CC BY
143
УДК 004
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ЭМУЛЬСИЙ С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА И МЕТОДОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАФИИ
19 1 л
© В.В. Алексеенко1, Д.В. Воронов2, М.Д. Каташевцев3, А.Н. Пахомовский4
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлена работа программы по автоматизированному распознаванию объектов по цифровой фотографии на примере исследования битумных эмульсий. Получены результаты обработки изображения: средний размер частиц, среднеквадратическое отклонение. Изучено влияние вязкости битума на размеры битумных частиц эмульсии, получаемой методом диспергирования.
Ключевые слова: битумная эмульсия; оптическая микроскопия; диспергирование; дисперсия частиц; степень распада эмульсий; устойчивость эмульсий.
STUDY OF EMULSION GRANULOMETRIC COMPOSITION BY MEANS OF AN OPTICAL MICROSCOPE AND A METHOD FOR AUTOMATED RECOGNITION OF OBJECTS IN DIGITAL PHOTOS V.V. Alekseenko, D.V. Voronov, M.D. Katashevtsev, A.N. Pakhomovskiy
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper describes the operation of a program for automated recognition of objects in digital photos for the case study of bitumen emulsions. The results of image processing including the average particle size and root-mean-square deviation are obtained. The influence of bitumen viscosity on the size of bitumen emulsion particles obtained by the dispersion method are studied.
Keywords: bitumen emulsion; optical microscopy; dispersion; dispersion of particles; rate of emulsion decay; emulsion stability.
Эмульсии используются в дорожном и гражданском строительстве в качестве связующих с различными наполнителями, а также в качестве гидроизоляционных и лакокрасочных материалов. При любых технологиях применения эмульсий сталкиваются с одними и теми же проблемами, касающимися подбора состава, приготовления, определения физико-механических характеристик, стабильности, контроля их распада и получения продукции с необходимыми свойствами [1]. Далее мы будем рассматривать только прямые битумные и битумно-латексные эмульсии, которые являются наиболее крупнотоннажным продуктом: мировое потребление составляет миллионы тонн в год.
Традиционные методы оценки свойств битумных эмульсий включают: определение содержания вяжущего вещества с эмульгатором, устойчивости эмульсии при перемешивании, остатка на сите, условной вязкости, адгезии эмульсий с поверхностью наполнителей, устойчивости при хранении и транспортировке и т.п. [2]. Наряду с традиционными методами изучения качества эмульсии, во многих приложениях желательно знать более тонкие характеристики, например, функцию распределения по размерам. Эта характери-
стика является одним из важнейших параметров и позволяет предсказывать большинство свойств эмульсии. Обычно размер частиц оценивают с помощью определения остатка на сите с заданным размером ячейки, но такой метод позволяет оценить только верхний предел размеров частиц эмульсии. Полная картина распределения частиц по размеру может быть представлена с использованием таких технических приемов, как рассеяние света, микроскопия с анализом изображений, или же с помощью техники электроозонирования («техники Культера» - Coulter). Точный анализ размеров частиц битумной эмульсии позволит решить многие проблемы, которые в настоящее время являются актуальными в сфере производства битумных эмульсий:
- Влияние эмульгатора и его концентрации на размер битумных частиц эмульсии.
- Влияние модифицирующих битум-добавок на качество получаемой эмульсии.
- Корректировка технологической схемы производства эмульсии.
- Влияние размера битумных частиц на основные физические свойства эмульсии.
1Алексеенко Виктор Викторович, кандидат химических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, тел.: (3952) 405139.
Alekseenko Viktor, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Automobile Roads, tel.: (3952) 405139.
2Воронов Дмитрий Валерьевич, студент, тел.: (3952) 405139.
Voronov Dmitry, Student, tel.: (3952) 405139.
3Каташевцев Михаил Дмитриевич, аспирант, тел.: (3952) 405139.
Katashevtsev Mikhail, Postgraduate, tel.: (3952) 405139.
4Пахомовский Александр Николаевич, аспирант, тел.: 89500925677.
Pakhomovskiy Alexander, Postgraduate, tel.: 89500925677.
