Исследование сорбционных и десорбционных свойств клубней якона

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрено процессы сорбции и десорбции образцов клубней якона. Приведены методы исследования особенностей сорбционных процессов, а также определены параметры объекта исследования. Представлены кривые сорбции и десорбции клубней яконя, полученные ИК- способом сушки. На основании результатов проведенных исследований изотерм сорбции и десорбции клубней якона были определены х_m–емкость монослоя, S_уд.–удельная поверхность, W₀–суммарный объем пор, r_k–радиус капилляра. Эти данные позволяют определить время сушки и формы связи влаги с исследованными материалами.

ABSTRACT

The article deals with sorption and desorption processes of samples of yacon tubers. Research methods of features of sorption processes are described, and the parameters of the research object are determined. The sorption and desorption curves of yacon tubers obtained by IR drying are presented. Based on carried out results of research of sorption and desorption isotherms of yacon tubers, the х_m– monolayer capacity, S_уд.– specific surface area, W₀– total pore volume, and r_k–capillary radius have been determined. These data help to determine drying time and the form of moisture connection with the investigated materials.

Ключевая слова: клубни якона, сорбция, десорбция, сушка.  

Keywords: yacon tubers; sorption; desorption; drying.

Для точных расчетов процессов и аппаратов для сушки, а также оптимизации и интенсификации процесса недостаточны знания только свойств высушиваемого материала как объекта сушки, необходимо также знать кинетические характеристики и особенности термодинамики. Важное значение при этом имеет рациональное сочетание экспериментальных данных и методов математического моделирования, которые определяют взаимосвязь величин, оказывающих наибольшее влияние на специфику тепломассообмена в процессе сушки [1].

Технологический процесс ИК-сушки клубней якон основан на том, что инфракрасные лучи определенной длины волн активно поглощаются водой, содержащейся в продукте, но не поглощаются тканью высушиваемого продукта. Поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (50-70 ⁰С). Это позволяет практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат продуктов, подвергавшихся ИК сушке.

Сорбционные и десорбционные свойства клубней якон играют большую роль при выборе способа сушки, его расчёте, в связи с чем были проведены исследования по определению этих параметров на экспериментальной установке  Института химии и физики полимеров АН РУз.

Методика сорбции паров воды образцами клубней якон заключается в установлении равновесной концентрации сорбируемого вещества при заданном парциальном давлении его паров [2].

Сорбционная установка состоит из двух частей. Первая часть – вакуумный насос, создающий в среде, где находится образец, давление в 10^-3 Па и использующий жидкий азот в качестве основного рабочего материала (рис.1) [3].

Рисунок 1. Схема сорбционной установки для исследования пронициаемости влаги

1-термостат; 2-сорбционная трубка; 3-молибденовая пружина; 4-никелевая чашка; 5-печь для поддержания температуры в сорбционных трубках; 6,9-нагреватели; 7-термопара; 8, 13, 17-электронные терморегуляторы; 10-диффузионный насос; 11-масляный насос; 12-ловушки; 14-контактный термометр; 15-манометр; 16-дозировочная пробирка.

Измерение вакуума производится на вакуумметре ВИТ–1А (вакуумметр ионизационный-термопарный) с диапазоном измерения от 10^-1 до 10^-3 Па.

Рабочая часть состоит из цилиндрических сосудов, находящихся в вертикальном положении. Цилиндрический сосуд состоит из двух частей, которые притираются друг к другу с использованием вакуумной смазки. К верхней части, вовнутрь, прикрепляется кварцевая пружина весов Мак-Бэна. На кварцевую пружину подвешиваются кварцевая или стеклянная чашечка с навеской полимера. Растяжение кварцевой пружины измеряется катетометром КМ-8 [3].

Рисунок 2. Схема весов Мак-Бена

Весы Мак-Бена – это весы со спиральной пружиной (рис.2). Необходимо определить массы образцов клубней якон при исследовании изотерм сорбции и десорбции в вакуумных трубках. Весы имеют оптическую отсчетную шкалу 3 с визиром 2. Кварцевая спираль 1 с диаметром витка 12-15 мм, навитая из нити диаметром около 0,2 мм, обладает подъемной силой 1 г. Ее удлинение составляет около 0,1 мм/мг [4]. Для исследования сорбционной и десорбционной способности образцов клубней якон точно взвешенные образцы подвешиваются на стеклянной нити пружинных весов Мак-Бена. Они измеряются с помощью прибора КМ-8, который располагается так, что его положение должно совпадать с нижним концом пружины весов при заданной температуре, и в этом положении воздух из системы откачивается вакуум-насосом в течение 3-4 ч. Исследуемый сорбат, охлаждаемый жидким азотом, размораживается в течение 2-3 ч.

Для этого была изучена сорбция и десорбция паров воды образцами исследуемого клубней якон при температуре 293 К. Полученные данные приведены на рис.3. На основе изотерм сорбции паров воды образцами клубней якон по уравнению БЭТ (Брунауэром, Эмметом и Тейлором) были вычислены емкость монослоя, удельная поверхность, суммарный объём пор и радиус капилляров.

Рисунок 3. Кривые изотерм сорбции и десорбции клубней якон

Изотермы сорбции имеют S-образную форму и обладают порами различных размеров, которые заполняются сорбентом с переходными парами, имеющими большой сорбционный гистерезис (рис.3). В табл.1 приведены полученные данные о сорбционных характеристиках образцов клубней якон.

Таблица 1.

Капиллярно-пористая структура образцов клубней якон

На основе проведенных исследований сорбции и десорбции паров воды образцами клубней якон определены параметры пористой структуры.

На основании результатов проведенных исследований сорбции и десорбции паров воды образцов клубней якон определены параметры капиллярно-пористой структуры. На основании результатов проведенных исследований изотерм сорбции и десорбции клубней якона были определены х_m–емкость монослоя, S_уд.–удельная поверхность, W₀–суммарный объем пор, r_k–радиус капилляра. Эти данные позволяют определить время сушки и формы связи влаги с исследованными материалами. На основе полученных результатов можно выбрать сушильную установку по классификационной таблице профессора Мухиддинова Д.Н.

Список литературы:
1. Норкулова К.Т., Сафаров Ж.Э. Исследование сорбции и десорбции лекарственных трав // Химическая технология. Контроль и управление. – Т., 2010. №4. –С.9-12.
2. Vullioud M., Marquez C.A., De Michelis A. Equilibrium sorption isotherms and isosteric heat of rose hip fruits (rosa eglanteria). International Journal of Food Properties. 2006, 9 (4), p.823-833.
3. Сажин Б.С. Основы техники сушки. –М., Химия, 1985. –320 с.
4. Степин Б.Д. Техника лабораторного эксперимента в химии. Учеб. пособие для вузов. М.: Химия, 1999. - 600 с
5. Safarov J.E., Khujakulov U.K. Research yakon tubers (Polymnia sonchifolia) as the object of study International journal of advanced research in science, engineering and technology. –India, 2019. Vol. 6, Issue 12.
6. Safarov J.E., Sultanova Sh.A., Dadayev G.T., Samandarov D.I. Sorption and desorption of medicinal plants. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (Scopus). Volume-9, Issue-2, December, 2019. Р.685-688.
7. Safarov J.E., Sultanova Sh.A., Jumaev B.M., Saydullayev A.B. Improvement process drying product. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (Scopus). Volume-9, Issue-2, December, 2019. Р.656-659.
8. Safarov J.E., Sultanova Sh.A., Dadayev G.T., Samandarov D.I. Method for drying fruits of rose hips. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (Scopus). Volume-9, Issue-1, November, 2019. Р.3765-3768.