Электрофизические свойства переработанных отходов кедрового промысла

Введение. На территории Сибирского федерального округа кедровые деревья занимают сегодня примерно 11,9 % от площади всей лесной зоны и 50 % от всей площади Иркутской области [1]. Урожай кедрового ореха варьирует в зависимости от температурно-влажностного режима и гелиогеофизических условий, влияющих на конфигурацию ионосферных слоев [2]. Поэтому переработка отходов кедрового промысла (шишек и скорлупы кедровых орехов) сегодня весьма актуальна. Богатая микроэлементами кедровая мука, являясь экологически чистой кормовой добавкой с широким диапазоном электрофизических и химических свойств, играет значимую роль в рационе кормления сельскохозяйственных животных, пищевой промышленности и медицинской практике [3]. Экспериментально установлено, что использование в экструзионных технологиях злаковых культур нетрадиционных поликомпонентных смесей зерновых является весьма эффективным способом повышения их питательной ценности, а качественные показатели многокомпонентных экструдированных смесей характеризуются оптимальным содержанием обменной энергии [4, 5]. Поэтому в качестве минерально-витаминной добавки измельченная кедровая скорлупа просто незаменима, так как ее биохимический состав очень богат [3].

Цель исследования – изучение энергетических и электрофизических свойств переработанных отходов кедрового промысла на примере измельченной скорлупы кедрового ореха в широком частотном диапазоне для образцов с разной степенью фракций.

Задачи: определение оптимального размера частиц механоактивированной кедровой скорлупы в целях полноценного сохранения ее энергетических свойств, экономии энергоресурсов и повышения энергетической ценности продукта.

Объекты и методы. Объектом исследования является скорлупа кедрового ореха, подверженная механоактивации до различной степени фракций. Для эксперимента подготовлено 6 образцов измельченной скорлупы с размерами частиц от 1000 до 50 мкм. Измерение электрической емкости и проводимости проводилось при помощи измерителя иммитанса напряжения Е7-20 и специально сконструированной измерительной ячейки в виде плоского конденсатора на экспериментальной установке, схема которой приведена в работах [6, 7] в широком частотном диапазоне от 50 Гц до 1 Мгц при комнатной температуре 20 °С и влажности 8 %. Измельченная скорлупа кедрового ореха рассматривалась в качестве сложного по составу полярного диэлектрика, особенности которого можно объяснить вкраплением смол природного происхождения в его структуру. Сложная смесь химически разнородных компонентов с разной диэлектрической проницаемостью влияет в целом на электрофизические свойства исследуемого вещества и итоговую диэлектрическую проницаемость.

В качестве основного метода исследования в работе для изучения энергетических свойств измельченной кедровой скорлупы применялся метод диэлькометрии, позволяющий оптимально исследовать свойства и структуру вещества [8]. Аналогичные исследования диэлектрических свойств на примере зерновых культур, включая исследование температурной зависимости и рассмотрение возможности появления электрического тока в мелкодисперсной среде при отсутствии внешнего напряжения, проведены в работах [7, 9]. Помещая переработанную при помощи механоактивации кедровую фракцию между пластинами плоского конденсатора, с помощью лабораторной установки [6] проведены измерения для 6 механоактивированных образцов с разной дисперсностью частиц. В работах [10, 11] установлено, что данный способ позволяет повысить энергетические показатели вещества благодаря разрыву ковалентных связей и появлению сколов и трещин, играющих роль энергетических ловушек и активно участвующих в адсорбции влаги веществом.

Результаты и их обсуждение. Полученные в результате эксперимента данные по измерению электрической емкости и проводимости переработанной скорлупы кедрового ореха позволили рассчитать диэлектрическую проницаемость ε и диэлектрические потери tgδ. Установлена зависимость диэлектрической проницаемости, связанной с энергетическими свойствами исследуемой среды, от гранулометрического состава частиц. На рисунке 1 приведена частот- ная зависимость ε от степени измельчения для 6 размеров фракций исследуемого вещества. Четко прослеживается факт монотонного понижения электрофизических показателей с ростом частоты для всех образцов, наиболее явно выраженный для частиц более крупного размера (от 250 мкм и выше). Данный факт противоречит данным исследований в работах [10,11], в которых наибольшие энергетические показатели соответствуют более мелкоразмерным образцам. Очевидно, уменьшение ε для более мелкодисперсных образцов можно объяснить наличием достаточно большого количества смол и эфирных масел в скорлупе кедрового ореха, обволакивающих сколы и грани измельченного жмыха и оказывающих выраженное влияние на его энергетические свойства и электропроводность в том числе [12]. Учитывая тот факт, что смола фактически является диэлектриком с очень низкой диэлектрической проницаемостью, автор предполагает, что именно этот фактор является определяющим в понижении диэлектрических характеристик исследуемой среды. Смола покрывает сколы и трещины измельченной скорлупы, препятствуя активному протеканию поляризационных процессов в данной ме-ханоактивированной среде, в том числе с ростом частоты внешнего электрического воздействия (например, при сушке).

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости кедровой скорлупы от частоты для разного размера частиц: образец 1 – более 1000 мкм; образец 2 – от 500 до 1000; образец 3 – от 250 до 500; образец 4 – от 250 до 100; образец 5 – от 100 до 50; образец 6 – менее 50 мкм

На рисунке 2 приведена экспериментальная зависимость диэлектрических потерь исследуемых образцов переработанной скорлупы кедрового ореха для 6 образцов с разной степенью измельчения в диапазоне частот от 50 Гц до 1 Кгц. Анализ полученных результатов позволяет подобрать эффективный энергосберегающий режим в случае необходимости длительного хранения и проведения сушки исследуемого вещества. Установлено, что диэлектрические потери монотонно понижаются с ростом часто- ты, при этом следует отметить наиболее явно выраженную зависимость для крупноразмерных образцов с размером частиц более 250 мкм. Данные потери можно объяснить наличием электрической проводимости в среде и постепенно устанавливающейся поляризацией, определяющей нагрев исследуемого образца. Отмеченные вариации (понижение ε и tgδ) с ростом частоты электрического поля можно связать с процессом разрушения ориентации диполей в рассматриваемой гетерогенной среде.

Рис. 2. Зависимость диэлектрических потерь образцов кедровой скорлупы от частоты для разного размера фракций: образец 1 – более 1000 мкм; образец 2 – от 500 до 1000; образец 3 – от 250 до 500; образец 4 – о 250 до 100; образец 5 – от 100 до 50; образец 6 – менее 50 мкм

Заключение. Результаты проведенного эксперимента показали наличие четко выраженной корреляции диэлектрических характеристик переработанной кедровой скорлупы с размером механоактивированых частиц. Энергетические свойства измельченной кедровой оболочки ослабляются при степени измельчения частиц менее 250 мкм и сглаживаются с ростом частоты.

Таким образом, при переработке отходов кедрового промысла (скорлупы кедровых орехов) в целях экономии энергоресурсов и повышения энергетической ценности продукта достаточно измельчить скорлупу до среднего размера частиц около 250 мкм, если это не противоречит техническим условиям переработки и требованиям при изготовлении необходимой продукции.