Происхождение и виды воды в торфе

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАННИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕМА

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ТОРФЕ

Студент гр 2Д03 Абдыкадыр Н.

Научный руководитель УИРС

канд. техн. наук, доц. В.С. Архипов

Принял

канд. хим. наук, доц. Е. В. Бешагина

Томск 2014 г.

Введение

Торф (нем. Torf), горючее полезное ископаемое, образующееся в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях избыточного увлажнения и затруднённого доступа воздуха. От почвенных образований торф принято отличать по содержанию в нём органических соединений (не менее 50% по отношению к абсолютно сухой массе).

Общие сведения. Органическое вещество торфа состоит из растительных остатков, претерпевших различную степень разложения. Перегной (гумус) придаёт торфу тёмную окраску. Относительное содержание в общей массе торфа продуктов распада растительных тканей, утративших клеточную структуру, называют степенью разложения торфа. Различают торф слаборазложившийся (до 20%), среднеразложившийся (20--35%) и сильноразложившийся (свыше 35%). По условиям образования и свойствам торф подразделяют на верховой, переходный и низинный.

Торф имеет сложный химический состав, который определяется условиями генезиса, химическим составом растений-торфообразователей и степенью разложения торфа. Элементный состав торфа: углерод 50--60%, водород 5--6,5%, кислород 30--40%, азот 1--3%, сера 0,1--1,5% (иногда 2,5) на горючую массу. В компонентном составе органической массы содержание водорастворимых веществ 1--5%, битумов 2--10%, легкогидролизуемых соединений 20--40%, целлюлозы 4--10%, гуминовых кислот 15-- 50%, лигнина 5--20%. Торф -- сложная полидисперсная многокомпонентная система; его физические свойства зависят от свойств отдельных частей, соотношений между ними, степени разложения или дисперсности твёрдой части, оцениваемой удельной поверхностью или содержанием фракций размером менее 250 мкм. Для торфа характерны большое влагосодержание в естественном залегании (88--96%), пористость до 96--97% и высокий коэффициент сжимаемости при компрессионных испытаниях. Текстура торфа -- однородная, иногда слоистая; структура обычно волокнистая или пластичная (сильноразложившийся торф). Цвет жёлтый или бурый до чёрного. Слаборазложившийся торф в сухом состоянии имеет малую плотность (до 0,3 г/см3), низкий коэффициент теплопроводности и высокую газопоглотительную способность; торф высокой дисперсности (после механической переработки) образует при сушке плотные куски с большой механической прочностью и теплотворной способностью 2650--3120 ккал/кг (при 40% влажности). Слаборазложившийся торф -- отличный фильтрующий материал, а высокодисперсный используется как противофильтрационный материал. Торф поглощает и удерживает значительные количества влаги, аммиака, катионов (особенно тяжёлых металлов) [1].

1. Происхождение и виды воды в торфе.

1.1 Образование торфа

Торф -- предшественник генетического ряда углей (по мнению ряда учёных). Место образования торфа -- торфяные болота, встречающиеся как в долинах рек (поймы, террасы), так и на водоразделах.

Происхождение торфа связано с накоплением остатков отмершей растительности, надземные органы которой гумифицируются и минерализуются в поверхностном аэрируемом слое болота, называемом торфогенным горизонтом, почвенными беспозвоночными животными, бактериями и грибами. Подземные органы, находящиеся в анаэробной среде, консервируются в ней и образуют структурную (волокнистую) часть торфа. Интенсивность распада растений-торфообразователей в торфогенном слое зависит от вида растения, обводнённости, кислотности и температуры среды, от состава поступающих минеральных веществ. Несмотря на ежегодный прирост отмершей органической массы, торфогенный горизонт не прекращает своего существования, являясь природной «фабрикой» торфообразования. Поскольку на торфяных месторождениях произрастает много видов растений, образующих характерные сочетания (болотные фитоценозы), и условия среды их произрастания отличаются по минерализации, обводнённости, реакции среды, сформировавшийся торф на разных участках торфяных болот обладает различными свойствами. Известен так называемый погребённый торф, который отложился в периоды между оледенениями или оказался перекрытым рыхлыми отложениями разной мощности в результате изменения базиса эрозии. Возраст погребённого торфа исчисляется десятками тысячелетий; в отличие от современного, погребённый торф характеризуется меньшей влажностью [1].

