Поэтому исследования в этой области являются актуальной задачей.

2. Исследовательская часть

2.1.1. Цель и задачи работы, объекты исследования

Целью работы является химическая модификация отходов сельскохозяйственного производства для создания на их основе материалов различного функционального назначения.

Объектами исследования являются:

1. Отходы обмолота проса (ООП).

ООП являются отходами, образующимися в процессе обмолота сельскохозяйственных культур (просяной крупы) и представляют собой разрушенную внешнюю оболочку, защищающую зерно.

Частички ООП имеют лепесткообразную форму со средними размерами: длина 3-4 мм, толщина 0,1 мм.

По химическому составу они представляют собой в основном крахмал, клетчатку и пентазан -70-80% [36,37], включают 13-14% воды и незначительное количество минеральных веществ.

Насыпная плотность измельченного ООП 174 кг/м3.

ООП не растворяются в воде, в кислотах обугливается, в минеральных кислотах - не растворяется, отмечено незначительное изменение массы в ледяной уксусной и концентрированной муравьиной кислотах.

2. Серная кислота (H2SO4) ГОСТ 127.1-93-127.5-93

3. Азотная кислота (HNO3) ГОСТ 701-89

2.2. Методы и методики исследования

Методики испытаний по ГОСТ

Физические, физико-химические и физико-механические свойства определяли в соответствии со стандартными методиками:

Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС) [35-37]

Для изучения взаимодействия компонентов композиций применяли метод инфракрасной спектроскопии (ИКС), выполняемый на приборе “Spekord” с приставкой “MJR-4” с призмой KRS-5 c 18 отражениями. Образцы готовили в виде таблеток, полученных прессованием при давлении 2 МПа.

Метод термогравиметрического анализа [38]

Изменения массы, скорости изменения массы и величины тепловых эффектов при воздействии на полимеры повышенных температур изучали методом термогравиметрического анализа с использованием дериватографа “Q-1500D” системы Паулик - Паулик - Эрдей [5].

Образцы массой 0,2 г нагревали в среде воздуха до 1000С с постоянной скоростью нагрева - 10/мин. Чувствительность по каналам ДТГ - 1mv; ТГ - 500 mv; ДТА - 500 mv. Точность измерения - 0, 1%.

Метод оптической микроскопии [39,40]

Микроскопические испытания проведены на микроскопе “ МБС-5” в прямом свете, с увеличением от 50 до 500 крат.

Метод определение насыпной плотности [41]

Насыпная плотность выражается массой единицы объема (кг/м3) свободно насыпанного материала.

Согласно ГОСТ 11035--64 испытуемый порошкообразный материал засыпают из конической ворон-ки, укрепленной на штативе над измерительным цилиндром на расстоянии 20--30 мм. Объем измерительного цилиндра 100 см3, внутренний диаметр 45 мм. Цилиндр и воронку изготавливают из стекла или металла. Диаметр нижнего отверстия воронки 35 мм.

Ход определения. Закрыв нижнее отверстие воронки, засыпают в нее порцию испытуемого материала, после чего ука-занное отверстие вновь открывают и дают материалу высыпать-ся в предварительно взвешенный измерительный цилиндр. По-стукивание и встряхивание цилиндра не допускается. и напол-ненный сосуд взвешивают с точностью до 0,1 г.

Насыпную плотность в кг/м3 рассчитывают по формуле:

где m1 - масса измерительного цилиндра; m2 - суммарная масса пробы и измерительного цилиндра.

Ежегодно на территории РФ в результате сельскохозяйственной переработки накапливается много отходов, причем только отходов обмолота проса примерно 117тыс.т.

В ходе работы определена полидисперсность образцов, последовательно обработанных при Т= 600С и серной кислотой, как неизмельченных, так и подвергнутых измельчению рис.3.

Распределение частиц по размерам

1. измельченные

2. неизмельченные

После измельчения состава содержание более крупнодисперсных фракций меньше, и образуются частицы размером 1*10-6-10-7м.

В литературе [44] описано получение активных углей после обработки растительных отходов термической обработкой и серной кислотой.

Из данных оптической микроскопии видно, что образцы подвергнутые обработке серной кислотой (рис. 5) и комплексно (рис. 6) ( Т=600 ?С и серной кислотой ) имеют измененную морфологию поверхности по сравнению с исходными ( рис.1). А также, образцы после комплексной обработки имеют большой разброс по размерам.

Изменения в химическом составе ООП как после термовоздействия, так и после обработки серной кислоты исследовались методами термогравиметричекого анализа.

При термораспаде полисахаридов в результате разрыва кислород-углеродных связей происходят три основных процесса: дегидратация, деполимеризация и затем глубокая деструкция с разрушением циклов и образование различных продуктов распада.[14]

В результате дегидратации (200-250?С) образуются сопряженные ненасыщенные структуры, формирующие при пиролизе карбонизованный остаток. Дегидратация это цепной радикальный процесс. При дегидратации протекают три типа реакций: внутримолекулярная с отщеплением воды и появлением двойной связи, внутримолекулярная с образованием внутрициклической эфирной связи и межмолекулярная с образованием межмолекулярной эфирной связи

Деструкция исходных ООП начинается 160?С, потери массы по завершению основной стадии деструкции составляют 62%.

Воздействие температуры в 250?С при продолжительности термообработки 90 мин. существенно не влияют на термостойкость образцов. У образцов обработанных как разбавленной, так и концентрированной серной кислотой, отмечены существенные отличия в термостойкости в сравнении с исходным ООП. О чем свидетельствует повышение начальной температуры разложения основной стадии деструкции. Снижаются потери массы в широком интервале температур. Предположительно этот процесс соответствует процессу окисления отходов и образованию графитовых структур.

Таблица 3.

Показатели пиролиза

На первой стадии, при воздействии температур на образцы, удаляется сорбированная вода, содержание которой составляет ~ 8 %. Начальная температура разложения отходов обработанных концентрированной H2SO4 составляет 250С, с большими потерями массы. Для термообработанных при более высоких температурах (600С) и окисленных отходов наблюдается повышение начальной температуры деструкции до 300С и снижение потери массы.

Изменения в структуре материала исследовали также методом ИКС. Показано наличие в спектрах ИКС, (рис.6) исходных ООП глубокой полосы поглощения в области 3200 - 3500 см-1, связанных водородными связями ОН? групп. Полосы поглощения при 2923 см-1 следует отнести к валентным колебаниям СН3 групп, а при 2853 см-1 -к валентным колебаниям СН2 групп. Обнаружены также валентные колебания кольца при 1090 см-1, и мостика ( -С-О-С- ) при 1060 см-1 и 898 см-1 .

При термической обработке ООП, основным составляющим которых является целлюлоза, в интервале 300-500С происходит зарождение микроструктуры углерода. Происходит дегидратация, гомолитический разрыв наименее прочных С-О-С и С-С связей внутри кольца и рекомбинация короткоживущих свободных радикалов с образованием графитизированных слоев.

У термообработанных при 400?С ООП, кр.4, уменьшается интенсивность полосы поглощения ОН групп, практически исчезают полосы, соответствующие поглощению - С - О - С - глюкозидной связи (1060 и 898 см-1) и увеличивается интенсивность колебаний СН2 групп (2853 см-1).

По данным ИКС при термической обработке отходов высокими температурами (400, 500, 600С), в составе всех образцов сохраняется органическая составляющая, т.к. сохраняются валентные колебания СН-связей СН2-групп. Происходит уменьшение содержания групп - OH при (3411см-1), CH3 при (2923см-1), CH2 при (2853см-1), CH при (3056см-1), увеличивается интенсивность пика при 1060см-1, который соответствует колебанию С-О-С связи. С увеличением температуры все эти явления наблюдаются в большей степени. Тоже наблюдается при комплексном воздействии термообработки и окисления. Это происходит в результате внутримолекулярной реакции с образованием внутрициклических эфирных связей. При коротком времени воздействия повышенными температурами происходит дегидратация, за счет этого возрастают пики колебания С-О-С связей с последующим разрывом основной цепи. В результате повышается термостабильность.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6