Торф: химический анализ и основы комплексной переработки: Учебное пособие. Массовую долю зольности торфяных и оторфованных горизонтов почв (А), в процентах, вычисляют по формуле. Метод определения зольности торфа и торфяной продукции топливного назначения
Количество зольных элементов в залежах лесостепи зависит главным образом от местоположения торфяника в рельефе, определяющего тип его водного питания и возможность приноса аллювиальных и делювиальных продуктов, сильно повышающих зольность торфа. Естественно поэтому, что наименьшая зольность свойственна торфяникам водораздельной группы и наибольшая - пойменным торфяникам. Торфяники террасной группы занимают промежуточное положение между водораздельными и пойменными торфяниками.
Но и в пределах каждой топологической группы торфяников часто наблюдаются весьма значительные колебания зольности, зависящие от воздействия разнообразных факторов. Так, залежь гипновых и сфагновых торфяников водораздельной группы в южных степных районах содержит золы от 6 до 14%.
В лесной полосе зольность торфа ниже, а именно, для сфагновых залежей она колеблется от 2 до 10% для травяных и лесных - от 7 до 16%.
Зольность торфа террасных залежей, как правило, несколько выше, чем водораздельных, что находится в зависимости от возможности попадания сюда продуктов делювиального смыва. Так, в сфагновом торфянике «Лебяжье» содержание золы колеблется от 3,8 до 16,6%, в осоковом торфянике «Вознесенское» - от 6,6 до 26,0% и в лесном (в 47 квартале Серповского лесничества) - от 17,6 до 25,6%.
Что касается торфяников пойменной группы, то здесь колебания зольности достигают весьма широких пределов не только на разных торфяниках, но даже на отдельных участках одного и того же торфяника. Вообще же торфяники пойменной группы обладают повышенной зольностью, вследствие механического засорения аллювием и делювием в период торфообразования. Значительные колебания зольности торфа на разных торфяниках зависят от количества наносного материала, попадавшего в торфяник, а колебания золы на одном и том же торфянике - от неравномерного распределения наносов по его площади и накопления местами известкового туфа и вивианита в результате деятельности почвенно-грунтовых вод. В поймах сравнительно редко встречается торф с зольностью 6-8%; наоборот, зольность 15-30% и выше представляет обычное явление.
В распределении зольности по профилю ясно выраженной закономерности нет, но в большинстве случаев наблюдается возрастание ее в придонном, а также в самом верхнем горизонте. Это явление объясняется более сильным засорением названных горизонтов делювиально-аллювиальными наносами.
Значительные колебания зольности для различных участков торфяника часто не дают возможности судить по средней зольности о топливной или сельскохозяйственной ценности всего торфяника. Это вызывает необходимость разделения его на участки с различной зольностью, допускающей возможность использования торфа в том или другом направлении. Высокое содержание золы почти совершенно затемняет значение ботанического состава в качественной оценке торфа, обусловливая существенные изменения в теплотворной способности и химическом составе торфа.
3.8.1. Определение потери при прокаливании и зольности торфа.
Метод основан на сжигании навески торфа в муфельной печи при температуре 800 о С. Потери при прокаливании характеризуют убыль массы торфа при нагревании его до указанной температуры, зольность – содержание золы (минеральных веществ) в абсолютно сухом торфе.
Ход анализа. В предварительно прокаленный и взвешенный тигель с крышкой берут навеску торфа от 1-2 до 6-12 г. Взвешивание производят на аналитических весах. Одновременно в сушильный стаканчик берут навеску торфа 3-5 г для определения влажности.
Тигель без крышки помещают в холодную или подогретую до 200 о С муфельную печь, находящуюся в вытяжном шкафу, и постепенно повышают температуру до 800 о С. Через 2-3 часа тигель с зольным остатком вынимают из печи, закрывают крышкой, охлаждают в течение 5 минут и помещают в эксикатор на 30 минут до полного охлаждения.
