осуществления) имеет большое значение при рассмотрении технологических процессов, связанных с переносом тепла и влаги. Характеристики пористой структуры имеют решающее значение при изучении вопросов сушки и механического обезвоживания торфа, процессов фильтрации воды и влагопроводности торфяной залежи и т.п. Основные характеристики пористой структуры торфа 76 1. Общая пористость n – отношение объема пор, занятых во- дой и газом, ко всему объему торфа. Пористость выражают в про- центах или долях единицы V VV n ãâ   , где Vв и Vг – объем пор в образце торфа, занятых соответственно водой и газом; V – объем образца торфа. Практически установить объем, занимаемый отдельными фаза- ми, затруднительно. Поэтому пористость подсчитывается по значе- ниям плотности торфа  , плотности его сухого вещества  и от- носительной влажности w по формуле      100 )100( 1 w n . 2. Абсолютная пористость или коэффициент пористости е - отношение объема пор, занятых водой и газом, к объему твердого (сухого) вещества торфа n n V VV e Ò ãâ     1 или 1 )100( 100       w å . 3. Относительная влагонасыщенность nв – отношение объе- ма пор, занятых водой, к общему объему торфа V V n ââ  или 100 w nâ    . 4. Абсолютная влагонасыщенность ев – отношение объема пор, занятых водой, к объему твердого вещества торфа 77 T â â V V e  или w w eâ    100  . 5. Относительная газонасыщенность nг – отношение объема пор, занятых газом, к объему торфа â ã ã nn V V n  или 100100 )100( 1 ww nã         . 6. Абсолютная газонасыщенность ег – отношение объема пор, занятых газом, к объему твердого вещества торфа â T ã ã åå V V e  или 100 1 )100( 100         w w eã . 7. Максимальный Dmax и минимальный Dmin размеры (диамет- ры) пор. 8. Кривые распределения пор по размерам: а) )(Df dD dQ  – кривая распределения размеров пор по расходу жидкости Q; б) )(Df dD dVn  – кривая распределения размеров пор по их объему Vn. 9. Содержание неподвижной воды Uн , т.е. воды, не принима- ющей участия в фильтрационном движении при данном градиенте напора. К неподвижной воде относятся следующие категории вла- ги: химически связанная вода Uх, физико-химически связанная вода Uф.х., осмотическая (энтропийносвязанная) вода Uосм, иммобилизо- ванная вода Uимм, структурнозахваченная вода Uстр и внутриклеточ- ная вода Uвнк Uн = Uх + Uф.х + Uосм + Uимм + Uстр + Uвнк. 78 10. Активная пористость nа – отношение объема водопрово- дящих пор к объему образца V V V VVV V VV n cíTíâa      , где Vc = Vв – Vн – объем водопроводящих пор или объем способной передвигаться воды в образце торфа; Vн – объем неподвижной воды в образце торфа. 11. Кинетическая удельная поверхность Sк – отношение по- верхности водопроводящих пор Sп к объему V или массе М образца V S S ïê м 2/м3 или Ì S S ãê м 2/кг. 12. Гидравлический радиус пор ê a S n  . Значения гидравлического радиуса пор соответствуют средней толщине слоя воды над поверхностью водопроводящих пор и, сле- довательно, характеризуют средние размеры водопроводящих пу- тей в исследуемом образце торфа. Первые шесть характеристик определяются по значениям плот- ности торфа, плотности его сухого вещества и влажности расчет- ным путем. Остальные пять характеристик определяются различными мето- дами, одним из которых является разработанный М.П. Воларовичем и Н.В. Чураевым с сотрудниками метод фильтрации меченой воды через полностью водонасыщенный (находящийся в двухфазном со- стоянии) образец торфа. В качестве метки чаще всего применяют сахарозу (С12Н22О11) или радиоактивный индикатор Na2SO4 c изотопом серы 35S, которые почти не поглощаются твердым веществом торфа. 79 Концентрация сахара в воде определяется при помощи специ- ального прибора – рефрактометра, а радиоактивность воды - радио- метрическими методами. Для определения характеристик пористой структуры торфа применяют фильтрационный прибор, схема которого показана на рис. 15.1. Рис. 15.1. Схема фильтрационного прибора Образец торфа 1 известной массы и влажности помещается в корпус 2 фильтрационного прибора между верхним и нижним фильтрами и пропитывается снизу дистиллированной водой для приведения его в двухфазное состояние. Затем в прибор над образ- цом и в уравнительную колбу 3, служащую для поддержания по- стоянного уровня воды h, наливается меченая вода. Фильтрат со- бирают в пробирки 4 порциями iV , причем по секундомеру отме- чается время накопления фильтрата. Сумма отдельных порций фильтрата составляет объем фильтрата, т.е. ôi VV  . Одновре- менно с измерением объема фильтрата iV определяют активность (концентрацию) индикатора iN в этой пробе. Опыт прекращают после того, как активность фильтрата станет равной активности ме- 80 ченой воды ìN . По результатам опыта строят графики )( ôVfN  и )(tfVô  , представленные на рис. 15.2. Рис. 15.2. Изменение активности проб фильтрата в течение опыта Как видно из рисунка, активность фильтрата постепенно воз- растает и достигает активности меченой воды. Передвигаясь по водопроводящим порам торфа, меченая вода вытесняет из них свободную чистую воду. Постепенный рост ак- тивности проб фильтрата объясняется различными скоростями движения меченой воды в порах различной крупности. Чем больше размеры пор, тем выше скорости передвижения в них воды. Внача- ле меченая жидкость вытесняет подвижную влагу из наиболее крупных пор образца. Объем V0 соответствует объему фильтрата с активностью, равной нулю, т.е. не содержащему меченой жидкости. Появление метки в фильтрате связано с прохождением ее по наибо- лее крупным порам. В дальнейшем, по мере фильтрации, в работу вступают все более и более мелкие поры. Активность фильтрата при этом постепенно увеличивается. Вытеснение заканчивается, когда меченая вода заменит свободную чистую и в порах самых ма- лых размеров. После этого в фильтрат по всем порам будет идти меченая вода с активностью, равной активности исходной меченой жидкости, находящейся в колбе над образцом. 81 Приведенная на рис. 15.2. зависимость между объемом филь- трата Vф и временем опыта t, характеризует скорость накопления фильтрата. Если напор во время опыта постоянен и в образце не происходит структурных изменений, то эта зависимость будет пря- молинейной. На основании этих двух графиков и могут быть рас- считаны диаметры пор и построены кривые распределения пор ис- следуемого образца по размерам. При этом делается предположе- ние, что торф представляет собой систему, состоящую из сети прямых параллельных цилиндрических капилляров различного диаметра. Расчет эффективных диаметров водопроводящих пор D ведется на основании закона Пуазейля gtI h D æi o     8 2 , где D – диаметр цилиндрической поры, м; h0 – высота образца торфа, м;  – вязкость жидкости, Па.с; æ – плотность жидкости, кг/м 3; g – ускорение свободного падения, м/с2; ti – время прохождения меченой воды через поры данного раз- мера, с; I – градиент напора в фильтрационном приборе, равный для нашего случая: o o h hh I   . Вначале определяют maxD и minD , соответствующие момен- там времени mint и maxt . Для нахождения mint или времени, в те- чение которого первые порции меченой воды прошли через обра- зец, поступают следующим образом. Из точки «А» (рис. 15.2) вос- станавливают перпендикуляр до пересечения с прямой )(tfVô  . 