Способ гумификации растительного сырья

Способ гумификации растительного сырья

Реферат

Изобретение относится к области химической переработки древесины, торфяной промышленности и сельскому хозяйству и может быть использовано для получения поверхностно-активных веществ, 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 прототипу продукты содержат в своем составе гуминовые вещества.

Недостатком прототипа является низкое содержание извлекаемых гуминовых веществ.

Общим признаком для прототипа и заявляемого изобретения является механохимическая обработка лигно-углеводного материала окислителем в водном растворе аммиака.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что механохимическую обработку лигно-углеводного материала ведут в реакторе планетарной мельницы АГО-3 водными растворами основания в присутствии персульфата аммония, затем проводят водно-щелочной гидролиз в кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин в течение 20 минут с температурой, не превышающей 60°С, фильтруют и высаживают гуминовые кислоты в кислых средах.

В предлагаемом изобретении недостатки прототипа устраняются следующим образом. Применение дополнительного кавитационного воздействия позволяет выделить гуминовые кислоты из продуктов окислительного аммонолиза. Таким образом, использование интенсивной гидродинамической кавитационной обработки оксиаммонизированного лигноуглеводного материала совместно с водным раствором основания позволяет получить качественно новый продукт.

Сущность предлагаемого способа гумификации растительного сырья заключается в том, что лигно-углеводный материал подвергают механохимической обработке персульфатом аммония в количестве 0,2 г/г сырья 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%. Далее реакционную массу переносят в гидродинамический кавитационный аппарат и проводят кавитационное воздействие с частотой вращения ротора 3000 об/мин, при температуре 60°С и гидромодуле 133÷1333 в течение 20 минут, затем отделяют жидкую фазу центрифугированием и выделение гуминовых кислот из жидкой фазы ведут при ее подкислении минеральной кислотой до рН 2.

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом. Навеску в 100 г исходного растительного сырья обрабатывают в реакторе планетарной мельницы АГО-3, используя в качестве мелящих тел стальные шары диаметром 10 мм при степени заполнения мелющими телами 25% в присутствии персульфата аммония из расчета 0,2 г/г сырья и водного раствора аммиака в количестве 0,1 г NH₃/г сырья в течение 10 минут. Далее продукт переносят в роторный кавитационный аппарат, где производят гидродинамическое воздействие на материал в водном растворе аммиака или основания с концентрацией 1 моль/л при частоте вращения ротора 3000 об/мин в течение 20 мин при постоянной температуре 60°С и гидромодуле 133÷1333. Далее концентрацию остаточного количества едкого натра доводят до 0,1 моль/л и выдерживают в течение 12 часов. Охлажденную реакционную смесь выгружают, фильтруют или центрифугируют, отделяя жидкую фазу (целевой продукт) от твердого остатка. Подкисляя серной или иной минеральной кислотой жидкую фазу до нейтрального значения рН, отделят выделившуюся гуминовую кислоту центрифугированием. Продукт промывают до отсутствия в промывных водах анионного остатка кислоты. Гуминовые кислоты сушат при 105°С, доводя вес до постоянной массы. Выход гуминовой кислоты определяют гравиметрическим методом. Выход гуминовой кислоты при этом достигает 10% 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 влажностью 10% массой 100,0 г обрабатывают персульфом аммония из расчета 0.2 г/г сырья в реакторе планетарной мельницы АГО-3, используя в качестве мелящих тел стальные шары диаметром 10 мм при степени заполнения мелющими телами 25%. Добавляют 25% водный раствор аммиака из расчета 0.1 г/г сырья и проводят механохимическое воздействие в течение 10 минут.

Содержимое выгружают и переносят роторно-кавитационный аппарат, где проводят извлечение гумата действием 2000 мл 1,1 моль/л водного раствора гидроксида натрия при частоте вращения ротора 3000 об/мин и температуре 60°С. Далее концентрацию остаточного количества едкого натра доводят до 0,1 моль/л и выдерживают в течение 12 часов.

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 105°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 2-7 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 оксиаммонизированной древесины сосны в условиях кавитационной обработки*
Пример	Продолжительность, мин	Содержание гуминовых кислот, %
Исходный препарат оксиаммонизированной древесины	-	0,2
1	2,5	3,1
2	5,0	3,3
3	10,0	4,9
4	15,0	5,4
5	20,0	5,9
6	25,0	5,5
7	30,0	4,8
* Продолжительность механохимической обработки 10 мин; концентрация щелочи 0,5 моль/л, гидромодуль 200.

Таким образом, 20 минут является оптимальной продолжительностью для получения наибольшего выхода гуминовой кислоты (пример 5, табл.1).

Примеры 8-12 проведены в условиях, аналогичных примеру 5, но при различной концентрации раствора NaOH (табл.2).

Концентрация щелочи в 1,1 моль/л позволяет получить оптимальный выход гуминовой кислоты (пример 11, табл.2).

Таблица 2
Влияние концентрации раствора NaOH на выход гуминовых кислот при гидролизе оксиаммонизированной древесины сосны в условиях кавитационной обработки*
Пример	Концентрация раствора NaOH, моль/л	Выход гуминовых кислот, %
Исходный препарат оксиаммонизированной древесины	-	0,2
8	0,25	1,2
5	0,50	5,8
9	0,75	5,4
10	1,0	5,1
11	1,1	6,1
12	1,25	6,1
* Продолжительность механохимической обработки 10 мин; продолжительность щелочной кавитационной обработки 20 мин, гидромодуль 200.

Примеры 13-18 проведены в условиях, аналогичных примеру 11, но при различном гидромодуле (табл.3).

Таблица 3
Влияние гидромодуля на выход гуминовых кислот при гидролизе оксиаммонизированной древесины сосны в условиях кавитационной обработки*
Пример	Гидромодуль	Содержание гуминовых кислот, %
Исходный препарат оксиаммонизированной древесины	-	0,2
13	2000	8,2
14	1333	10,5
15	800	6,2
16	400	6,1
11	200	6,1
17	133	5,4
18	100	3,7
* Продолжительность механохимической обработки 10 мин; продолжительность щелочной кавитационной обработки 20 мин, концентрация едкого натра 1,1 моль/л.

Таким образом, оптимальными условиями для получения максимального выхода гуминовых кислот являются: продолжительность механохимического воздействия 10 минут, продолжительность щелочного гидролиза в условиях кавитационного воздействия 20 минут, концентрация щелочи 1,1 моль/л, гидромодуль 1333.

Способ гумификации растительного сырья, заключающийся в том, что навеску исходного растительного сырья подвергают механохимической обработке в присутствии персульфата аммония в количестве 0,2 г/г сырья и водного аммиака, отличающийся тем, что растительное сырье обрабатывают в реакторе планетарной мельницы АГО-3 при степени его заполнения 25% водным раствором аммиака в количестве 0,1 г/г сырья в течение 10 мин, затем смесь переносят в роторный кавитационный аппарат с частотой вращения ротора 3000 об/мин, где производят гидродинамическое воздействие на смесь в водном растворе аммиака или основания с концентрацией 0,5-1,1 моль/л в течение 20 мин при температуре 60°С и гидромодуле 133÷1333, затем отделяют жидкую фазу центрифугированием и выделение гуминовых кислот из жидкой фазы ведут при ее подкислении минеральной кислотой до рН 2.