Охлажденный тигель взвешивают на аналитических весах, после чего повторяют прокаливание в течение 40 минут, охлаждают и взвешивают. Прокаливание повторяют до тех пор, пока изменение массы не будет превышать 0,001 г. Если в процессе сжигания торфа произошло сплавление золы, то после охлаждения тигля ее растворяют несколькими каплями азотной кислоты, затем добавляют 1 мл насыщенного раствора NH 4 NO 3 , высушивают и снова озоляют. Определение влажности и зольности торфа выполняют в 2-кратной повторности.
Зольность в процентах от массы абсолютно сухого торфа вычисляют по формуле:
где ЗТ – зольность торфа, %; m 1 – навеска воздушно-сухого (влажного) торфа, г; m 2 – масса золы, г; W – влажность торфа, %.
Расхождения между параллельными определениями зольности торфа не должны превышать 0,3 % для образцов с зольностью до 8,0 %, 0,5 % при зольности 8,1-20,0 % и 1,0 % при зольности больше 20,1 %.
Потери от прокаливания вычисляются по формуле:
ПП = 100 – ЗТ,
где ПП – потери при прокаливании, в % от массы абсолютно сухого торфа; ЗТ – зольность торфа, %.
Полученные данные используют для оценки запасов органических и минеральных веществ, а зольность торфа служит для его диагностики. При необходимости определяют химический состав золы. Аналогично анализируют и другие органогенные материалы.
3.8.2. Одновременное определение общего содержания углерода и азота в торфяных почвах методом Анстета в модификации в.В. Пономаревой и т. А. Николаевой
Принцип метода состоит в окислении навески вещества, содержащей от 50 до 100 мг органического С, серно-хромовой смесью с концентрацией 3,0 н. по CrO 3 при отношении H 2 SO 4: H 2 O, равным 3:2.
В оригинальном методе Анстета описанная им техника окисления органического вещества не безопасна и не безупречна по точности получаемых результатов из-за мгновенного и сильного разогревания окислительной смеси и бурного разложения органического вещества. Поэтому в аналитической практике обычно используется модифицированная методика, предложенная В.В. Пономаревой и Т.А. Николаевой.
Они рекомендуют предварительно готовить большой запас охлажденной смеси из двух объемов 12 %-ного водного раствора CrO 3 и одного объема концентрированной H 2 SO 4 и приливать к навеске вещества 30 мл этой смеси, а затем 20 мл концентрированной H 2 SO 4 .
Ход анализа . Навески для анализа берут в зависимости от содержания в исследуемом материале золы, а именно:
На аналитических весах берут навеску воздушно-сухого торфа или другого растительного материала (пропущенного через сито с диаметром отверстий 0,25 мм) и переносят в коническую колбу на 200-250 мл из термостойкого стекла. Для равномерного кипения окислительной смеси к навеске добавляют немного (на кончике ножа) прокаленной пемзы или почвы. Затем приливают очень точно из бюретки со стеклянным краном 30 мл серно-хромовой смеси и 20 мл концентрированной Н 2 SO 4 из другой бюретки или мерным цилиндром на 25 мл. Большая точность объема прибавляемой Н 2 SO 4 не обязательна, но необходима высокая точность объема прибавляемого раствора серно-хромовой смеси. Очень важно всегда придерживаться одинаковой, малой скорости стекания из бюретки хромовой смеси.
Колбу закрывают маленькой воронкой в качестве холодильника, содержимое её осторожно перемешивают и по окончании бурного разложения органического вещества колбу ставят на заранее разогретую этернитовую плитку или песчаную баню, содержимое ее доводят до кипения и умеренно кипятят точно 5 мин по секундомеру или песочным часам. Не следует принимать за начало кипения интенсивное выделение мелких пузырьков диоксида углерода, которое происходит еще до закипания. Кипение смеси начинается тогда, когда на ее поверхности появляются крупные пузырьки газа.
После охлаждения содержимое колбы осторожно переносят при помощи воды из промывалки в мерную колбу на 250 мл . После окончательного охлаждения жидкость доводят в колбе до метки и очень хорошо перемешивают. Берут точно пипеткой две парные пробы по 25 мл на титрование солью Мора (с фенилантраниловой кислотой) для определения органического С по окисляемости и две пробы по 50 мл, для отгонки аммиака и определения N. Отгонку аммиака производят с 25 мл 50 %-ного раствора NаОН и кусочком гранулированного цинка или цинковой пылью. В приемную колбу наливают 25 мл 0,01 н. раствора Н 2 SO 4 . Избыток кислоты титруют 0,01 н. раствором NаОН с индикатором метилрот + метиленблау. При низком содержании азота в анализируемом веществе для отгонки NH 3 лучше взять не 50, а 100 мл раствора и соответственно 50 мл 50%-ного раствора NаОН.
В точно таких же условиях проводят холостой опыт для установления соотношения между серно-хромовой смесью и раствором соли Мора, с одной стороны, и растворами 0,01 н. Н 2 SO 4 0,01 н. NаОН при определении N - с другой.
Результаты определения С и N вычисляют в процентах от абсолютно сухой массы анализируемого вещества. Найденное количество N умножают на коэффициент 1,03 с учетом того, что при данном методе минерализуется в среднем 97% N .
4.5 Зольность торфов
Зольность торфов имеет важное агрономическое значение, так как в составе золы присутствуют зольные элементы питания (Р, К, Са, Mg и др.). В то же время повышенное содержание оксидов железа, водорастворимых солей в составе золы торфа резко снижает его качество. Зольность торфов верховых болотных почв наиболее низкая (2-5%), низинных - составляет от 5-10% у обедненных (переходных) до 30-50% у высокозольных.
В верховых болотных почвах состав и содержание зольных элементов определяются зольностью исходных растительных остатков, а в низинных в большой мере зависит от гидрогенной аккумуляции веществ и степени заиления торфа.
Наиболее важными компонентами золы являются фосфор, калий, кальций. Фосфор в торфе содержится в основном в органической форме и в небольших количествах (0,1-0,4%), за исключением некоторых травянистых и ольшаниковых болот, в торфе которых фосфор может накапливаться в виде вивианита до 2-8% на сухое вещество торфа.
Все виды торфа бедны калием. Содержание кальция в торфе верховых болот невелико, а в торфе низинных почв - в среднем 2-4%, достигая в карбонатных родах 30% и выше.
В торфе определенных видов содержится значительное количество железа (5-20% и более в пересчете на Fe2O3); в засоленных торфяных почвах содержится до 2% водорастворимых солей.
4.6 Торфяные горизонты
Торфяные горизонты болотных почв имеют специфические физические свойства: низкие показатели плотности, высокую влагоемкость, слабую
водопроницаемость и теплопроводность. Влагоемкость низинного торфа колеблется от400 до 900%, верхового - от 1000 до 1200%.
5. Режимы
Целинные торфяные почвы имеют болотный застойный или грунтово-болотный слабопромывной водный режим. В естественном состоянии торф насыщен водой и пористость аэрации наблюдается кратковременно в самом верхнем 5 - 10-сантиметровом слое в период летней подсушки торфяника. В таких условиях резко ухудшается воздушный режим: снижается газообмен между почвенным и атмосферным воздухом, в составе почвенного воздуха возрастает содержание СО2 (до 3-6%) и падает содержание кислорода (до 13-17%). Для целинных почв характерен окислительно-восстановительный режим с господством восстановительных процессов по всему профилю.
Тепловой режим определяется основными тепловыми свойствами торфяных почв и зависит от их широтного местоположения.
Высокая теплоемкость и низкая теплопроводность торфа определяют недостаточную теплообеспеченность торфяных почв. Значительное содержание в них воды требует большого количества тепла на их нагревание по сравнению с минеральными почвами. Поэтому торфяные почвы относятся к холодным почвам. Зимой они позже промерзают, а летом позже оттаивают.
Отмеченные особенности гидротермического и ОВ-режимов торфяных почв характеризуют эти почвы в естественном состоянии как биологически малоактивные. Повышенная биологическая активность наблюдается только в самом поверхностном слое в отдельные короткие периоды улучшения его аэрации. Продолжительность таких периодов и интенсивность биохимических процессов нарастают от северной тайги к лесостепи и далее на юг.
6. Сельскохозяйственное использование
Рассмотренная выше сравнительная характеристика состава и свойств торфа верховых и низинных болотных почв раскрывает их агрономические особенности.
Наиболее ценными в сельскохозяйственном отношении являются болотные низинные почвы. Торф этих почв имеет высокую зольность, значительную гумифицированносъ, большое содержание азота и более благоприятную реакцию.
Использование болотных торфяных почв в сельском хозяйстве может идти в двух направлениях: как источника органических удобрений и как объекта для освоения и превращения их в культурные высокопродуктивные угодья.
6.1 Использование торфа
Существует два способа использования торфа для приготовления органических удобрений: для приготовления подстилочного навоза и приготовления компостов. В качестве подстилки для скота используют малоразложившийся моховой торф. Он хорошо впитывает навозную жижу и газы, устраняя тем самым потери самого ценного компонента удобрений - азота. Торфяной навоз по своим удобрительным качествам превосходит соломенный.
При компостировании к торфу добавляют известь, фосфоритную муку, растворимые минеральные удобрения или биологически активные вещества (фекалии, навоз и др.).
Для непосредственного удобрения используют только хорошо разложившийся торф. Особо ценны вивианитовые и карбонатные торфы (для кислых почв).
После осушения, культур технических и агротехнических мероприятий болотные торфяные почвы могут быть превращены в ценные сельскохозяйственные угодья. Так, на окультуренных низинных торфяных почвах Яхромской поймы (Московская обл.) получают сена до 9,0-12, От/га при 2-3 укосах, кормовых корнеплодов до 70,0-90,0 т/га, картофеля 20,0-27,0 т/га, высокие урожаи овощных и других культур.
При освоении и последующем использовании болотных низинных торфяных почв первостепенное значение имеет создание оптимального водно-воздушного режима за счет правильно выбранной нормы осушения и поддержания уровня грунтовых вод на заданной глубине с учетом требований отдельных групп сельскохозяйственных культур.
6.2 Норма осушения
Норма осушения - глубина зеркала грунтовых вод после проведения осушительных мелиорации. В среднем для зерновых культур она составляет за весь период вегетации 70-80 см, для овощных, силосных - 80 - 100, для трав - 60 - 80 см. Для торфяных почв характерен большой запас недоступной влаги (30-40% ПВ). Нижний предел оптимального увлажнения составляет для большинства культур 55-60% ПВ. При снижении влажности до этой величины необходимо дополнительное увлажнение (полив дождеванием или за счет регулирования уровня грунтовых вод).
При осушении водный режим торфяных почв изменяется от болотного в целинных почвах до промывного торфяного в северной тайге, периодически промывного в южной и периодически выпотного торфяного в лесостепи. В увлажнении пахотного слоя значительно возрастает роль атмосферных осадков и верховодки.
Под влиянием осушения изменяется тепловой режим торфяных почв: в целом он ухудшается, так как в верхних горизонтах осушенных почв возрастает объем пор, заполненных воздухом, который проводит тепло хуже, чем вода.
6.3 Осушение и обработка торфяной почвы
Осушение и обработка торфяной почвы (глубокая вспашка, фрезерование и другие приемы) существенно изменяют воздушный, окислительно-восстановительный и микробиологический режимы. В пахотном слое возрастает аэрация, усиливаются окислительные процессы, повышается биологическая активность.
Профиль мелиорируемой почвы расчленяется на два слоя: верхний - пахотный горизонт (иногда и часть подпахотного) высокой биологической активности, развития окислительных процессов и биохимического разложения органического вещества торфа и нижний - капиллярно-насыщенный влагой, сохраняющий в значительной мере свойства и режимы целинной торфяной почвы. Оптимальная мощность зоны окисления (Eh > 400 мВ) составляет: для многолетних трав 20-40 см, для зерновых, силосных, кормовой свеклы 40-60, для сахарной свеклы, кормовой моркови 50 - 80 см.
Определение зольности торфа и продуктов его переработки проводят по ГОСТ 11306-2013.
Для торфа и торфяной продукции топливного назначения метод заключается в озолении навесок продукции и прокаливании зольного остатка в муфельной печи в тиглях при температуре (800±25)°С.
Для торфяных удобрений, грунтов и других видов торфяной продукции сельскохозяйственного и природоохранного назначения озоление навесок продукции и прокаливание зольного остатка в муфельной печи в тиглях производят при температуре (525±25)°С.
При этом потерю массы при прокаливании принимают за массовую долю органического вещества.
Определение зольности проводят параллельно в двух навесках аналитической пробы, приготовленной по ГОСТ 11303-2013. Навески массой 2-8 г засыпают в предварительно взвешенные тигли.
Определение зольности торфа и торфяной продукции топливного назначения
Тигли с навесками торфа закрывают крышками и ставят на под холодной или нагретой до температуры 200-250°С муфельной печи. Через 15 мин открывают дверцу, снимают крышки с тиглей и нагревают печь до температуры (800±25)°С. При этой температуре продолжают прокаливание в закрытой муфельной печи до полного озоления нелетучего остатка в течение 3 ч.
После прокаливания тигли с золой вынимают из муфельной печи, охлаждают на асбестовом листе 5 мин, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают.
Для контроля тигли с зольным остатком дополнительно прокаливают в течение 40 мин при температуре (800±25)°С. После охлаждения и взвешивания определяют изменение массы. Если изменение массы в сторону уменьшения или увеличения будет менее 0,005 г, то испытание заканчивают и для расчёта принимают последнюю массу. При уменьшении массы на 0,005 г и более тигли с зольным дополнительно прокаливают (каждое в течение 40 мин) до тех пор, пока разность в массе при двух последовательных взвешиваниях будет менее 0,005 г.
Определение зольности торфяной продукции сельскохозяйственного и природоохранного назначения
Тигли с навесками торфа закрывают крышками и ставят на под холодной или нагретой до температуры 200-250°С муфельной печи (под печи заполняют тиглями не более чем на половину), закрывают дверцу. Через 15 мин открывают дверцу, снимают крышки с тиглей и постепенно в течение 1 ч нагревают печь до температуры (525±25)°С.
При этой температуре продолжают прокаливание закрытой муфельной печи до полного озоления нелетучего остатка (до прекращения искрения) в течение 3 ч. Наблюдение ведут через смотровое отверстие.
После прокаливания тигли с золой вынимают из муфельной печи, охлаждают на асбестовом листе в течение 5 мин, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают. Несгоревшие частицы дополнительно выжигают. Для этого в тигли добавляют несколько капель горячей дистиллированной воды температурой более 90°С или 3%-ного раствора Н 2 О 2 и повторно прокаливают при температуре (525±25) °С в течение 1 ч, охлаждают в эксикаторе и взвешивают с точностью до 0,001 г.
Зольность аналитической пробы (А a) вычисляют в процентах по формуле:
А a = m 1 ?100/m, % (11.7)
где m 1 – масса зольного остатка, г;
m – масса навески испытуемого торфа, г.
Зольность абсолютно сухого торфа (A d) вычисляют по формуле:
А d = А a ?100/(100 – W a), % (11.8)
где W a – влага аналитической пробы, %.
Зольность торфа в рабочем состоянии (А r) вычисляют по формуле:
А r = А d ? (100 + W r)/100, % (11.9)
где W r – массовая доля общей влаги в рабочем состоянии по испытуемой пробе, %.
За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений в пределах допускаемых расхождений.
Допускаемые расхождения результатов двух параллельных определений не должны превышать значений, указанных в таблице 11.1.
Таблица 11.1 – Расхождение результатов определения зольности торфов и продуктов его переработки
