Исследование форм связи влаги в рапсе методом термогравиметрического анализа

Термогравиметрический (ТГА) анализ является прецизионным методом анализа и совершенным экспериментальным методом, который заключается в измерении зависимости массы образца от температуры среды в которую он помещен при постоянной скорости изменения температуры.

При этом влияние размера частиц на результаты термогравиметрического измерения довольно мало изучены. Размер частиц влияет на процесс диффузии выделяющихся газов, что сказывается на скорости реакции и соответственно на форме кривой. Чем меньше размер частиц, тем быстрее достигается равновесие и

тем больше для любой заданной температуры степень разложения.

Для нахождения рациональных режимов сушки семян рапса необходимы исследования форм связи влаги с материалом и определения температурных режимов, на которых происходит структурное изменение продукта. В основе данной работы лежит метод термограметриче-ского анализа, который позволяет получить данные о механизме влагоудаления, выявить температурные режимы, а также количество влаги, удаляемой из материала.

Материалы и методы

В представленном исследовании все измерения проводились на приборе синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter (NETZSCH, Германия) (рисунок 1, 2) с держателем образца типа S в алюминиевом тигле с проколотой крышкой, измерения проводились в среде азота класса 5,0 (расход активного газа 50 мл/мин, защитного – 20 мл/мин).

Рисунок 1. Прибор синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter

Figure 1. Simultaneous thermal analysis device STA 449 F3 model Jupiter

Используемый термоанализатор состоит из весовой системы, держателя образца, который размещается в камере печи и подъемного устройства печи. Запуск измерения, регистрация и контроль показаний массы, температуры и времени производились с помощью программного обеспечения Proteus, установленного на персональный компьютер. [1, 2, 5].

Принцип работы термического анализатора основан на непрерывной регистрации зависимости массы материала, изменяющейся во времени, от температуры при его нагревании в соответствии с заданной температурной программой в выбранной газовой атмосфере [1, 2, 5].

Исследования проводили при следующих режимах: давление – атмосферное, максимальная температура 413 K, скорость изменения температуры 5 °С/мин. [3] В опыте использовали алюминиевые тигли с общей массой навески 12 мг.

Рисунок 3. Экспериментальные зависимости изменения массы образца ТГ и скорости изменения массы ДТГ

Figure 3. Experimental dependences of the mass change of the sample TG and the rate of mass DTG change

Рисунок 2. Внутреннее устройство прибора синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter

Figure 2. The internal structure of the device simultaneous thermal analysis model STA 449 F3 Jupiter

На рисунке 3 представлены результаты, полученные в ходе выполнения термогравиметрического анализа: кривая изменения массы материала ТГ, кривая скорости изменения массы ДТГ. Из графика кривой ТГ видно, что в процессе нагрева материала наблюдается монотонное уменьшение массы образца, что связано с потерей влаги. С целью получения зависимости степени изменения массы материала (степени превращения) α от температуры используется часть кривой изменения массы ТГ, соответствующей процессу дегидратации.

Степень изменения массы α рассчитывается как отношение изменения массы материала ∆ m общ :

Построенная зависимость имеет S-образный вид (рисунок 4) , отражающий нелинейный характер взаимодействия влаги и сухих веществ в материале, и предполагает разные участки полученной кривой с различными скоростями дегидратации.

Для установления четких интервалов температур и получения подробного механизма удаления влаги, а также количества влаги, удаляемой из материала, используется кривая зависимости (-lg а ) от величины 10 3 /T (рисуно к 5) .

Δ m

Рисунок 4. Зависимость степени изменения массы а от температуры T материала при нагревании со скоростью 5 °С /мин

Figure 4. The dependence of mass α change degree on the temperature T of the material being heated with at 5 °C/min speed

Рисунок 5. Зависимость (-lg α) от величины 10³/T при нагревании со скоростью повышения температуры 10 K/мин I,II,III – 1, 2 и 3 периоды сушки

Figure 5. The dependence of (-lg α) on the value of 103/T being heated with a rate of temperature rise of 10 K/min 1, 2 and 3 periods of drying

На рисунке 5 видно, что удаление влаги из рапса происходит ступенчато. Рассмотрим более подробно каждый из участков. На I этапе (интервал температур 301–315 K) материал нагревается и удаляется из двух образцов рапса равномерно физико-механически связанная влага, имеющая невысокую энергию связи с материалом. На II этапе (интервал температур 315–398 K) удаляется осмотически связанная влага, в свежем рапсе связь влаги с материалом слабее, чем в прошлогоднем. III этап (интервал температур 398–408 K) характеризуется освобождением адсорбционно-связанной влаги, в свежем рапсе адсорбционная связь сильнее, чем в прошлогоднем. При дальнейшем увеличении температуры начинается удаление химически связанной (полиадсорбцонной и моноадсорбци-онной) влаги, происходит деструкция материала с выделением газообразных составляющих.