82 Затем проводят прямую параллельно оси абсцисс до пересечения с осью t (показано стрелками), на которой получают значение mint . Минимальный диаметр пор minD при данных условиях опыта определяется по времени, в течение которого активность порций фильтрата оказывается равной исходной активности меченой воды ìN . По графику это определяется следующим образом. Отмечают, когда кривая ôN = (Vф) коснется прямой ìN и из точки «В» про- водят перпендикуляр до пересечения с прямой )(tVô , а затем – прямую параллельно оси абсцисс до пересечения с осью t. Таким образом, определяется maxt , а по нему – minD . Для построения кривых распределения размеров по расходу жидкости )(Df dD dQ  и по объему пор )(Df dD dVn  интервал времени mint – maxt , разбивают на ряд интервалов t и соответ- ственно этим интервалам рассчитывают D , т.е. t  D . Так как этот интервал размеров пор соответствует изменению активно- сти N , т.е. t  D  N , то изменение активности фильтрата N , в свою очередь, пропорционально расходу жидкости Q че- рез поры данного интервала D , т.е. t  D  N  Q . По этим данным строят кривую распределения размеров водопроводя- щих пор по расходу жидкости. От распределения размеров пор по расходу жидкости можно перейти к распределению пор по их объему, используя зависимость cptQV  , где cpt – среднее значение времени для каждого интервала t . При помощи метода фильтрации меченой жидкости можно по- лучить и такую характеристику пористой структуры торфа, как со- держание неподвижной воды Uн, т.е. воды, не принимающей уча- стия в фильтрационном движении при данном градиенте напора. После окончания процесса вытеснения (т.е. при t > tmax) в объе- ме фильтрата Vф , собранном в процессе опыта, содержится вся сво- 83 бодная вода Vс, вытесненная из образца торфа, и часть меченой во- ды, профильтровавшейся через торф cìô VVV  . Объем меченой воды ìV в фильтрате легко установить ì ôô ì N NV V   , где ìN – активность (исходная) меченой воды; ôN – средняя активность фильтрата      i ii ô V NV N , где iV – объем отдельных порций фильтрата; iN – активность этих порций. На основании полученных зависимостей можно подсчитать объем неподвижной воды íV , равный разности между общим ко- личеством воды в торфе âV и количеством свободной воды cV )1( ì ô ôâcâí N N VVVVV  . Содержание неподвижной воды определяется по формуле 100   ñ æì í Ì V U  %, 84 где æ – плотность воды, кг/м 3; Мс – масса сухого вещества в образце, кг. Теперь, зная общий объем воды в образце âV и объем непо- движной воды íV , можно определить активную пористость an . Величина кинетической удельной поверхности, предложенная в качестве структурной характеристики Б.В. Дерягиным, определяет- ся по формуле Козени-Кармана, которая может быть записана      Q gIdn S æaê 8 23 м2/м3, где an – активная пористость образца; d – диаметр образца торфа, м; æ – плотность жидкости, кг/м 3; g – ускорение свободного падения, м/с2; I – градиент напора в фильтрационном приборе; Q – расход жидкости, м3/с;  – вязкость жидкости, Па.с. На основании значения an и êS можно определить еще одну характеристику пористой структуры торфа – гидравлический ради- ус пор  . Целью работы является определение характеристик пористой структуры торфа методом фильтрации меченой воды через полно- стью водонасыщенный образец. Аппаратура: фильтрационный прибор; рефрактометр; пробир- ки; аппаратура для определения влажности торфа; сахароза (или тростниковый сахар); дистиллированная вода; секундомер. Порядок выполнения работы 1. Подготовить рефрактометр к работе. 85 2. Поместить образец торфа в фильтрационный прибор и про- фильтровать через него чистую воду (для приведения образца в двухфазное состояние). 3. Установить над образцом уравнительную колбу с меченой водой и включить секундомер. Замерить установившийся уровень меченой воды над образцом h и рассчитать градиент напора в филь- трационном приборе. 4. По мере накопления 3–5 мл фильтрата сменить пробирки, от- мечая время накопления каждой порции по секундомеру, измеряя ее объем и концентрацию сахара iN . 5. Окончить фильтрацию меченой воды после того, как концен- трация проб фильтрата станет равной исходной концентрации ме- ченой воды. Результаты опыта записать в табл. 15.1. Таблица 15.1 Образец торфа: диаметр d________, высота h ________, влажность w_______, градиент напора I_________. № про- бирок Текущее время опыта t, С Объем отдельных проб фильтрата iV , м 3 Концентрация метки в пробах iN , % iV . iN Vф = iV = ii NV  = 6. Произвести расчеты (как было описано выше) для построения кривой распределения размеров пор по расходу жидкости и резуль- таты записать в табл. 15.2. По полученным данным на миллимет- ровке построить кривую )(Df dD dQ  . Для этого по оси абсцисс от- кладывают значение значения диаметров пор D и строят гисто- грамму, основанием каждого прямоугольника которой служат рассчитанные интервалы диаметров пор D . Высоту прямоуголь- ников определяют делением их площади (соответствующей расходу воды Q в % через поры данного интервала) на основание D . 86 Для построения обычно принимают масштаб: 1 см2 площади графи- ка соответствует 1 % расхода жидкости. После построения гисто- граммы проводят плавную кривую так, чтобы отбрасываемые части площади равнялись площадям, прибавляемым под кривой. Вся площадь под кривой распределения пор по размерам равна 100 % расхода воды через водопроводящие поры образца торфа. Таблица 15.2 Интервал времени t , с Соответствующие им интервалы диа- метров D , м Прирост концентрации метки iN равной приросту расхода воды Q , % iN = ii NN 1   100Q % 7. Рассчитать по соответствующим формулам значения общей пористости n, активной пористости na, неподвижной воды Uн, ки- нетической удельной поверхности Sк и гидравлического радиуса пор  . Результаты записать в табл. 15.3. Таблица 15.3 Торф (тип, вид, степень разложения R =______%) maxD м minD м n na S м2/м3  м Uн % Контрольные вопросы 1. Основные характеристики пористой структуры торфа. 2. Отличие активной пористости от общей. 3. Сущность метода фильтрации меченой воды через водона- сыщенный образец торфа. Литература 87 1. Чураев, Н.В. Методы исследования водных свойств и струк- туры торфа с помощью радиоактивных индикаторов / Н.В. Чураев // Новые физические методы исследования торфа / Н.В. Чураев [и др.]. – М.-Л. –: ГЭИ, 1960. с. 125–137. 2. Воларович, М.П. Исследование свойств торфа при помощи радиоактивных изотопов / М.П. Воларович, Н.В. Чураев. – М.: АН СССР, 1960. – 198 с. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА Общие сведения При расчете переноса тепла при сушке торфа необходимо знать физические коэффициенты теплопереноса. К таким относятся ко- эффициенты теплопроводности, температуропроводности и удель- ной теплоемкости. Коэффициент теплопроводности  характеризует способ- ность проводить тепло. Физический смысл его вытекает из уравне- ния Фурье. Пусть на стенке толщиной  поддерживается постоян- ная разность температур Т1 – Т2. Тогда количество тепла Q, прохо- дящее через стенку, будет пропорционально ее площади S и времени прохождения t. Кроме того, величина Q будет тем больше, чем больше перепад температур  21 TT  , т.е. tS TT Q     21 или в дифференциальной форме    T dtSdQ  , где  – коэффициент пропорциональности, носящий название ко- эффициента теплопроводности. 88 Знак минус поставлен потому, что в направлении теплового по- тока dtS dQ q   температура падает, т.е. градиент температуры T – величина отрицательная, а поток тепла должен быть положи- тельным. Величина  имеет размерность Вт/(м.К). В технических расче- тах  численно равно количеству тепла, проходящему через слой материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 за единицу времени при разности температур на противоположных концах 1о. Для сухого воздуха при 293 К  = 0,0252 Вт/(м.К). Для торфя- ных изоляционных плит при 293–303 К  имеет значение 0,0290– 0,0110 Вт/(м.К). С ростом температуры  увеличивается. Для сухо- го вещества  почти не зависит от ботанической характеристики торфа и имеет значение примерно равное 0,1128 Вт/(м.К). Значение  увеличивается с ростом влажности и плотности ( ) торфа. Коэффициент температуропроводности  характеризует инерционные свойства материала по отношению к внешним тепло- вым возмущениям, т.е. способность тела при нагреве (охлаждении) выравнивать температуру во всем объеме. Если температура тела при прохождении потока тепла повыша- ется, то ее изменение во времени и в объеме тела определяется дифференциальным уравнением теплопроводности , 2 2 2 2 2 2 2                    z T y T x T T t T  где 2 – оператор Лапласа, равный                 2 2 2 2 2 2 zyx ;  – коэффициент температуропроводности. Коэффициент температуропроводности показывает, на какую величину возрастает температура единицы объема вещества, если ему сообщать количество тепла равное  . Коэффициент температуропроводности связан с  и удельной теплоемкостью С зависимостью 89 oC      , где o - плотность сухого вещества в объеме влажного торфа и определяется по формуле U o   1   , где  – натуральная плотность данного торфа; U – влагосодержание. Удельная теплоемкость С определяет то количество тепла, которое необходимо сообщить телу, чтобы нагреть единицу массы этого тела на 1о. Размерность С – Дж/(кг.град). Для влажного материала С можно подсчитать ÂÒ C U U C U C      11 1 , где СТ – удельная теплоемкость сухого вещества торфа, равная 1,97.103 Дж/(кг.град); СВ – удельная теплоемкость воды, равная 4,19.103 Дж/(кг.град). Коэффициенты теплопереноса связаны между собой зависимо- стью oC   . Для их нахождения достаточно найти два любых коэффициента из опыта, а третий получить расчетом. Для нахождения коэффици- ентов теплопереноса во фрезерном торфе Н.И. Гамаюновым разра- ботан метод зонда постоянной тепловой мощности. Следует заме- тить, что заменив тепловой зонд на устройство с постоянным рас- ходом влаги можно определить коэффициенты массопереноса (коэффициент диффузии ò , коэффициент влагопроводности ò и коэффициент влагоемкости òÑ ). Методы расчета и теории оди- наковы для обоих случаев. 90 Описание установки Схема установки представлена на рис. 16.1. Зонд 1 представляет проволочную спираль из константана, намотанную на фарфоровый изолятор. Через спираль пропускается ток, напряжение и сила кото- рого регулируются лабораторным автотрансформатором. С его по- мощью можно задавать разный режим нагревания. Зонд помещает- ся в сосуд диаметром 20–30 см. Температура в точке, отстоящей на расстоянии r , измеряется термометром или терморезистором. Рис. 16.1. Схема установки 1 – зонд; 2 – электрическая часть; 3 – термометр; 4 – торф; 5 - теплоизоляция Применительно к зондовому методу решение уравнения пере- носа тепла и влаги получено Н.И. Гамаюновым. Избыточная темпе- ратура определяется из уравнения ) 4 ( 2 2 Cn Cr t n Rq T                 , где ]),([ oTtrTT  – избыточная температура; ),( trT – текущее значение температуры в точке r при времени t; То – начальная температура; q – поток тепла с единицы поверхности зонда; R – радиус зонда; r – расстояние от оси зонда до термометра; 91  – термоградиентный коэффициент, 1/град;  – критерий фазового превращения – отношение потока вла- ги, переносимой в виде пара, ко всему потоку;  – удельная теплота испарения;   – коэффициент потенциалопроводности (диффузии); С – постоянная Эйлера, равная 0,577. Если перенос идет только в виде жидкости, то  = 0 и уравне- ние запишется )577,0 4 ( 2 2      r t n Rq T    , или 577,0 2434,02 4 434,02 2                Rq gt Rq r g Rq T  . Если принять, что , 434,02 K Rq     а ,577,0 2 4 434,02 2 B Rq r g Rq             то BgtKT   . Это уравнение в координатах gtT  представляет собой прямую. Из графика (рис. 16.2) . 12 12 gtgt TT K     92 Рис. 16.2. Зависимость избыточной температуры от g времени t По найденному значению К находят K Rq    434,02  . Поток тепла с единицы поверхности зонда в единицу времени можно найти    R UI q 2 Дж/(м2.с), где I – ток в цепи, А; U – напряжение, В;  – длина погруженной в торф части зонда, м. Окончательно K UI K UI        183,0 434,04   Дж/(м.град). По известной  и любому значению T из рис. 16.2 рассчиты- вается  по уравнению .351,02    gtgr K T g   93 Если r – в м, а t – в с, то  имеет размерность м2/с. По уравнению можно рассчитать удельную теплоемкость o C     . Порядок выполнения работы 1. Внедрить зонд-нагреватель и термометр в образец фрезерного торфа. Измерить расстояние между ними r. 2. Включить ток в цепи зонда. Установить напряжение 7–15 В и поддерживать его постоянным в течение всего опыта. 3. Включить секундомер и через каждые 10–15 мин брать отсчет по термометру. 4. Построить график T = f ( g t) и рассчитать по нему тепло- физические коэффициенты. 5. Результаты наблюдений сводятся в табл. 16.1. Таблица 16.1 Характеристика торфа: вид торфа________, влажность начальная___________, конечная влажность__________, плотность начальная___________, влагосодержание_____________. № Температура начала отсчета Т0, К Текущее значение температуры Т, К Избыточная температура Т =Т – Т0 Время t, с g t I, А U, В Контрольные вопросы 1. Что такое теплопроводность? 2. Уравнение теплопроводности. От каких физических величин зависит коэффициент теплопроводности? 3. Коэффициент температуропроводности и его физический смысл. 4. Что такое удельная теплоемкость? 94 Литература 1. Гамаюнов, Н.И. Зондовые методы определения коэффициен- тов переноса тепла и влаги в торфе / Н.И. Гамаюнов // Новые физи- ческие методы исследования торфа / Н.И. Гамаюнов [и др.]. –М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. с. 168–179. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОРФА Общие сведения Удельной теплотой сгорания называется количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы торфа. Удель- ная теплота сгорания измеряется в кДж/кг. Для характеристики тепловой ценности сравниваемых топлив иногда используют поня- тие «теплоплотность». Теплоплотность – теплота сгорания единицы объема топлива (кДж/м3). Между удельной теплотой сгорания и теплоплотностью суще- ствует зависимость  QQ , где Q – теплоплотность, кДж/м 3; Q – удельная теплота сгорания, кДж/кг;  – насыпная плотность топлива, кг/м3. Удельную теплоту сгорания торфа определяют непосредственно сжигая навеску торфа в калориметрической установке (рис. 17.1) или косвенным путем по данным элементного анализа. Калориметрическая установка состоит из калориметра (сосуда вместимостью примерно 3 литра), калориметрической бомбы, теп- лоизолирующего кожуха, крышки, мешалки с электроприводом, термометра Бекмана и отсчетного устройства. Основной частью установки является калориметрическая бомба, представляющая со- бой толстостенный цилиндрический сосуд, изготовленный из кис- 95 лотоупорной стали, закрывающийся сверху герметически навинчи- вающейся крышкой. Для сжигания торф измельчают до крупности частиц не более 0,25 мм, берут навеску 1–1,5 г и вместе с запальной проволочкой известной массы прессуют в брикетик. При помощи запальной про- волочки брикетик в бомбе подвешивается над чашечкой к электро- дам. Бомбу заполняют кислородом до давления 2,5 МПа и устанав- ливают в калориметр, заполненный дистиллированной водой. Рис. 17.1. Схема калориметрической установки: 1 – калориметрический сосуд; 2 – калориметрическая бомба; 3 – теплоизолирующий кожух: 4 – крышка; 5 – термометр; 6 – мешалка с электроприводом; 7 – брикетик торфа Затем подсоединяют электроды к источнику электрического тока и включают мешалку. Сжигание торфа в бомбе производят путем за- мыкания электрической цепи, в которую включена запальная про- волочка. Тепло, выделяющееся при сгорании торфа, улавливается водяным калориметром. По повышению температуры воды в кало- риметре и тепловому балансу рассчитывают удельную теплоту сго- рания анализируемой навески торфа. Вычисление результатов калориметрического опыта производят по формуле m qâThThTKH Q ooá   ])()[( , 96 где  áQ – удельная теплота сгорания аналитической пробы торфа по бомбе, Дж/кг; К – водное значение (эквивалент) калориметрической установ- ки, кг; Т – конечная температура главного периода, К; Т0 – начальная температура главного периода, К; h – поправка на калибр термометра при температуре Т, К; h0 – поправка на калибр термометра при температуре Т0, К; H – значение градуса (при работе с термометром Бекмана); Ò – поправка на теплообмен калориметрической установки с окружающей средой, К; в – маса сгоревшей части запальной проволоки, кг; q – удельная теплота сгорания запальной проволоки, Дж/кг; m – масса аналитической навески торфа, кг. Удельную теплоту сгорания запальной проволоки принимают в зависимости от материала, из которого она изготовлена: стальная проволока . . . . . . . . . . . . никелинования проволока . . . . . . константановая проволока . . . . . . медная проволока . . . . . . . . . . . . . 6,70 МДж/кг 3,24 МДж/кг 3,14 МДж/кг 2,51 МДж/кг Водное значение (эквивалент) калориметрической установки К (масса воды, имеющая теплоемкость, эквивалентную теплоемкости калориметра, находящейся в нем воды, калориметрической бомбы с ее содержанием, мешалки и термометра) определяют опытным пу- тем, сжигая в бомбе навеску вещества с известной удельной тепло- той сгорания. Величину К можно ориентировочно определить по уравнению К = М . С, где М – масса воды в калориметре, кг; С – удельная теплоемкость воды, равная 4,19 МДж/кг. Расчетная формула  áQ упрощается при графическом методе определения величины Ò . По этому методу по данным наблюде- ний строят график изменения температуры во времени Т = f (t) и выделяют на нем три периода (рис. 17.2). 97 - начальный АВ, от начала наблюдения до момента зажигания пробы. Этот период учитывает теплообмен калориметрической си- стемы с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта, которая здесь повышается незначительно; - главный ВС, продолжающийся от момента зажигания пробы до ее полного сгорания, передачи всего тепла калориметру и вы- равнивания температуры всех частей установки; - конечный СД, служащий для учета теплообмена калориметри- ческой системы с окружающей средой с понижением температуры. Рис. 17.2. График изменения температуры Т во времени t Из графика определяют разность между максимальной темпера- турой после сжигания пробы и температурой в начале опыта с уче- том внешнего теплообмена. Для этого на графике продолжают участки АВ и СD до пересечения с осью ординат. Отрезок EF делят пополам и через точку L проводят прямую, параллельную оси абс- цисс до пересечения с прямой ВС главного периода. Через точку К проводят прямую, параллельную оси ординат до пересечения с продолжением прямых СD и АВ в точках M и N. Отрезок MN пред- ставляет собой разность температур Ò , учитывающей теплообмен калориметрической системы с окружающей средой в условиях начального и конечного периодов эксперимента. 98 Расчет удельной теплоты сгорания аналитической пробы торфа по бомбе  áQ проводят по формуле  áQ = m âqÒK  . Количество тепла, образующегося в бомбе при сгорании навес- ки всегда больше по сравнению с тем, что выделяется в топке при сгорании торфа. Это связано с тем, что в бомбе имеют место допол- нительные выделения тепла за счет кислотообразования и конден- сации паров воды. Количество тепла, выделяемого при сгорании единицы массы торфа в бомбе, за вычетом теплоты кислотообразования называется высшей удельной теплотой сгорания  âQ . При сгорании серы, входящей в торф, образуется газ SO2, который в бомбе окисляется до SO3, причем серный ангидрид, растворяясь в воде, образует сер- ную кислоту с выделением тепла. Следовательно, в бомбе происхо- дит дополнительное тепловыделение за счет реакции 300 2 1 42222  SOHOHOSO кДж/моль. В расчете на 1 кг серы тепловыделение составит 300 . 