автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Разработка методик и определение параметров массопереноса и структурообразование в торфе с помощью стабильных изотопов

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И ОПРЩЕЛЕШ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕНОСА И СТРЖГУР00БРА30ВАНШ В ТОРФЕ С ПОМОЩЬЮ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ

05,15.05 - технология и комплексная механизация торфяного производства

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - заслужены деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук,профессор

н.и.гшюнов

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

М.ВЛ10П0В

КУЗЬМИН

На правах рукописи

■диссертация

Тверь - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ............................................... 6

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТАБШГЬНЫХ ИЗОТОПОВ ДШ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ........................... 13

1.1. Теоретические основы применения стабильных изотопов 13

1.1.1. Процессы изотопного обмена...................... 13

1.1.2. Особенности изотопного обмена в органических и неорганических веществах........................

1.1.3. Области применения радиоактивных и стабильных

меток ........................................... 21

1.2. Использование методов меченых атомов при изучении физико-химических свойств природных дисперсных материалов ........................................ 24

1.2.1. Классификация методов исследования торфа ........ 24

1.2.2. Исследование структуры гидрофильных материалов .. 26

1.2.3. Функциональные группы гуминовых кислот торфа .... 30

1.2.4. Коэффициенты диффузии влаги в дисперсных материалах 32

1.2.5. Водно-физические свойства торфяной залежи....... 37

1.3. Цель и задачи исследований........................ 38

Выводы по 1 разделу ............................... 41

2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗЖО-ХИШЧЕСКИХ и ВОДНО-ФЙЗИЧЕСШХ СВОЙСТВ ТОРФА...........................................42

2.1. Методы определения содержания стабильных разновидностей воды в воде................................ 42

2.1.1. Масс-спектрометрический анализ на содержание тяжелокислородной воды.......................... 42

2.1.2. Интерферометрическии анализ на содержание тяжелой

воды............................................ 46

2.2. Определение величины обменного водорода в торфе ... 48

2.3. Методика проведения радиометрических измерений .... 53

2.4. Методика снятия изотерм сорбции фосфора и кальция торфом и почвой............................................54

2.5. Методики определения структурных параметров торфа . 57

2.6. Определение водно-физических свойств торфяной

залежи........................................................................................58

2.6.1. Методики определения коэффициентов самодиффузии влаги и объемной скорости грунтового потока по изменению концентрации индикатора в колодце.....

2.6.2. Методика определения скоростей грунтового потока

при помощи наблюдательного колодца............................60

2.6.3. Методика координатных измерений..................................61

2.7. Экономическое обоснование использования стабильных меток в исследованиях..........................................................62

2.8. Объекты исследований и их характеристики....................65

2.8.1. Выбор объектов исследований..........................................65

2.8.2. Отбор и подготовка образцов к экспериментам ..........68

Выводы по 2 разделу..........................................................69

3. ИЗОТОПНО-ОБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОРФА!..................................70

3.1. Определение коэффициентов распределения изотопов .. 70

3.2. Величина обменного водорода в катионитах ...................75

3.2.1. Выбор препаратов для модельных исследований ..... 75

3.2.2. Набухание и дейтерообмен ионитов в тяжелой воде . 83

3.3. Величина обменного водорода в гуминовых кислотах

торфа..........................................................................................88

3.4. Величина обменного водорода в торфах и почвах..........94

3.5. Изучение поглощения меченого азота растением при воздействии препаратов торфа............................................104

Выводы по 3 разделу................................ 105

4. ИЗУЧЕНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ТОРФА И ПОЧВ............. 109

4.1. Фильтрация меченой жидкости стабильными изотопами

воды............................................... 109

4.1.1. Фильтрация меченой жидкости через материалы с различной сорбционной активностью................ 109

4.1.2. Особенности фильтрации меченой воды через торф ... 118

4.2. Изменение структурных характеристик торфа в процессе

его насыщения мелиорантами......................... 123

4.3. Кинетика и статика сорбции фосфора и кальция почвой, обогащенной торфом................................. 129

4.4. Влияние дозы мелиоранта и времени контакта на структуру мелиорируемой почвы и смеси почва-торф ... 142

4.5. Количественная оценка изменения структуры торфа в залежи в зависимости от содержания кальция в торфяной воде ........................................... 149

4.6. Изменение структурных параметров торфомассы в про-

тея

цессе перемешивания ................................