Описание методики распознавания частиц эмульсии. Оптическая микроскопия является наиболее удобным и точным способом распределения частиц по размерам. Например, если при использовании метода «рассеяние света» могут возникнуть проблемы с отражением света от черных поверхностей, какими являются частицы битума, то в способе микроскопии, при высоком контрасте черного цвета, напротив, частицы от среды, в которой они находятся, отличаются наиболее четко (рис. 1).
определения скорости распада [2].
Гибкость настроек программы позволяет редактировать изображение вручную, убирая «мнимые частицы», затемненные области и другие недочеты фотосъемки. После чего происходит автоматический подсчет частиц и построение графика функции распределения по размерам, рис. 5. Также следует отметить, что для данной программы не требуется специализированного оборудования. Необходим оптический микроскоп с поддержкой передачи оцифрованного изоб-
Рис. 1. Скриншоты программы «анализ изображений»
На скриншотах представленной нами программы видно, что в проходящем свете (справа) частицы легко отличить друг от друга, но для получения такого изображения необходимо создать некоторое пространство между ними, в противном случае получатся следующее изображение (рис. 2).
ражения на компьютер с операционной системой Windows или Linux. Пользователь выбирает нужное увеличение и делает такое количество фотографий эмульсии, при котором дальнейший анализ изображений даст наиболее подробную картину распределения частиц по размерам.
Рис. 2. Концентрированная битумная анионная эмульсия в отраженном свете (микроскопическая съемка)
Поэтому перед микроскопическими исследованиями образцы эмульсии распределяют небольшим количеством (концентрация от 1:100-1:50) в специальном стабилизирующем растворе. Необходимость данной процедуры объясняется тем, что частицы битума могут слипаться под стеклышком, а отсутствие сцепления между ними осуществляется за счет pHсреды, в которой они будут находиться. Для анионных эмульсий это pH-щелочной раствор, для катионных - pH-кислотный. На рис. 3 показаны частицы битума в эмульсии. Одним из недостатков программы является сложность определения распавшихся частиц (рис. 4). Хотя в таких случаях необходимость в измерении размера частиц эмульсий отпадает, в дальнейшем программа сможет определять степень распада, что, в свою очередь, станет аналогом стандартного метода
э о agn о
■ж 'i
£ олЯ- 1ло
Рис. 3. Частицы битума
Рис. 4. Распавшиеся частицы битума (микроскопическая съемка)
Рис. 5. Работа программы
Рис. 6. Проверка работы программы
Для проверки работы программы использовались специальные тестовые данные.
На рис. 6 приведены два графика: тот, что сильнее смещен влево, соответствует исходным автосге-нерированным данным; смещенный вправо - распознанным. Формы графиков практически идентичны. Смещение, как правило, вызвано ошибками округления при распознавании объектов. В табл. 1. приведена информация об исходном и распознанном распределениях для рис. 6.
Вторым фактором (первый - ошибки округления), отрицательно влияющим на качество распознавания, является наличие слипшихся частиц. На рис. 7 приведены два графика: исходного (более сплющенный) и распознанного распределения частиц (тот, что повыше). Заметное различие между графиками обусловлено тем, что при распознавании слипшиеся объекты не
учитываются.
Из табл. 2 видно, что, несмотря на то, что почти половина частиц не была распознана, характеристики распределения были определены достаточно точно к исходным, а погрешность составила около 4-5%.
Получение высококачественной, долговечной битумной эмульсии зависит в основном от вязкости битума, поступающего в диспергатор вместе с раствором ПАВ, а также от скорости вращения и вида диспергирующих элементов. После выхода готовой эмульсии из диспергатора необходимо оценить ее качество. Внешние признаки распада эмульсии видны невооруженным глазом, но, если речь идет о количественном сравнении двух визуально схожих эмульсий, то в таком случае применение программы для анализа размера частиц будет весьма кстати.
Таблица 1
Анализ распределения частиц на рис. 6_
График Минимальный размер частиц, мкм Максимальный размер частиц, мкм Среднее значение, мкм Среднеквадратичное отклонение, мкм Всего частиц
Исходный 0.87 2.87 1.69 0.42 500
Распознанный 0.87 2.69 1.59 0.41 493
Рис. 7. Проверка работы программы при наличии слипшихся частиц
Таблица 2
Распределение частиц на рис. 7_
График Минимальный размер частиц, мкм Максимальный размер частиц, мкм Среднее значение, мкм Среднеквадратичное отклонение, мкм Всего частиц
Исходный 0.87 2.98 1.71 0.44 100
Распознанный 0.87 2.52 1.6 0.46 57
Определение среднего размера и дисперсии частиц битумной эмульсии на модифицированном битуме. Стабильность эмульсии в большой степени определяется размером частиц, который, в свою очередь, зависит от вязкости исходного битума. Во многих практических ситуациях необходимо получать мелкие (1-5 мкм) частицы эмульсии, что дает очень хорошую стабильность при хранении и необходимое обволакивание заполнителей. Однако для получения таких эмульсий необходимо специализированное дорогостоящее оборудование, так как стандартные дис-пергаторы, на которых дорожники производят битум-
ные эмульсии, позволяют вырабатывать частицы среднего размера, примерно 10-20 мкм. Одним из возможных способов уменьшения размеров частиц эмульсии может являться понижение вязкости битума. Кроме того, эмульсии на разжиженных битумах имеют лучшие гидроизоляционные свойства. Поэтому в нашей работе большое внимание уделяется изучению влияния разжижителей на размер частиц битумной эмульсии. На рис. 9 и в табл. 4 приведены результаты анализа смеси ЭБА-1 на олифе (5%), а на рис. 8 и в табл. 3 - ЭБА-1, без разжижения, полученные в лабораторных условиях.
Таблица 3
Распределение частиц на рис. 8_
Среднее значение, мкм Среднеквадратичное отклонение, мкм Всего частиц
12.86 5.06 108
Таблица 4
Распределение частиц на рис. 9_
Среднее значение, мкм Среднеквадратичное отклонение, мкм Всего частиц
11.56 6.99 89
Рис. 8. ЭБА-1
V Ьдоо» -тшщя&^шш^ Файл Вид Анализ Частицы Помощь Обработса изображения частицы
: a
21 17.} количество: 89 р: 12.56 0:6.99
jj 10'5 7 3.S / 1 \ / Л
б 12 18 24 30 ра»*р (в pw) 36
■1 > ЭБА-1 проба 1 от 04 10.2013jpg SAVE
LOAD
Обновить набор Отчистить
ЭБА-1 проба 1 от 04.10.2013jpg
|гти>9е3.рпд ЭБА-1 проба 1 от 04.10.2013.jpg С
•
V? о 0 0 О в о
8 О о О о '
• °о О
0 в о "о0 О 0 4 0 0 • в
I) 0 • 0 ©
о О • , О о
0 '( 9 • *
3»е 0
о 0 Ъ о •
о & со 0 О * О 0 о „ 0 А ° О. О 0 О • 0 %
. % • •
Рис. 9. ЭБА-1 на битуме, разжиженном олифой (5%)
Заключение. Таким образом, в нашей работе продемонстрировано, что с помощью программы обработки цифровых изображений можно определять средний размер и дисперсию частиц прямых битумных эмульсий. Для нескольких видов эмульсий на модифицированных битумах были определены размеры частиц и показано, что размер частиц уменьшается с уменьшением вязкости битума. Дисперсия при этом, напротив, немного возрастает. Но даже для самого жидкого битума на данном диспергаторе размер ча-
стиц не может быть сильно уменьшен.
Следует отметить, что такие приемы, как измерение размера или распределения частиц по размеру, рассмотренные в статье, служат хорошим подспорьем при решении возникающих вопросов с вязкостью эмульсии, стабильностью при хранении, свойствами конечного продукта после нанесения эмульсии, а также для реализации контроля качества при производстве эмульсии.
Статья поступила 14.11.2014 г.
Библиографический список
1. Дорожные эмульсии: Энциклопедия. Т. 1 / Под ред. И.Н. Петухова. М.: БАРЕ, 1988.
