Введение к работе
Актуальность темы. В Российской федерации имеются значительные запасы сапропелевого сырья как в открытых водоемах (озерный), так и под торфяными залежами (погребенный). На многих торфяных предприятиях под залежью остаются сапропелевые месторождения, мощность которых соответствует промышленным запасам. Но часто большая степень минерализации этих отложений не даст возможности использовать их в сельскохозяйственном производстве для проведения агротехнических мероприятий. В этой связи необходимо решать задачи, связанные с предложением новых путей использования сапропелей, в том числе и высокоминерализованных.
Добыча отложений из-под слоя выработанной залежи торфа и производство новых видов продукции на основе формованных сапропелей вызывает необходимость изучения процессов структурообразования при их полном обезвоживании. Успешное решение данной проблемы связано с исследованиями физических и физико-химических свойств сапропелей различной зольности, а именно изучение структурных преобразований в процессе их сушки. Сложность в описании процессов структурообразования сапропелей вызывается тем, что изменение структуры оказывает огромное влияние на массообменные процессы, происходящие при обезвоживании последних.
Несмотря на большой накопленный материал в данной области, закономерности структурообразовательных и массообменных процессов при обезвоживании сапропелей изучены недостаточно полно, так как априори предполагалось, что они протекают также как и в торфе. Однако большее, чем в торфяных системах содержание зольных включений накладывает свои особенности на их сушку и структурообразование.
Создание новых видов продукции на основе погребенных сапропелей невозможно без научного обоснования технологий их изготовления. Одной из основных операций при производстве товаров народного потребления из сапропелей является их обезвоживание. Поэтому изучение процессов структурообразования и, связанного с ними, объемно-напряженного состояния, усадки и массопереноса при сушке сапропелей является актуальной задачей.
Дель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка комплексного метода исследования процессов структурообразования сапропелей различной зольности при сушке, анализ путей прогнозирования и управления качественными характеристиками формованной продукции.
Исходя из поставленной цели в работе, необходимо решить следующее основные задачи:
разработать комплексную методику исследования процессов структу-рообразования и массопереноса в сапропелях.
исследовать закономерности изменения прочностных показателей погребенных сапропелей различной зольности в зависимости от влагосо-держания и температуры;
оценить влияние энергии взаимодействия между элементами структуры на ход деформационных процессов, установить взаимосвязь массооб-менных и структурных характеристик сушимых материалов;
изучить особенности физико—механических и структурных изменений, происходящих в сапропелях при их сушке;
предложить новое направление использования погребенного сапропеля высокой степени минерализации.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования служили сапропели различной зольности, залегающие под торфяными залежами предприятий Тверской области и каолиновая глина (в качестве минерального подстилающего грунта). В лабораторных экспериментах использовались цилиндрические образцы материалов, сформованные методом экструзии, а также сапропелевая масса в состоянии полной влагоем-кости. Сушка велась при конвективном теплоподводе. В процессе исследований применялись современные экспериментальные и теоретические методы. В качестве экспериментальных, использовались методы микро-тензиометрии, динамической контракции, определения максимальной разрушающей нагрузки на прессе. Теоретические методы основываются на положениях физико-химической механики дисперсных структур, а именно на молекулярио-кинетическом подходе оценки структурообразо-вательных и массообменных процессов в органогенных материалах. Обработка экспериментальных данных, анализ результатов и проверочные расчеты выполнялись с применением компьютерной техники.
Научная новизна. В диссертации осуществлено обобщение и исследование физики взаимосвязанных процессов сушки и структурообра-зования формованных сапропелей различной зольности и решен вопрос по оценке и прогнозированию их характеристик на различных стадиях сапропелевого производства.
На основании экспериментальных данных и теоретических исследований в работе впервые были получены:
значения основных характеристик структурообразования и массообменных коэффициентов (массоемкости, влагопроводности и диффузии влаги) для формованных сапропелей;
закономерности поведения сапропелевых систем в диапазоне формовочного и равновесного влагосодержаний при различных температурах обезвоживания.
Были также внесены качественные изменения в методику измерения усадочных напряжений на динамическом коптрактометре. Дана оценка степени влияния капиллярного давления па усадочные процессы, происходящие в органоминеральных дисперсиях сапропелей.
Практическая ценность работы. Изложенные в диссертации закономерности процессов сушки и структурообразования послужили научной базой при создании основ технологии получения искусственного заполнителя из окатанного торфа и минерализованного сапропеля, а также при разработке методики прогнозирования и оценки структурных свойств сапропелей различной зольности. Разработаны и запатентованы способы определения дисперсности формованного торфа и добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфяной залежи. Разработаны, созданы и защищены свидетельствами на полезную модель принципиально новая сушилка для граігулированного вязкопластичного торфа и установка по нанесению минерального покрытия на торфяную граігулу. Обосновано применение роторного смесителя для приготовления шликера минерализованного сапропеля, целесообразность нанесения минерального покрытия на торфяную гранулу «мокрым» способом и особенности сушки сырцовых композиционных гранул заполнителя.
Полученные результаты могут служить основой для аналитического описания развития объемно-напряженного состояния, прочности и внутреннего массопереноса в формованных сапропелях различной зольности.
Ряд результатов и методик включен в учебный процесс по дисциплинам торфяного профиля.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика одновременного определения усадочного и капиллярного давлений в тонких пленках дисперсных материалов;
изменение структурных показателей сапропелей и каолиновой глины при их сушке в различных температурных режимах, оценка роли капиллярных сил в усадочных процессах органоминеральных дисперсий;
связь характеристик структурообразования и массопереноса в сапропелях различной степени минерализации;
принципиальная технологическая схема производства искусственного пустотелого заполнителя для легких бетонов и аппаратурное оформление для ее реализации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложены в тезисах и докладах на VII Международной конференции «Физикохимия торфа и сапропеля» (Тверь, 1994); Международном симпозиуме «Органическое вещество торфа» (Минск, 1995); конференции молодых ученых и специалистов Тверского региона (Тверь, 1995); X Международном конгрессе по торфу (Бремен, 1996); XI Международной кон-
ференции по поверхностным силам (Москва, 1996); Всероссийской научно-практической конференции «Физико-химические основы пищевых и химических производств» (Воронеж, 1996); Юбилейной конференции, посвященной 75-летию ТГТУ (Тверь, 1997).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 19 печатных работах, отчетах НИР, рекламных проспектах. Получены положительные решения о выдачи 2 патентов на изобретения и 2 свидетельств на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, выводов, библиографического списка (215 наименований) и приложений. Работа изложена на 148 страницах, в том числе включает 39 рисунков и 5 таблиц.
