CC BY
33УДК 622.331.002.5
Мисников О.С.
Мисников Олег Степанович, д. т. н., доцент, заведующий кафедрой горного дела, природообустройс-тва и промышленной экологии Тверского государственного технического университета, г. Тверь. oleg. [email protected].
Гамаюнов С.Н.
Гамаюнов Сергей Николаевич, д. т. н., профессор, генеральный директор ООО «Научно-производственное объединение «Нисаба», г. Тверь. [email protected].
Тимофеев А.Е.
Тимофеев Александр Евгеньевич, к. т. н., доцент, доцент кафедры горного дела, природообустройс-тва и промышленной экологии Тверского государственного технического университета, г. Тверь. [email protected].
Misnikov O.S.
Misnikov Oleg S., Dr. Sc., Ass. Prof., Head of the Mining, Environmental Management and Industrial Ecology Department of the Tver State Technical University, Tver. [email protected].
Gamayunov S.N.
Gamayunov Sergey N., Dr. Sc., Prof., CEO of «Scientific and Production Association «Nisaba», LLC, Tver. [email protected].
Timofeev A.E.
Timofeev Alexander E., PhD in Engineering sciences, Ass. Prof. of the Mining, Environmental Management and Industrial Ecology Department of the Tver State Technical University, Tver. [email protected].
УВЕЛИЧЕНИЕ
ГИДРОФИЛЬНОСТИ
ТОРФЯНЫХ
ГРАНУЛИРОВАННЫХ
МЕЛИОРАНТОВ
ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПОВЫШЕННОЙ
ВЛАГОУДЕРЖИВАЮЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ ПОЧВ
Аннотация. В статье произведена оценка возможности применения торфяных гранулированных мелиорантов в решении задач по повышению удерживания влаги и предотвращению деградации почв при снижении органической части. Выполнен анализ водно-физических свойств торфяной продукции, в том числе их изменения в технологических процессах. Представлены результаты экспериментальных исследований по получению композиционной гранулированной продукции с глинистыми добавками, оценка водно-физических свойств гранул. Рассмотрены возможности управления гидрофильными свойствами гранулирован-
THE PEAT GRANULATED AMELIORANTS HYDROPHILICITY INCREASING FOR PROVIDING OF ENHANCED SOIL MOISTURE RETENTION CAPACITY
Abstract. The evaluates of the peat granulated améliorants using possibility for moisture retention increasing and degradation preventing for the soil with a low organic content are presented. The analysis of water-physical properties of peat products, including its changes in technological processes, is performed. The results of experimental studies of composite granules with clay additives and the evaluations of its water-physical properties are presented. The possibilities of the hydrophilic properties modification of granulated ameliorants according to the generalized scheme for peat sorption materials obtaining are considered. The most effective technological approaches and the clay
ных мелиорантов, согласно обобщенной схеме получения сорбционных материалов на основе торфа. Определены наиболее эффективные технологические подходы и содержание глинистых добавок для обеспечения повышенных гидрофильных свойств гранул. Представлен анализ отечественных и зарубежных работ, связанных с изучением свойств торфяной продукции с различными добавками, повышающими водно-физические характеристики.
additives content to provide increased hydrophilic properties of granules are determined. The analysis of the Russian and foreign proceedings connected with the studding of peat products with a various additives that increase water-physical characteristics is presented.
Ключевые слова: почва, гумус, биологическая активность, торф, глина, органоминеральный мелиорант, водопоглощение, гидрофильность.
Key words: soil, humus, biological activity, peat, clay, organomineral améliorant, water absorption, hydro-philicity.
Согласно данным Всемирного экономического форума, в 2019 году дефицит воды б ыл признан одним из наиболее значимых рисков для человечества, обострение которого связано с ростом численности населения, изменением рациона питания и климата [1]. Связанная с этим невозможность обеспечения достаточного количества влаги в почве - важнейшая мировая проблема, которая наиболее остро стоит для стран, имеющих значительную долю сельского хозяйства в структуре экономики и расположенных в зоне аридного климата. С учетом текущих моделей потребления и тенденций роста указанных выше факторов риски будут только нарастать.
Известно, что увеличение содержания органических веществ значительно повышает вла-гоемкость почв. Также они являются матрицей для накопления элементов питания, регуляторами важнейших физико-химических и биологических свойств почв: запасов и состава гумуса, поглотительной способности и биологической активности [2]. С учетом того, что одновременно в мире наблюдается тенденция к снижению содержания гумуса в почвах, представляется крайне важной разработка органической продукции, которая будет способствовать увеличению органической части почв, одновременно повышению водоудерживающих свойств.
Торф является одним из ценнейших природных ресурсов и незаменимым сырьем для приготовления большого спектра органических (органоминеральных) удобрений и мелиорантов [3, 4]. В работах [5, 6] было доказано, что применение гранулированного гумусового мелиоранта уменьшает непродуктивное испарение влаги песчаной почвой, создает условия для экономии поливной воды, повышения качества поливов, а также обеспечивает рост урожайности сельскохозяйственных культур.
Известно, что торф имеет высокую водо-удерживающую способность. В естественных условиях влагоемкость торфа, которая зависит от его типа, вида и степени разложения, колеблется в широких пределах: верховой тип торфа имеет влагоемкость от 6 до 18-25, переходный - 3,5-9,5, низинный - 4,6-8,7 кг влаги / кг сухого вещества. По мере увеличения степени разложения значение полной влагоемкости снижается для всех типов торфа. Однако даже при наибольшей степени разложения ее значение на один-два порядка превышает данный показатель в минеральных материалах1.
Ранее было установлено, что в отличие от крошкообразного (фрезерного) торфа гранулированные мелиоранты обладают рядом следующих преимуществ: они не слеживаются, обладают хорошей сыпучестью, их легче равномерно вносить в местах использования, а после заделки в почву они не подвержены интенсивному вымыванию водой и ветровой эрозии. Однако при механической переработке торфа, его механохимической активации и гранулировании основное преимущество торфа, заключающееся в достаточно высоких значениях влагоемкости, значительно снижается [8].
Кроме того, в процессе сушки, являющейся одним из наиболее широко распространенных элементов производственных процессов переработки торфа (вследствие его высокой исходной влажности), увеличиваются гидрофобные свойства конечного продукта (в том числе мелиоранта, органоминерального удобрения, субстрата и т. п.). Причем гидрофоб-ность возрастает по мере повышения температурного воздействия [9]. Это накладывает существенное ограничение на диапазон допус-
1 Например, полная влагоемкость каолиновой глины составляет 0,76; кембрийской глины - 0,88 [7].
тимых значений технологических параметров в заводских условиях, в том числе ограничивает возможность интенсификации производственных процессов. В реальных условиях вследствие повышения гидрофобных свойств высушенная торфяная продукция не способна сразу поглощать влагу. Это приводит к ее потере из-за стекания с орошаемой поверхности и уменьшению объема удерживаемой влаги вследствие частичной потери потенциального объема увеличения порового пространства при набухании, которым обладал материал исходно [7].
Согласно ранее разработанной обобщенной схеме получения сорбционных материалов, управление качественными характеристиками торфа и торфяной продукции может быть осуществлено путем подбора соответствующего сырья, изменения параметров технологических процессов, а также за счет внесения повышающих гидрофильность добавок [10]. Таким образом, с учетом описанных выше принятых технологических решений одним из путей повышения гидрофильности торфяных гранул, их водоудерживающей способности является создание гидрофильных композиций с мелкодисперсными глинистыми материалами [7].
Для решения проблемы увеличения гидрофобных свойств гранулированной торфяной продукции были проведены экспериментальные исследования по получению и оценке свойств композиционных материалов на основе торфа. Их целью в том числе являлась проверка гипотезы об улучшении их водно-физических свойств при внесении глинистых добавок [7]. Методами формования (продав-ливание вязко-пластичной массы в шнековом прессе) и окатывания (формирование гранул на тарельчатом грануляторе) были получены торфоминеральные гранулы. В качестве минеральных добавок использовались каолиновая и кембрийская глины, а также глинистый мергель, расчет количества которых осуществлялся по массе сухого вещества компонентов. Для гранул были определены кинетика водопоглощения и, соответственно, скорость поглощения влаги в начальный период Утах, максимальное значение водопоглощения В48, полная влагоемкость 1Упол в соответствии с широко апробированными и применяемыми в настоящее время методиками [11, 12].
Сравнительный анализ методов формирования структуры показывает, что окатывание позволяет формировать менее плотную струк-
туру материала, которая обладает большим исходным объемом порового пространства по причине отсутствия высокого давления в производственном процессе [7].
Применительно к задаче по повышению удерживания влаги в почвах в условиях ограниченных водных ресурсов достижение состояния полной влагоемкости композиционными гранулами может быть оценено как маловероятное. В этой связи наибольший практический интерес представляют скорость и объем поглощения в течение ограниченного времени (моделирование воздействия орошения и действия естественных природных факторов ограниченной продолжительности и интенсивности). С учетом этого были получены кривые водопоглощения, анализ которых показал, что для композиционных материалов характерны более высокие значения скорости поглощения в начальный период контакта с водой Утзх (рис. 1) и водопоглощения в течение 48 часов В48 (рис. 2).
Из анализа графиков (рис. 1, 2) следует, что для композиций на основе торфа низкой степени разложения отмечается одновременный рост скорости и емкости поглощения влаги, что подтверждает гипотезу о том, что глинистые добавки уменьшают гидрофобность торфяной матрицы путем создания дополнительных центров сорбции. Причем наличие максимума на графике В48 свидетельствует о том, что интенсификация водопоглощения композиций происходит только до определенного содержания минеральных компонентов С. При его превышении вследствие чрезмерного набухания структура материала теряет устойчивость и внутреннее поровое пространство теряет способность удерживать влагу.
Для гранул на основе торфа более высокой степени разложения были установлены аналогичные зависимости [7], однако им свойственен более низкий объем поглощаемой влаги.
В целях оценки свойств композиционных материалов представляется целесообразным использование критерия эффективности композиций:
"эк - к ,
I=1
где Х0 - величина характерного свойства композиционной смеси; X - величина характерного свойства у исходных компонентов;
I'HIHX 1,6
1,4
u 1,0 03 0,6
ОД
0,2
0,3 С
Рис. 1. Зависимость значений скорости водопоглощения в начальный момент Vmax , кг/(кг^мин) от содержания каолиновой глины С, %, в верховом пушицево-сфагновом торфе
Fig. 1. Dependence of the water absorption velocity at the initial moment Vmax , kg/(kg-min), on the content of kaolin clay C, % in cotton grass-sphagnum raised-bog peat
СI - содержание компонентов смеси, к - количество компонентов в смеси.
При одновременном анализе двух или более свойств композиций может быть применен обобщенный критерий, определяемый из выражения:
j, общ K эк
^ aK3Ki,
i=1
где а - весовой коэффициент критерия, определяемый в зависимости от целевого качества
п
композиции; Еа, = 1; Кэк1 - критерий эффективности композиций по /-му качественному показателю композиции; п - число одновременно оцениваемых качественных характеристик композиции.
Учитывая необходимость максимального удерживания влаги структурой гранул композиции и отмеченное выше снижение объема сорбции при высоких значениях минеральной части, на основании экспертной оценки приняты следующие значения весовых коэффициентов а В48 = 0,8; а утах = 0,2.
Из анализа гистограммы (рис. 3) следует, что по сравнению с исходным торфом композиции в диапазоне содержания минеральных компонентов до 30 % характеризуются более высокими значениями . Его максимальное значение достигается для композиций на основе торфа низкой степени разложения при содержании каолиновой глины 10 %.
Рис. 2. Зависимость водопоглощения композиций B48, кг/кг, от содержания каолиновой глины С, %, в верховом пушицево-сфагновом торфе
Fig. 2. Dependence of compositions water absorption B48, kg/kg, on the content of kaolin clay C, %, in cotton grass-sphagnum raised-bog peat
0,1 0,2 0,3
Рис. 3. Гистограмма изменения значений обобщенного критерия эффективности композиций (при одновременной оценке скорости поглощения в начальный период времени Vmax и водопоглощения B48 композиций) от содержания каолиновой глины С, %, в верховом пушицево-сфагновом торфе
Fig. 3. Histogram of the summarized effectiveness criterion (at the simultaneous assessment of the absorption rate in the initial time period Vmax and water absorption B48 of compositions) on the content of kaolin clay C, %, in cotton grass-sphagnum raised-bog peat
В то же время анализ зависимости полной влагоемкости от влагосодержания композиций (рис. 4) показывает снижение Жполн при увеличении содержания минеральных компонентов. Это подтверждают указанные выше выводы об отсутствии практически значимых эффектов в отношении объема поглощения при полном
влагонасыщении композиционных гранул. Тенденция снижения водоудерживающей способности смеси торфа с минеральными материалами ранее отмечалась в работе [13].
(Гно.щ
Рис. 4. Зависимость полной влагоемкости Жполн, кг/кг, от среднего влагосодержания W, кг/кг, композиционных гранул с содержанием кембрийской (голубой) глины: - 0,1; - 0,2;
- 0,3; | - 0,4 (d = 7,5 мм)
Fig. 4. Dependence of the total moisture capacity Wpoln, kg/kg, on the average moisture content W, kg/kg, for composition granules with Cambrian (blue) clay content: 1 - 0,1; 2 - 0,2; 3 - 0,3; 4 - 0,4 (d = 7.5 mm)
Одновременно с этим наблюдается уменьшение значений показателя полной влагоемкости WnQra по мере снижения влажности композиций, что также подтверждает наличие гистерезиса в процессах сушки с последующим водонасыщением композиций.
Учитывая, что для торфа и глин, а также состоящих из них композиционных материалов свойственно набухание, то на основе полученных экспериментальных данных было оценено приращение объема порового пространства при водопоглощении.
Известно, что пористость материала определяется соотношением [9]:
n =
V + V
V
где Ув, Уг, V- соответственно объемы воды, газа и общий объем образца, м3.
Используя вышеуказанное выражение, для композиционных смесей было получено соотношение для расчета удельной пористости (м3/кг) в абсолютно сухом состоянии:
5-1 - !-С -_С_
где рт, ргл - плотность торфа и глины в однофазном состоянии, кг/м3, С - содержание
минеральных добавок; ус - плотность сухого вещества композиции (скелета образца), кг/м3.
Из анализа зависимости отношения приращения объема пор в процессе поглощения влаги АУВ к исходному поровому пространству Упор следует, что для композиций свойственно более высокое набухание (рис. 5). Причем приращение порового объема пропорционально содержанию минеральных компонентов.
АУв/Упар
2,5
1.5
0
0,1
0,2
0,3
Рис. 5. Зависимость изменения приращения объема пор при водопоглощении AVB (относительно начальной пористости ^ор) для гранул с различным содержанием кембрийской глины С, %, (d = 5 мм)
Fig. 5. Dependence of the pore volume increment change at the water absorption A VB (relative to the initial porosity of Vpor) for granules with different Cambrian clay content C, %, (d = 5 mm)
Хорошо известно, что показателем, характеризующим гидрофильность материала, является угол смачивания. В соответствии с законом Кассье было получено выражение для расчета угла смачивания композиционного материала:
cos 0см=
aC2+(a- b)C + b
(1 + cos 0т)-
aC 2 + bC M n . „ +-(1 + cos 0 гл) -1
где 0т - угол смачивания твердой фазы торфа; 0гл - угол смачивания твердой фазы глины; а, Ь - постоянные, полученные из уравнения регрессии плотности композиций от содержания минеральных добавок у = аС + Ь.
Анализ графика, построенного согласно полученному выражению (рис. 6), показал, что при увеличении доли глинистых компонентов угол смачивания композиций уменьшается бо-
лее чем на 9 % от значения угла смачивания твердой фазы торфа при увеличении содержания глины С до 0,4.
Рис. 6. Зависимость изменения относительного угла смачивания 0 см к/0 т от содержания минеральных компонентов в композиции С
Fig. 6. Dependence of the relative wetting angle 0 см к/ 0 т change on the mineral components content in the composition С
Данные о снижении угла смачивания при внесении добавок глин также подтверждаются результатами, полученными в работах [14, 15], в которых определение данного показателя осуществлялось путем оценки капиллярной пропитки смеси торфа с глинами при соотношении компонентов по объему 90:10 соответственно. В целом, способ повышения гидрофильности торфяных композиций при использовании глинистых добавок, включая тенденции изменения водно-физических показателей, хорошо согласуется с данными, полученными в работах зарубежных авторов [13, 14, 15].
Кроме улучшения гидрофильных свойств торфоминеральных композиций, необходимо отметить наличие значительного потенциала в области создания более сложных многокомпонентных материалов, в том числе получаемых с применением различных методов модификации (механическими, термическими, химическими и т. п.). В частности, в работах [16, 17] приведены данные исследований свойств многокомпонентных композиций на основе торфа, модифицированного солями железа, содержащих вермикулит и гидрогель. Однако в этом случае, кроме водно-физических
характеристик, целесообразно учитывать интегральный результат при решении практических задач и экономическую эффективность использования материала в той или иной области науки и техники.
В последние годы гидрогели получили активное развитие. Они представляют собой суперабсорбирующие полимеры, обладающие водопоглощением, во много раз (до нескольких сотен) превышающим их исходную массу. К примеру, наиболее распространенный в мире суперабсорбент - полиакрилат натрия (натриевая соль полиакриловой кислоты), способен впитывать жидкость, масса которой в 200-300 раз превышает его исходный. Помимо полиакрилата натрия и других производных полиакриловой кислоты, к семейству суперабсорбирующих полимеров относятся и некоторые другие синтетические полимеры (например, поливиниловый спирт, этиленви-ниловый спирт, сополимеры винилпиридина и др.), а также ряд природных полимеров (полисахариды и др.). На текущий момент большая часть суперабсорбирующих полимеров используется в производстве средств личной гигиены. Тем не менее они начинают находить применение и в других сферах (сельское хозяйство, садоводство и домашнее растениеводство). Причем отмечается тенденция роста объемов использования по сельскохозяйственному направлению [18].
В этой связи следует отметить, что действие суперабсорбентов направлено на повышение основного целевого показателя - вла-гоудерживающей способности, в то время как органические вещества имеют в почвах более широкий спектр функций [19], что свидетельствует о комплексности их действия. Вместе с тем в многокомпонентных смесях результирующее действие торфа и добавок приводит к общему повышению водоудерживающей способности: композиции торфа, модифицированного солью железа с добавками гидрогеля [16]; композиции на основе торфа с добавками вермикулита и гидрогеля [17]. Таким образом, изучение многокомпонентных композиций на основе торфа представляется достаточно перспективным направлением для дальнейших исследований.
В обобщенной схеме получения сорбци-онных материалов, включающей управление водно-физическими свойствами материалов на основе торфа [10], предусмотрен определенный выбор режимов при осуществлении
того или иного технологического процесса. Например, при оценке влияния температурного режима на водно-физические свойства композиций показано, что повышение температуры до 80 °C приводит к снижению значений гид-рофильности, обеспеченной за счет применения композиционных добавок. Это следует из анализа экспериментальных данных, полученных при изучении водно-физических свойств композиций при различных температурных режимах [7]. В этом случае необходимо (по возможности) обеспечение процесса сушки в более «мягком» режиме, что технологически в торфяном производстве реализуется полевой сушкой торфа.
Таким образом, приведенные выше результаты исследований свидетельствуют об эффективности метода повышения гидрофильности торфяной продукции, содержащей минеральные глинистые добавки. В этом случае необходимо предусматривать технологические решения в соответствии с обобщенной схемой получения сорбентов. В том числе такой подход хорошо применим при создании материалов для повышения удерживания влаги в почве. Наибольшими высокими значениями гидро-фильности и водоудерживающей способности характеризуются гранулированные композиции на основе торфа низкой степени разложения (90 %) с добавками каолиновой глины (10 %).
Библиографический список
1. Water scarcity is one of the greatest challenges of our time [Электронный ресурс] // World Economic Forum.URL: https://www.weforum. org/agenda/2019/03/water-scarcity-one-of-the-greatest-challenges-of-our-time (дата обращения 26.11.2020).
2. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. -1980. - 287 с.
3. Гамаюнов С.Н. Тенденции производства и переработки торфа для нужд сельского хозяйства: монография / С.Н. Гамаюнов. -Тверь: Триада, 2016. - 256 с.
4. Мисников О.С. Современные средства для технологий повышения плодородия почв / О.С. Мисников, А.Е. Тимофеев, С.Н. Гамаюнов // Вестник ТвГУ (Экономика и управление). - 2011. - Вып. 9. - С. 87-93.
5. Шахматов К.Л. Исследование влияния торфяных мелиорантов на водоудерживаю-щую способность песка / К.Л. Шахматов,
С.Н. Гамаюнов // Тверской государственный технический университет - опорный региональный ВУЗ в подготовке инженерных кадров: Сборник тезисов докладов внутривузовской научно-практической конференции преподавателей и сотрудников Тверского государственного технического университета. - 2015. - С. 120-124.
6. Гамаюнов С.Н. Технология получения торфяных мелиорантов для управления плодородием почв / С.Н. Гамаюнов, В.А. Сурай-кин, А.С. Васильев // Высокопродуктивное и экологически чистое агрохозяйство на мелиорированных землях: Материалы международной научно-практической конференции ФГБНУ ВНИИМЗ, г. Тверь, 30 сентября 2019 г. - Тверь: Изд-во ТвГУ, 2019. - С. 129-134.
7. Тимофеев А.Е. Обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов: автореферат дис. ... канд. техн. наук / Тимофеев А.Е. - Тверь, 2009. - 16 с.
8. Пухова О.В. Влияние механической переработки на водно-физические свойства торфяного сырья и продукции / О.В. Пухова, И.О. Королев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. - № 5. -С. 164-169.
9. Мисников О.С., Тимофеев А.Е., Черткова Е.Ю. Гидрофобизация минеральных дисперсных материалов добавками на основе торфа // Труды Инсторфа. 2010. № 2. - С. 15-32.
10. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. Анализ разнообразных подходов к получению и применению сорбентов на основе торфа / Торф и бизнес. - 2007. - № 3 (9). - С. 22-27.
11. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И. Лиштван, А.А. Терентьев, Е.Т. Базин, А.А. Головач. -Минск: Наука и техника, 1983. - 232 с.
12. Физика и химия торфа: учебное пособие для вузов / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов, А.А. Терентьев. - М.: Недра, 1989. - 303 с.
13. Effect of organic carbon (peat) on moisture retention of peat: mineral mixes/ T.D. Moskal, L. Leskiw, M.A. Naeth, D.S. Chanasyk // Canadian Journal of Soil Science [Can. J. Soil Sci.]. 2001. - Vol. 81. - No. 2. - Рр. 205-211.
14. Michel, Jean-Charles. (2009) Influence of Clay Addition on Physical Properties and Wettability of Peat-growing Media. HortScience: a publication of the American Society for Hor-
ticultural Science. 44. 1694-1697.10.21273/ HORTSCI.44.6.1694.
15. Michel, Jean-Charles. Wettability of Organic Growing Media Used in Horticulture: A Review. Vadose Zone Journal. 2015. 10.2136/ v14.09.0124.
16. Наумов П.В. Оптимизация влагообеспе-ченности почв с помощью полимерных гидрогелей / П.В. Наумов, Л.Ф. Щербакова, А.А. Околелова // Известия НВ АУК. -2011. - № 4. - С. 1-5.
17. Парамонова Е.Ю., Щербакова Л.Ф., Наумов П.В. Анализ водоудерживающей способности природных и синтетических сорбентов / Е.Ю. Парамонова, Л.Ф. Щербакова, П.В. Наумов // Известия Самарского
научного центра РАН. - 2011. - № 1-5. -С. 1277-1279.
18. Мировой рынок суперабсорбирующих полимеров: конкуренция будет нарастать [Электронный ресурс] // Международный научно-экспертный форум «Ресурсы роста». URL: https: //форумресурсыроста.рф/ргез-se/novosti/89-mirovoj-rynok-superabsorbi-ruyushchikh-polimerov-konkurentsiya-budet-narastat.html (дата обращения 26.11.2020).
19. Органическое удобрение - эффективный фактор оздоровления почвы и индуктор ее супрессивности / М.С. Соколов, Ю.Я. Спиридонов, А.П. Глинушкин, Е.Ю. Торопова // Достижения науки и техники АПК. - 2018. -№ 1. - С. 4-12.