2. ГОСТ Р 52128-2003. Эмульсии битумные дорожные прямые. Технические условия / СоюздорНиИ, РосдорНИИ: введ. 01.10.2003 взамен ГОСТ 18659-81. М.: Изд-во стандартов, 2003. 18 с.
3. Эшли Р., Колин Н. Микроскопические методы исследования материалов. Эберхардт, 2007.
4. Кемалов А.Ф. Интенсификация производства окисленных битумов, имодифицированные битумные материалы на
их основе: дис. ... доктора техн. наук. Казань, 2005, 363 с.
5. Сюняев З.И., Сюняев Р.З., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия, 1990. 226 с.
6. Туманян Б.П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем. М.: Техника, 2000.
7. Ферлонг С., Джеймс А., Калиновский Э., Томпсон М.. Вода, заключенная в каплях битумных эмульсий, и ее отношение к вязкости // Коллоиды и поверхности. 1999. Vol. 152. P. 147-153.
УДК 628.316
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОДОВОЗДУШНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ АЭРОТЕНКА-БИОРЕАКТОРА
© А.М. Зеленин1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Изучена водовоздушная регенерация иммобилизованного ила на ершовой загрузке аэротенка-биореактора. Получены зависимости удельного расхода воздуха в водо-воздушном факеле, выходящем из одной форсунки, от удельного расхода воды и давления в водном контуре подающей системы, включающей несколько форсунок. Определена эффективность регенерации инертной загрузки от количества работающих форсунок. Приведена зависимость объема жидкости биореактора, обрабатываемого одной форсункой при заданной эффективности регенерации.
Ключевые слова: аэротенк-биореактор; синтетическая ершовая загрузка; водо-воздушная регенерация загрузки; иммобилизованный ил; свободноплавающий ил; эффективность регенерации.
TECHNOLOGICAL ASPECTS OF WATER TO AIR REGENERATION OF AEROTANK-BIOREACTOR SYNTHETIC
LOADING
A.M. Zelenin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper studies water to air regeneration of the immobilized sludge on aerotank-bioreactor brush loading. It obtains the dependences of the specific air flow in a water to air torch ejected from a nozzle on the specific water flow and pressure in the water circuit of a feeding system including a fixed number of nozzles. The efficiency of inert loading regeneration depending on a number of operating nozzles has been determined. The dependence of liquid volume in a bioreactor that is processed by a single nozzle under the specified regeneration efficiency is given.
Keywords: aerotank-bioreactor; synthetic brush loading; water to air loading regeneration; immobilized sludge; free floating sludge; regeneration efficiency.
В современных условиях развития промышленности усиливается антропогенное воздействие на окружающую среду. Особенно плачевно ситуация складывается с загрязнением поверхностных водоемов, в которые производится сброс воды, использованной на производственные и хозяйственно-бытовые нужды. В этих условиях существенно изменились требования к эффективности работы сооружений по очистке сточных вод.
Одним из наиболее перспективных методов увеличения эффективности работы очистных сооружений является метод биологической очистки, базирующийся на использовании сообществ, прикрепленных и свободно плавающих микроорганизмов. Основным принципом данного метода является увеличение дозы активного ила в аэротенке с целью снижения удельной нагрузки на активный ил. Для стабильного повы-
шения дозы ила в аэротенке устанавливаются носители биомассы с большой поверхностью для обрастания биопленкой, что позволяет повысить эффективность биологической очистки за счет увеличения рабочей концентрации активного ила, а также повысить устойчивость сооружений биологической очистки при залповых сбросах экстраординарных (токсичных) загрязнений [2].
В качестве носителей микрофлоры используются как плавающие, так и фиксированно установленные насадки из различных материалов различной формы, позволяющие поднять дозу ила в аэротенке до 8-10 г/л без ухудшения работы вторичных отстойников [1]. Эффективным материалом для носителей биомассы, размещаемым в аэротенках, является загрузка типа ерш из капронового волокна, которая обеспечивает удержание значительного количества биомассы на
1Зеленин Александр Матвеевич, аспирант, тел.: (3955) 523484, 89025614470, e-mail: [email protected] Zelenin Alexander, Postgraduate, tel.: (3955) 523484, 89025614470, е-mail: [email protected]
