СПОСОБ ГУМИФИКАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ Российский патент 2016 года по МПК C05F11/02 

Изобретение относится к области химической переработки древесины, торфяной промышленности и сельскому хозяйству и может быть использовано для получения стимуляторов роста растений и гуминовых удобрений на основе лигно-углеводных растительных остатков.

Агрохимическая ценность органического вещества почвы определяется гуминовыми веществами. Источником для получения гуминовых препаратов традиционно служат торф и твердые виды топлива. Метод выделения гуминовых веществ из данного вида сырья основан на экстракции последних водными растворами щелочей [Орлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере. // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №2. - С.56-63]. Однако такие способы получения гуминовых веществ направлены на расходование невозобновляемых природных ресурсов.

Для получения гуминовых веществ и увеличения их биологической активности используют окисление лигно-гуминовых веществ торфа в щелочной среде пероксидом водорода [Бамбалов Н.Н., Смычник Т.П. Деструкция гуминовых кислот торфа пероксидом водорода. // Вестник АН БССР. Сер. Химическая. - 1986. - №3. - С. 75-78].

Известен способ компостирования органических и органоминеральных веществ и отходов путем внесения в компостируемую массу щелочного реагента, в качестве которого используют щелочной экстракт одного из каустобиолитов угольного ряда в виде водного раствора гумата одного из веществ, выбранных из группы, состоящей из натрия, калия, аммония с последующей добавкой азотсодержащих и фосфорсодержащих минеральных удобрений [Патент РФ № 2212391, кл. C05F 3/00, 2003].

Недостатком известного способа является длительность процесса гумификации растительного сырья.

Известен способ получения оксигуматов, заключающийся в том, что торф сначала обрабатывают 2-10%-ным водным раствором щелочи в течение 15 мин в условиях кавитационного воздействия в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, а затем в этом же аппарате окисляют пероксидом водорода в количестве от 5 до 20% от массы абсолютно сухого торфа при продолжительности от 15 до 60 мин при температуре 60°С и гидромодуле 2 [Патент РФ № 2370478, кл. C05F 11/02, 2009].

Недостатками известного способа являются двухстадийность процесса, длительность до 75 мин.

Кроме того, перекись водорода - чрезвычайно нестойкий окислитель, довольно быстро разлагающийся при хранении, что требует больших затрат на транспортировку и хранение окислителя.

Известен способ получения азотсодержащих производных лигно-углеводных материалов из древесины путем окисления в водном растворе аммиака при механохимическом воздействии, температуре 20°С в течение 0,5-3,0 часов при содержании аммиака 0,25-2,5 г/г древесины [Патент РФ №2185394, кл. С08Н 504, 2002] (прототип).

Проведенные исследования показывают, что полученные согласно известному способу продукты содержат в своем составе гуминовые вещества.

Недостатком известного способа является низкое содержание извлекаемых гуминовых веществ.

Также известен способ гумификации растительного сырья путем двухстадийного окислительного аммонолиза посредством механохимической обработки сырья персульфатом аммония в присутствии водного раствора аммиака в количестве 0,1 г NH₃/г сырья в течение 10 минут в реакторе планетарной мельницы АГО-3 при степени его заполнения 25% с последующей обработкой в гидродинамическом кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, при температуре 60°С и гидромодуле 133-1333 в течение 20 мин [Патент РФ № 2442763, кл. C08F 11/02, 2010] (прототип).

Общим признаком для прототипа и заявляемого изобретения является механохимическая обработка лигно-углеводного сырья в гидродинамическом кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, при температуре 60°С.

Недостатком прототипа является двухстадийность процесса, требующая высоких энергозатрат, использование дорогостоящего реагента - персульфата аммония.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что механохимическую обработку лигно-углеводного сырья проводят в одну стадию без применения персульфата аммония, подвергая сырье водно-щелочному гидролизу в кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин в течение 25 минут с температурой, не превышающей 60°C, фильтруют и высаживают гуминовые кислоты в кислых средах.

В предлагаемом изобретении недостатки прототипа устраняются следующим образом. Применение одностадийного кавитационного воздействия позволяет получить и выделить гуминовые кислоты из продуктов гидролиза. Таким образом, использование интенсивной гидродинамической кавитационной обработки лигно-углеводного сырья совместно с водно-щелочным раствором позволяет получить качественно новый продукт.

Сущность предлагаемого способа гумификации растительного сырья заключается в том, что лигно-углеводное сырье подвергают механохимической обработке раствором гидроксида калия концентрацией 0,5 моль/л в гидродинамическом кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, при температуре 60°С и гидромодуле жидкой фазы 1:50 в течение 25 мин. Затем отделяют жидкую фазу центрифугированием и выделяют гуминовые кислоты из жидкой фазы при подкислении минеральной кислотой до рН 2. Обязательным условием способа является использование в качестве лигно-углеводного сырья коры сосны обыкновенной.

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом. Навеску предварительно измельченного растительного сырья - коры сосны обыкновенной массой 600 г обрабатывают в роторном кавитационном аппарате, где производят гидродинамическое воздействие на материал в водном растворе гидроксида калия с концентрацией 0,5 моль/л при частоте вращения ротора 3000 об/мин в течение 25 мин при постоянной температуре 60°C и гидромодуле 1:50. Охлажденную реакционную смесь выгружают, фильтруют или центрифугируют, отделяя жидкую фазу (целевой продукт) от твердого остатка. Подкисляя серной или другой минеральной кислотой жидкую фазу до рН 2, отделяют выделившуюся гуминовую кислоту центрифугированием. Продукт промывают до отсутствия в промывных водах анионного остатка кислоты. Гуминовые кислоты сушат при 65°С, доводя вес до постоянной массы. Выход гуминовой кислоты определяют гравиметрическим методом. Выход гуминовой кислоты при этом достигает 43% от массы исходного лигно-углеводного вещества. Для сравнения, количество гуминовых кислот определяют в исходном растительном сырье экстракцией 0.1 М щелочным раствором пирофосфата натрия.

Пример 1. Навеску исходного растительного сырья - коры сосны обыкновенной влажностью 10% массой 600,0 г с размером частиц менее 1 мм подвергают кавитационному воздействию в роторном кавитационном аппарате водным раствором гидроксида калия объемом 30 л при концентрации щелочи в растворе 0,5 моль/л в течение 25 минут при частоте вращения ротора 3000 об/мин и температуре 60°С.

Затем отделяют твердый остаток фильтрованием или центрифугированием. Оставшийся фильтрат подкисляют до рН 2. Происходит выпадение гуминовых кислот в осадок. Осадок отделяют центрифугированием или фильтрованием и промывают от остаточного количества кислоты, контролируя отсутствие последней по качественной реакции соответствующего анионного остатка в промывных водах. Далее осадок сушат при 65°С, доводя массу до постоянной. Практический выход гуминовой кислоты определяют гравиметрическим методом. Для сравнения, количество гуминовых кислот определяют в исходном торфе экстракцией 0,1 н. щелочным раствором пирофосфата натрия.

Примеры 2-10 проведены в условиях, аналогичных примеру 1, но при различной продолжительности кавитационного воздействия (табл.1).

Таблица 1. Влияние продолжительности воздействия на выход гуминовых кислот при гидролизе коры сосны обыкновенной в условиях кавитационной обработки*

Пример Продолжительность, мин Выход гуминовых кислот, % Исходная кора - 0 2 2,5 0,03 3 5,0 0,08 4 10,0 0,42 5 15,0 0,54 6 20,0 0,61 7 25,0 0,65 8 30,0 0,63 9 35,0 0,58 10 40,0 0,52

* Концентрация щелочи 0,5 моль/л, гидромодуль 1:50.

Таким образом, 25 минут является оптимальной продолжительностью для получения наибольшего выхода гуминовой кислоты (пример 7, табл.1).

Примеры 11-16 проведены в условиях, аналогичных примеру 7, но при различной концентрации раствора KOH (табл.2).

Концентрация щелочи в 0,5 моль/л позволяет получить оптимальный выход гуминовой кислоты (пример 12, табл.2).

Таблица 2. Влияние концентрации раствора KOH на выход гуминовых кислот при гидролизе коры сосны обыкновенной в условиях кавитационной обработки*

Пример Концентрация раствора KOH, моль/л Выход гуминовых кислот, % Исходная кора - 0 11 0,25 0,1 12 0,50 0,43 13 0,75 0,46 14 1,0 0,49 15 1,1 0,51 16 1,25 0,50

* Продолжительность механохимической обработки 25 мин; гидромодуль 1:50.

Примеры 17-21 проведены в условиях, аналогичных примеру 12, но при различном гидромодуле (табл.3).

Таблица 3. Влияние гидромодуля на выход гуминовых кислот при гидролизе коры сосны обыкновенной в условиях кавитационной обработки*

Пример Гидромодуль Содержание гуминовых кислот, % Исходная кора - 0 17 200 0,03 18 150 0,05 19 100 0,065 20 50 0,43 21 20 0,20

* Продолжительность механохимической обработки 25 мин; концентрация едкого калия 0,5 моль/л.

Таким образом, оптимальными условиями для получения максимального выхода гуминовых кислот являются: продолжительность механохимического воздействия 25 минут, концентрация щелочи 0,5 моль/л, гидромодуль 1:50.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ гумификации растительного сырья заключается в том, что навеску исходного растительного сырья - кору сосны обыкновенной - подвергают механохимической обработке в водном растворе гидроксида калия концентрацией 0,5 моль/л в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, где производят гидродинамическое воздействие на смесь в течение 25 минут при температуре 60°С и гидромодуле 1:50, затем отделяют жидкую фазу центрифугированием и выделяют гуминовые кислоты из жидкой фазы при подкислении минеральной кислотой до рН 2. Изобретение позволяет получить качественный продукт. 3 табл., 21 пр.

Способ гумификации растительного сырья, заключающийся в том, что навеску исходного растительного сырья - кору сосны обыкновенной - подвергают механохимической обработке в водном растворе гидроксида калия концентрацией 0,5 моль/л в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, где производят гидродинамическое воздействие на смесь в течение 25 минут при температуре 60°С и гидромодуле 1:50, затем отделяют жидкую фазу центрифугированием и выделяют гуминовые кислоты из жидкой фазы при подкислении минеральной кислотой до рН 2.