Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2010, № 10

Фуад М.А. Аль-Сабри
О.М. Гридин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССА
ГИДРОФОБИЗАЦИИ
СЫРЬЯ В СВЧ
ОБРАБОТКЕ

УДК
ББК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г 82

622.276 
39.49 
Г 82 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.09 
 
 
 
 
 
 
 
 
Аль-Сабри Фуад М.А., Гридин О.М. 

Теоретические и экспериментальные исследования процесса

гидрофобизации сырья в СВЧ обработке: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2010. — № 10. — 25 с.— М.: Издательство
«Горная книга» 

ISSN 0236-1493 
Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований производства гидрофобных плавучих сорбентов для ликвидации разливов нефти с применением электромагнитных полей ВЧ и
СВЧ диапазона.  

 

 

 

 

 

 

 
УДК 622.276

ББК 39.49

 
©  Фуад М.А. Аль-Сабри, О.М. Гридин, 2010 
©  Издательство «Горная книга», 2010 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2010 

 

Теоретические исследования процесса  
гидрофобизации сырья в высокочастотных 
электромагнитных полях 
 
 
Рассмотрены результаты теоретических исследований производства гидрофобных плавучих сорбентов для ликвидации разливов нефти с 
применением электромагнитных полей ВЧ и СВЧ диапазона. 
Ключевые слова: нефтяные разливы, сорбенты, СВЧ. 
 
Процесс термической деструкции торфа (термолиза) 
изучен достаточно хорошо, с того времени, когда торф широко применялся и как топливо, и как сырье для химической промышленности. 
Торф представляет собой сложный комплекс веществ, 
включающий молекулы целлюлозы, гуматов, надмолекулярные ассосоциаты и т.п. Процесс термического разложения торфа представляет собой разрыв физико-химических 
связей внутри этих составляющих с образованием многочисленных нестойких активных промежуточных продуктов. 
Последние очень быстро реагируют между собой, в результате чего образуются более устойчивые продукты термолиза − смолы, кислоты, неконденсируемые газы и др. Таким 
образом определяющим во времени процессом является 
первичный распад исходных составляющих топлива, скорость которого зависит от температуры или других внешних 
воздействий, например, электромагнитного поля). 
Простые расчеты по рис. 1 (а, б) показывают, что если 
при термолизе целлюлозы удаляются функциональные 
группы с наименьшей энергией связи (полярные группы), то 
максимальная убыль массы составит 52 %, выход полукокса 
– 42 %. Это хорошо согласуется с известными данными, например см. [1], с. 176, табл. 8−1. Удаленные молекулы рекомбинируют с образованием смол, органических кислот и 
воды разложения. 

а 

 
 
Рис. 1. Влияние частичного термолиза на строение молекулы целлюлозы:  
а − фрагмент исходной молекулы целлюлозы; б − фрагмент молекулы 
целлюлозы после термолиза 
 
Ранее проведенные эксперименты показали, что для 
придания гидрофобности целлюлозо-содержащим веществам (торф, древесина, бумага, растительные остатки и т.п.) 
достаточно убыли 15–20 % сухой массы, то есть примерно 
одной трети полярных групп. 
Если через δс обозначить относительную потерю сухой 
массы, δ − относительную потерю общей массы, gw – долю 
воды в сырье, то формула для определения необходимой 
убыли массы сырья с известной исходной влажностью примет вид: 

δ = δс + (1 − δс) gw. 
(1) 
Например, для сорбента из торфа с 40 % исходной 
влажности при δс = 0,2 общая относительная убыль массы 
должна составить δ = 0,2 + (1 – 0,2).0,4 = 0,52 = 52 %. Тогда 
критерием конца тепловой или электрофизической обработки сырья будет соотношение (рис. 2) 

б 

0,15
0,2
1

w

w

g
g
δ −
≤
≤
−
. 
(2) 

Оценим энергию электромагнитного воздействия, необходимую для ускорения термолиза целлюлозы. Предположим, что процесс термолиза происходит по уравнению первого порядка: 

(
)
1
,
dv
k
v
d
′
′
=
−
τ
 
(3) 

где v' − vlC0 − доля продуктов термолиза, выделившихся за 
время τ в результате разрушения определенной группы связей, она количественно характеризуется величиной С0 −долей продуктов термолиза в общем их количестве, получающаяся в результате полного разрушения связей данной 
группы; v − доля продуктов термолиза в общем их количестве, выделяющаяся в результате разрушения связей данной 
группы за время τ (0 < С < С0); k = f (Т) − константа скорости реакции, приводящей к разрушению связей данной 

Рис. 2. Область оптимальной убыли массы в процессе термолиза сырья для 
сорбента в зависимости от 
влажности (заштрихована)

группы. Предполагается, что константа связана с температурой зависимостью: 

/(
)

0
,
E
RT
k
k e−
=
 
(4) 

где Т − абсолютная температура, в общем являющаяся 
функцией времени τ. 
Внешнее электрофизическое воздействие с энергией W 
увеличивает кинетическую энергию движения заряженных 
частей сложных молекул, увеличивая показатель RT. Тогда 

1
2

2
1

1
1
1
2

/(
)
/(
)
1
0
2
0

1
1

2

1

,
,

,

E
RT
E
RT
W

E
T
W
E
E
RT
T
RT
RT
RT
W

k
k e
k
k e

k
e
e
k

−
−
+

⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
−
⎜
⎟
+
−
⎜
⎟
+
⎝
⎠

=
=

α =
=
=

 
(5) 

где k1, k2 – константы скорости реакции без воздействия и с 
воздействием, α – коэффициент увеличения скорости разложения. 
Отсюда  

2
1
1
1

1
.
ln
1

T
W
RT
RT
T

E

⎛
⎞
⎜
⎟
=
−
⎜
⎟
α
⎜
⎟
−
⎝
⎠

 
(6) 

Предварительные эксперименты показали, что α ≈ 10, 
так как при 280 оС для гидрофобизации сырья требовалось 
1,5 часа (90 мин), а в микроволновой печи 9 минут при 
170оС. При этом Т1 = 280оС = 553 К, Т2 = 170оС = 443 К. 
Примем энергию активации термолиза 40 кДж/моль. Тогда 
W = 2565,684 Дж/моль или 0,428⋅10−20 Дж на один радикал 
OH−. Е = 9400 ккал/кмоль = 39360 кДж/кмоль = 39, 36 
кДж/моль для торфа. 
Целлюлоза представляет собой полимер бета-глюкозы с 
общей формулой n(C6H12O6), где n изменяется от 300 до 

10000. Каждый следующий остаток в молекуле целлюлозы 
повернут относительно предыдущего на 180°. Именно это и 
отличает молекулы целлюлозы от молекул крахмала и обуславливает прочность целлюлозных волокон. Цепи, в которых остатки глюкозы соединены бета-1,4-связями, прямолинейны в отличие от цепей крахмала, альфа-1,4-связи которых делают их способными изгибаться и свертываться. 
Из каждой такой цепи выступает наружу полярные группы 
− ОН и С2НООН-группы. Эти группы направлены во все 
стороны и образуют водородные связи с соседними цепями, 
что обеспечивает жесткое поперечное сшивание всех цепей. 
По 60−70 цепей объединены друг с другом в микрофибриллы, а последние в свою очередь собраны в пучки, т. е. в более крупные структуры, называемые макрофибриллами. 
Нагревание, приводящее к частичному термолизу целлюлозы, отмечается в ИК-спектрах, прежде всего уменьшением интенсивности поглощения именно полярными группами. При воздействии высокочастотного электромагнитного поля происходит нагрев материала за счет диэлектрических потерь. Удельная мощность диэлектрических потерь 
ВЧ-энергии в породе n, Вт/м3 

n = 2πεε0f.tgδ.E2
е, 
(7) 

где ε – диэлектрическая проницаемость, ε0 = 8,854.10−12 Ф/м 
– электрическая постоянная. 
Для сухого торфа и, например, сухой древесины диэлектрическая проницаемость при f = 109 Гц составляет  
ε ≈ 2 , tgδ ≈ 0,04. 

0

2
,
e

N
E
V
τ
=
ε
 

где N – мощность генератора, Вт, объем резонатора, м3; τ – 
длительность полупериода колебаний, τ = 1/2f, f − частота 
колебаний, равная стандартной 2450 МГц = 2,45⋅109 с−1. 

При N = 1000 Вт, V = 20 л = 0,02 м3, ε0 = 8,854 10−12 Ф/м  
Ее = 1518 В/м. Примем ε = 2, tgδ = 0,04 на частотах порядка 
109 Гц (для сухого торфа и сухой древесины). Тогда n =  
= 2,725⋅105 Вт/м3 = 0,27 Вт/см3. В отсутствие теплоотвода и 
без учета затрат тепла на термолиз темп роста температуры  
сырья, например, торфа с ρ = 140 кг/м3, с = 1,96.103 Дж/кг.К. 
dT/dτ = n/ρc = 0,993 К/с = 59,6 К/мин. 
Но, кроме диэлектрического нагрева, происходит и «нетепловая» накачка ВЧ и СВЧ-энергии. Фактически, нагрев 
является вторичным процессом, происходящим вследствие 
диссипации энергии вынужденных колебаний дипольных 
молекул, часть из которых разрывает связи и удаляется из 
материала. 
Для производства гидрофобного нефтяного сорбента по 
СВЧ-технологии предлагается следующая схема (рис. 3). 
В отличие от термического метода гидрофобизации сырья для сорбентов путем их частичного термолиза, СВЧполе воздействует на всю толщу материала, таким образом, 
участки с самой высокой температурой, и, следовательно, с 
самой высокой степенью разложения и с самым высоким 
риском возгорания находятся в центре толщи материала. 
 

 
 
 
Рис. 3. Принципиальная схема установки