Выводы по 4 разделу................................ 156

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СТАБИЛЬНЫХ МЕТОК ДЛЯ ИЗУЧЕНИИ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ МАСС0ПЕРЕН0СА НА ВЫРАБАТЫВАЕМЫХ, ВЫРАБОТАННЫХ ПЛОЩАДЯХ ТОРФЯНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ........ 159

5.1. Определение коэффициента самодиффузии воды в торфе и минеральной почве.................................. 159

5.2. Изучение влагопереноса на вырабатываемых, выработанных участках торфяного месторождения и мелиорированной почве.......................................... 166

5.2.1. Определение объемной скорости грунтового потока в

залежи по изменению концентрации метки в колодце . 166

5.2.2. Определение скоростей миграции влаги в вырабатываемой залежи при помощи наблюдательного колодца ..... 171

5.2.3. Координатные измерения в вырабатываемой залежи .... 174

5.2.4. Граница зон распространения меченой жидкости в вырабатываемой торфяной залежи.................... 176

5.2.5. Влагоперенос на участке рекультивируемой выработанной торфяной залежи............................... 184

5.2.6. Миграция влаги в полевых условиях в мелиорируемой

почве ............................................. 187

Выводы по 5 разделу............................... 194

6. ВЫВОДЫ ........................................... 196

7. ЛИТЕРАТУРА................................... 201

8. ПРИЛОЖЕНИЯ................................... 218

ВВЕДЕНИЕ

В СНГ сосредоточено более половины мировых запасов торфа. Сейчас разведано свыше 60 тыс.торфяных месторождений с общим запасом торфа свыше 160 млрд. тонн. Торф используется в качестве топлива, сырья в химической промышленности и находит разнообразное применение в сельском хозяйстве страны. Для коренного улучшения качества почвы Нечерноземной зоны России торф вносится на. поля в смеси с минеральными удобрениями, в виде торфонавозных и пометных удобрений. Выработанные торфяники и заболоченные земли представляют собой важный резерв потенциально-плодородных почв, которые требуют комплексной мелиорации.

Внесение торфа в почвы имеет природоохранное значение, поскольку уменьшает вымывание питательных элементов из почвы ин-фильтрующейся влагой, вместе с которой они в конечном итоге попадают в водоемы, вызывая бурный рост водной растительности.

В дальнейшем, в связи с истощением месторождений таких полезных ископаемых как нефть, уголь, газ, торф будет приобретать все возрастающее значение. В соответствии с вышесказанным необходимо последующее углубленное изучение торфяных месторождений ж торфяного сырья новыми методами. Лучше зная свойства торфа, можно более рационально использовать его в народном хозяйстве. Решение этих задач возможно только с привлечением самых совершенных методов и экспериментального оборудования на качественно новом уровне. Торф - продукт сложного распада растительных остатков в анаэробных условиях. Этот процесс предопределяет формирование таких физико-химических, структурных и водных свойств торфа, когда изменение одних свойств под действием каких-либо факторов, автоматически влечет за собой изменение других. Поэтому необходимо изучать торф в комплексе различными методами, в том числе физико-химическими /II/

Разработка, опробирование этих методов исследования торфа и его производных - восков, гуминовых кислот и т.п. является одним из главных разделов науки о торфе. Этому направлению посвящены работы многих ученых: Л.С.Амаряна, А.Е.Афанасьева, Б.А.Богатова, П.И.Белькевича, Е.Т.Базина, Ю.В.Баева, М.П.Воларовича, Н.И.Гама-юнова, А.Д.Думанского, С.С.Драгунова, Н.И.Ильина, В.Д.Копенкина, С.С.Корчунова, В.П.Круглова, В.И.Косова, Н.Н.Круглицкого, И.Ф. Ларгина, И.И.Лиштвана, В.И.Лашнева, А.М.Лыч, Л.М.Малкова, В.М. Наумовича, Д.С.Орлова, М.В.Попова, В.Е.Раковского, В.И.Суворова, А.А.Терентьева, Н.ВЛураева, Ю.А.Шульман и др.

Для изучения различных водных, обменных, структурных свойств торфа, гуминовых кислот применяются методы, связанные с использованием различных химических препаратов, меток, например радиоактивных. Химические препараты, метки, являясь чужеродными по отношению к торфу, при исследованиях так шж иначе воздействуют на его весьма чувствительную структуру, вызывая ее изменение.

Торф относится к осадочной органогенной породе, образование которой происходит всегда в контакте с водой. Применяя современные достижения науки и техники, можно использовать для изучения торфа и процессов происходящих в нем, саму воду, вернее, ее изотопные разновидности.

В связи с существованием 2 стабильных изотопов у водорода (И,]) ) и 3 у кислорода ( №0 , ,70 , 180 ) известно 9 изотопных разновидностей, которые находятся в природной воде,в среднем,в следующих количествах (в шол.,%) 99,73 Нг,60 , 0,04 Н"0 , 0,2 Игш0 , 0,03 Н1>,60 , 10~5-ШГ15 % суммарно Ш)170 , НР1а0 , р/0 , , 3>21,0 . Из них нашей промышленностью выпускается (примерно с .начала 60-х годов) в достаточных количествах Х>20 (тяжелая вода), Ид 0 (тяжелокислородная вода), которые и были использованы в

прикладных целях в данной работе.

Литературный обзор показал, что еще относительно редко стабильные изотопы применяются в прикладных целях. Поэтому приходилось тщательно и подробно исследовать условия и закономерности поведения стабильных изотопов в контакте с дисперсными материалами. По отношению к торфу не выявлено ни одной работы, связанной с применением стабильных изотопов кислорода -18 и дейтерия.

Стабильные метки применялись сначала в лабораторных условиях. Их поведение в контакте с инертным минеральным материалом типа песка изучалось в фильтрационных колонках. Оказалось возможным их применение для изучения структуры дисперсных материалов. Некоторые сложности возникли при использовании 1)г0 в контакте с во-дородсодержащими материалами: почвой, торфом. Потребовалось более подробное изучение взаимодействия тяжелой воды с органической составляющей торфа. Сначала в опытах с модельными материалами типа ионитов, потом с составной частью торфа - гуминовыми кислотами, почвами, наконец, с самим торфом. После изучения специфики поведения стабильных изотопов в контакте с различными материалами они применялись в полевых условиях для определения водно-физических свойств торфяной залежи.

Эффективность использования торфяных залежей, охрана окружающей среды тесно связана с проблемами устойчивости земледелия в Нечерноземной зоне. Применение новых методов исследования водно-физических свойств торфяных залежей будет способствовать разработке и созданию технически совершенных осушительных систем. Б данной работе даяэтих целей предложены стабильные метки. Немаловажным является и вопрос, связанный с изучением структуры торфяных почв после внесения в них мелиорантов, содержащих фосфор и ■ кальций. Мнфильтрующаяся влага через оструктуренные слои прони-

кает вглубь почвы вместе с растворенными питательными элементами, которые становятся недоступными корневой системе растений. С использованием стабильных меток были разработаны методы количественной оценки структурных характеристик различных дисперсных материалов как в процессе поглощения ими мелиорантов, так и без поглощения. Методы позволяют разработать оптимальные условия внесения органических и минеральных удобрений в почву с целью сохранения их питательных свойств.

Гуминовые кислоты и фульвокислоты составляют 25-75% органической части торфа и, в основном, они отвечают за обменные свойства торфа. С помощью тяжелой воды разработан экспресс-метод определения (до 30 мин.) содержания функциональных групп в гумино-вой кислоте.

Для изучения обменных свойств торфа и определения норм внесения мелиорантов предложена'методика снятия изотерм сорбции образцами ненарушенной структуры.

В теории сушки торфа расчет тепло- массопереноса влаги возможен, если известны тепло-и влагокоэффициенты. Для экспериментального получения этих коэффициентов можно использовать стабильные метки, учитывающие как жидкостной, так и перенос влаги в виде пара. Ранее для этих целей и для изучения диффузии влаги в торфе различной влажности использовались радиоактивные метки. Изучалось движение какого-либо иона, а результаты относили к движению самой воды. Стабильные метки (СМ) позволили впервые получить данные о коэффициенте само диффузии воды в торфе, сравнить их с ранее полученными данными.