1.2 Классификация торфа

В соответствии с составом исходного растительного материала, условиями образования торфа и его физико-химическими свойствами торф относят к одному из 3 типов: верховому, переходному и низинному. Каждый тип по содержанию в торфе древесных остатков подразделяется на три подтипа: лесной, лесотопяной и топяной. Торф разных подтипов отличается по степени разложения. Торф лесного подтипа имеет высокую степень разложения (иногда до 80%), у топяного торфа -- минимальная степень разложения; лесотопяной торф занимает промежуточное положение. Подтипы торфа делятся на группы, состоящие из 4--8 видов (табл. 1). Вид -- первичная таксономическая единица классификации торфов. Он отражает исходную растительную группировку и первичные условия образования торфа, характеризуется определённым сочетанием доминирующих остатков отдельных видов растений (а также характерных остатков). Пластообразующими видами торфа называют совокупность нескольких первичных видов торфа, мало отличающихся друг от друга по своим свойствам и образующих большие горизонтально залегающие однородные слои. Отложения пластообразующих видов той или иной протяжённости и мощности (толщины), закономерно сменяющиеся в определённой последовательности, образуют торфяную залежь. На характер строения залежи определённой климатической зоны влияют геоморфологические, геологические, гидрогеологические, гидрологические условия каждого конкретного участка болота. В зависимости от сочетания отдельных видов торфов по глубине торфяной залежи последние подразделяются на типы. В промышленной классификации торфяных залежей выделяются 4 типа: низинный, переходный, верховой и смешанный. Первичная единица классификации -- вид торфяной залежи.

В Европейской части СССР выделяются 25 основных видов торфяных залежей, в Западной Сибири -- 32 [1].

Табл. 1. -- Классификация видов торфа [1].

Лесной подтип

Лесотопяной подтип

Топяной подтип

Тип

Древесная группа

Древесно-травяная группа

Древесно-моховая группа

Травяная группа

Травяно-моховая группа

Моховая группа

Низинный

Ольховый,

Берёзовый

Древесно-тростниковый

Древесно-гипновый

Хвощёвый,

Тростниковый

Осоково-гипновый

Гипновый-низинный

Еловый,

Сосновый низинный,

Ивовый

Древесно-осоковый низинный

Древесно-сфагновый

низинный

Осоковый,

Вахтовый,

Шейхцериевый низинный

Осоково-сфагновый низинный

Сфагновый низинный

Переходный

Древесный переходный

Древесно-осоковый переходный

Древесно-сфагновый переходный

Осоковый переходный, Шейцериевый переходный

Осоково-сфагновый переходный

Гипновый переходный, сфагнвый переходный

Верховой

Сосновый верховой

Сосново-пушицевый

Сосново-сфагновый

Пушицевый, Шейхцериевый верховой

Пушицево-сфагновый, Шейхцериево-сфагновый

Медиум-торф, Фускумторф, Комплексный верховой, Сфагново-мочажинный

Торфяные месторождения -- промышленные скопления торфа, четко ограниченные территориально и не связанные с др. скоплениями. Размер площади, занимаемой торфяными месторождениями и болотами в мире, составляет около 350 млн. га, из них около 100 млн. га имеет промышленное значение. На территории Западной Европы расположен 51 млн. га, Азии -- свыше 100 млн. га, Северной Америки -- свыше 18 млн. га.

Табл. 2. -- Распределение разведанных запасов торфа в СССР (1975)

Республика, экономический район

Общая площадь торфяных месторождений в границах промышленной залежи, млн. га

Запасы торфа, млрд. т (40% влажности)

