Способ и система для производства концентрата гуминовой кислоты Российский патент 2024 года по МПК C05F11/02 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к технологии производства гуминовой кислоты для дальнейшего получения органического и органоминерального удобрения и может использовано в сельском хозяйстве.

Из уровня техники известен способ получения гумино-минерального концентрата солей гуминовых кислот путем электролиза водной щелочной суспензии измельченного каустобиолита в процессе экстракции щелочным реагентом с образованием целевого продукта и выводом его из электролита. В качестве каустобиолита берут торф, в суспензию которого дополнительно добавляют щелочной компонент в количестве, достаточном для обеспечения модуля кислотности в интервале рН 9-12 и после механо-химической обработки его подвергают электролизу с одновременной подачей в межэлектродное пространство водного раствора перекиси водорода с концентрацией 6-30% в количестве, обеспечивающем при заданной скорости циркуляции суспензии накопление растворимых гуминовых соединений. Патент РФ №2319683, опубликован 20.03.2008.

Известен способ получения гуминовых кислот и гуматов из торфа, заключающийся в обработке торфа в водном растворе щелочи или аммиака в условиях кавитационного воздействия в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, и отделении жидкой фазы. При этом, щелочную кавитационную обработку торфа ведут водным раствором щелочи или аммиака при концентрации от 0,5 до 1,0 моль/л в течение 5-10 мин при температуре 10÷60°С и гидромодуле 25÷200, а выделение гуминовых кислот ведут из жидкой фазы при подкислении минеральной кислотой до рН2. Патент РФ № 2429214, опубликован 20.09.2011.

Известен способ производства концентрата гуминовой кислоты из бурого угля, включающий его измельчение до получения микрочастиц, приготовление суспензии в слабом растворе щелочи и экстрагирование, при механическом перемешивании суспензии в реакторе-смесителе, из микрочастиц угля гуминовой кислоты. При этом уголь подвергают двухступенчатому измельчению, при этом на второй ступени измельчения формируют микрочастицы с рваной поверхностью, подвергая уголь многократным ударам путем столкновения его фракций на большой скорости с билами стержневой дробилки, а при перемешивании суспензии в реакторе-смесителе одновременно воздействуют на нее ультразвуком в течение 7-15 мин. Далее производят разделение твердой фазы от жидкой путем осаждения нерастворимого угля-золы в отстойнике в течение 15-20 мин, а жидкую фазу подают в крекинг-реактор, вводят катализатор - соляную кислоту, осуществляют расщепление жидкой фазы на воду и гуминовую кислоту 90%-ной, 70%-ной и 40%-ной концентрации после отстоя в течение не менее 24 ч, при этом, изменяя концентрацию вводимой в крекинг-реактор соляной кислоты, регулируют РН гуминовой кислоты. Далее направляют концентраты гуминовой кислоты в накопительные емкости, а воду возвращают в реактор-смеситель для повторного использования. Патент РФ № 2473527, опубликован 27.01.2013.

Задачей заявленного технического решения является создание способа производства концентрата гуминовой кислоты, включающего стадию плазмохимического гидролиза реакционной смеси.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении эффективности производства концентрата гуминовой кислоты, а также возможности получения хелатных комплексов микроэлементов на основе гуминовых кислот из твердого органического сырья.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе производства концентрата гуминовой кислоты твердые органические ингредиенты, являющиеся источниками гуминовой кислоты, измельчают на сухом дезинтеграторе, полученную смесь смешивают с водным раствором азотной или серной кислоты в концентрации 1-5 масс. % в соотношении 1:1-1:10, осуществляют экстракцию солей полученных органических кислот посредством добавления к ним смеси гидроксида калия и карбоната калия в соотношении 1:2-1:10, либо гидроксида калия, осуществляют выравнивание микроэлементного состава посредством добавления солей необходимых металлов в смесь, полученную после экстракции солей, для перевода их в хелатную форму, обрабатывают реакционную смесь в плазмохимическом реакторе, из полученной смеси выделают концентрат гуминовой кислоты.

Заявленный технический результат также достигается тем, что система для производства концентрата гуминовой кислоты включает сухой дезинтегратор для измельчения твердых органических ингредиентов, являющихся источниками гуминовой кислоты, устройство для смешения измельченной смеси с водным раствором азотной или серной кислоты, имеющее вход для подачи кислоты, вход для подачи смеси гидроксида калия и карбоната калия либо гидроксида калия для осуществления экстракции солей полученных органических кислот, и вход для подачи в смесь, полученную после экстракции солей, солей металлов, необходимых для выравнивания микроэлементного состава, для перевода их в хелатную форму, и выход для подачи реакционной смеси в плазмохимический реактор, оснащенный генератором импульсных токов, выход которого соединен с реактором для выделения концентрата гуминовой кислоты.

Главной особенностью заявленного технического решения является проточная обработка реакционной смеси, полученной после выравнивания микроэлементного состава посредством добавления солей необходимых металлов в смесь, полученную после экстракции солей, для перевода их в хелатную форму, в плазмохимическом реакторе. Порождаемые под действием пьезоэлектрических разрядов, предпочтительно, 15-20 кВ, ударные волны обладают энергией, превышающей не только Ван-Дер-Ваальсовские связи, но и С-С связи в органических соединениях, что обеспечивает дезинтеграцию и деструкцию каустобиолитов, содержащихся в органических ингредиентах – источниках гуминовой кислоты. Кроме того, под действием плазмохимического гидролиза инициируются и интенсифицируются физико-химические процессы переработки исходного сырья, увеличивая извлечение и выход гуминовой кислоты из него.

Кроме того, за счет наличия этапа добавления солей необходимых металлов в смесь, полученную после экстракции солей, и соответствующей конструкции заявленной системы, достигается возможность получения хелатных комплексов микроэлементов на основе гуминовых кислот в проточном режиме.

Предварительное измельчение исходных ингредиентов обеспечивает разрыв внутренних связей материала, в результате чего формируется неоднородная поверхность микрочастиц, увеличивающая общую поверхность для более эффективного химического взаимодействия реагентов, и следовательно, повышающая эффективность получения концентрата гуминовой кислоты.

Заявленные способ получения концентрата гуминовой кислоты и система для реализации способа позволяют в промышленном масштабе производить органические и органоминеральные удобрения, водорастворимые NPKS-удобрения с комплексом микроэлементов в хелатной форме, проводить гидролиз растительного сырья, частичное расщепление белков, а также производить обеззараживание сточных вод.

Изобретение позволяет создать полный цикл производства гуминовых кислот, повышает производительность и эффективность извлечения их из твердого органического сырья, расширяет область применения за счет повышения качества готового продукта.

Осуществление заявленного изобретения.

На фиг. 1 схематично представлен один из возможных вариантов осуществления системы для производства концентрата гуминовой кислоты.

Цифрами отмечены следующие элементы.

- шевронный ленточный конвейер (1) с встроенными весами;

- шредер (2) 2-валковый;

- грохот (3);

- шнековый транспортер (4) рециркуляции твердых органических ингредиентов;

- дозаторы (5), (6);

- дезинтегратор (7);

- бункер (8) дезинтегратора с тканевым фильтром и датчиками уровня;

- шнек (9) загрузки мешалки;

- промежуточный шибер (10);

- устройство (11) для смешения;

- бак (12) запаса воды;

- насос (13) воды;

- микроплазменный генератор (14), (22);

- дисковый затвор (15) устройства для смешения с приводом;

- трехходовой шаровой затвор (16) рециркуляции с приводом;

- реактор №1 (17);

- реактор №2 (18);

- трехходовой шаровой затвор (19) заполнения реакторов;

- трехходовой шаровой затвор (20) циркуляции и опорожнения реакторов;

- электро-гидроударный модуль (21);

- трехходовой шаровой затвор (23) рециркуляции пульпы с приводом;

- шаровой затвор (24) слива в декантерную центрифугу с приводом;

- декантерная центрифуга (25);

- бак (26) отстоя;

- насос (27) питания центрифуги;

- центрифуга (28);

- насос (29) рецикла воды;

- бак (30) готового гумата;

- шнек (31) загрузки смесителя гранулятора;

- смеситель-гранулятор (32);

- шнек (33) выгрузки субстрата.

Осуществление способа производства концентрата гуминовой кислоты происходит следующим образом.

Твердые органические ингредиенты, являющиеся источниками гуминовой кислоты, в частности, бурый уголь и торф, измельчают на сухом дезинтеграторе (7).

Полученную смесь, в реакторе (устройство (11) для смешения) смешивают с водным раствором азотной или серной кислоты в концентрации 1-5 масс. % в соотношении 1:1-1:10 (примеры некоторых вариантов составов в Таблице 1).

Таблица 1

Соотношение смеси (измельченных твердых органических ингредиентов) к водному раствору азотной или серной кислоты Концентрация водного
раствора азотной или
серной кислоты, масс. % 1:1 1 1:5 3 1:10 5 1:1 5 1:1 3 1:5 1 1:5 5 1:10 1 1:10 3

Далее осуществляют экстракцию солей полученных органических кислот посредством добавления к ним смеси гидроксида калия и карбоната калия в соотношении 1:2-1:10 (допустимо также любое соотношение из указанного диапазона, в частности, 1:4, 1:8, 1:9 и т. д.), либо только гидроксида калия, предпочтительно, из дозатора (5).

Затем осуществляют выравнивание микроэлементного состава посредством добавления (в устройство (11) для смешения, MEх-1) солей необходимых металлов в смесь, полученную после экстракции солей, для перевода их в хелатную форму.

Полученную реакционную смесь обрабатывают в плазмохимическом реакторе (реактор №1 (17).

Далее, для получения конечной продукции на основании концентрата гуминовой кислоты, осуществляют разделение смеси на декантерной центрифуге (25), системе фильтрации, сепарации и обратного осмоса, после чего выполняют фильтрацию, сушку и грануляцию продукта.

Частный пример, не ограничивающий другие варианты осуществления способа производства концентрата гуминовой кислоты представлен далее.

Модуль окисления сырья.

Бурый уголь и торф измельчают в дезинтеграторе (7), смешивают в соотношении 3:1 и пропускают через дезинтегратор (7) повторно до размера 100 мкм.

В реактор №1 (17) наливают 500 литров воды или жидкость от промывки первичного осадка. Добавляют смесь бурого угля с торфом (100 литров воды 30 кг). Добавляют 160 мл смеси для приготовления мульти-хеллатов (МЕх-1) до содержания 0,16% по Н₂SO₄. Нагревают кавитированием 15 минут до 30°C с добавлением фосфорной кислоты концентрацией 110 г/литр до рН=2 (на 100 кг смеси бурого угля и торфа добавляют 300 литров воды и 1,5 литра кислоты). Сливают всю жидкость в отстойник на 30 минут, затем, после отстаивания, жидкость используют в реакторе (устройство (11) для смешения), а осадок направляют в модуль экстрагирования.

Модуль экстрагирования гуматов.

Осадок (в реакторе №1 (17)) смешивают с 1%NH₃ в расчёте на смесь бурого угля и торфа по абсолютно сухому веществу (1:0,02) 15 минут. На 30 кг смеси бурого угля и торфа добавляют 600 мл аммиачной воды, смешивают с водой 1:3 и нагревают кавитированием до 35°C. Добавляют щелочь: гидроксид калия до снижения кислотности до рН=11 (<26% от смеси бурого угля и торфа), например, 5000 гр. на 100 литров воды и 20 кг смеси), либо смесь гидроксида калия с карбонатом калия в соотношении 1:3 до снижения кислотности до 40°С 15 минут. Далее смесь в проточном режиме в электро-гидроударном модуле (21) обрабатывается ударными волнами пьезоэлектрических разрядов генератора импульсных токов с напряжением 15-20 кВ и микроплазменным генератором (22).

Модуль конечной продукции

Жидкость оставляют остывать на 3-4 часа. Затем смесь разделяют на декантерной центрифуге (25). В субстрат до нужной кислотности добавляют кислый торф в смесителе (32) до 28% влажности. Гранулируют до фракции +4 мм, проверяют влажность и упаковывают.

Жидкую часть (фугат) перекачивают в Реактор №2 (18) и смешивают с раствором МЕх-1 (в частности, не ограничиваясь, сульфаты металлов Fe, Mn, Zn, Cu, Co) до рН=7,7. В раствор добавляют МЕх-2** (в частности, не ограничиваясь, (NH4)6Mo7O24, смесь молибденовокислого аммония и борной кислоты) до рН=7,2. Полученную жидкость (концентрат солей гуминовой кислоты) переливают в коллектор (бак (30) готового гумата).

Модуль упаковки.

Жидкость упаковывают в канистры, и далее используют в качестве удобрения, например, посредством внесения 0,5 литра (2% раствора по гумату), разведенного на 300 литров воды на 1 гектар.

Осадок из отстойника №2 отфильтровывают и высушивают отдельно (для продажи) или упаковывают в бочки отдельным продуктом. Полученный продукт используют в качестве концентрата для производства гуматов, либо добавлять в модуль экстрагирования для увеличения концентрации.

В качестве твердых органических ингредиентов для приготовления концентрата гуминовой кислоты могут быть использованы также отходы переработки продукции сельского хозяйства и животноводства.

Система для производства концентрата гуминовой кислоты в общей комплектации, достаточной для реализации заявленного способа, описана далее.

Система включает сухой дезинтегратор (7) для измельчения твердых органических ингредиентов, являющихся источниками гуминовой кислоты, устройство (11) для смешения измельченной смеси с водным раствором азотной или серной кислоты, имеющая вход для подачи кислоты, вход для подачи смеси гидроксида калия и карбоната калия для осуществления экстракции солей полученных органических кислот, и вход для подачи в смесь, полученную после экстракции солей, солей металлов, необходимых для выравнивания микроэлементного состава, для перевода их в хелатную форму, и выход для подачи реакционной смеси в плазмохимический реактор, оснащенный генератором импульсных токов (электро-гидроударный модуль (21), микроплазменный генератор (22)), выход которого соединен с реактором для выделения концентрата гуминовой кислоты.

Частный случай реализации системы для производства концентрата гуминовой кислоты, линия которого включает устройства для осуществления стадий технологического процесса от подготовки материалов до выдачи готовой продукции, не ограничивающий другие возможные варианты исполнения системы, со ссылками на фиг. 1, представлен далее.

Пример 2

Система для производства концентрата гуминовой кислоты включает шевронный ленточный конвейер (1) с встроенными весами для подачи твердых органических ингредиентов, являющихся источниками гуминовой кислоты, в 2-валковый шредер (2) для предварительного грубого измельчения, связанный с возможностью подачи материала с грохотом (3) для отсева крупных частиц (более 15 мм), посредством шнекового транспортера (4) рециркуляции твердых органических ингредиентов для повторного измельчения. Система включает дезинтегратор (7), связанный с возможностью подачи мелких частиц твердого органического материала для дальнейшего мелкого измельчения, выход которого соединен с бункером (8) дезинтегратора (7) с тканевым фильтром и датчиками уровня, выход которого соединен с шнеком (9) загрузки мешалки, выполненным с возможностью возврата измельченных твердых ингредиентов в дозатор (6) (биг – бэг №2 с датчиками уровня и массы) для повторного измельчения в дезинтеграторе (7). Шнек (9) загрузки мешалки также включает выход для подачи измельченных ингредиентов (после нескольких циклов измельчения) через промежуточный шибер (10) в устройство (11) для смешения. Система также включает дозатор (5) (биг – бэг №1 с датчиком массы) для подачи щелочи, через дезинтегратор (7) или напрямую, через шнек (9) загрузки мешалки в устройство (11) для смешения.

Устройство (11) для смешения включает вход для подачи воды из бака (12) запаса воды посредством насоса (13), выход для подачи воды в бак (12) запаса воды, входы для подачи NH₃ и солей необходимых металлов для перевода смеси в хелатную форму (МЕх-1), средства для подключения кавитатора, микроплазменного генератора (14), выход для подачи смеси в реакторы №1, 2 (17, 18), вход для повторной подачи смеси в устройство для смешения (11) через трехходовой шаровой затвор (16) рециркуляции с приводом и оснащено дисковым затвором (15) с приводом.

Система оснащена электрогидроударным модулем (21) и микроплазменным генератором (22) для обработки реакционной жидкости в системе рециркуляции реакторов №1, 2 (17, 18), включающей трехходовой шаровой затвор (23) рециркуляции пульпы с приводом и трехходовой шаровой затвор (20) циркуляции и опорожнения реакторов №1, 2 (17, 18). Выход реакторов №1, 2 (17, 18) соединен с декантерной центрифугой (25) с возможностью подачи реакционной смеси через шаровой затвор (24) слива в декантерную центрифугу (25) с приводом.

Выходы декантерной центрифуги (25) связаны с смеситель-гранулятором (32) сушащим с возможностью подачи в него поученного субстрата посредством шнека (31) загрузки смесителя-гранулятора (32), и с баком (26) отстоя воды, включающим входы для подачи кислоты, солей необходимых металлов для перевода смеси в хелатную форму (МЕх-1) и выход для подачи жидкости в центрифугу (28) посредством насоса (27) питания центрифуги, соединенную с линией рециркуляции воды из бака (12) в устройство (11) для смешения.

Выход центрифуги (28) связан с баком (30) готового гумата (концентрата гуминовой кислоты). Бак (30) включает вход для подачи веществ (МЕх-2) и связанной с ней станцией упаковки, включающей конвейер перемещения заполненных емкостей.

Смеситель-гранулятор (32) имеет выход для подачи готового субстрата на шнек (33) выгрузки субстрата.

Представленные фигура, описание способа и системы для производства концентрата гуминовой кислоты, частные примеры их реализации не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.

Группа изобретений относится к технологии производства гуминовой кислоты для дальнейшего получения удобрения и может быть использована в сельском хозяйстве. В способе производства концентрата гуминовой кислоты твердые органические ингредиенты, являющиеся источниками гуминовой кислоты, измельчают на сухом дезинтеграторе, полученную смесь смешивают с водным раствором азотной или серной кислоты в концентрации 1-5 масс. % в соотношении 1:1-1:10, осуществляют экстракцию солей полученных органических кислот, осуществляют выравнивание микроэлементного состава посредством добавления солей необходимых металлов в смесь, полученную после экстракции солей, для перевода их в хелатную форму, обрабатывают реакционную смесь в плазмохимическом реакторе, из полученной смеси выделают концентрат гуминовой кислоты. Система для производства концентрата гуминовой кислоты включает сухой дезинтегратор, устройство для смешения измельченной смеси с водным раствором азотной или серной кислоты, имеющее вход для подачи кислоты, вход для подачи смеси гидроксида калия и карбоната калия либо гидроксида калия, вход для подачи солей металлов, и выход для подачи реакционной смеси в плазмохимический реактор, оснащенный генератором импульсных токов, выход которого соединен с реактором для выделения концентрата гуминовой кислоты. Техническим результатом является повышение эффективности производства концентрата гуминовой кислоты, а также возможность получения хелатных комплексов микроэлементов на основе гуминовых кислот из твердого органического сырья. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ производства концентрата гуминовой кислоты, при котором твердые органические ингредиенты, являющиеся источниками гуминовой кислоты, измельчают на сухом дезинтеграторе, полученную смесь смешивают с водным раствором азотной или серной кислоты в концентрации 1-5 масс. % в соотношении 1:1-1:10, осуществляют экстракцию солей полученных органических кислот посредством добавления к ним смеси гидроксида калия и карбоната калия в соотношении 1:2-1:10 либо гидроксида калия, осуществляют выравнивание микроэлементного состава посредством добавления солей необходимых металлов в смесь, полученную после экстракции солей, для перевода их в хелатную форму, обрабатывают реакционную смесь в плазмохимическом реакторе, из полученной смеси выделают концентрат гуминовой кислоты.

2. Система для производства концентрата гуминовой кислоты, включающая сухой дезинтегратор для измельчения твердых органических ингредиентов, являющихся источниками гуминовой кислоты, устройство для смешения измельченной смеси с водным раствором азотной или серной кислоты, имеющее вход для подачи кислоты, вход для подачи смеси гидроксида калия и карбоната калия либо гидроксида калия для осуществления экстракции солей полученных органических кислот, и вход для подачи в смесь, полученную после экстракции солей, солей металлов, необходимых для выравнивания микроэлементного состава, для перевода их в хелатную форму, и выход для подачи реакционной смеси в плазмохимический реактор, оснащенный генератором импульсных токов, выход которого соединен с реактором для выделения концентрата гуминовой кислоты.