УДК 621.6.04

ОЦЕНКА СОСТАВА И КАЧЕСТВА СМЕСЕЙ ЦЕОЛИТ-БЕНТОНИТ ПРИ СОЗДАНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СОРБЕНТОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ

Баранов Андрей Алексеевич1, Шубин Игорь Николаевич2, Котомин Богдан Ильич3, Потёмкин Никита Сергеевич4
1Тамбовский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
2Тамбовский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
3Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
4Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»

Аннотация
Приведены методики определения состава и качества смесей сыпучих материалов для перспективных сорбентов по цифровым изображениям. Показана возможность для смесей, полученных из материалов с близким цветом или яркостью, использовать цифровой анализ в цветовом пространстве HSV по величине тона H. Представлена технология получения тарировочных зависимостей концентрации ключевого компонента и проведения экспресс-анализа реальных смесей.

Ключевые слова: Бентонит, модели цвета, смесь сыпучих материалов, сорбенты, цеолит, цифровые изображения


EVALUATION COMPOSITION AND QUALITY ZEOLITE-BENTONITE MIXTURE TO CREATE PERSPECTIVE SORBENTS MODIFIED CARBON NANOTUBES

Baranov Andrey Alekseevich1, Shubin Igor Nikolaevich2, Kotomin Bogdan Ilyich3, Potemkin Nikita Sergeyevich4
1Tambov State Technical University, Ph.D, Associate Professor of the Technics and technology of production nanomaterials department
2Tambov State Technical University, Ph.D, Associate Professor of the Technics and technology of production nanomaterials department
3Tambov State Technical University, master student of the Technics and technology of production nanomaterials department
4Tambov State Technical University, master student of the Technics and technology of production nanomaterials department

Abstract
Techniques of determining the composition and quality of mixtures of bulk materials for perspective sorbents according to digital images are given. Presented the possibility for the mixtures derived from materials with a similar color or brightness, use a digital analysis of the color model HSV by value hue H. The technology of producing calibration curves and the determining concentration of a key component of the rapid analysis of real mixtures is presented.

Keywords: Bentonite, color model, digital images, mixture of bulk materials, sorbents, zeolite


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Баранов А.А., Шубин И.Н., Котомин Б.И., Потёмкин Н.С. Оценка состава и качества смесей цеолит-бентонит при создании перспективных сорбентов, модифицированных углеродными нанотрубками // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/05/53610 (дата обращения: 19.11.2016).

Для оценки качества двухкомпонентных смесей сыпучих материалов с отличными по цвету компонентами широко используется экспресс-анализ по яркости цифровых изображений, получаемых фотосъёмкой, сканированием и др. [1, 2].

Как известно [3, с.19], яркость (Y) можно оценивать как преобразование к оттенкам серого компонент RGB изображения методом усреднения, или применять преобразование к особенностям человеческого зрения с учетом различного восприятия компонент красного, зеленого и синего цветов:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B.

В тоже время существует ряд промышленно важных смесей, в которых компоненты имеют близкий цвет и/или яркость. Для таких смесей, даже при видимом отличии изображений, компьютерная обработка затруднена, поскольку цвет, анализируемых пикселей, заданный в RGB-пространстве после преобразования к величине оттенка серого или яркости имеет близкие значения. Таким образом, оценка содержания ключевого компонента и качества смеси с использованием яркости элементов изображения не допускает однозначного анализа. Все вышесказанное имеет прямое отношение к получению адсорбционных материалов на базе смесей цеолит-бентонит.

Тем не менее, экспресс-анализ по цифровым изображениям для таких смесей можно проводить, используя отличные от RGB цветовые модели и их компоненты. Нами предложено использовать оценку смесей цеолит (NaX)-бентонит в цветовой модели HSV (hue, saturation, value – тон, насыщенность, значение) по компоненте тона H.

Связь цветовой модели HSV с RGB описывается следующей системой преобразования цветовых компонентов:

max – максимальное значение из R, G, B, а min – минимальное из них;

V = max.

Технология оценки состава и качества смесей с использованием H-компоненты цветовой модели HSV заключается в следующем. В смесительном аппарате готовят тарировочные смеси с известным содержанием ключевого компонента (цеолит NaX), например 0, 20, 30, 50, 70, 80, 100%. Формируют тарировочные таблетки и получают цифровое RGB-изображение поверхности таблеток сканированием с разрешением 300 dpi. В изображениях поверхности таблеток выделяют квадратные области размером 240 на 240 пикселей, проводят их статистическую обработку с расчетом среднего значения компонента H и строят тарировочную зависимость концентрации ключевого компонента (цеолит) от среднего значения величины тона H в выделенном квадрате (рис. 1).

 

а)

б)

Рисунок 1 – Построение тарировочной зависимости:

а) расчет среднего значения H в таблетках с концентрацией 30 и 50% NaX;

б) экспериментальные точки и аппроксимирующая зависимость

Полученная тарировочная зависимость является основой экспресс-анализа различных двухкомпонентных смесей цеолит-бентонит.

Экспресс-анализ включает отбор проб из смесительного аппарата, формирование таблеток и их сканирование. В цифровом изображении анализируемых таблеток выделяются области размером 240 на 240 пикселей, которые разбиваются на подобласти размером 30 на 30 пикселей. Таким образом, изображение делится на 64 ячейки. Затем в каждой ячейке определяется средняя величина Hi и рассчитывается среднее значение во всех ячейках и по тарировочной зависимости определяется концентрация ключевого компонента (рис. 2). Коэффициент вариации (неоднородности) пробы смеси, характеризующий качество перемешивания, рассчитывают по формуле:

,

где n – количество ячеек.

Рисунок 2 – Определение состава и качества реальной смеси цеолит-бентонит

Для автоматизированной оценки состава и качества смесей по цветовой компоненте H разработана программа для ПК. Программа имеет два функциональных блока. Первый блок (исходные данные) предназначен для обработки тарировочных смесей и сформированных из них таблеток. В процессе работы пользователь указывает области изображений с известной концентрацией. Программа проводит попиксельную обработку областей с вычислением компонентов HSV для каждой точки и статистическую обработку выборок (рис. 1, а). В результате полной обработки тарировочных таблеток строится аппроксимирующая (тарировочная) зависимость, позволяющая рассчитать концентрацию ключевого компонента в смесях цеолит-бентонит произвольного процентного состава (рис. 1, б).

Второй блок (анализ качества смеси) позволяет проводить экспресс-анализ смесей цеолит-бентонит, полученных в процессе смешивания и формирования таблеток. Программа в данном блоке реализует механизм разделения изображения на множество ячеек, вычисление среднего Hi в каждой ячейке и во всей области , определение концентрации ключевого компонента в смеси по тарировочной зависимости и расчет коэффициента неоднородности смеси (рис. 2). Интерфейс программы в режиме анализа качества смеси представлен на рис. 3.

Рисунок 3 – Демонстрация работы программы

Перспективным способом наномодифицирования классических сорбентов на базе цеолитов со связующим является использование наноструктурных углеродных материалов, в частности нанотрубок различной морфологии. В ряде исследований показано, что наномодифицированние цеолитов и сорбентов на их основе углеродными наноструктурными материалами приводит к увеличению сорбционной емкости по некоторым адсорбатам [4, 5]. В этой связи, перспективным следует признать создание трех и много компонентных сорбентов с добавками наноструктурного углерода в виде углеродных нанотрубок (УНТ) [6]. При этом следует выявить концентрацию базовых составляющих и наномодифиатора. В работах [4, 6] показано, что рациональными дозами модифицирования является диапазон добавок нанотрубок в 1 – 3 масс. % в смесь цеолит-бентонит с содержанием цеолита 80%. Для создания высокопроизводительных производств таких смесей сыпучих сорбентов также необходимы методы экспресс-анализа.

Поскольку в данном случае смешиваемые компоненты имеют значительные цветовые различия (базовая смесь – светло-коричневая, углеродные нанотрубки – черные) оценку содержания и качества смесей удобно производить, используя традиционный метод анализа яркости цифровых изображений.