РСФСР

Северо-Западный

Центральный

Центрально-чернозёмный

Волго-Вятский

Поволжский

Уральский

Западно-Сибирский

Восточно-Сибирский

Дальневосточный

Калининградская область

56,6

8,9

1,4

0,04

0,5

0,1

2,7

34,1

3,1

5,7

0,1

149,9

19,8

5,2

0,1

2,0

0,3

9,1

103,9

4,0

5,2

0,3

Разработка торфяных месторождений. Разработке торфа предшествуют осушение и подготовка поверхности. Подготовка поверхности месторождения выполняется после сооружения осушительной сети и окончания предварительного осушения залежи. Независимо от того, для каких целей будет использоваться залежь, с её поверхности удаляется древесная, а иногда и моховая растительность, разрабатываемый слой залежи на глубине 25--40 см освобождается от древесных включений или они измельчаются на фракции менее 8--25 мм. Разделённая картовыми канавами и валовыми каналами на определённые участки (карты) поверхность поля планируется в продольном направлении перпендикулярно валовым каналам и профилируется с поперечным уклоном в сторону картовых канав шнековым профилировщиком. Выполнение этих работ способствует понижению уровня грунтовых вод и уменьшению влажности торфяной залежи до 86--89%, что обеспечивает производительную работу механизмов по добыче, сушке и уборке торфа. Все операции подготовки поверхности торфяного месторождения механизированы. Удаление древесной растительности при подготовке включает срезку (валку) деревьев и кустарника с одновременным пакетированием и укладкой деревьев в пакетах на поверхность залежи специальной машиной. Затем пакеты грузятся на тракторные прицепы-самосвалы и вывозятся на промежуточные прирельсовые склады. Пни и древесные включения корчевальными машинами извлекаются из залежи или перерабатываются машинами глубокого фрезерования с последующей сепарацией и вывозкой древесных остатков за пределы полей. Для получения торфа с усреднёнными кондиционными свойствами применяются машины для перемешивания залежи или дренажно-обогатительные машины, извлекающие фрезами или барами торфяную массу из слоя залежи, перерабатывающие и расстилающие слой торфа на поверхности поля. Мелкие древесные остатки и щепа убираются с рабочей поверхности карт машинами с накалывающим или барабанно-цепным рабочим органом [1].

Табл. 3. Агрохимическая характеристика торфа (в % на абсолютно сухое вещество торфа) [1].

Тип торфа

Зольность

Содержание органических веществ

РН (в КСl вытяжке)

Химический состав

Nобщ.

CaO

P2O5

K2O

Fe2O3

Верховой

1−5

99−95

2,8−3,6

0,9−2,0

0,1−0,7

0,03−0,2

0,05−0,1

0,03−0,5

Переходный

3−8

97−92

3,6−4,8

0,9−3

0,5−1,7

0,04−0,3

0,05−0,1

0,1−1,0

Низинный

До 12

Свыше 88

4,8−5,8

1,1−3,8

1,2−4,8

0,05−0,4

0,1−0,2

0,2−3,0

«

12−20

88−80

4,8−6,6

1,6−3,9

1,2−7,5

0,05−2,0

0,2−0,5

0,1−9,0

«

20−50

80−50

4−7,0

1,5−3,7

0,3−31

0,05−7,5

0,3−0,9

0,2−26,0

1.4 Фильтрационные свойства торфа

С пористой структурой торфа тесно связано состояние насыщающей его воды. Поскольку в естественном состоянии масса воды в торфе почти в 10 раз выше массы сухого вещества, многие технологически важные процессы определяются содержанием воды и формами ее связи в веществом торфа. В настоящее время общепризнанной является классификация форм связи воды в торфе, основанная на схеме Ребиндера П. А., согласно которой можно различать химически и физико-химически связанную воду, а также воду энтропийной связи (осмотическую) и механического удержания (табл. 4).

Таблица 4. Формы связи воды в торфе 3.

Обозначение

Категория влаги

Энергия, связи, А103, Дж/моль

Среднее содержание, % от U

Uфх

Uосм

Uмех

Uкап

Uвнк

Uимм

Uстр

U

Химическая связанная

Физико-химическая связанная,

в том числе прочносвязанная

Вода моносорбции

Осмотическая (энтропийно-связанная)

Вода механического удержания

В том числе капиллярная

внутриклеточная

иммобилизованная

структуро-захваченная

Общее содержание воды в торфе

40−400

20−60

до 60

2

-

0,8

-

-

-

0,4

4,9

1,6

7,1

88

67,5

15,5

5

100

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

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

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

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

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

Капиллярная вода в торфе (Uкап.) предполагает тот же физический смысл, что и в осадочных горных породах и в грунтах. Это вода, удерживаемая в порах, трещинах капиллярными силами (переходная между связанной и свободной водой). Обычно к капиллярной воде относят воду, заполняющую капиллярные поры с диаметров менее 1 мм. По размерам капиллярные поры разделяют на 3 группы:

1. Сверхкапиллярные (поры размером больше 500 мкм);

2. Капиллярные (поры 500−0,2 мкм);

3. Субкапиллярные (поры менее 0,2 мкм).

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

В торфе трудно четко определить содержание капиллярной воды. Это связано с тем, что капиллярами в торфе являются поры между предельно набухшими ассоциатами. Поэтому картина капиллярных явлений здесь существенно осложняется, и высота, до которой поднимается вода в колонке торфа ни в коем случае не является однозначным отражением только одних капиллярных сил. В связи с этим определение капиллярной воды имеет относительный характер. Эта вода размещается в крупных порах и сообщающихся ячейках торфа 2. В настоящее время содержание капиллярной воды в торфе находят по разности между величиной полной влагоемкости и количеством неподвижной (связанной) воды, определяемой методом отрицательной адсорбции индикатора [3]. Следует отметить условность получаемых результатов, так как не выполняется основная предпосылка метода отрицательной адсорбции — нерастворимость сахара в связанной воде торфа.

На малую подвижность воды в торфе по сравнению с минеральными грунтами указывает отношение общей пористости к активной (т.е. степень подвижности влаги), которое изменяется в пределах 1,7−2,0. Это объясняется значительным количеством в нем неподвижной воды к которой относят 3 физико-химически связанную, внутриклеточную, иммобилизованную и структурно-захваченную.

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

До уплотнения торфа фильтрация воды из-за наличия крупных пор чаще всего протекает без аномалий по закону Дарси [3].

электрокинетический фильтрация вода торф

где: Vф — объем профильтровавшейся жидкости; Кф — коэффициент фильтрации, м/ч; S — сечение фильтрации, м2; t — время фильтрации, ч; J — гидравлический градиент напора (безразмерная величина).

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

Kф=Кфexp-ф (ен-е)

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

Значения, Кф для различных видов ненарушенного торфа определены экспериментально; значения ф — и ен приведены в монографии.

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

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

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

Таблица 3. Водно-физические свойства различных торфов Нечерноземной зоны России 3

Тип и вид торфа

Степень

Разложения R, %

Дисперность,

Р250мкм, %

Общая пористость, n, %

Полная

влагоёмкость,

Uпв, кг/кг

а. -с. торфа

Коэффициент фильтрации

Kф105,

м/с

Kф103, м/ч

Kф,

м/сут

Низинный

Древесный

Древесно-осоковый

Древесно-тростниковый

Тростниковый

Осоковый

Осоково-гипновый

Шейхцериевый

Гипновый

42

36

40

46

28

22

29

26

70,1

65,7

76,3

81,3

68,6

65,0

69,9

70,5

90,1

89,8

91,0

89,1

92,1

93,7

90,6

92,7

8,8

9,4

7,7

7,7

10,4

11,7

7,5

10,4

4,32

2,17

2,21

1,02

1,72

2,91

1,31

1,23

155

78,1

79,6

36,7

61,9

105

47,2

44,3

3,72

1,87

1,91

0,88

1,49

2,52

1,13

1,06

Переходный

Древесный

Древесно-осоковый

Древесно-сфагновый

Шейхцериевый

Осоковый

Осоково-сфагновый

Сфагновый

44

39

35

26

28

28

17

78,6

75,7

78,8

66,4

66,7

66,1

50,6

89,7

91,0

91,7

92,4

92,4

93,2

94,4

7,6

9,8

8,9

10,7

10,2

11,1

18,0

3,61

1,79

1,77

1,58

0,42

0,56

1,60

130

64,4

63,7

56,9

15,1

20,2

57,6

3,12

1,55

1,53

1,37

0,36

0,48

1,38

Верховой

Сосново-пушицевый

Сосново-сфагновмй

Пушицевый

Шейхцериевый

Пушицево-сфагновый

Шейхцериево-сфагновый

Фускум

Магелланикум

Комплексный

Сфагново-мочажинный

39

27

32

28

31

23

16

16

18,

9

81,5

69,1

69,6

60,2

73,5

68,5

60,0

45,8

46,6

37,2

93,9

93,2

93,2

93,2

93,5

93,8

94,2

94,9

94,8

95,3

11,2

9,8

10,2

10,3

11,2

10,3

12,8

13,5

12,5

17,0

0,02

0,58

0,69

0,34

0,38

0,40

0,63

0,62

0,49

1,12

0,72

20,9

24,9

12,2

13,7

14,4

22,7

22,3

17,6

40,3

0,017

0,50

0,59

0,29

0,33

0,35

0,54

0,53

0,42

0,97

1.5 Водные свойства торфа

Торф в естественном состоянии в отличие от других видов твердых горючих ископаемых сильно обводнен и способен удерживать до 15--25 частей воды на одну часть сухого вещества, т. е. его влагосодержание и (отношение массы воды в торфе к массе сухого вещества) может доходить до 15--25 кг/кг. В подавляющем большинстве направлений использования торфа (в особенности на топливо) основу технологии составляют процессы, связанные с удалением громадного количества воды на различных стадиях производства.

Торфяное производство во многом зависит от погодных условий. Стремление освободиться от влияния метеорологических факторов и перейти к круглогодовому производству торфяного топлива в заводских условиях привлекало внимание к работам Р. Э. Классона по искусственному обезвоживанию торфа [3].

Процессы, связанные с обезвоживанием торфа, очень сложны, трудоемки и требуют много времени. Это объясняется не только чрезвычайно большой обводненностью торфа, но и тем, что значительное количество воды в нем связано с сухим веществом. Поэтому, несмотря на всю сложность, водные свойства торфа изучались широко и разносторонне, так как совершенствование и дальнейшее развитие торфяного производства во многом зависит от того, насколько интенсивно можно управлять водоудерживающей способностью торфа в процессе осушения, искусственного обезвоживания и естественной сушки.

Прежде чем перейти к рассмотрению водных свойств торфа, которые определяются составом и строением его твердых и жидких компонентов, необходимо хотя бы кратко изложить современные представления об особенностях воды,-- постоянном участнике практически любого природного явления.

Свойства воды определяются особенностями строения ее молекул. В молекуле воды Н2О три ядра образуют равнобедренный треугольник, в вершине которого находится ядро кислорода, а в основании два ядра атома водорода. Расстояние между ядрами О и Н в несвязанной молекуле воды (водяного пара) составляет 9,6•10−11м, в кристаллической решетке льда -- 9,9•10−11 м. Расстояние между атомами водорода у молекулы воды равно 1,54•10−10 м, а угол в вершине равнобедренного треугольника НОН-1,83 рад, в решетке льда этот угол становится близким к тетраэдрическому -- 1,91 рад. Вследствие такого строения молекула воды имеет большой дипольный момент (6,13−10−29 Кл•м). При конденсировании воды молекулы ориентируются так, что каждая молекула льда оказывается окруженной четырьмя соседними. При этом отрицательные и положительные ее полюсы вступают во взаимодействие соответственно с положительными и отрицательными полюсами соседних молекул. В результате кристаллизации образуется ажурная тетраэдрическая решетка с пустотами внутри по аналогии со структурой льда. Размер пустот больше, чем диаметр молекулы воды [3].

Молекулы воды на линии О-Н…О взаимодействуют через водородные или Н-связи. Водородная связь широко распространена в природе, ею определяется структура многих органических и неорганических соединений (в том числе кристаллогидратов). Важнейшую роль Н-связи играют в строении белков, водородные связи определяют специфику сорбционных, ионообменных и многих других физико-химических процессов в биополимерах. Растворенные в воде ионы оказывают влияние на ее структуру и трансляционное движение окружающих молекул. Малые по размеру ионы Li+, Na+, Са2+ и другие «встраиваются» в структуру льда, они увеличивают отрицательный потенциал ближайших к ним молекул воды и соответственно ослабляют их трансляционное движение. В этом случае имеет место «положительная гидратация» ионов. Другие же ионы, например К+, Сl-, уменьшают отрицательный потенциал ближайших к ним молекул воды, которые становятся более подвижными, чем в химически чистой воде. В этом случае наблюдается «отрицательная гидратация» ионов [4].

Добавки неэлектролитов приводят как к стабилизации, так и к разрушению структуры воды. Если малые по размерам молекулы неэлектролитов, заполняя пустоты каркаса, затрудняют трансляционное движение молекул воды, то происходит стабилизация ее структуры. Разрушается структура вследствие несоответствия форм и размеров больших молекул неэлектролита пустотам структуры воды [4].

Дисперсионная среда торфяных залежей (торфяная вода) представляет раствор, в котором в качестве растворителя служит низкомолекулярная жидкость (вода), а растворенными являются высокомолекулярные органические и минеральные вещества в коллоидном, молекулярном и ионном состоянии.

Химический состав торфяных вод в значительной степени определяется водно-минеральным режимом торфяников, который создается водами различного происхождения: атмосферными осадками, поверхностно-сточными и почвенно-грунтовыми, речными, озерными и др., резко отличающимися по концентрации и составу минеральному части [3].

1.6 Методы определения связанной воды в торфе

Так как в торфе нет четкой границы между отдельными категориями связанной воды, то разделение ее по формам связи имеет некоторую условность. Поэтому трудно ожидать от любого метода высокой точности определения ее содержания в торфе, в особенности категорий слабой связи.

Методы определения содержания различных категорий воды в торфе основаны на сецифических особенностях различных форм влаги. Различают положительную и отрицательную сорбцию из растворов. При положительной сорбции преимущественно адсорбируется растворенное вещество, а при отрицательной- растворитель. В результате этого в первом случае концентрация растворенного вещества уменьшается, во втором — увеличивается. Широкое распространение получил метод отрицательной адсорбции индикатора (метод А. В. Думанского). Метод отрицательной адсорбции был впервые использован А. В. Думанским для определения содержания связанной воды дисперсных материалах, в том числе и в торфе. Метод основан на том, что связанная вода — плохой растворитель по сравнению со свободной. Измеряя объем воды, не растворяющей введенный в систему индикатор, принимают его равным количеству связанной воды. При определении содержания связанной воды в торфе в качестве индикатора используется сахар и другие соединения, в том числе и радиоактивные вещества. К навеске торфа массой m и влагой W приливают необходимое количество раствора сахара mc.p. c известной концентрацией С1. После перемешивания и выдержки в течение определенного времени для равномерного распределения индикатора во всем растворяющем объеме гидромассу фильтруют. Равновесная концентрация индикатора в фильтрате С2 определяется с помощью рефрактометров (сахариметров).

Расчет количества связанной воды тс. в ведется по формуле:

mс.в. =

где первый член соответствует общему содержанию воды в анализируемой навеске, второй -- количеству воды, растворяющей индикатор. Содержание связанной воды определяется из соотношения

где mс -- масса сухого вещества в образце торфа.

Если для анализа берется сухой торф, то он сорбирует чаcть влаги из раствора. Поэтому концентрация индикатора в процессе взаимодействия воды с таким торфом повышается (с2> с1). Наоборот, если торф влажный, то с2< с1, так как часть содержащейся в нем слабосвязанной воды разбавляет раствор сахара. Применение растворов с различной концентрацией индикатора позволяет определять отдельные формы связи влаги с торфом. В области малых концентраций индикатора (например, сахара — С1? 1−2%) можно оценить суммарное содержание в торфе категорий воды слабой связи: внутриклеточной, иммобилизованной и осмотической При C1? 10−15% определяется в основном содержание физико-химически связанной, а иногда и осмотической воды в торфе, т. е. так называемой прочносвязанной

Список использованных источников

1. Архипов В. С. Определение адсорбционной способности торфа по метиленовому голубому. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Химическая технология первичной и глубокой переработки нефти и газа» специальности 240 403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — 28 с.

2. Лиштван И. И., Базин Е. Т., Косов В. И. Физические свойства торфа и торфяных залежей. — Минск: Наука и техника, 1985. — 240с.

3. Физика и химия торфа: Учеб. Пособие для вузов/ Ф 50 И. И. Лиштван, Е. Т. Базин, Н. И. Гамаюнов, А. А. Терентьев. — М.: Недра, 1989. — 304 с. :ил.

4. Гордеев П. В., Шемелина В. А., Шулякова О. К. Гидрогеология. — М.: Высшая школа, 1990. — 448с.

. ur

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой