СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ И ВЕЩЕСТВО - УЛЬТРАГУМАТ, ПОЛУЧЕННОЕ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2013 года по МПК C05F11/02 

Область техники

Группа изобретений относится к технологии производства гуминовых препаратов и может быть использована в сельском хозяйстве, в частности, в растениеводстве и животноводстве, а также в медицине.

Предшествующий уровень техники

Технологии производства гуминовых препаратов, известные на сегодняшний день, в основном, основаны на щелочной экстракции гуминовых веществ из почвы с последующей очисткой.

В частности, из уровня техники известен способ приготовления жидких кормов и установка для его осуществления, в котором приготовление гуминовых кислот и гуматов из торфа или бурого угля осуществляют путем кавитационного диспергирования торфа или бурого угля в водном растворе щелочей до полного выхода гуминовых кислот с последующим получением гуматов (патент RU 2316227, опубликован 10.02.2008). Использование кавитации в технологиях получения гуминовых препаратов дает возможность достижения их высокой физиологической активности, большого выхода водорастворимых органических веществ, протекания реакций гидротермального синтеза. В кавитаторе синхронно идут процессы диспергации, экстракции, растворения, дезинтеграции клеточных структур, деструкция целлюлозы. Физиологическая активность гуминовых препаратов с неупорядоченными полимерными структурами гуминовых кислот и их солей, получаемых с использованием кавитации, увеличивается, поскольку неупорядоченная полимерная структура таких веществ с условным понятием молекулярной массы чем мельче, тем эффективнее усваивается мембранами клеточной структуры растений. Основным недостатком этого способа является чрезвычайно сложная технология получения конечного продукта - органоминерального удобрения. Такая технология не обеспечивает возможность контроля в полученном продукте заданных химического и количественного содержания питательных элементов, такая технология не позволяет получать конечный продукт со стабильными высококачественными потребительскими свойствами. Кроме того, данный способ требует больших энергетических и экономических затрат для оснащения такой сложной технологии.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения органоминеральных удобрений, основанный на кавитационном диспергировании гуматосодержащих веществ в водном растворе щелочей с последующим дополнительным ведением микроэлементов (патент RU №2350587, опубликован 27.03.2009).

Недостатком кавитационных способов является невозможность достижения больших интенсивностей звуковой энергии, необходимой в большей части технологий преобразования продуктов.

Учитывая, что органические вещества торфа состоят из гуминовых и фульвовых кислот, битумов, целлюлозы, лигнина, а минеральная часть в основном состоит из кремния, кальция, железа, алюминия и микроэлементов, то как удобрение торф малоэффективен, поскольку основная масса азота находится в труднодоступной форме, в составе гуминовых веществ. Применяя щелочную экстракцию торфа, добиваются доступности ряда веществ питанию растения. Однако химический способ выделения гуминовых веществ не достаточно эффективен, поскольку разрушается природная структура гуминовых препаратов, полученных химической экстракцией. Кроме того, данному способу присущи такие недостатки, как сложность технологического процесса получения конечного продукта, обуславливающая в свою очередь значительные энергетические и экономические затраты, а также невозможность получения конечного продукта с заданными стабильными характеристиками.

Из уровня техники известны различные органоминеральные удобрения на основе торфа. В частности, из патента RU 2203255, опубликованного 27.04.2003, известно жидкое органоминеральное гуминовое удобрение, которое содержит 2,0-4,0 г/л гуминовых кислот, 0,92-1,8 г/л фульвокислот, 8,0-10,0 г/л фосфора (в пересчете на P₂O₅), 14,4-16,0 г/л калия (в пересчете на K₂O) и до 0,32 г/л азота, основным недостатком которого является низкое содержание гуминовых и фульвовых кислот.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленной группы изобретений, заключается в создании эффективной технологии переработки гуматосодержащих веществ (торф, бурый уголь, чернозем), позволяющей получать водорастворимые органические вещества с высоким содержанием фульвовых и гуминовых кислот при упрощении технологического процесса их производства, снижении трудоемкости и материалоемкости технологического процесса, что, соответственно, обуславливает снижение себестоимости конечного продукта.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при получении гуминовых препаратов осуществляется ультразвуковое диспергирование гуматосодержащих веществ, причем создают, по меньшей мере, один струйный или вихревой поток гуматосодержащих веществ, который обрабатывают воздушным или паровым потоком с использованием газоструйного генератора с интенсивностью ультразвукового излучения более 10 Вт/см². Ввод газовой составляющей за счет большой акустической мощности газоструйных генераторов приводит к интенсивной акустической кавитации жидкой составляющей продукта. В газовой и жидкой фазах продукта возникают пульсирующие сверхдавления, приводящие к диспергированию, эмульгированию и другим процессам. За счет большой площади соприкосновения акустической волны газового потока с жидкой и твердой компонентами обрабатываемого продукта, возможна передача энергии большой интенсивности.

Способ получения гуминовых препаратов с использованием акустического воздействия на поток многофазного продукта характеризуется тем, что:

- создается интенсивность волновой энергии (более 10 Вт/см²), достаточная для достижения деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и необходимого преобразования химических связей;

- используется акустическая кавитация в вихревом или струйном потоке за счет энергии газоструйных генераторов;

- используется тепломассоэнергообменный процесс потока для проведения преобразований продукта.

Полученный описанным выше способом гуминовый препарат (ультрагумат) характеризуется следующим содержанием фульвовых и гуминовых кислот:

Фульвокислоты (в расчете на абсолютно сухое вещество) - 48,78%;

Гуминовые кислоты (в расчете на абсолютно сухое вещество) - 16,34%.

Вариант осуществления изобретений

Между жидкой фазой потока и газовой, особенно при вихревом движении, создается большая площадь соприкосновения, увеличивающаяся в процессе взаимодействия за счет диспергирования в возникающих сверхдавлениях волнового кластерного процесса кавитации. Твердая фаза продукта так же за счет сверхдавлений подвергается диспергированию и различным преобразованиям исходного вещества. Это достигается за счет использования тепломассоэнергообменного процесса, заключающегося в акустическом резонансном возбуждении одного или нескольких потоков, создаваемых в струйных камерах или вихревых трубах, газовый или ввод пара в которые осуществляется посредством газоструйных генераторов.

Основной задачей реализации способа обработки многофазного продукта является достижение максимальной интенсивности ультразвука в рабочих камерах, достаточной для деструкции обрабатываемого продукта.

Экспериментально доказано, что при обработке вихревого водно-торфяного потока, активированного выходным воздушным или паровым потоком газоструйного генератора с интенсивностью ультразвука более 10 Вт/см², получается ценное вещество с большим содержанием фульвовых и гуминовых кислот (более 65% в сухом веществе), а также другие органические и минеральные компоненты, доступные для питания растений.

Предлагаемый способ ввода газовой составляющей за счет большой акустической мощности газоструйных генераторов приводит к интенсивной акустической кавитации жидкой составляющей продукта. В газовой и жидкой фазах продукта возникают пульсирующие сверх давления, приводящие к диспергированию, эмульгированию и другим физико-химическим процессам. За счет большой площади соприкосновения акустической волны газового потока с жидкой и твердой компонентами обрабатываемого продукта, возможна передача энергии большой интенсивности, что не возможно при передаче энергии от твердой поверхности генераторов (пьезокерамика, магнитострикторы) в жидкий продукт. Основной проблемой передачи волновой энергии большой интенсивности (10 Вт/см² и более) от излучающей поверхности в жидкость является эффект появления «кавитационного облака» на границе сред, препятствующего передачи энергии. Поэтому необходим способ передачи в жидкость и дисперсный твердый продукт энергии большой интенсивности, что осуществляется в предлагаемом способе с помощью газоструйных генераторов. При турбулентном движении в камерах потока продукта в жидкости возникают кавитационные процессы, которые усиливаются акустической кавитацией за счет энергии газоструйных генераторов. Акустическая мощность газоструйного генератора Гартмана $$N_{\dot{a}}=295d_c^2\sqrt{P-\mathrm{0,9}}$$ , где d_c - диаметр сопла в сантиметрах, Р - давление газа в килограммах силы на сантиметр в квадрате при рабочем давлении

Р=3 атм из формальных преобразований:

$$I=N_{\dot{a}}/S=295d_c^2\sqrt{P-\mathrm{0,9}}/(\pi d_c^2/4)=376\sqrt{P-\mathrm{0,9}}=544[Вт/с{м}^2].$$

Соотношение выведено из условия облучения площадки равной площади сопла. В рабочих цилиндрах интенсивность ультразвука из-за эффекта рассеивания будет ниже этой величины. Геометрией рабочих камер и осевых вытеснителей можно создавать зоны различной интенсивности. Таким образом интенсивность ультразвука на выходе газоструйного генератора намного больше достигаемой интенсивности в гидродинамических кавитаторах, в которых, в среднем, I=2 Вт/см². Поэтому эффективность обработки многофазного продукта при таком способе намного выше. Мощность (квадрат амплитуды) газоструйного процесса на порядок превышает аналогичные характеристики гидродинамического процесса. При такой интенсивности возникают большие локальные давления (порядка тысяч атмосфер), что приводит к деструкции обрабатываемого вещества, поскольку в жидкости при захлопывании пузырьков газа образуются сферические ударные волны. Установлено, что усиление сверхсжатия происходит при увеличении интенсивности акустической волны, при использовании пара, когда минимизируется торможение жидкости, достигается большая кинетическая энергия жидкости, а также в кластерном пузырьковом процессе. Сверхсжатие усиливается в жидкости с тяжелыми молекулами (органика) и при низких температурах.

Способ получения ультрагумата осуществляется следующим образом.

Интенсификация тепломассоэнергообмена в механо-физико-химическом процессе превращений методом акустического воздействия на поток многофазного продукта осуществляется в реакторе с ультразвуковыми газоструйными генераторами. Газ поступает под давлением от внешнего источника, например насоса, компрессора, вначале в газоструйный генератор и далее через сопло - в вихревую камеру. Дисперсный твердый продукт, например торф, поступает либо в смеси с жидкой фазой - водой, либо с газовой фазой - паром. В случае наличия жидкой фазы в вихревой трубе осуществляется мокрый помол (уменьшение размера частиц твердой фазы). При отсутствии жидкой фазы в вихревой трубе осуществляется сухой помол твердого компонента продукта, который может вводиться как через сопло, так и через газоструйный генератор. При турбулентном движении в камерах потока продукта в жидкости возникают кавитационные процессы, которые усиливаются акустической кавитацией за счет энергии газоструйных генераторов. В процессе работы происходит сгущение ультрагумата до требуемой консистенции.

Учитывая, что торф имеет сложный химический состав, который определяется условиями генезиса, химическим составом растений - торфообразователей и степенью разложения, о его составе можно говорить только в общих чертах, принимая за основу так называемый элементный состав торфа: углерод 50-60%, водород 5-6,5%, кислород 30-40%, азот 1-3%, сера 0,1-1,5% (иногда 2,5) на горючую массу. При этом в компонентном составе органической массы содержание водорастворимых веществ 1-5%, битумов 2-10%, легкогидролизуемых соединений 20-40%, целлюлозы 4-10%, гуминовых кислот 15-50%, лизинга 5-20%.

Описанный выше способ обработки торфа в реакторе с интенсивностью ультразвука в рабочих камерах 50 Вт/см² позволяет получить вещество - ультрадисперсную эмульсию торфа (УДЭТ) - ультрагумат, в котором растворимого органического вещества - 87%, математическое ожидание распределения дисперсности - 1 мкм.

Большая производительность промышленной установки строится по проточной схеме с непрерывными процессами смешения и обработки водоторфяного потока в реакторе.

Ниже представлена таблица количественных химических показателей ультрагумата, полученного при обработке исходного переходного торфа, составленная в испытательном центре почвенно-экологических исследований МСХА имени К.А. Тимирязева (протокол испытаний №108/10 от 27.12.2010).

Определяемые показатели Ед. изм. Результаты исследований Характеристика погрешности Соответствие требованиям НТД Метод испытаний 1 2 3 4 6 7 pH ед. pH 5,4 ±0,2 соответст. ГОСТ 26423-85 Зольность (в расчете на абсолютно сухое вещество) % 28,4 ±2,8 соответст. ГОСТ 27784-88 Зольность % 9,69 ±0,96 соответст. ГОСТ 27784-88 Фульвокислоты (в расчете на абсолютно сухое вещество) % 48,78 ±4,88 соответст. По Кононовой-Бельчиковой Гуминовые кислоты (в расчете на абсолютно сухое вещество) % 16,34 ±1,63 соответст. По Кононовой-Бельчиковой Фульвокислоты % 16,65 ±1,67 соответст. По Кононовой-Бельчиковой Гуминовые кислоты % 5,58 ±0,83 соответст. По Кононовой-Бельчиковой Фосфор общий (в расчете на абсолютно сухое вещество) % 2,69 ±0,27 соответст. ГОСТ 26717-85 Калий общий (в расчете на абсолютно сухое вещество) % 2,08 ±0,21 соответст. ГОСТ 26717-85 Фосфор общий % 0,92 ±0,09 соответст. ГОСТ 26717-85 Калий общий % 0,71 ±0,07 соответст. ГОСТ 26717-85 Органическое вещество (в расчете на абсолютно сухое вещество) % 71,6 ±0,8 соответст. ГОСТ 27784-88 Органическое вещество % 24,44 ±0,8 соответст. ГОСТ 27784-88

Как видно из таблицы, содержание фульвовых и гуминовых кислот в ультрагумате высокое. При отделении неорганической части УДЭТ, что легко осуществить механическим путем, содержание гуматов очевидно увеличится, причем ультрагумат получен без какой либо очистки и может быть непосредственно использован как регулятор роста и удобрение, а также как кормовая добавка для птицы.

Нерастворимая часть УДЭТ состоит, в основном, из диоксида кремния - песка. Ультрагумат при электролизе осаждается на электроде, после просушивания представляет собой растворимое в воде твердое вещество ("Ультрагумат Э") с содержанием гуматов более 90%. Этот ультрагумат может применяться в качестве регуляторов роста и удобрения при обработке семян, корневой и внекорневой подкормке растений, в системах капельного орошения а так же как кормовая биодобавка в животноводстве. Подсушенный "Ультрагумат Э" а так же исходное вещество могут быть в виде гранул или порошка. Гранулированный ультрагумат целесообразно использовать при корневой подкормке, поскольку большое содержание фульвовых кислот в ультрагумате способствует их быстрому вымыванию.

Ультрагумат имеет высокую биологическую активность и может применяться не только в растениеводстве и животноводстве, но и в медицине. Недоступный для усвоения растениями торф становится в виде ультрагумата не только усваиваемым растениями веществом, но и становится эффективным удобрением и регулятором роста. Комбинированное органо-минеральное удобрение наиболее эффективно в растениеводстве и его применение способствует восстановлению гумусового слоя почвы.

Представленная технология может принципиально изменить роль торфа. Во первых, получение гуматов с высоким содержанием фульвовых и гуминовых кислот упрощается и становится возможным без применения химикатов. При этом органическая составляющая торфа в результате физико-химических реакций становится в большей части водорастворимой. Во вторых, производительность установок получения ультрагумата может быть достигнута практически как угодно большой.

Технология производства ультрагуматов в ультразвуковых реакторах с газоструйными генераторами принципиально изменяет ценность торфа и дает возможность существенно повысить эффективность применения торфа в сельском хозяйстве и медицине.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ получения гуминовых препаратов, который включает ультразвуковое диспергирование гуматосодержащих веществ. При этом создают, по меньшей мере, один струйный или вихревой поток гуматосодержащих веществ, который обрабатывают воздушным или паровым потоком с использованием газоструйного генератора с интенсивностью ультразвукового излучения более 10 Вт/см². Изобретение позволяет создать эффективную технологию переработки гуматосодержащих веществ, позволяющую получать водорастворимые органические вещества с высоким содержанием фульвовых и гуминовых кислот при упрощении технологического процесса их производства, снижении трудоемкости и материалоемкости технологического процесса. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения гуминовых препаратов, включающий ультразвуковое диспергирование гуматосодержащих веществ, отличающийся тем, что создают, по меньшей мере, один струйный или вихревой поток гуматосодержащих веществ, который обрабатывают воздушным или паровым потоком с использованием газоструйного генератора с интенсивностью ультразвукового излучения более 10 Вт/см².

2. Гуминовый препарат - ультрагумат, полученный способом, описанным в п.1.