Технология оценки качества смесей цеолит-бентонит-УНТ с использованием яркости изображения, аналогична оценки по цветовой модели HSV, рассмотренной ранее. В смесительном аппарате готовят тарировочные смеси с известным содержанием ключевого компонента (УНТ «Таунит М», ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов), например 1; 1,4; 1,8; 2,2; 2,6; 3%. Формируют тарировочные таблетки и получают цифровое RGB-изображение поверхности таблеток сканированием. В изображениях поверхности таблеток выделяют квадратные области размером 240 на 240 пикселей, проводят их статистическую обработку с расчетом среднего значения компонента яркости Y и строят тарировочную зависимость концентрации ключевого компонента (УНТ) от среднего значения яркости в выделенном квадрате (рис. 4).

 

а)

б)

Рисунок 4 – Построение тарировочной зависимости:

а) расчет среднего значения яркости Y в таблетках с концентрацией 1 и 1,4% УНТ;

б) экспериментальные точки и аппроксимирующая зависимость для наномодифицированных смесей

Полученная тарировочная зависимость является основой экспресс-анализа смесей цеолит-бентонит (NaX=80%) с УНТ «Таунит-М».

Экспресс-анализ включает отбор проб из смесительного аппарата, формирование таблеток и их сканирование. В цифровом изображении анализируемых таблеток выделяются области размером 240 на 240 пикселей, которые разбиваются на подобласти размером 30 на 30 пикселей. Таким образом, изображение делится на 64 ячейки. Затем в каждой ячейке определяется средняя величина Yi и рассчитывается среднее значение во всех ячейках и по тарировочной зависимости определяется концентрация ключевого компонента – УНТ (рис. 5). Коэффициент вариации пробы смеси рассчитывают по формуле:

,

где n – количество ячеек.

Рисунок 5 – Определение состава и качества реальной смеси цеолит-бентонит-УНТ

Для автоматизированной оценки состава и качества смесей по яркости цифрового изображения, также разработана компьютерная программа аналогичная программе для оценки по цветовой модели HSV.

В заключение хотелось бы отметить, что предложенные методы экспресс-анализа состава и качества смесей могут с успехом применяться не только к рассмотренным композициям, но и в других случаях, когда исходные компоненты имеют близкую яркость или цвет.


Библиографический список
  1. Пат. 2343457 Российская Федерация, МПК G01N21/85. Способ определения качества смеси сыпучих материалов / А.Г. Ткачев, А.А. Баранов, Н.Р. Меметов и др.; опубл. 10.01.2010, Бюл. №1.
  2. Пат. 2495398 Российская Федерация, МПК G01N1/38, B01F3/18, B01F3/22, G01N21/85. Способ определения качества смеси компонентов, различающихся по цвету / О.В. Дёмин, Д.О. Смолин, В.Ф. Першин, В.Г. Однолько; опубл. 10.10.2013, Бюл. №28.
  3. Фисенко, В.Т. Компьютерная обработка и распознавание изображений: учеб. пособие / В.Т. Фисенко, Т.Ю. Фисенко. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. – 192 с.
  4. Пасько, Т.В. Исследование адсорбционных характеристик сорбентов, модифицированных углеродным наноструктурным материалом. Труды ТГТУ: Сб. науч. статей. Вып. 22. / Т.В. Пасько, Г.С. Корнеева, А.В. Кривотулов, И.Н. Шубин. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. С. 101-104.
  5. Потемкин, Н.С. Анализ сорбционной емкости, модифицированного УНМ сорбента / VI-я Международная научно-инновационная молодежная конференция: Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент / Н.С. Потемкин и др. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2014. – С. 226-228.
  6. Гурова, Т.В. Разработка сорбентов, модифицированных углеродными наноматериалами / V-я Международная научно-инновационная молодежная конференция: Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент / Т.В. Гурова и др. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2013. – С. 190-192.


Все статьи автора «Баранов Андрей Алексеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация