Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ НИЗИННОГО ТОРФА ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ

Роганов В.Р. 1 Касимова Л.В. 1 Тельянова А.В. 2 Елисеева И.В. 3
1 ООО «Видео3»
2 ГОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет»
3 ГОУ ВПО «Пензенский университет»
В статье проведён анализ способов выделения из угля, или из низинного торфа биологически активных препаратов, в частности гуминовых препаратов. Анализировались способы извлечения гуминовых препаратов, описанные в литературе: физические, химические, микробиологические, биохимические, которые базируются на различном воздействии на органическое вещество. В качестве исходного опытного образца был взят низинный торф из месторождения «Горелище» Пензенской области. Показано, что из известных и исследованных способов воздействия на органическое вещество низинного торфа с целью получения биологически активных гуминовых препаратов предпочтение следует отдать способу, основанному на применения растворов едкого натрия и водного аммиака, обеспечивающие достижение выхода гуминовых кислот на уровне 80-85% от содержания общих гуминовых кислот, получившего название аммонизация торфа водным аммиаком с одновременным окислением извлекаемых из торфа органических веществ перекисью водорода.
стимуляторы роста растений
гуминовые кислоты
торф
1. Отчёт о выполнении НИОКР по теме: "Исследование и разработка способов извлечения гумитоновых препаратов из торфа, разработка стимулятора роста растений Гумостим" (контракт №10203р/17354 от 28.04.2012) (заключительный)/ Донькин А. Е., Касимова Л. В., Роганов В.Р. и др. – ООО «ИнноТорф» ФГАНУ «ЦИТиС»№01201262318, Пенза, 2013.
2. Патент 2213452 РФ, МКИ 7 AOI N 65/00. Способ получения стимулятора роста растений /Л.В.Касимова. – Опубл. 10.10.03.
3. Применение гумата натрия в качестве стимулятора роста /Л.А.Христева, В.А.Реутов, Н.В.Лукьяненко и др. – //Гуминовые удобрения. Технология и практика их применения. – Днепропетровск,1973. – Т.4.
4. Христева Л.А. О природе действия физиологически активных форм гуминовых кислот и других стимуляторов роста растений //Гуминовые удобрения. Теория и практика их применения. – Киев: Урожай, 1968. – С.13-27/
5. Ярчук И.И. Данные к технологии получения гуматов натрия для удобрений из различных каустоболитов //Гуминовые удобрения. Теория и практика их применения. – Киев: ГИСХ УССР, 1962. – Т.2. – С. 513.

В настоящее время растёт интерес к торфу как источнику ценного сырья. Известные попытки использовать торф непосредственно как удобрение в виде торфяных горшочков не нашли широкого применения из-за невысокого эффекта. Более эффективно перерабатывать торф и полученные продукты использовать в сельском хозяйстве. Одним из таких направлений является получение гуминовых кислот и создания на их основе эффективных удобрений ­– стимуляторов роста растений [1].

Анализ способов извлечения гуминовых кислот из торфов показал, что существуют различные способы получения биологически активных веществ из торфа, угля и другого природного органического вещества: физические, химические, микробиологические, биохимические, которые базируются на различном воздействии на органическое вещество, его гуминовый комплекс. Наиболее широкое использование для извлечения биологически активных веществ нашло применение водных растворов щелочей [2].

Из торфа получены такие стимуляторы роста растений как гумат натрия (Днепропетровск), оксидат (оксидат торфа, Минск), гидрогумат (Минск), оксигумат (Минск), нитрогуминовый стимулятор (Калинин), Гумостим (Томск). Все эти гуминовые препараты нашли широкое применение в растениеводстве и животноводстве.

Исследования по литературным источникам показали, что для максимального извлечения гуминовых кислот торф обрабатывают щелочным раствором пирофосфата натрия с последующим неоднократным действием на остаток торфа 1н раствора едкого натрия при нагревании [3]. Особенностью этого процесса является использование:

1) высокой концентрации раствора щелочного раствора пирофосфата натрия (4,5% пирофосфата и 0,4% едкого натрия);

2) высокой концентрации раствора едкого натрия (4%);

3) широкого гидромодуля (1-2 части торфа в пересчете на сухую беззольную массу к 100мл щелочного раствора).

В препарате, полученном по этому способу, содержание гуминовых кислот было максимальным: 1,47%. Недостатком этого способа извлечения гуминовых кислот является многоступенчатость процесса, потребность в большом количестве щелочных препаратов, что в условиях производства усложняет процесс, повышает затраты на получение гуминового препарата.

Использование 1н (4%) раствора едкого натрия обеспечивает высокое извлечение гуминовых кислот из торфа благодаря высокой концентрации щелочи (4%), широкому гидромодулю (1-2 части торфа в пересчете на сухую беззольную массу к 100мл щелочного раствора). Недостатком этого способа извлечения гуминовых кислот из торфа является высокая концентрация раствора едкого натрия (4%), которая обуславливает высокие значения реакции среды (рН=13) [5]. Сильно щелочная реакция в гуминовом препарате вызывает раздражение кожных покровов и может вызвать ожог семян и растений.

На практике для извлечения гуминовых кислот из торфа используют концентрацию щелочи 1-2,5% и гидромодуль на уровне 1:10. При таких показателях щелочного гидролиза торфа выход гуминовых кислот составляет 30-50% от содержания общих гуминовых кислот.

В СибНИИСХиТ Россельхозакадемии разработаны способы щелочного гидролиза торфа с применением растворов едкого натрия и водного аммиака, обеспечивающие достижение выхода гуминовых кислот на уровне 80-85% от содержания общих гуминовых кислот. Особенность способов заключается в применении:

1) невысоких концентраций щелочных реагентов (2-2,5%-ного раствора едкого натрия и 0,5-0,6%-ного раствора водного аммиака);

2) невысокого гидромодуля (соотношения абсолютно сухого вещества торфа к объему применяемого щелочного реагента): 1:7-1:12;

3) нагревание торфощелочной суспензии с едким натрием при 80ºС в течение 9-11часов при атмосферном давлении, торфощелочной суспензии с водным аммиаком при 115-120ºС в течение 4-х часов под давлением 2-4 атм.

В данной работе исследуется щелочной гидролиз торфа с применением растворов едкого натрия и водного аммиака по методикам ГНУ СибНИИСХиТ. Для примера исследовались физико-химические свойства и способы извлечения гуминовых препаратов из низинного торфа месторождения «Горелище» Пензенской области. Целью проводимых работ было:

1. Определение физико-химических свойств образцов торфа: влажность, зольность, содержание сухого и органического вещества, содержание гуминовых кислот, выход общих и свободных гуминовых кислот.

2. Апробация способов извлечения гуминовых кислот из низинного торфа: щелочной гидролиз с применением растворов щелочи NaOH, водного аммиака и перекиси водорода.

Физико-химические исследования проводились по стандартным методикам:

· реакция среды в торфе определялась по ГОСТ 11623-89. Торф. Обменная и активная кислотность,

· содержание сухого вещества, зольность в торфе - по ГОСТ 27894.0-88 – ГОСТ 27894.11-88. Торф и продукты его переработки для сельского хозяйства. Методы анализа.

· содержание гуминовых кислот – по ГОСТ 9517-94. Угли бурые и каменные. Методы определения выхода гуминовых кислот (в модификации ГНУ СибНИИСХиТ Россельхозакадемии).

Повторность анализов физико-химических свойств торфа – двукратная.

Результаты исследования приведены в таблице 1. Установлено, что в исследуемом образце торфа содержится 9,3% воды, 90,7% сухого вещества, 50,1% золы.

Массовая доля органического вещества составляет 40,6%, общих гуминовых кислот 14,7%, свободных гуминовых кислот 14,4% в сухом образце. Выход свободных гуминовых кислот достигает 98% от содержания общих гуминовых кислот.

Расчетным путем показано, что общий выход гуминовых кислот из органического вещества торфа достигает 36,3% (14,7%), свободных гуминовых кислот, единожды извлекаемых 1%-ным раствором едкого натра, составляет 35,5% (14,4%) (табл.1).

Согласно требований ТУ БССР физико-химические свойства торфа для получения из него биологически активных веществ должны иметь следующие показатели: влажность - не менее 60%, зольность – не более 25%, содержание гуминовых кислот – не менее 30%, степень разложения – не более 30% [4].

Таблица 1 – Физико-химические свойства низинного торфа с месторождения «Горелище» Пензенской области

 

Объект исследования

 

Влаж-ность, %

 

Содер-жание сухого вещест-ва,

%

 

Золь-ность,

%

Массо-вая доля общих гумино-вых кислот в сухом образце,

%

Массо-вая доля свобод-ных гумино-вых кислот в сухом образце, %

Выход свобод-ных гумино-вых кислот, % от общих

Общий выход гумино-вых кислот

Выход свобод-ных гумино-вых кислот

% в пересчете на сухое органическое вещество торфа

Низинный торф месторождения «Горелище» Пензенской области

 

9,3

 

90,7±

0,9

 

50,1±2,1

 

14,7± 2,1

 

14,4

 

98

 

36,3±

2,6

 

35,5±

2,5

 

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что представленный образец низинного торфа характеризуется высокой зольностью (50,1%), невысоким содержанием гуминовых кислот (14,7%), но высоким выходом свободных гуминовых кислот (98% от содержания общих гуминовых кислот). Высокий показатель выхода свободных гуминовых кислот обусловлен особенностями исследуемого низинного торфа и свидетельствует о том, что при однократном извлечении их раствором щелочи в гуминовый препарат перейдет основная масса гуминовых кислот. Благодаря этому показателю низинный торф месторождения «Горелище» может быть использован для получения гуминовых препаратов, несмотря на невысокое содержание гуминовых кислот в нем.

Высокое содержание зольных элементов, наличие карбоновых кислот (гуминовых и аминокислот) в этом препарате способствуют созданию растворимых хелатных форм макро- и микроэлементов с гуминовыми и аминокислотами, что повысит физиологическую активность препарата.

Расчетами показано, что при щелочном гидролизе торфа содержание гуминовых кислот в препарате при поддержании гидромодуля (соотношения абсолютно сухого вещества торфа к жидкой фракции в торфощелочной суспензии) на уровне 1:10 не будет превышать 1,44%.

В таблице 2 показан компонентный состав торфощелочных суспензий для получения гуминовых препаратов из низинного торфа месторождения «Горелище» Пензенской области.

Получение гуминовых препаратов проведено на лабораторном экстракторе, в котором объем торфощелочной суспензии составляет 5л. Для разделения твердой и жидкой фракции использована лабораторная центрифуга марки ОС-6М. В процессе работы установлено, что при стоянии в течение ночи торфощелочная суспензия ускоренно разделяется на твердую и жидкую фракции. Это позволило разделить полученные торфощелочные суспензии с применением капронового, а затем лавсанового сит. Окончательное отделение твердой фракции торфощелочной суспензии проведено на лабораторной центрифуге. Преимуществом ускоренного разделения торфощелочных суспензий является то, что в процессе производства гуминового препарата примерно 2/3 объема суспензии можно разделить декантированием, остаток суспензии – на центрифуге.

Таблица 2 – Компонентный состав торфощелочной суспензии для получения гуминовых препаратов из низинного торфа месторождения «Горелище» Пензенской области.

Вариант щелочного гидролиза низинного торфа

Количе-ство влажного торфа, в том числе абсолютно сухого г

Подготовка торфа

Объем воды в торфе, мл

Доза водного аммиака и пере-киси во-дорода, % от а.с.в. торфа

Объем перекиси водоро-да, мл

Объем (масса)щелоч-ного реаген-та

Количе-ство дистил-лирован-ной воды, л

Общее количество воды в ТЩС, мл

1. С применением водного аммиака и перекиси водорода

1013 (500г а.с.в.)

Измельче-ние на универсаль-ной мельнице пр-ва ГДР

512,8

25

125

125мл

4238

5000

2. С применением раствора 2%-ного NaOH

1013 (500г а.с.в.)

-/-

512,8

20

-

100г

4487,2

5000

 

Способы извлечения гуминовых кислот из низинного торфа заключались в следующем.

В первом варианте опыта низинный торф, измельченный на универсальной мельнице, вносился в лабораторный экстрактор в дозе 500г в пересчете на абсолютно сухое вещество (а.с.в.), заливался водой объемом 42380 мл. Полученная водная суспензия торфа тщательно перемешивалась до полного смачивания торфа водой. Крышка экстрактора закрывалась, включалась мешалка. В экстрактор сначала заливалось при постоянном перемешивании 125мл 25%-ного раствора водного аммиака, затем 125мл 33%-ной перекиси водорода. Доза водного аммиака и перекиси водорода в торфощелочной суспензии составила 25% на а.с.в. торфа. Концентрация водного аммиака и перекиси водорода в торфощелочной суспензии не превышала 0,6%. Гидромодуль составил 1:10. Процесс экстракции гуминовых кислот из торфа аммиаком осуществлялся при постоянном перемешивании суспензии мешалкой при 115-120ºС в течение 4-х часов под давлением 2-4 атм.

В таблице 2 показаны качественные показатели гуминовых препаратов из торфа при разных способах их получения.

Таблица 3 – Влияние способов извлечения гуминовых кислот из торфа на качественные показатели гуминовых препаратов

Вариант щелочного гидролиза низинного торфа

Доза щелочного реагента, % от а.с.в. торфа

Объем перекиси водорода, мл

Реакция среды (рН)

Содержание гуминовых кислот, %

Выход гуминовых кислот, % от содержания общих гуминовых кислот в торфе

1. С применением 0,6%-ного водного аммиака и перекиси водорода

25

125

9

1,16

78,9

2. С применением раствора 2%-ного NaOH

8,97

-

13

1,14

77,6

 

Во втором варианте опыта щелочной гидролиз торфа проведен раствором 2%-ного раствора едкого натра при нагревании торфощелочной суспензии при 80ºС в течение 5 часов при атмосферном давлении. В экстрактор внесен торф в дозе 500г в пересчете на абсолютно сухое вещество, 4487мл 2,23%-ного едкого натрия. С учетом воды в торфе содержание щелочи в торфощелочной суспензии составило 2%. Гидромодуль поддерживался на уровне 1:10. Процесс экстракции проведен при постоянном перемешивании мешалкой.

Извлечение гуминовых кислот из торфа 2%-ным раствором едкого натрия при нагревании при 80ºС в течение 5-х часов обеспечивает высокий выход гуминовых кислот из исследуемого образца низинного торфа: 77,8% от содержания общих гуминовых кислот в торфе. В готовом гуминовом препарате содержание гуминовых кислот составило 1,14% (табл. 3).

К основному недостатку этого способа получения гуминового препарата следует отнести то, что полученный гумат натрия имеет высокую реакцию среды (рН=13).

В варианте опыта с применением 0,6%-ного водного раствора аммиака в присутствии перекиси водорода показано, что препарат содержит 1,16% гуминовых кислот. Выход гуминовых кислот достигал 80% от содержания общих гуминовых кислот. Реакция среды не превышала рН=9 (табл. 3).

Из исследованных способов воздействия на органическое вещество торфа и получения биологически активных гуминовых препаратов следует отдать предпочтение способу, основанному на аммонизации торфа водным аммиаком с одновременным окислением извлекаемых из торфа органических веществ перекисью водорода.

Преимущества этого способа:

1. Оригинальный способ получения препарата, обеспечивающий окисление промежуточных продуктов до гуминовых, карбоновых, аминокислот, что подтверждается в 2 раза большим содержанием карбоксильных групп по сравнению с гуматом натрия, полученным без применения перекиси водорода.

2. Производство гуминового препарата обеспечивает высокий выход действующего вещества (не менее 80%), что превышает на 30-50% данный показатель у других препаратов.

3. Реакция среды в препарате не превышает рН=9.

4. Дополнительное содержание в препарате аммиачного азота за счет азота мочевины. Это обуславливает а) подкормку растений азотом при обработке семян и опрыскивании вегетирующих растений гуминовым препаратом; б) дополнительное внесение с гуминовой кормовой добавкой протеина для животных.

5. Содержание в препарате 16 аминокислот из 20 существующих, в том числе семь незаменимых из десяти.

6. Более высокая биологическая активность по сравнению с другими продуктами переработки торфа, обусловлена содержанием в его составе преимущественно органических кислот, незаменимых аминокислот, витаминов, макро-, микроэлементов.

Опыты показали, что для повышения содержания гуминовых кислот в получаемом препарате следует понизить гидромодуль с 1:10 до 1:7-8. В связи с невысоким содержанием гуминовых кислот в торфе для повышения биологической активности гуминового препарата предложено снизить дозу водного аммиака и перекиси водорода при щелочном гидролизе низинного торфа.

Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Выводы:

1. Низинный торф месторождения «Горелище» Пензенской области можно применять для производства гуминового препарата. При этом есть основания полагать, что образование хелатной формы макро-, микроэлементов с гуминовыми и аминокислотами повысит биологическую активность гуминового препарата, повысит эффективность его применения в животноводстве.

2. Наиболее перспективным способом извлечения гуминовых кислот из торфа является щелочной гидролиз с применением водного аммиака и перекиси водорода. Гуминовый препарат может быть применен в качестве удобрения и кормовой добавки аналогично известным гуминовым препаратам: Гумитону и Гумостиму.

3. Быстрая расслаиваемость торфощелочной суспензии позволит применить метод декантации в процессе производства гуминового препарата для разделения основной массы жидкой и твердой фракций.

4. Для повышения выхода гуминового препарата из низинного торфа следует изучить влияние на него технологических параметров, в том числе дозы водного аммиака и перекиси водорода, гидромодуля.

Рецензенты:

Урнёв И.В., д.т.н., профессор Пензенского государственного университета, Генеральный директор НПП ООО «Вольта» - Представитель Федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по Пензенской области, г. Пенза;

Михеев М.Ю., д.т.н., профессор Пензенского государственного технологического университета, г. Пенза.


Библиографическая ссылка

Роганов В.Р., Касимова Л.В., Тельянова А.В., Елисеева И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ НИЗИННОГО ТОРФА ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16446 (дата обращения: 08.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074