Механохимическая технология переработки коры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) в жидкое гуминовое удобрение

Размещено на http://allbest.ru

* Югорский государственный университет

**Технопарк высоких технологий

Механохимическая технология переработки коры сосны обыкновенной (Pнnus sylvйstris) в жидкое гуминовое удобрение

Дудкин Д.В.*, Федяева И.М.**

Аннотация

В работе представлена малоотходная технология получения жидких гуминовых удобрений из смеси коры сосны обыкновенной и торфа. В основе технологии впервые применен механохимический способ переработки смеси высокоэнергетических органических веществ, основанный на кавитационной механоактивации протекающих химических процессов.

Ключевые слова: технология, удобрения, гуматы, кора сосны обыкновенной, торф, жидкое гуминовое удобрение, механохимический, кавитация

Введение

Широкое развитие биолого-органических систем земледелия делает все более востребованным рынком гуминовые препараты [1-3]. Ожидаемый взрывной рост производства гуминовых препаратов обусловлен тем, что: 1) их применение является абсолютно безопасным для человека и окружающей среды [1, 2]; 2) их применение повышает естественно-антропогенное плодородие почвы [1, 2, 4, 5]; 3) себестоимость их производства может быть существенно снижена с привлечением аппарата механохимии [6, 7]; 4) для их производства используется дешевое, повсеместно распространенное в нашей стране возобновляемое сырье - торф и отходы биомассы дерева [7-10].

Доказана высокая эффективность гуминовых препаратов на широком перечне сельскохозяйственных культур [11-17]. Однако практика их широкого использования в качестве агрохимикатов сдерживается химической неоднородностью торфяного сырья [18]. Так, согласно ГОСТ Р 54249-2010, в рамках используемых технологий получения большая часть торфяных месторождений Западной Сибири вследствие низкой степени разложения и высокой доли сфагновых видов торфа является непригодной для получения гуминовых кислот. Это создает ряд трудностей в окультуривании земель таежной зоны Западной Сибири - территории с наибольшими запасами торфа [19].

Цель работы: создание экономически целесообразной и экологически безопасной технологии получения жидких гуминовых удобрений, позволяющей использовать в качестве органического сырья, наряду с торфом, малоликвидного крупнотоннажного отхода лесопильного производства Западной Сибири - кору сосны обыкновенной.

Экспериментальная часть

Анализ основной массы лесотехнических отходов, образующихся на территории ХМАО - Югры, которые могут быть потенциально использованы в качестве вторичного растительного сырья при производстве опытного образца жидкого гуминового удобрения «Лигновит», показал, что наименее ценным и наиболее распространенным отходом является кора хвойных пород, которая на 95% состоит из коры сосны обыкновенной (Pinus Sylvestris).

Годовой объем накопления данного отхода на лесопильных предприятиях ХМАО - Югры составляет 11,3 тыс. м³. Кора сосны имеет насыпную плотность в воздушно-сухом состоянии 126 кг/м³ при цене в 50 руб./м³. Данный вид сырья был апробирован авторами наряду с опилом гидролизным сосны обыкновенной.

Исследования показали, что такое сырье, как кора, является более удобным для переработки, так как упраздняется одна из стадий переработки, кроме того, данный отход образуется в объемах, многократно превышающих объемы потребления создаваемого производства.

Поскольку создаваемое производство не испытывает потребности в больших объемах получения опытного образца «Лигновит», а также на сегодняшний момент не существует крупнотоннажных аппаратов, генерирующих ультразвук посредством эффекта кавитации, созданная укрупненная промышленная установка реализована по циклическому типу производства на базе аппарата конструкции А.Д. Петракова.

Использование нескольких аппаратов (в нашем случае двух) позволяет варьировать производительность технологической линии производства опытного образца «Лигновит».

При этом дальнейшее увеличение масштабов производства не потребует корректировки технологических условий производства опытного образца «Лигновит», а также будут сохраняться как принципиальная технологическая схема, так и технологический регламент и технические условия производства опытного образца «Лигновит».

