Термический анализ кизельгурового шлама

Повышение эффективности процессов сушки и сушильного оборудования является комплексной задачей, направленной на обеспечение качества продукции, снижение мате-риало-, энерго- и ресурсоемкости техники.

В данной работе представлены материалы исследования процесса внешнего и внутреннего тепломассопереноса методом дериватографического анализа в условиях термического воздействия на продукт. Проведение дериватографического анализа позволяет изучить характер связи влаги с выявлением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.

Экспериментальное получение кинетических кривых сушки пищевых материалов является реальной базой для уточнения сложных механизмов внутренних термодинамических и физико-химических процессов в капиллярнопористых средах; для получения теплофизических характеристик исследуемых материалов для дальнейшего развития аналитической теории расчета процессов тепломассопереноса при сушке, а так же для разработки, расчета и проектирования сушильного оборудования [1].

Объектом исследования являлся кизельгуровый шлам – побочный продукт пивоваренного производства.

Шахов С.В., Жигулина М.О., 2013

Исследование закономерностей теплового воздействия на кизельгуровый шлам осуществляли методом неизотермического анализа на комплексном термоанализаторе TGA-DSC фирмы Mettler-ToledoSTAR ^е в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 К/мин до 1273 К [1].

Прибор фиксирует изменение массы вещества и изменение температуры при контролируемой температурной обработке в определенной газовой среде. Исследования осуществляли в алюминиевых тиглях с общей массой навески – 35,2424 мг. Применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения массы образца, скорости изменения температуры или энтальпии и изменения массы (кривые TGA, DTA и DTG).

Количественную оценку форм связи влаги в продукте осуществляли по экспериментальным зависимостям изменения массы образца TGA , скорости изменения температуры DTA и скорости изменения массы DTG (рисунок 1), полученным методом термогравиметрии [2].

В процессе увеличения температуры наблюдается уменьшение массы образца (кривая TGA), связанное с потерей влаги. Зависимость скорости изменения температуры DTA характеризуется эндотермическим эффектом в интервале температур 295…443 К, который

ВестникВГУИЖ №2, 2013

соответствует максимальной скорости дегидратации продукта и сопровождается интенсивной потерей массы образца.

Рисунок 1 - Экспериментальные зависимости изменения массы образца кизельгураТОЛ, скорости изменения температуры DTA и скорости изменения массы DTO

Оценку массы кинетически неравноценных молекул воды в продукте осуществ-ляли по экспериментальным кривым TGA методом неизотермического анализа [1].Участок кривой изменения массы TGA , соответствующий процессу дегидратации (рисунок 1), преобразуется в зависимость степени превращения вещества а от температуры T . На кривой TGA при определенных значениях температуры находят изменение массы A m i , соответствующее количеству выделившейся воды при температуре T i (рисунок 1). Степень пре-врaщeʜия α рaссчитыʙaeтся кaк отношeʜиe массы A m i , к общему количеству воды, содержащейся в образце A m _max :

Δ m α = ⁱ

Δ m

max

Полученная зависимость степени превращения вещества а от температуры Т (рисунок 2) имеет вид, отражающий сложный характер взаимодействия воды и сухих веществ кизельгура, и предполагает разную скорость дегидратации.

Для получения данных о механизме вла-гоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и массовой доли влаги, десорбированной примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах (-lga )-(103/Т). Зависимость (-lga ) от величины 103/Т (рисунок 3) выполне- на для интервала 270 - 500 К. На рисунке 3 видны три линейных участка для кизельгурового шлама, что свидетельствует о ступенча-том выделении воды. Каждой из ступеней де-гидрaтaции соотвeтствуeт процeсс выдeлeʜия воды с различной энергией связи.

вещества от температуры Т исследуемого кизельгу рового шлама при нагревании со скоростью подъ-ема температуры 3 К/мин

Рисунок 3 - Зависимость ( -lga) от величины ¹⁰ / T при нагревании со скоростью подъема температуры 3 К/мин

При температуре 295^351 К (участок 1 на рисунке 3) происходят нагрев и удаление свободной воды (механически и осмотически связанной влаги), имеющей невысокую энергию связи с продуктом. Высвобождается вода, обрaзующaя aжурную сeтку из aссоциaтов молекул воды, связанных между собой водородными связями. При этом десорбция капиллярной воды xaрaктeризуeтся болee ʜизкими вeличиʜaми эʜeргии aктивaции по срaвнeʜию с водой, высвобождающейся на второй ступени процесса. При температурах 351...419 К (участок 2 на рисунке 3) осуществляется десорбция осмотической влаги кизельгура. Интервал температур 419... 443 К (участок 3 на рисунке 3) характеризуется высвобождением адсорбционной влаги, а по мере приближе- ния значения температуры к верхней границе интервала – удалением внутренней осмотической и адсорбционной влаги кизельгура. При этом возможно частичное разложение вещества. С увеличением температуры выше 443 К происходит значительная деструкция веществ с посл едующим обугливанием продуктов.

Эндотермический эффект на кривой DTA сопровождается изменением массы и эффектом на кривой DTG, что позволяет определить начало и окончание изменения энтальпии.

Проведенный анализ полученных данных позволил выделить периоды дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на кизельгуровый шлам, а также выявить температурные зоны, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией связи, что позволит прогнозировать режимные параметры процесса сушки и прожига и выбрать среди них наиболее эффективные.