Торфяной гранулированный мелиорант для рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами Российский патент 2022 года по МПК C05F11/02 C09K17/40 

Изобретение относится к охране окружающей среды, техническое решение которого относится к области получения композиций на основе материалов природного растительного происхождения и может быть использовано для очистки техногенных грунтов и почв от тяжелых металлов.

Известен органический минеральный модификатор, который получают из торфа, перлита, вермикулита, известняка, вулканического пепла, кремнезема, листьев персика и ксантия сибирского [Пат. CN 106590679 A, 26.04.2017].

Недостатком данного модификатора является сложность его производства, и его экономическая эффективность ограничена территориями вблизи расположения всех необходимых компонентов.

Известен кондиционер для почвы с функцией минерального композитного удобрения содержащий, мас. %: 20 цеолита, 10 фосфатной породы, 20 природного апатита, 20 эльвана, 20 торфа и 10 доломита [Пат. KR 100787020 B1, 18.12.2007].

Известен способ получения гранулированного калийно-магниевого удобрения, который включает смешивание калийно-магниевого компонента со связующим, гранулирование смеси с нанесением глинистого компонента, ее сушку и отделение фракции продукта размером более 1 мм. Причем в качестве калийно-магниевого компонента берут смесь измельченной до размера 1,0-2,0 мм природной каинито-лангбейнитовой руды и порошкового хлорида калия, связующего берут 6-9 % от массы смеси, смешивание калийно-магниевого компонента со связующим осуществляют в процессе гранулирования, гранулирование ведут на протяжении 0,2-2,0 мин при механическом перемешивании, а глинистый компонент для нанесения на гранулы берут из внутренних слоев каинито-лангбейнитовой руды за счет интенсивного механического перемешивания смеси сибирского [Пат. UA 73659 U, 10.10.2012].

Известен состав кондиционера почв и способ его изготовления содержащий диатомит и янтарную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%: диатомит 85-90, янтарная кислота 15-10. Для изготовления состава кондиционера почв предварительно обжигают диатомитовую крошку при температуре 700-900°С. После чего наносят на крошку раствор янтарной кислоты. Затем обработанные гранулы перемешивают в течение 15-20 минут в грануляторе при частоте оборотов от 30 до 40 Гц при наклоне чаши от 40 до 50° до момента исчезновения комочков и влажных зон. После этого гранулы просушивают при температуре от 15 до 25°С, распределив их тонким слоем на ровной, сухой и чистой поверхности [Пат. RU 2649634 C1, 19.07.2017].

Известен способ мелиорации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами, включающий внесение на поверхность почвы мелиоранта, перемешивание его с мелиорируемым слоем почвы и выращивание сельскохозяйственных культур с соблюдением зональной агротехники. При этом периодом внесения мелиорантов является август-сентябрь, а глубина заделки мелиоранта 10-12 см. Затем производится отвальная вспашка на глубину 25-30 см. В качестве мелиорантов используют известняковую муку, фосфоритную муку, суперфосфат, сульфид натрия, низинный торф в оптимальных дозах. Способ позволяет снизить подвижность тяжелых металлов (свинца и кадмия) в почве на 20-60% и их содержание в растениеводческой продукции ниже уровня ПДК, дополнительно повышается почвенное плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур [Пат. 2597172 C2, 01.12.2014].

Известен состав для рекультивации почв содержащий торф, песок, золу сжигания осадка сточных вод и семена многолетних морозостойких растений при следующем соотношении компонентов, мас.%: зола сжигания осадка сточных вод - 10,0-14,0, торф - 43,0-81,0, песок - 8,6-45,0, семена многолетних морозостойких растений – остальное. В качестве растений используются клевер луговой или райграс пастбищный [Пат. 2711925 C1, 03.04.2019].

Известен состав для детоксикации почв, загрязненных преимущественно мышьяком, который может быть использовано при рекультивации земель, загрязненных мышьяком и другими элементами с переменной степенью окисления, проявляющими в почве как окислительные, так и восстановительные свойства и легко переходящими из катионной формы в анионную и обратно. Состав для детоксикации почв, загрязненных преимущественно мышьяком, включает диатомит, обработанный Fe3+, и голубую глину при следующем соотношении компонентов, вес. %: диатомит, обработанный Fe3+ - 50-60, голубая глина - 40-50. Состав снижает содержание подвижных форм мышьяка в почве на 87% и поддерживает в почве оптимальный pH - 7,4 [Пат. RU 2471849, 13.07.2011].

Перечисленные изобретения имеют ряд существенных недостатков: сложный состав и сложность его производства в промышленных масштабах. Кроме того, в изобретениях используется осадок сточных вод, состав которого является непостоянным и может принести дополнительный вред окружающей среде, а энергозатраты на его сжигание, отрицательно сказываются на его конечной стоимости. Данные композиции являются дорогостоящими, не производятся серийно, и поэтому их использование с целью детоксикации экономически нецелесообразно.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является торфяной мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов, фракцией 0-10 мм, содержащий торф верховой нейтрализованный, диатомит и вермикулит при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%: торф - 60, диатомит - 30, вермикулит – 10 [Пат. RU 2745456, 03.09.2020].

Недостатком изобретения является более низкая сорбционная емкость по отношению к некоторым тяжелым металлам в сравнении с предлагаемым изобретением.

Целью предлагаемого изобретения является рекультивация техногенных грунтов урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий загрязненных преимущественно тяжелыми металлами (As, Pb, Cd, Cu, Cr⁺³, Cr⁺⁶) и улучшение агрофизических свойств почв за счет использования смеси в виде гранулированного мелиоранта на основе верхового торфа с низкой степенью разложения и добавлением диатомита и вермикулита.

На Фиг. 1а представлено фото мелиоранта с камеры, Фиг. 1б представлено фото, сделанное при помощи электронного микроскопа SNE-4500M. На фиг. 2 (диатомит) и фиг. 3 (вермикулит) представлены фотографии составляющих мелиоранта, выполненные при помощи камеры и микроскопа.

В качестве исходного сырья для производства мелиоранта используется:

1. Торф верховой нейтрализованный, фракционированный (фракция 0-20). Влажность торфа от 50 до 60 %, водородный показатель водной вытяжки (рН) 5,5 – 6,0. Верховой нейтрализованный торф готовится из верхового торфа низкой степени разложения. Степень разложения верхового торфа не превышает 18 %, массовая доля влаги в нем составляет не более 60 %, зольность - менее 10 %. Основные неорганические соединения торфа: азот до 1,5 %, фосфор, калий, кальций (в сумме) до 0,6 %. Содержание гуминовых веществ в торфе составляет 7,4 - 7,9 %.

2. Диатомитовая мука (ТУ 5761-001-59266087-2005) соответствует следующим параметрам (табл. 1, Фиг. 2).

Таблица 1

Химический состав диатомитовой муки

Наименование показателя Значение показателя Содержание SiО₂ Не менее 82% Содержание А1₂О₃ Не более 7% Содержание Fe₂О₃ Не более 4% Влажность Не более 8% Потери при прокаливании 2,5% - 3,0%

3. Вермикулит (фракция 1-3 мм). Вермикулит - минерал из группы гидрослюд, при термической обработке превращающийся в сыпучий чешуйчатый материал. Вермикулит улучшает структуру почвы, поглощает избыточную влагу, разрыхляет и повышает воздухопроницаемость грунта. Является отличным дренажным и мульчирующим материалом. Широко применяется в комнатном, приусадебном и сельскохозяйственном растениеводстве (Фиг. 3).

Химический состав вермикулита представлен в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав вермикулита

Компонент Содержание Компонент Содержание
  SiO₂ 38,0 – 49,0 % TiO₂ 1,5 % MgO 20,0 – 23,5 % Cr₂O₃ 0 - 0,5% Al₂O₃ 12,0 – 17,5 % MnO 0,1 – 0,3 % Fe₂O₃ 5,4 – 9,3 % Cl 0 – 0,5 % FeO 0 – 1,2 % CO₂ 0 – 0,6 % K₂O 5,2 – 7,9 % S 0 – 0,2 % Na₂O 0 – 0,8 % H₂O 5,2 – 11,5 % CaO 0,7 – 1,5 %

Торфяной гранулированный мелиорант может быть получен следующим образом:

Исходное сырье, торф фр. 0-20 мм, диатомитовая мука и вермикулит фр. 1-3 мм при следующем соотношении компонентов в смеси, мас. %: торф 60, диатомитовая мука 30, вермикулит 10, тщательно перемешивается и сушатся при температуре не более 80 ^оС до влажности не более 30%, после перечисленных процедур полученная композиция отправляется в пресс-гранулятор. На выходе получаются гранулы (фиг. 1) имеющие следующие характеристики:

Таблица 3

Характеристики гранулированного торфяного мелиоранта

Мелиорант Насыпная плотность, кг/м³ Удельная площадь поверхности, м²/кг Цвет Влажность, % pH ТДВгр 600-640 0,7-0,75 Светло-коричневый 12-15 7,0-7,5

Пример:

В качестве примера были проведены лабораторные эксперименты с искусственно загрязнённой суглинистой почвой следующими концентрациями ионов тяжелых металлов, табл. 4:

Таблица 4

Степень загрязнения экспериментальных образцов

Валовая концентрация тяжелых металлов в грунте, мг/кг As Cu Cd Pb Cr⁺³ Cr⁺⁶ 16 100 15 140 7 5

Результаты табл. 5 заявляемого изобретения сравнивали с прототипом:

Анализы образцов проводили с помощью рентгенофлуоресцентного кристалл-дифракционного сканирующего спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС G».

Таблица 5

Результаты экспериментов

Сорбент Процент извлечения ТМ сорбентом (А, %) As Cu Cd Pb Cr⁺³ Cr⁺⁶ ТДВгр* 79 55 100 100 36 57 ТДВнгр** 46 62 39 63 49 23

ТДВгр - Торф/диатомит/вермикулит гранулированный*. ТДВнгр - Торф/диатомит/вермикулит не гранулированный (Пат. RU 2745456, 03.09.2020)**.

В результате образцы заявляемого изобретения под шифром ТДВгр как видно из табл. 5 показали наилучшую степень сорбции по следующим тяжелым металлам: As, Cd, Pb, Cr⁺⁶, что говорит о соответствии заявляемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень», т.к. для специалиста в данной области неочевидно, что грануляция данной композиции в сравнении с прототипом увеличит степень извлечения определенных тяжелых металлов из исследуемых грунтов.

Ряд проведенных экспериментов показал высокую эффективность торфяного гранулированного мелиоранта для рекультивации техногенных грунтов урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий, загрязненных тяжелыми металлами такими как: As, Pb, Cd, Cu, Cr⁺³, Cr⁺⁶. Кроме того, производство мелиоранта не требует сложных энергозатратных технологий, что положительно сказывается на экономической составляющей изобретения.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Торфяной гранулированный мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов характеризуется тем, что содержит верховой нейтрализованный торф, диатомит и вермикулит, при следующем соотношении исходных компонентов в смеси, мас.%: торф - 60, диатомит - 30, вермикулит - 10, причем полученная смесь гранулируется, при этом гранулы соответствуют следующим характеристикам: насыпная плотность, кг/м³ - 600-640, удельная площадь поверхности, м²/кг - 0,7-0,75. Изобретение позволяет рекультивировать техногенные грунты урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий, загрязненных преимущественно тяжелыми металлами, и улучшить агрофизические свойства почв. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 табл., 1 пр.

1. Торфяной гранулированный мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов, характеризующийся тем, что содержит верховой нейтрализованный торф, диатомит и вермикулит, при следующем соотношении исходных компонентов в смеси, мас.%:

торф - 60,

диатомит - 30,

вермикулит - 10,

причем полученная смесь гранулируется, при этом гранулы соответствуют следующим характеристикам:

насыпная плотность, кг/м³ - 600-640,

удельная площадь поверхности, м²/кг - 0,7-0,75.

2. Торфяной гранулированный мелиорант по п. 1, отличающийся тем, что диатомит используется в виде диатомитовой муки.

3. Торфяной гранулированный мелиорант по п. 1, отличающийся тем, что размер фракций верхового нейтрализованного торфа составляет не более 20 мм.