Таким образом, стабильные изотопы позволили в комплексе подойти к решению многих вопросов физико-химии торфа.

В результате исследований:

- установлены закономерности поведения стабильных изотопов в контакте с торфом и другими дисперсными материалами;

- определены величины: обменного водорода для гидрофильных дисперсных материалов» коэффициенты распределения для' реакций изотопного обмена;

- разработаны методы определения количества функциональных групп у ионитов, Тумановых кислот торфа;

- определены коэффициенты самодиффузии воды в почве и торфе различной влажности;

~ разработан метод определения структурных характеристик этих материалов ;

- изучена кинетика поглощения и миграции структурообразователей в торфе и смесях почва-торф;

- предложен метод количественного определения изменения структурных характеристик торфа и других-материалов в процессе поглощения ими кальция и .фосфора, проанализированы полученные данные;

- сняты изотермы сорбции структурообразователей образцами торфа, почв ненарушенной структуры;

- изучены водно-физические свойства вырабатываемой и выработанной торфяной залежи верхового типа и установлена граница применимости СМ в полевых условиях.

Целью данной работы являлась разработка лабораторных и полевыз методик комплексного изучения водно-физических, структурных и обменных свойств торфа, торфо-минеральных почв, выработанных торфяных, месторождений на основе использования СРВ» Методики необходимы для рационального осуществления и разработки новых, технологий добычи и переработки торфа при промышленном и сельскохозяйственном применении .

Диссертационная работа выполнена в течение 1973-97 гг. в

Лаборатории радиоактивных методов исследования дисперсных систем

при кафедре теплофизики Тверского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института в соответствии с координационном планом Научного совета АН СССР по коллоидной химии и физико-химической механике № 2.16,2.4 по теме: "Исследование тепло-массопе-реноса и структурообразования в дисперсных материалах с целью прогнозирования и управления рассматриваемыми процессами".

Основное содержание диссертации изложено в 28 работах: в межвузовских тематических сборниках ТПИ, ТГУ; научных трудах ВНИИМЗ, авторском свидетельстве )Б 677563, информационном листке 1 212-82 ЦНТЙ, тезисах девяти Всесоюзных конференции, Коллоидном журнале А® 3, 1982, Торфяной промышленности I 9, 1986, Горном журнале 1 5, 1989, Мелиорация и водное хозяйство )! I, 1999.

Результаты исследовании докладывались и обсуждались на научно-практической конференции "Молодые ученые и специалисты Верхневолжья - народному хозяйству области" (Калинин, 1978), Всесоюзном совещании-семинаре "Краевые задачи теории фильтрации" (Ровно, 1979), Всесоюзном совещании "Комплексное изучение и рациональное использование природных ресурсов" (Калинин, 1980), Всесоюзной конференции "Мелиорация, использование и охрана почв Нечерноземной зоны" (Москва, 1980), научно-производственной конференции "Повышение эффективности использования мелиорированных земель в РСФСР" (Калинин, 1981), 5 научно-технической конференции по физи-ко-химии торфа (пос. Радченко, 1981), Всесоюзной конференции "Проблемы изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов" (Москва, 1983), Всесоюзной конференции "Современные методы исследования почв" (Москва, 1983), на 4- научно-технических конференциям: Калининского политехнического института в 1974-84 гг., Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути повышения эффективности использования мелиорированных земель в Нечерноземной зоне"

(Псков, 1985), 7 Всесоюзной конференции по мелиоративной географии (Ровно, 1986), 6 научно-технической конференции по физико-химии торфа (пос.Радченко, 19'89), Всесоюзной конференции "Рациональное природопользование в районах избыточного увлажнения" (Калининград, 1989), Всесоюзном симпозиуме "Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнений" (Харьков, 1990) , 7 Международной научно-технической конференции по физико-химии торфа и сапропеля (Тверь, 1994), на расширенном заседании кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля (Тверь, 1998)« На защиту выносятся:

- особенности изотопного обмена и возможность его использования для исследования торфа;

- методика изотопного определения количества функциональных г