Схожесть технологических схем производства «Лигновит» и «Гумовит» принципиально позволяет производить их на одной производственной линии без перестройки оборудования.

В 2014 году компанией ООО «ХимТехнологии» в рамках выполнения НИОКР по теме: «Разработка, изучение агрохимической безопасности и эффективности применения опытных образцов удобрений Гумовит и Лигновит в растениеводстве» при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонда содействия инновациям) создана укрупненная опытно-промышленная установка по производству жидких гуминовых удобрений «Лигновит».

Принципиальной основой для создания установки послужил механохимический способ гумификации растительного сырья [9]. Производительность установки составляет 250 тыс. литров в год.

Установка включает в себя три основных блока: блок подготовки сырья, реакторный блок, блок выделения продукта и его розлива (рис. 1).

Блок подготовки сырья включает в себя стадии сушки вторичного растительного сырья, производимой в сушильных шкафах (1) при температуре 80єС, и последующего измельчения до фракции не более 3 мм на молотковой дробилке (2) и виброцентробежной мельнице (3) до заданного фракционного состава (табл. 1).

Высушенное до воздушно-сухого состояния (15-20 % влаги) вторичное растительное сырье поступает через весовые мерники (4) в реакторный блок (8), включающий в себя сам реактор (6) и аппарат конструкции Петракова А.Д. (7). Через мерники (4, 5) в реакторный блок также подается гидроксид калия и вода.

В реакторном блоке происходит смешение компонентов.

Под действием механохимического воздействия, оказываемого на растительное сырье, в реакторном блоке происходит процесс образования действующего вещества получаемого опытного образца «Лигновит», сопровождающийся его экстракцией в водно-щелочной раствор.

Таблица 1. Оптимальные условия для получения действующего вещества гуминового удобрения «Лигновит»

почва плодородие гуминовый удобрение дерево

В результате описанных химических превращений в реакторном блоке постепенно образуется продуктовая суспензия, состоящая из опытного образца «Лигновит» - гуминовых кислот и не вступившей в реакцию твердой фазы - вторичного растительного сырья.

Технологическая связь между блоком подготовки сырья и реакторным блоком осуществляется с помощью ручного труда. По завершении процесса продуктовая суспензия перекачивается посредством аппарата конструкции Петракова А.Д. (7) в сборник суспензии (10) через трехходовой кран (9), где происходит процесс отделения твердой фазы от жидкого продукта путем отстаивания осадка. Далее через соответствующее технологическое отверстие продукт периодически самотеком выводится на центрифугу (11) для полного разделения осадка и продукта. После центрифугирования продукт фасуется в полиэтиленовую тару, получает тарную этикетку и направляется на склад готовой продукции. Твердый остаток выводится из установки для вторичных процессов его переработки.

Готовой продукцией является 1% (масс.) водно-щелочной раствор гумата калия, получаемый в результате окислительно-конденсационных трансформаций растительного сырья, инициированного механохимическим воздействием, далее очищенный в узле сепарации и используемый в качестве товарной продукции - жидкий гуминовый препарат «Лигновит».

Обсуждение результатов

Поиск оптимальных условий процесса проводился на описанной выше укрупненной опытно-промышленной установке. Эффективный объем реактора, используемого в установке, составил 50 дм³. Влажность отходов лесопиления контролировалась по ГОСТ 11305-83, фракционный состав - ситовым методом (без промывки) по ГОСТ 12536-79.

Оптимальные условия для получения действующего вещества опытного образца «Лигновит» - гуминовых кислот, приведены в таблице 1.

Предпочтительной потребительской формой подобного рода препаратов является водно-щелочной раствор с концентрацией действующего вещества в препарате 1% и pH рабочего раствора менее 10 единиц. В связи с этим технологические инструкции ведения процесса, направленного на получение опытного образца «Лигновит», применительно к реакторному блоку созданной укрупненной опытно-промышленной установки, должны включать в себя следующие технологические параметры: продолжительность процесса механохимического воздействия - 30 минут, масса навески гидроксида калия - 0,77 кг, объем воды - 30 литров, масса вторичного растительного сырья - 0,60 кг.

Поскольку существовала опасность получения опытного образца с низкой биологической активностью, ввиду специфичности химического состава вторичного растительного сырья (высокого содержания танинов), для его получения было применено два вида сырья: вариант А - окор сосны обыкновенной в смеси с торфом (массовое соотношение 1:1) и вариант Б - окор сосны обыкновенной. Химический состав готовой продукции, наряду с действующим веществом - гуматом калия, включает в себя растворенные углеводы - пентозаны и гексозаны, элементы питания, такие как калий, фосфор, кальций. Проведенные исследования опытных образцов «Лигновит» показали отсутствие превышения для данной группы агрохимикатов ПДК тяжелых металлов и, в соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности», по уровню удельной эффективной активности A_эфф естественных радионуклидов (ЕРН) опытный образец «Лигновит» относится к I классу (A_эфф< 370 Бк/кг).

Наряду с химическими исследованиями проведена агрономическая оценка биологической активности препаратов с целью выявления наиболее активного варианта препарата «Лигновит». По результатам агрономических испытаний опытных образцов «Лигновит» на всхожесть, выживаемость растений яровой мягкой пшеницы, величину её урожая сделаны следующие выводы.

1. Применение препаратов «Лигновит» вариант А и «Лигновит» вариант Б при замачивании семян и по вегетации увеличивало общую выживаемость растений по отношению к контролю на 9,4 и 3,1 %, соответственно.

2. Использование препарата «Лигновит» вариант А приводило к существенному увеличению количества продуктивных стеблей (с 8,3 до 12,0 шт.) и массы растений (с 10,9 до 15,1 г) по отношению к контролю. Применение препарата «Лигновит» вариант Б приводило к увеличению массы растений с 10,9 до 13,4 г.

3. Использование препарата «Лигновит» вариант А позволило увеличить массу зерен с одного растения по отношению к контролю с 0,12 до 0,21 г.

4. Наибольшая биологическая урожайность (76,3 г/м²) отмечена на варианте с использованием препарата «Лигновит» вариант А, и, следовательно, можно рекомендовать в производство именно этот прототип в качестве гуминового удобрения «Лигновит».

Основными количественными показателями, характеризующими массовую долю действующего вещества в продукции, являются плотность продукта и массовая доля гуминовых кислот. Основными качественными показателями являются: показатель преломления, массовые доли калия, фосфора, кальция, характеризующие биологическую активность продукции.

Торф, используемый в качестве сырья для производства «Лигновит», должен удовлетворять требованиям уровня качества, представленным в таблице 2.

Таблица 2. Показатели качества торфа для производства удобрения «Лигновит»

Таким образом, для производства «Лигновит» пригоден широкий перечень торфяного сырья по видовому составу и степени разложения.

Особенностью описанного технологического процесса является полное (безотходное) использование растительного сырья для получения раствора гумата (табл. 3), поскольку расчетная норма образования отходов производства на 1 м³ готовой продукции составляет 11,41 кг, и получаемый твёрдый остаток может быть повторно использован для получения гуминовых удобрений.

Таблица 3. Нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов

В отличие от ранее известных аналогов [20, 21], механохимическая обработка в данном решении носит одноступенчатый характер. Сопоставление качественных характеристик биологической активности получаемого препарата «Лигновит» [11] с имеющимися аналогами «Росток», «Оксидат торфа», «Оксигумат» [18, 22, 23, 24] выявляет его соответствие требованиям рынка гуматов в части прибавки урожая при сопоставимых дозах внесения [12-15].

Важным аспектом повышения экологической эффективности производства гуматов по предлагаемой технологической схеме является безотходное использование растительного сырья, достигаемое посредством вторичного использования образующихся отходов в смеси с исходным сырьем. Основанием для данного технологического решения является установленный факт образования гуминовых кислот из основных компонентов торфа с высоким практическим выходом при механохимическом воздействии [25-28]. При этом исключается необходимость в использовании окислителя в качестве отдельного реагента, поскольку последний образуется в реакционной смеси непосредственно в процессе кавитационной механохимической обработки торфа в водно-щелочной среде в форме пероксида водорода [29].

Полученный агрохимикат не уступает по качественным показателям аналогам, имеющимся на рынке, и может быть рекомендован к широкому внедрению в производство. Перспективы использования производимых в рамках предложенного технологического решения гуматов, наряду с сельским хозяйством [30], в строительной отрасли [31], потенциально делают их еще более востребованными в народном хозяйстве.

Выводы

Впервые создана экономически целесообразная и экологически безопасная технология получения растворов гуматов, использующая в качестве органического сырья любые виды торфа, включая сфагновые виды торфа, характеризующиеся низкой степенью разложения. Предложенное технологическое решение ведет к снижению общих энергетических затрат, температуры, давления, общей продолжительности процесса и числа стадий производства гуматов, повышению практического выхода при одновременной минимизации образующихся отходов. Технологическое решение позволяет «гибко» изменять объемы производимой продукции без существенных затрат на реорганизацию производства.

Список использованных источников

1. Орлов Д.С. Свойства и функции гуминовых веществ // Гуминовые вещества в биосфере. - М. - 1993. - С. 18-27.

2. Орлов Д.С. Гуминовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М. - 1990. - 240 с.

3. Лиштван И.И., Наумова Г.В. Биологически активные вещества торфа и их биологическая классификация // Докл. АН БССР. - 1985, т. 29, № 10. - С. 938-940.

4. Заикин В.П., Ивенин В.В. Научные основы систем земледелия Волго-Вятского региона. - Н. Новгород: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия. - 2003. - 288 с.

5. Христева Л.А. О природе действия физиологически активных гуминовых кислот и других стимуляторов роста растений // Гуминовые удобрения. Теория и практика их применения. - Киев. - 1968, ч. 3. - С. 12-27.

6. Иванов А.А., Юдина Н.В., Ломовский О.И. Механохимическая обработка верхового торфа // Химия растительного сырья. - 2004, № 2. - С. 55-60.

7. Патент РФ №2429214. Способ получения гуминовых кислот и гуматов из торфа / Дудкин Д.В., Толстяк А.С., Фахретдинова Г.Ф. // БИ 2011. №26.

8. Дудкин Д.В., Федяева И.М. Основы механохимической технологии получения гуматов из торфа // В сборнике: Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. Материалы VII Всероссийской конференции с международным участием. - Барнаул. - 2017. - С. 330-332.

9. Патент РФ №2581531. Способ гумификации растительного сырья / Дудкин Д.В., Федяева И.М. // БИ 2016. №11.

10. Патент РФ №2442763 Способ гумификации растительного сырья / Дудкин Д.В., Евстратова Д.А. // БИ 2012. № 5.

11. Дудкин Д.В., Кашнова Е.В. Практика применения искусственно полученных гуминовых кислот на овощных культурах в условиях Алтайского приобья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2015, № 6 (56). - С. 28-31.

12. Дудкин Д.В., Змановская А.С., Литвинцев П.А. Влияние продуктов искусственной гумификации на рост и урожайность озимой пшеницы, возделываемой в условиях лесостепной зоны // Вестник Югорского государственного университета. -2013, № 3 (30). - С. 19-24.

13. Дудкин Д.В., Литвинцев П.А. Влияние продуктов искусственной гумификации на рост и урожайность яровой пшеницы, возделываемой в условиях лесостепной зоны Алтайского края // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2013, № 6 (44). - С. 47-50.

14. Литвинцев П.А., Дудкин Д.В., Змановская А.С., Евстратова Д.А., Фахретдинова Г.Ф., Ефанов М.В., Кузикеева А.П. Биологическая активность синтетических гуминовых препаратов // В сборнике: Аграрная наука - сельскому хозяйству сборник статей: в 3 книгах. - Барнаул. - 2011. - С. 151-154.

15. Литвинцев П.А., Дудкин Д.В., Змановская А.С., Евстратова Д.А., Фахретдинова Г.Ф., Кузикеева А.П. Биологическая активность синтетических гуминовых препаратов // В сборнике: Физикохимия растительных полимеров материалы IV международной конференции. Российская академия наук, Министерство образования и науки РФ, Российский фонд фундаментальных исследований, Правительство Архангельской области, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, Институт экологических проблем Севера УрО РАН. - Архангельск. - 2011. - С. 172-173.

16. Дудкин Д.В., Бояндина Т.Е. Практика применения гуминового препарата Гумовит в качестве стимулятора корнеобразования при размножении аронии черноплодной (aronia melanocarpa) // Вестник Новосибирского государственного аграрного университета. - 2017., №2 (43). - С. 24-31.

17. Дудкин Д.В., Бояндина Т.Е. Практика применения гуминового препарата «Гумовит» в качестве стимулятора корнеобразования при размножении вишни степной //Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. - 2017, №1 (50). - С. 20-30.

18. Наумова Г.В. Торф в биотехнологии. - Минск. - 1987. - 148 с.

19. Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения. Изд. 3-е, перераб. - М. - 1976. - 488 с.

20. Томсон А.Э., Наумова Г.В. Окислительно-гидролитическая деструкция торфа - эффективный метод его химической переработки // Природопользование. - 2012, вып. 22. - С. 83-91.

21. Наумова Г.В., Косоногова Л.В., Жмакова Н.А., Овчинникова Т.Ф. Биологически активные препараты стимулирующего и фунгицидного действия на основе торфа // Химия твердого топлива. - 1995, №2. - С. 82-88.

22. Наумова Г.В., Жмакова Н.А., Овчинникова Т.Ф., Хрипович A.A., Макарова H.Л. Биологически активные вещества торфа и продуктов его переработки // Природопользование. - 2002, вып. 8. - С. 144-153.

23. Яковлев В.К.,. Першаков А.Ю., Калеев А.С. Урожайность и качество зерна ячменя под влиянием предпосевной обработки семян регулятором роста и фунгицида // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи». - Курган. - 2015. - С. 105-107.

24. Куртова А.В., Грехова И.В. Влияние гуминового препарата Росток на продуктивность и качество клубней картофеля // Сборник статей по материалам III научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых посвященной 95-летию Кубанского государственного аграрного университета «Современные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции». - Краснодар. - 2017. - С. 546-550.

25. Дудкин Д.В., Змановская А.С. Образование гуминовых кислот при кавитационном воздействии на торф в водно-щелочных средах // Химия в интересах устойчивого развития. - 2014, т. 22, №2. - С. 121-123.

26. Дудкин Д.В., Змановская А.С. Химические превращения лигнина торфа, подвергнутого сонолизу в водно-щелочных средах // Химия в интересах устойчивого развития. - 2016, т. 24, №1. - С. 23-27.

27. Дудкин Д.В., Змановская А.С. Трансформация углеводной части вторичного растительного сырья, подвергнутого кавитации в водно-щелочных средах // Химия в интересах устойчивого развития. - 2016, т. 24, №6. - С. 753-759.

28. Дудкин Д.В., Змановская А.С. Химические превращения восков в процессе механохимической обработки торфа в водно-щелочных средах // Химия в интересах устойчивого развития. - 2017, т. 25, №2. - С. 173-177.

29. Дудкин Д.В., Змановская А.С. Кинетика механохимической переработки вторичного растительного сырья в гуминовые кислоты // Вестник Югорского государственного университета. - 2015, №3(38). - С. 30-37.

30. Дудкин Д.В., Федяева И.М. Основы механохимической технологии получения гуматов из торфа // В сборнике: Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. Материалы VII Всероссийской конференции с международным участием. - Барнаул. - 2017. - С. 330-332.

31. Дудкин Д.В. Оценка пригодности синтетических гуминовых кислот в производстве ячеистых бетонов // Вестник Югорского государственного университета. - 2016, №2 (41). - С. 34-38.

Размещено на Allbest.ru