103/32 = 9400 кДж или на 1 % содержания серы S в аналитической навеске тепловыделение будет равно 9400 кДж (здесь S в %). Кроме того, в бомбе также происходит частичное окисление азота с образовани- ем азотной кислоты. При этом принято допущение, что чем выше температура сгорания топлива, тем больше образуется 3HNO . По- этому дополнительное тепловыделение, связанное с образованием 3HNO , условно считают пропорциональным  áQ . Коэффициент пропорциональности, найденный по усредненным опытным дан- ным, для торфа равен 0,0015. Таким образом, аналитическая удель- ная теплота сгорания торфа рассчитывается по формуле 99 )0015,094(  ááâ QSQQ  кДж/кг. Высшую аналитическую удельную теплоту сгорания пересчи- тывают на высшую рабочую удельную теплоту сгорания торфа ð âQ   w w QQ p â p â    100 100 , где pw – рабочая влажность торфа, %; w – влажность аналитической пробы торфа, %. Тепловая ценность топлива характеризуется низшей или полез- ной удельной теплотой сгорания p íQ рабочего топлива натураль- ной или условной влажности. Низшая удельная теплота сгорания – теплота, которая реализуется в топке. При сжигании топлива про- дукты его сгорания выбрасываются в атмосферу при таких темпе- ратурах, при которых водяные пары практически полностью оста- ются в газовой фазе. Поэтому тепловой эффект сжигания топлива получается меньше высшей удельной теплоты сгорания на величи- ну тепловыделения при конденсации паров воды. Общее количе- ство паров воды, образующееся при сгорании 1 кг топлива равно сумме содержащейся в топливе воды w/100 и воды, образующейся от сжигания водорода топлива. Последнее будет равно 9Н/100, так как из 1 кг водорода образуется 9 кг воды. Удельную теплоту кон- денсации водяного пара округленно принимают равной 2500 кДж или в расчете на 1 % образовавшейся воды 25 кДж. Таким образом, количество тепла, выделяемого единицей массы торфа, с поправкой на кислотообразование, за вычетом теплоты па- рообразования называется низшей рабочей удельной теплотой сгорания p íQ и определяется по формуле )9(25 pppâ p í HwQQ  , где ðÍ – содержание водорода в рабочем топливе, % 100 100 )](100[ ppãð AwÍÍ   , где ãÍ – содержание водорода в горючей массе торфа, принимае- мое равным 6 %; ðÀ – рабочая зольность торфа. Тепловая ценность торфа иногда характеризуется удельной теп- лотой сгорания сухого вещества или горючей массы. Высшую c âQ и низшую ñ íQ удельную теплоту сгорания сухого вещества торфа вычисляют по формулам   w Q Q âcâ    100 100 и cc â c í HQQ  225 , где cH – содержание водорода в сухом веществе торфа, %. Высшую ã âQ и низшую ã íQ удельную теплоту сгорания горю- чей массы торфа рассчитывают по формулам )(100 100   Aw Q Q âãâ    и 225 ãâ ã í QQ . Кроме прямого определения калориметрическим методом удельная теплота сгорания торфа может быть рассчитана по дан- ным его элементного анализа. Из многочисленных эмпирических формул в нашей стране наибольшее применение получила формула Д.И. Менделеева. Для высшей удельной теплоты сгорания она име- ет вид 101 )(1091258339 SOHCQâ  кДж/кг, где С, Н, О, S – содержание в топливе соответственно углерода, водорода, кислорода и серы, %. Коэффициенты, входящие в формулу, были получены Д.И. Мен- делеевым путем обработки опытных данных, относящихся к различным органическим веществам: углероду, клетчатке, камен- ным углям, нефтепродуктам. Может быть использована и формуле Г.Ф. Кнорре, которая для торфа имеет вид OHCQâ  1391120372 кДж/кг. Эти формулы могут быть отнесены к любой из расчетных масс топлива (рабочей, сухой или горючей) и применяются для прибли- женных расчетов удельной теплоты сгорания торфа. Целью данной работы является освоение калориметрического метода определения удельной теплоты сгорания торфа. Аппаратура: калориметрическая установка с принадлежностя- ми к ней; весы аналитические; весы технические на 5 кг; термометр на 373 К; секундомер; комплект аппаратуры для определения влаж- ности ускоренным методом; химические стаканы на 500 см3; пипет- ка на 10 см3; промывалка. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с устройством калориметрической установки. 2. Запальную проволочку длиной 8 см взвесить на аналитиче- ских весах с точностью до  0,0002 г, вставить ее во вкладыш мат- рицы ручного пресса, вкладыш поместить в матрицу. 3. Специальным пробоотборником взять навеску воздушно- сухого торфа, засыпать ее в матрицу ручного пресса и вместе с за- пальной проволочкой спрессовать в брикетик. 102 4. Взвесить на аналитических весах тару TM (листок кальки), затем брикетик с запальной проволокой и тарой Tïá ÌÌM  . 5. Снять с бомбы крышку. Подвесить брикетик над чашечкой, присоединив один конец запальной проволоки к держателю чашеч- ки, а другой – к выпускной трубке. На дно чашечки положить слой прокаленного асбеста. 6. Налить в бомбу пипеткой 10 см3 дистиллированной воды. 7. Вставить бомбу ножками в подставку с гнездами и завинтить крышку сначала от руки, а затем при помощи специального ключа. 8. Заполнить бомбу кислородом до давления 2,5 МПа. 9. Налить в калориметр 2130 см3 дистиллированной воды. 10. Установить калориметр в теплоизолирующий кожух. Поме- стить бомбу в калориметр. К зажимам бомбы присоединить клеммы электрического шнура. Установить мешалку и термометр с приве- денным к началу шкалы столбиком ртути. 11. Закрыть крышкой кожух калориметрической установки и пустить в ход мешалку; через 300 с после пуска мешалки присту- пить к проведению опыта. 12. Взять отсчет по термометру и переключить секундомер, вновь пуская его. Произвести еще 5 отсчетов с интервалом между ними в 60 с. В момент последнего отсчета нажать кнопку с надпи- сью «зажигание». Результаты наблюдений записать в табл. 17.1. Таблица 17.1 Характеристики торфа: тип, вид, степень разложения R, аналити- ческая влажность w  , зольность на сухое вещество Ас, вид продукции. Масса запальной проволоки Мп, материал запальной проволоки, масса тары МТ, масса брикетов с проволокой и тарой Tïá ÌÌM  , масса тары и проволоки Tï ÌÌ  , масса торфа М = Tïá ÌÌM  – ( Tï ÌÌ  ). № отсчетов Температура, К начальный период главный период конечный период 103 13. Производить отсчеты по термометру через каждые 30 с. В начале опыта, когда температура повышается быстро, отсчеты де- лать с точностью до 0,1, затем до 0,01 и, наконец, используя лупу, до 0,001 К. 14. После того, как температура за 30 с не изменится, произве- сти 6 отсчетов с точностью до 0,001 К через каждые 60 с. 15. Остановить мешалку, поднять термометр. Извлечь из кало- риметра бомбу, поставить ее на подставку, отвинтить выпускной винт и вентиль и в течение 180–300 с выпустить газы. Затем при помощи ключа отвинтить крышку бомбы. Если в бомбе имеется налет сажи, опыт бракуется. 16. Дистиллированной водой тщательно обмыть бомбу с внут- ренней стороны и содержимое вылить в колбу. Цилиндр и крышку бомбы протереть чистым полотенцем. 17. Выполнить расчеты, оформить и защитить работу. Контрольные вопросы 1. Сущность калориметрического метода определения удельной теплоты сгорания торфа. 2. Формула для расчета удельной теплоты сгорания аналитиче- ской навески торфа по бомбе. 3. Высшая и низшая удельная теплота сгорания торфа. 4. Расчет низшей удельной теплоты сгорания торфа на рабочее топливо, сухое вещество и горючую массу. 5. Расчет удельной теплоты сгорания торфа по его элементному составу. Литература 1. Семенский, Е.П. Технический анализ торфа / Е.П. Семенский. – М.: Недра, 1966. –232 с. 2. Белосельский, Б.С. Энергетическое топливо: учеб. пособие для вузов / Б.С. Белосельский, В.К. Соляков. – М.: Энергия, 1980. – 169 с. 104 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА Общие сведения Трение, возникающее в местах контакта торфа с поверхностью различных элементов торфяных машин и механизмов, необходимо учитывать при их проектировании. Процесс трения торфа по различным материалам – сложное яв- ление. Следует отметить, что до настоящего времени не существует единой теории, объясняющей природу проявления сил трения. Широко известный закон трения скольжения Амонтона-Кулона (первый закон Кулона) гласит: сила трения F пропорциональна силе нормального давления N NF   , где  – коэффициент трения, равный тангенсу угла наклона пря- мой трения к оси нормального давления (рис. 18.1). Рис. 18.1. Графическое изображение закона Амонтона-Кулона (1) Согласно первому закону Кулона сила трения и коэффициент трения не зависят от площади соприкосновения (контакта). Однако, известно и другое выражение сил трения, полученное Кулоном (второй закон Кулона). Им было установлено, что сила трения рав- на сумме двух составляющих, одна из которых не зависит от нор- мальной нагрузки, а вторая пропорциональна ей 105 NAF   . Так как в уравнении величина первого слагаемого при трении твердых тел незначительна, то им пренебрегали, и закон формули- ровался так, как было указано ранее. Действительное выражение второго закона Кулона было забыто и в 1940 г. как бы заново от- крыто Б.В. Дерягиным, который разработал наиболее современную молекулярную теорию трения. Согласно этой теории природа сил трения связана с электростатическим отталкиванием и межмолеку- лярным притяжением между молекулами соседних контактирую- щих тел. Б.В. Дерягин установил, что сила трения F пропорцио- нальна сумме сил нормального давления N и равнодействующей электростатических сил отталкивания и межмолекулярных сил при- тяжения N0 , т.е. )( oNNF   . Записав это уравнение в виде oNNF   , и сравнив его со вторым законом Кулона, можно отметить, что oNA   . В свою очередь SRN oo  , где oR – равнодействующая сил трения, отнесенная к единице площади; S – площадь трения. Таким образом, сила трения будет SKNF o  , где oo PR  – тенгенциальная составляющая сил трения, отне- сенная к единице площади. Окончательно уравнение Б.В. Дерягина будет иметь вид SPNF o   . 106 Величина ASPo  называется силой прилипания, которая за- висит от площади соприкосновения трущихся поверхностей. Следовательно, в целом сила трения с учетом сил прилипания зависит от площади трения или от фактической площади контакта. Графически уравнение Б.В. Дерягина представлено на рис. 18.2. Рис. 18.2. Графическое изображение уравнения Б.В. Дерягина При трении таких пластических тел как торф-сырец, суще- ственное значение имеет явление прилипания торфа к поверхности другого материала. В этом случае следует использовать закон Б.В. Дерягина. Трение же сухого торфа о различные поверхности под- чиняется закону Амонтона-Кулона. Для определения коэффициента трения фрезерного торфа (и других сыпучих материалов) можно использовать прибор, схема которого представлена на рис. 18.3. Рис. 18.3. Схема прибора для определения коэффициента трения торфа 1 – неподвижный желоб; 2 – подвижная рамка; 3 – торф; 4 – вкладыш; 5 – груз; 6 – блок; 7 – чашка для гирь 107 Прибор состоит из неподвижного желоба 1, подвижной рамки 2, соединенной нитью, перекинутой через блок 6, с чашкой 7 для гирь. На чашку помещают груз, компенсирующий потери на трение пу- стой рамки о желоб. Затем в рамку 2 помещают фрезерный торф 3, на который устанавливают вкладыш 4 и груз 5. На чашку 7 посте- пенно добавляют груз до тех пор, пока рамка не придет в движение. Нормальные  и касательные  напряжения, возникающие в плоскости соприкосновения фрезерного торфа с материалом жело- ба, вычисляют по формулам   h S P1 , где 1P – нагрузка на торф (вкладыш 4 и груз 5); S – площадь внутреннего сечения рамки 2; h – высота рамки;  – плотность фрезерного торфа. S P2 , где Р2 – нагрузка, вызвавшая движение рамки 2 с фрезерным торфом. По полученным значениям  и  строят график (рис. 18.4). Рис. 18.4. Связь между касательным  и нормальным  напряжениями в плоскости трения 108 Тангенс угла наклона прямой на графике (рис. 18.4) к оси абс- цисс ( tg ) соответствует среднему значению коэффициента тре- ния фрезерного торфа о материал желоба. Целью данной работы является определение статического ко- эффициента трения фрезерного торфа. Аппаратура: прибор для определения коэффициента трения сыпучих материалов; пурка; аппаратура для определения влажности торфа ускоренным методом. Порядок выполнения работы 1. Подготовить прибор к работе. 2. Путем подбора найти груз, вызывающий движение пустой рамки по желобу. 3. Определить при помощи пурки плотность фрезерного торфа. 4. Засыпать в рамку фрезерный торф до верхнего торца. 5. На фрезерный торф установить вкладыш и груз 0,98 Н. Затем подобрать груз, вызывающий движение рамки. 6. Проделать те же испытания при нагрузке на вкладыш 1,96; 2,94; 3,92 Н. 7. Рассчитать значения  и  . Построить график )( f и по нему определить коэффициент трения  tg . Результаты опытов записать в табл. 17.1. 8. Оформить и защитить работу. Таблица 18.1 Торф: тип, вид, степень разложения, влажность, плотность. Масса вкладыша, площадь рамки, высота рамки. Материал неподвиж- ного же- лоба Нагрузка на вкла- дыш Р1, Н Нагрузка, вызвав- шая движение рам- ки Р2, Н  , Па  , Па Коэффи- циент трения  0,96 1,96 2,94 3,92 109 Контрольные вопросы 1. Что такое коэффициент трения торфа? 2. Сущность теории Б.В. Дерягина. 3. Метод определения коэффициента трения фрезерного торфа. Литература 1. Кулаков, Н.Н. Введение в физику торфа: Учеб. пособие для вузов // Н.Н. Кулаков; Под ред. М.П. Воларовича. – М.-Л.: Госэнер- гоиздат, 1947. – 228 с. 2. Дерягин, Б.В. Что такое трение? / Б.В. Дерягин. – 2-е изд.- М.: АН СССР, 1963. – 230 с. 110 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 19 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА Общие сведения Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектриче- ских потерь необходимо знать для расчета параметров распростра- нения радиоволн, при геофизических и инженерно-геологических методах разведки, а также для разработки электрических методов контроля влажности и т.д. Диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая проницаемость является одной из важнейших характеристик диэлектрика и связана с его основным свойством – способностью поляризоваться в электрическом поле. Существуют два понятия – абсолютная диэлектрическая прони- цаемость x и относительная диэлектрическая проницаемость  или просто – диэлектрическая проницаемость. Связь между ними устанавливается через электрическую постоянную o   o x . Электрическая проницаемость o – величина, характеризую- щая электрическое поле при отсутствии взаимодействия с веще- ством и равная отношению электрического заряда, заключенного внутри замкнутой поверхности в пустоте, к потоку вектора напря- женности электрического поля сквозь эту поверхность 12 2 7 1086,8 4 10    C o   Ф/м. 111 Совершенно недопустимо называть o диэлектрической про- ницаемостью пустоты. Диэлектрическая проницаемость пустоты равна единице, а для всех веществ она больше единицы. Абсолютная диэлектрическая проницаемость x – величина, характеризующая способность диэлектрика образовывать электри- ческую емкость и равная отношению электрического смещения в нем D к напряженности внешнего электрического поля Е E D o x   . Для вопросов, разбираемых в нашем курсе, важно помнить, что величины смещения D в данной точке измеряется количеством электричества, которое проходит (смещается) через единицу по- верхности в то время, когда устанавливается поле (D при этом ме- няется от 0 до конечной величины), т.е. численно D равно поверх- ностной плотности свободного заряда. Размерность x совпадает с размерностью o . Относительная диэлектрическая проницаемость (диэлектриче- ская проницаемость)  – безразмерная величина, равная отноше- нию абсолютной диэлектрической проницаемости к электрической постоянной o x     . Эта величина определяется экспериментально. Величина диэлектрической проницаемости зависит в первую очередь от того, какие виды поляризации происходят в диэлектри- ке. В общем случае в сложном диэлектрике, к которому можно от- нести фрезерный торф, могут иметь место основные виды поляри- зации: электронная, ионная, дипольная, структурная и внутрислой- ная. В зависимости от особенностей материала различные виды поляризации могут иметь больший или меньший удельный вес, а некоторые из них могут и вовсе отсутствовать. Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от числа поляризующихся в 112 единице объема частиц и от среднего коэффициента поляризуемо- сти. Поскольку с увеличением частоты поля количество поляризу- ющихся частиц уменьшается (отпадают наиболее медленные виды поляризации), то диэлектрическая проницаемость с повышением частоты постепенно уменьшится. Вода принадлежит к полярным веществам с отчетливо выра- женными явлениями диэлектрической релаксации. У таких веществ при возрастании частоты поля диэлектрическая проницаемость из- меняется от значения )(o при нулевой частоте f (статическая ди- электрическая проницаемость) до значения  при бесконечно большой частоте (оптическая диэлектрическая проницаемость). Диэлектрическую проницаемость сыпучих капиллярно- пористых материалов определяют, как правило, через емкость кон- денсатора, в электрическом поле которого находится исследуемый материал. Тангенс угла диэлектрических потерь Тангенс угла диэлектрических потерь tg является не менее важной характеристикой диэлектрика, чем диэлектрическая прони- цаемость. Если диэлектрическая проницаемость определяет склон- ность диэлектрика образовывать электрическую емкость, то тангенс угла диэлектрических потерь определяет, насколько эта емкость будет добротной. Добротность диэлектрика Q – безразмерная вели- чина, характеризующая его качество, и равная отношению реактив- ной составляющей к активной, т.е.       I I Q p . Обратная величина представляет собой тангенс угла потерь       tg Q 1 . Угол диэлектрических потерь  – угол между векторами тока и его емкостной составляющей в векторной диаграмме для диэлек- трика, находящегося под переменным напряжением. 113 В переменном поле через диэлектрик протекают реактивный и активный токи. Полный активный ток слагается из тока, обуслов- ленного электропроводностью диэлектрика (ток сквозной утечки), и из активной составляющей поляризационного тока, т.е. тока, обу- словленного релаксационной поляризацией. Если в диэлектрике имеет место замедленная (релаксационная) поляризация, то актив- ный ток в переменном поле будет значительно превышать актив- ный ток в постоянном поле. Поэтому в реальном диэлектрике ток опережает напряжение не на 90о, а на угол  (рис. 9.1). Рис. 19.1. Угол, дополняющий сдвиг фаз между током и напряжением на участке цепи с диэлектриком до 90о называется углом диэлектриче- ских потерь  . Диэлектрик тем лучше, чем меньше угол  . Для хорошего ди- электрика 1tg . Ток, обусловленный электропроводностью, от частоты не зави- сит, а активная составляющая релаксационного тока с изменением частоты проходит через максимум. Параметр tg характеризует ту часть электрической энергии, которая выделяется в диэлектрике в виде тепла при переменном напряжении за счет релаксационного тока. Электрические параметры капиллярно-пориятых материалов за- висят от многих свойств и состояния этих материалов, в том числе от внешнего строения и структуры молекул, химического состава, механических свойств, температуры, влагосодержания и т.д. Современная физика диэлектриков связывает зависимость  и tg материалов от их свойств с основным процессом, происходя- щим в любом реальном диэлектрике под воздействием электриче- ского поля – поляризацией частиц диэлектрика. 114 Электрические характеристики твердых материалов изменяются в функции содержания сухого вещества, воды и воздуха, заполня- ющего капилляры, а у дисперсных материалов – и воздуха, запол- няющего пространство между частицами материала. Эти три фазы резко отличаются своими электрическими параметрами. В гетеро- генных системах поляризация имеет неодинаковый характер для различных фаз и для всей системы в целом. На характеристики си- стемы оказывает также влияние двойной электрический слой, опре- деляемый наличием заряда на поверхности раздела между фазами, имеющими различные электрические свойства. При оценке электрических свойств твердых материалов и жид- костей можно считать диэлектрическую проницаемость воздуха равной единице. Диэлектрическую проницаемость чистой воды при комнатной температуре в диапазоне частот 105 < f < 107…108 Гц можно считать близкой к 81. При отсутствии влаги капиллярно- пористые материалы и жидкие неполярные и слабополярные веще- ства имеют очень низкую диэлектрическую проницаемость и малые диэлектрические потери. Наличие влаги оказывает большое влия- ние на поляризацию неоднородных диэлектриков сложного состава. Поляризация при переменном токе определяет комплексную прово- димость диэлектрика: реактивная составляющая последней связана с диэлектрической проницаемостью, активная – с диэлектрически- ми потерями. Второе важное для нас проявление поляризации материала за- ключается в отчетливо выраженной зависимости их электрических параметров от частоты поля. Устройство, принцип действия прибора Е9-4 и методика измерения В настоящей работе для измерения емкости и добротности кон- денсатора, заполненного фрезерным торфом, используется метод, основанный на использовании цепей с сосредоточенными парамет- рами с применением серийно выпускаемого измерителя добротно- сти типа Е9-4. Диапазон измерения емкости от 25 до 450 пф, добротности от 5 до 600 единиц. Диапазон частот измерителя добротности от 50 кГц до 35 мГц. 115 Измеритель добротности состоит из генератора, который может перестраиваться на работу при различной частоте; блока питания; резонансного контура, в который вводятся катушки индуктивности «L» и конденсаторы переменной емкости «С» для настройки конту- ра в резонанс. В контур включен вольтметр «V», показывающий резонансное напряжение в контуре. Настройка контура в резонанс осуществляется путем подбора катушки индуктивности на соответ- ствующий диапазон частот и изменением емкости переменного конденсатора контура. Резонанс определяется по максимальному отклонению стрелки вольтметра. Конструктивно прибор Е9-4 выполнен в виде трех блоков - ге- нераторного, измерительного и блока питания, - которые крепятся на передней панели прибора. В левой части прибора расположен генераторный блок, в пра- вой – измерительный блок, а в центре – блок питания. На передней панели прибора размещены все ручки управления, а также стрелочные прибора: Q-вольтметр вверху и вольтметр уровня внизу. На верхней панели прибора расположены клеммы «Lx» для под- соединения вспомогательной катушки индуктивности и клеммы «Сх» для подсоединения конденсатора с исследуемым материалом. На задней стенке прибора расположена клемма «земля», слу- жащая для заземления прибора. Питание прибора осуществляется от сети 50 Гц напряженностью 220 В. Целью данной работы является освоение метода измерения емкости и добротности конденсатора, заполненного фрезерным торфом, с помощью измерителя добротности Е9-4. Аппаратура: измеритель добротности Е9-4; датчик; весы; ап- паратура для определения влажности торфа. Порядок выполнения работы 1. Включить шнур питания прибора в сеть. 2. Переключатель «род работ» поставить в положение «измере- ние», ручку «уровень» – в крайнее левое положение. 3. Включить прибор тумблером «сеть». 116 4. Прибор прогреть в течение 15 мин. 5. Переключатель «шкала» поставить в положение «60», пере- ключатель «род работ» в положение «уст. нуля». 6. Ручками «уст. нуля» установить нули ламповых вольтметров. 7. Перевести переключатель «род работ» в положение «калиб- ровка». 8. Ручкой «уст. нуля» установить стрелку вольтметра «уровень» на красную риску, а потенциометром с гравировкой «60», ручка ко- торого выведена под шлиц на переднюю панель, установить стрел- ку Q-вольтметра на риску «60». 9. Для контроля повторить операцию установки нуля и калиб- ровку. 10. Повторить пункты 5–8 для установки нуля и калибровки шкал «200» и «600», регулируя соответственно потенциометры с гравировкой «200» и «600». 11. Поставить переключатель «род работ» в положение «изме- рение» и прибор готов к работе. 12. К клеммам «Lx» подсоединить вспомогательную катушку индуктивности для диапазона частот f, а к клеммам «Сх» подсо- единить исследуемый конденсатор, заполненный торфом с влажно- стью w, установить частоту f, а переключатель «диапазоны» в по- ложение «60». Ручкой «емкость» настроить контур куметра в резонанс, т.е. до- биваться максимального отклонения стрелки Q-вольтметра. Значения частоты f , добротности Q1 , резонансной емкости C1 записать в табл. 19.1. Таблица 19.1 Влажность торфа w, % Частота f, кГц 1C 2C xC 1Q 2Q xQ  tg 13. Отключить исследуемый конденсатор от клемм xC , увели- чивая емкость измерительного конденсатора ручкой «емкость» вто- рично настроить контур в резонанс при той же рабочей частоте. 117 Полученные значения 2C и 2Q записать в таблицу. 14. Пункты 12 и 13 выполнить при частотах f1, f2, f3, при заполнении исследуемого конденсатора фрезерным торфом с 4 раз- личными влажностями (по указанию преподавателя). Соответству- ющие значения f, 1Q , 1C , 2Q , 2C записать в таблицу. 15. Рассчитать на выбранных частотах f1, f2, f3 для каждого зна- чения влажности: а) емкость исследуемого конденсатора xC = 2C – 1C , где 1C – показание измерительного конденсатора при подключен- ном образце в параллельной схеме включения; 2C – показание того же конденсатора при отключенном образце; б) добротность конденсатора )( )( 122 2112 QQC QQCC Qx    ; в) тангенс угла диэлектрических потерь фрезерного торфа xQ tg 1  ; г) диэлектрическую проницаемость фрезерного торфа S dC o x      , где d – расстояние между обкладками конденсатора, м; S – площадь пластины конденсатора, м2; xC – емкость образца, Ф; 0 = 8,86 . 10-12, Ф/м. 118 16. Построить графики зависимостей: – )(wF и )(wFtg  на выбранных частотах; – )( fF и )( fFtg  для исследованных влажностей. Контрольные вопросы 1. Что называется относительной диэлектрической проницаемо- стью? 2. От чего зависит относительная диэлектрическая проницае- мость торфа и как она определяется? 3. Что характеризует собой тангенс угла диэлектрических по- терь tg ? Литература 1. Грохольский, А.Л. Измерители добротности – куметры / А.Л. Грохольский. – Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1966. – 259 с. 119 Содержание Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ТОРФЕ. . . . . . . . . 4 Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОЛЬНОСТИ ТОРФА УСКОРЕННЫМ МЕТОДОМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗОЛЫ ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ТОРФА. . . 26 Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ ТОРФА ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СУХОГО ВЕЩЕСТВА ТОРФА ПИКНОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ. . . . . . . . . . . . . . 32 Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Лабораторная работа № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ МЕЛКОКУСКОВОГО ТОРФА И ТОРФЯНЫХ БРИКЕТОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Лабораторная работа № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Лабораторная работа № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В ТОРФЕ МЕТОДОМ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ АДСОРБЦИИ ИНДИКАТОРА (САХАРА). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Лабораторная работа № 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ТОРФА ПРИ ПОМОЩИ СОКРАЩЕННОГО АНАЛИЗА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Лабораторная работа № 12 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПЛАСТИЧНОСТИ И ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ОТ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ТОРФЕ. . . . . . . . . . . . . 63 120 Лабораторная работа № 13 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ТОРФА МЕТОДОМ КОНИЧЕСКОГО ПЛАСТОМЕТРА. . . . . . 67 Лабораторная работа № 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПРЕССИОННЫХ СВОЙСТВ ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Лабораторная работа № 15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ТОРФА МЕТОДОМ ФИЛЬТРАЦИИ МЕЧЕНОЙ ВОДЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Лабораторная работа № 16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Лабораторная работа № 17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Лабораторная работа № 18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Лабораторная работа № 19 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 121 Учебное издание ФИЗИКА И ХИМИЯ ТОРФА Лабораторный практикум для студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» специализации 1-51 02 01-01 02 «Разработка торфяных месторождений» Составители: ГОЛОВАЧ Альберт Адамович КУПТЕЛЬ Георгий Александрович ЯЦКОВЕЦ Аркадий Иосифович Технический редактор О.В. Дубовик Подписано в печать 21.06.2010. Формат 60841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 7,03. Уч.-изд. л. 5,50. Тираж 100. Заказ 605. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.